基于AnyCem?系統(tǒng)的自動化固井技術(shù)研究與應(yīng)用

江 樂，程思達(dá)，段宏超，張懷文，杜 甫，李 勇

（1.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司，北京 102206；2.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司長慶固井公司，陜西西安 710018；3.中國石油集團(tuán)長城鉆探工程有限公司固井公司，遼寧盤錦 124010）

傳統(tǒng)固井存在參與施工人員多、井場設(shè)備多、作業(yè)成本高、施工工序銜接緊密性不足、勞動強(qiáng)度大和高壓區(qū)作業(yè)風(fēng)險高等問題。自動化固井可減少高壓區(qū)人工操作，降低勘探開發(fā)施工風(fēng)險，提升作業(yè)精準(zhǔn)度和施工的連續(xù)性，提高固井施工質(zhì)量。近年來，隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)及自動控制技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外固井公司、相關(guān)高校在自動控制混漿系統(tǒng)[1-3]、實(shí)時采集監(jiān)測系統(tǒng)[4-6]等方面取得了一些研究成果，研發(fā)了系列自動混漿固井水泥車[7-11]和固井實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)[12-16]，初步實(shí)現(xiàn)了水泥漿密度的自動控制。但是，截至目前，國內(nèi)外尚未形成多裝備、多參數(shù)、全流程一體化自動控制技術(shù)，仍無法解決井口高壓作業(yè)區(qū)施工人員多、傳統(tǒng)灰罐水泥輸送不穩(wěn)定致使水泥漿密度自動控制難度大和高壓井口閥島難以精準(zhǔn)自動切換等技術(shù)難題。

在上述調(diào)研分析的基礎(chǔ)上，筆者研究了多裝備協(xié)同聯(lián)動的控制方法，研制了自動化固井作業(yè)裝備，開發(fā)了多功能、一體化的AnyCem?固井平臺系統(tǒng)，形成了以自動化固井核心裝備和AnyCem?固井平臺系統(tǒng)為核心的自動化固井技術(shù)，具備供灰、泵注和井口作業(yè)等固井施工關(guān)鍵環(huán)節(jié)自動控制的能力，提高了固井裝備的自動化程度和精準(zhǔn)連續(xù)施工的水平，提高了固井施工精度，降低了施工人員的勞動強(qiáng)度及高壓區(qū)的作業(yè)風(fēng)險，保障了固井施工安全與固井質(zhì)量。

1 自動化固井技術(shù)的構(gòu)成

基于AnyCem?固井平臺系統(tǒng)的自動化固井技術(shù)整體框架如圖1所示。

圖1 自動化固井技術(shù)框架Fig.1 Framework of automatic cementing technology

其中，自動化固井的核心裝備包括自動監(jiān)控固井水泥車、自動化穩(wěn)定供灰系統(tǒng)、自動化水泥頭及閘閥系統(tǒng)、自動化固井指揮車等；AnyCem?固井平臺系統(tǒng)主要包括固井設(shè)計(jì)模擬與科學(xué)分析、自動化施工作業(yè)實(shí)時監(jiān)控、固井工程生產(chǎn)組織與技術(shù)管理、固井?dāng)?shù)據(jù)平臺等4大功能模塊。AnyCem?固井平臺系統(tǒng)的自動化施工作業(yè)實(shí)時監(jiān)測與控制模塊與自動化固井核心裝備實(shí)時交互，實(shí)現(xiàn)自動化固井。

2 自動化固井核心裝備的研制

在研究形成固井裝備自動化控制關(guān)鍵方法的基礎(chǔ)上，研制了自動化固井成套裝備，首次實(shí)現(xiàn)了裝備操作無人化。

2.1 自動監(jiān)控固井水泥車

研制自動監(jiān)控固井水泥車時，按照固井泵注作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)和參數(shù)實(shí)時監(jiān)控要求，結(jié)合AnyCem?固井平臺系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)控功能，在常規(guī)固井水泥車的基礎(chǔ)上，研究了水泥車上水、下灰、密度、排量等協(xié)同聯(lián)動控制方法，制定了水泥車動力系統(tǒng)、壓力系統(tǒng)、混拌系統(tǒng)、電路系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)等的改造升級方案，以實(shí)現(xiàn)上水自動監(jiān)控、閘閥開關(guān)及開度自動調(diào)節(jié)、施工參數(shù)自動傳輸、施工指令自動接收及執(zhí)行、排量密度自動控制和超壓超限自動報警等功能。該自動監(jiān)控固井水泥車的密度控制精度為±0.01 kg/L，排量控制精度為±0.01 m3/min，壓力控制精度為±0.5 MPa，與斯倫貝謝、哈里伯頓等公司制造的水泥車處于同等水平。另外，該水泥車同時可與水泥頭、供灰系統(tǒng)等自動化固井核心裝備協(xié)同作業(yè)，這一點(diǎn)國內(nèi)外其他固井水泥車暫不具備。

自動監(jiān)控固井水泥車的設(shè)計(jì)原理與方法：1）設(shè)計(jì)了水泥車操控系統(tǒng)與控制面板，可遠(yuǎn)程控制發(fā)動機(jī)、離心泵啟停，以及油門、變速箱檔位、底盤車轉(zhuǎn)速、水閥/灰閥開度、混漿攪拌轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對水泥車各系統(tǒng)的全面監(jiān)控；2）在柴油機(jī)及變速箱上增加動力系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)傳感器，可實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)油門、變速箱換擋的自動控制；3）可實(shí)時采集高能混合器、混漿罐及水罐的水閥/灰閥開度、混漿罐液位、柱塞泵排量壓力、清水液位和水泥漿參數(shù)等數(shù)據(jù)，控制相關(guān)工作參數(shù)，實(shí)現(xiàn)自動監(jiān)控混漿；4）將循環(huán)離心泵流量控制升級為自動電控，以配合不同工況，實(shí)現(xiàn)離心泵的自動啟?？刂疲换鞚{罐攪拌使用PVG比例閥，實(shí)現(xiàn)攪拌的遠(yuǎn)程控制；在液壓系統(tǒng)上配置壓力傳感器，將采集到的信號輸送至控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)壓力的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.2 自動化穩(wěn)定供灰系統(tǒng)

自動化穩(wěn)定供灰系統(tǒng)以灰量控制、氣量壓力控制為監(jiān)控核心，解決了傳統(tǒng)灰罐供灰量波動大導(dǎo)致水泥漿密度不易控制的難題，實(shí)現(xiàn)了供灰設(shè)備的遠(yuǎn)程自動操作。自動化穩(wěn)定供灰系統(tǒng)可持續(xù)為自動化固井水泥車提供相對均勻穩(wěn)定的干灰量供應(yīng)，供灰速率波動量≤2.0%，罐余監(jiān)測量≤1.5%，為水泥漿密度穩(wěn)定控制提供了有利條件。

自動化穩(wěn)定供灰系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理與方法：1）在立式灰罐中增加了重力和壓力傳感器，采集相關(guān)參數(shù)，為自動供灰提供判斷依據(jù)；增加閥門開度檢測功能，通過電磁閥島控制氣源的通斷，實(shí)現(xiàn)各閥門的自動開關(guān)；2）在立式灰罐底橇上設(shè)置控制箱，利用測控系統(tǒng)采集灰罐所受重力、壓力和蝶閥開度等狀態(tài)參數(shù)，通過數(shù)據(jù)線連接空壓機(jī)橇控制箱，實(shí)現(xiàn)對進(jìn)氣口及出灰口閥門的自動控制；3）在空壓機(jī)橇上增加加載/卸載電磁閥及控制系統(tǒng)，進(jìn)行信號控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程加載/卸載及采集數(shù)據(jù)等功能；4）在空壓機(jī)橇上設(shè)置控制箱，利用測控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)的自動啟停、運(yùn)行參數(shù)獲取，空壓機(jī)橇的控制箱與立式灰罐控制箱用組合電纜連接，與立式灰罐進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通過數(shù)據(jù)線連接自動化固井指揮車，實(shí)現(xiàn)與AnyCem?固井平臺系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信。

2.3 固井自動監(jiān)控水泥頭及閘閥系統(tǒng)

自動化固井水泥頭及閘閥系統(tǒng)采用了自動控制系統(tǒng)、電控液機(jī)構(gòu)、雙保險指示器和快裝短節(jié)等新設(shè)計(jì)，可實(shí)時監(jiān)測固井工作液參數(shù)、控制固井工作液流道切換、控制水泥頭膠塞釋放，系統(tǒng)動作指令響應(yīng)時間小于2 s，工序銜接緊密，實(shí)現(xiàn)了固井井口裝備遠(yuǎn)程自動化控制。

固井自動監(jiān)控水泥頭及閘閥系統(tǒng)由自動水泥頭、閘閥監(jiān)控橇和自動控制系統(tǒng)組成。研制原理及方法為：1）自動水泥頭將遠(yuǎn)程控制的擋銷機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)水泥頭有機(jī)結(jié)合，液壓螺桿式擋銷執(zhí)行器和膠塞下落指示器可自動控制膠塞的投放，并將膠塞下落信號反饋給自動控制系統(tǒng)；2）閘閥監(jiān)控橇集成高壓質(zhì)量流量計(jì)，具備固井工作液壓力、密度、排量監(jiān)測及工作流道的自動切換功能，為自動化固井作業(yè)提供數(shù)據(jù)支持；3）自動控制系統(tǒng)可遠(yuǎn)程控制閘閥監(jiān)控橇和水泥頭動作的執(zhí)行，采集固井工作液性能參數(shù)，與AnyCem?固井平臺系統(tǒng)遠(yuǎn)程對接，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動監(jiān)控固井水泥頭作業(yè)。

2.4 自動化固井指揮車

固井指揮車搭載AnyCem?固井平臺系統(tǒng)，與自動監(jiān)控固井水泥車、穩(wěn)定供灰系統(tǒng)、水泥頭及閘閥系統(tǒng)等裝備高質(zhì)量對接，能夠在施工過程中實(shí)時掌握各項(xiàng)參數(shù)和各關(guān)鍵環(huán)節(jié)的工作狀況，可準(zhǔn)確發(fā)出控制指令，自動控制自動化裝備各部件、機(jī)構(gòu)的動作，實(shí)現(xiàn)施工中各環(huán)節(jié)的統(tǒng)一指揮，確保固井施工順利進(jìn)行，更好地規(guī)避施工風(fēng)險，提高固井服務(wù)能力和水平。數(shù)據(jù)傳輸時差小于0.01 ms，準(zhǔn)確率100%。與國內(nèi)外其他指揮車相比，該自動化固井指揮車實(shí)現(xiàn)了多裝備聯(lián)同協(xié)作及軟硬件一體化對接，是全流程自動化固井作業(yè)實(shí)施的有效保障。

自動化固井指揮車的工作原理為：車載中央控制系統(tǒng)可對接收的施工數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，結(jié)合實(shí)際施工壓力、密度和排量等參數(shù)實(shí)時發(fā)出控制指令，對作業(yè)裝備閥門的開閉或開度、作業(yè)流道切換、不同裝備間聯(lián)調(diào)作業(yè)等進(jìn)行自動調(diào)節(jié)和控制；當(dāng)自動化作業(yè)出現(xiàn)突發(fā)狀況時，中央控制系統(tǒng)會發(fā)出警報，并改為本地操作控制；自動化固井指揮車對接自動化核心裝備作業(yè)數(shù)據(jù)的接收與傳輸系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)固井施工現(xiàn)場作業(yè)數(shù)據(jù)（施工流體密度、壓力、排量、用量、實(shí)時視頻等）的實(shí)時采集，借助搭載的AnyCem?固井平臺系統(tǒng)，技術(shù)人員和專家可實(shí)時掌握現(xiàn)場施工情況，為現(xiàn)場出現(xiàn)的各類復(fù)雜情況提供解決方案。

3 AnyCem?固井平臺系統(tǒng)的開發(fā)

AnyCem?固井平臺系統(tǒng)包括固井設(shè)計(jì)模擬、自動化固井施工作業(yè)實(shí)時監(jiān)控、固井工程生產(chǎn)組織與技術(shù)管理、固井?dāng)?shù)據(jù)管理等4個功能模塊，框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。其中，固井設(shè)計(jì)模擬模塊是自動化固井施工參數(shù)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)來源，自動化固井施工作業(yè)實(shí)時監(jiān)控模塊是與自動化固井裝備交互的關(guān)鍵模塊，固井?dāng)?shù)據(jù)管理模塊是固井施工參數(shù)數(shù)字化管理與分析利用的重要基礎(chǔ)。因此，下面重點(diǎn)闡述上述3個模塊的功能特性、數(shù)據(jù)交互及存儲方法。

圖2 AnyCem?固井平臺系統(tǒng)框架圖Fig.2 Frame of AnyCem? cementing platform system

3.1 固井設(shè)計(jì)模擬模塊

在分析固井技術(shù)難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，綜合考慮井下復(fù)雜情況，構(gòu)建了套管強(qiáng)度校核、居中設(shè)計(jì)、下套管、沖洗頂替、漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、平衡壓力固井及施工參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，并開發(fā)了相應(yīng)的模擬軟件模塊。該模擬軟件模塊主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、固井設(shè)計(jì)和固井模擬模塊。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包含井的基本數(shù)據(jù)、地質(zhì)數(shù)據(jù)、井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、測斜數(shù)據(jù)、井徑數(shù)據(jù)和鉆井液數(shù)據(jù)等?；A(chǔ)數(shù)據(jù)模塊相關(guān)數(shù)據(jù)，可自動傳值于后續(xù)套管柱設(shè)計(jì)、注水泥設(shè)計(jì)等固井設(shè)計(jì)模塊，以及套管下入模擬、注水泥過程動態(tài)模擬、頂替效率模擬等固井模擬模塊?；A(chǔ)數(shù)據(jù)模塊可輔助完成各類固井設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、仿真模擬和科研分析功能。

固井設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)包含套管數(shù)據(jù)、居中分析結(jié)果、施工流體用量、流體返深、流體流變參數(shù)和流變學(xué)設(shè)計(jì)相關(guān)結(jié)果等。這些數(shù)據(jù)可自動傳值于注水泥過程中的動態(tài)模擬、頂替效率模擬等固井模擬模塊，輔助實(shí)現(xiàn)仿真模擬功能。

固井模擬模塊中的施工流體密度、注入量和泵入排量等設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，可自動傳值于自動化固井施工作業(yè)實(shí)時監(jiān)控模塊。通過將密度、排量、注入量等設(shè)計(jì)值自動傳輸至固井自動監(jiān)控水泥車等自動化固井裝備，實(shí)時對比設(shè)計(jì)值與從固井自動監(jiān)控水泥車及自動化水泥頭遠(yuǎn)程采集的監(jiān)測值，根據(jù)對比結(jié)果，向自動化固井裝備發(fā)送控制指令，實(shí)現(xiàn)軟硬件一體化協(xié)同自動化固井作業(yè)。

3.2 自動化固井施工作業(yè)實(shí)時監(jiān)控模塊

為了更好地滿足固井施工作業(yè)要求，確保固井高質(zhì)量進(jìn)行，開發(fā)了自動化固井施工作業(yè)實(shí)時監(jiān)控功能模塊。

該模塊解決了水泥漿密度快速、精確自動控制計(jì)算，多裝備、多參數(shù)、全流程自動控制，高壓井口閥島精準(zhǔn)切換等技術(shù)難題，全面設(shè)計(jì)了固井水泥車自動上水、預(yù)混、泵注漿體、階段自動切換、停泵、泄壓和停止泄壓等功能，實(shí)現(xiàn)了水泥漿快速、精準(zhǔn)和自動混配與泵注；設(shè)計(jì)了穩(wěn)定供灰系統(tǒng)進(jìn)氣口、出灰口閥門比例控制功能，實(shí)現(xiàn)了施工過程中灰量與氣量壓力全程穩(wěn)定控制，保障了固井施工灰量供應(yīng)穩(wěn)定；設(shè)計(jì)了固井膠塞自動控制、閘閥流道自動切換等功能，實(shí)現(xiàn)了對井口壓力、泵注排量、流體密度等施工參數(shù)的精準(zhǔn)連續(xù)監(jiān)測與采集，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際工況，通過實(shí)時對比、優(yōu)化調(diào)整設(shè)計(jì)值，實(shí)現(xiàn)了對固井施工全流程各階段的自動化控制；設(shè)計(jì)了視頻信號采集與存儲功能，實(shí)現(xiàn)了對固井施工關(guān)鍵位置（如施工現(xiàn)場、循環(huán)出口、計(jì)量罐、混漿罐等）的實(shí)時視頻監(jiān)視與遠(yuǎn)程傳輸，可進(jìn)行事故預(yù)警。

該模塊可搭載于施工現(xiàn)場自動化固井指揮車，基于施工現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備，實(shí)現(xiàn)施工參數(shù)采集與傳輸，并與設(shè)計(jì)值進(jìn)行對比分析，根據(jù)現(xiàn)場施工情況實(shí)時控制固井作業(yè)，實(shí)現(xiàn)試壓-泵注-膠塞釋放-替漿-碰壓等固井全流程多工序自動化作業(yè)。也可通過“啟動服務(wù)”，采用連接服務(wù)的方式，實(shí)現(xiàn)固井遠(yuǎn)程監(jiān)控指揮總部對現(xiàn)場作業(yè)的遠(yuǎn)程監(jiān)測與高效指導(dǎo)。

3.3 固井?dāng)?shù)據(jù)管理模塊

固井?dāng)?shù)據(jù)管理模塊是針對固井施工區(qū)域廣、工作量大，固井技術(shù)人員在獲取施工參數(shù)、固井施工設(shè)計(jì)、固井質(zhì)量分析和固井工作液實(shí)驗(yàn)報告等資料時存在搜集資料繁瑣、耗時長、人工成本高、數(shù)據(jù)缺失或不全等問題而開發(fā)。具體而言，固井?dāng)?shù)據(jù)管理模塊具有固井設(shè)計(jì)模擬、固井自動監(jiān)控、固井測井解釋及分析、固井試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動采集與管理等功能，主要用于固井施工前、施工中和施工后分析與管理固井全過程數(shù)據(jù)。固井施工前，綜合多因素進(jìn)行設(shè)計(jì)分析、模擬；固井施工中，采用自動控制方式作業(yè)，減少人為因素影響，保證固井質(zhì)量。

固井設(shè)計(jì)模擬結(jié)果、自動化固井施工數(shù)據(jù)及視頻、固井質(zhì)量解釋、試驗(yàn)數(shù)據(jù)等原始資料可自動存儲于該模塊，實(shí)現(xiàn)單井固井全過程資料信息的數(shù)據(jù)存儲與管理功能。同時，根據(jù)關(guān)鍵詞分類，可快速篩選不同作業(yè)時間、不同作業(yè)區(qū)塊、不同井型井別、不同套管固井類型和不同項(xiàng)目部等條件的已固井全過程數(shù)據(jù)信息，為后續(xù)同區(qū)塊、同類型井的固井設(shè)計(jì)與高質(zhì)量施工提供優(yōu)化方案。

4 自動化固井技術(shù)現(xiàn)場施工措施

4.1 施工準(zhǔn)備

固井設(shè)備到達(dá)施工現(xiàn)場后，自動化固井指揮車需擺放在高壓區(qū)域外。井口安裝自動化固井水泥頭時，應(yīng)采取合理的吊裝方式，避免磕碰。從自動化固井水泥頭、自動化穩(wěn)定供灰系統(tǒng)連接至自動監(jiān)控固井水泥車的管線應(yīng)短且直。

連接好設(shè)備管線與相關(guān)電纜后，為相關(guān)設(shè)備供電，并打開供電開關(guān)，本地或遠(yuǎn)程啟動自動監(jiān)控固井水泥車底盤車，并掛取底盤取力器，確保所有可編程控制器（PLC）或其他控制硬件模塊處于開啟狀態(tài)，將控制模式切換至遠(yuǎn)程狀態(tài)。

4.2 作業(yè)流程

1）自動化固井成套裝備擺放在施工現(xiàn)場指定位置，自動監(jiān)控固井水泥車計(jì)量罐內(nèi)預(yù)裝1.5～2.0 m3清水，安放隔離帶。

2）連接設(shè)備線纜，測試軟件與相關(guān)設(shè)備的通信狀態(tài)，成功建立通信后，進(jìn)行設(shè)備閥門動作執(zhí)行測試，通過軟件對設(shè)備的閥門逐一進(jìn)行開啟/關(guān)閉遠(yuǎn)程控制，確認(rèn)閥門動作執(zhí)行正常。

3）進(jìn)行固井作業(yè)前，技術(shù)員在軟件上設(shè)置循環(huán)、試壓、注前置液、水泥漿預(yù)混、注水泥漿、投膠塞、注頂替液等流程作業(yè)參數(shù)。自動化固井作業(yè)流程及監(jiān)控的作業(yè)參數(shù)見表1。

表1 自動化固井作業(yè)流程及監(jiān)控的作業(yè)參數(shù)Table 1 Process of automatic cementing operation and monitoring parameters

4）開始固井作業(yè)后，技術(shù)人員在固井指揮車內(nèi)通過軟件自動啟動各作業(yè)流程，實(shí)時查看現(xiàn)場作業(yè)視頻、數(shù)據(jù)及相關(guān)曲線，確保自動化作業(yè)各階段的控制指令均能正確實(shí)施。

4.3 作業(yè)要求

1）管匯試壓應(yīng)在注前置液、預(yù)混、注水泥漿及頂替流程前完成，預(yù)混應(yīng)在注水泥漿流程前完成，注頂替液流程應(yīng)在自動投放膠塞之后啟動；

2）啟動軟件，執(zhí)行已設(shè)置的作業(yè)工序，監(jiān)測施工狀態(tài)是否正常、作業(yè)參數(shù)與設(shè)定參數(shù)是否一致；

3）作業(yè)過程中，可根據(jù)施工需求對作業(yè)參數(shù)及工序進(jìn)行調(diào)整，并繼續(xù)實(shí)施自動作業(yè)；

4）作業(yè)過程中，管線及設(shè)備的清洗需由現(xiàn)場作業(yè)人員手動完成；

5）進(jìn)行試壓及碰壓操作時，必須使用超壓保護(hù)模式，降低排量，以防壓力突升；

6）作業(yè)過程中，出現(xiàn)井下復(fù)雜情況或儀器儀表和設(shè)備發(fā)生故障時，需第一時間切換為手動操作，保證固井施工順利進(jìn)行。

5 現(xiàn)場應(yīng)用

基于AnyCem?系統(tǒng)的自動化固井技術(shù)已在遼河油田、長慶油田、西南油氣田和華北油田等油氣田應(yīng)用85井次，應(yīng)用范圍涵蓋表層套管、技術(shù)套管及生產(chǎn)套管、尾管回接固井，涉及直井、定向井和水平井等井型，固井施工各階段監(jiān)控作業(yè)成功率及遠(yuǎn)程傳輸準(zhǔn)確率100%，水泥漿密度控制精度由0.06 kg/L提升至0.01 kg/L，作業(yè)精準(zhǔn)度整體提升80%以上，水泥頭倒閘閥、開擋銷時間由5 min縮短至2 s以內(nèi)，大幅提升了固井作業(yè)的連續(xù)性和施工質(zhì)量，降低了現(xiàn)場勞動強(qiáng)度及高壓區(qū)作業(yè)風(fēng)險。

以遼河油田某井φ244.5 mm技術(shù)套管固井為例，該井井深為1 384 m，井眼直徑φ311.1 mm，利用AnyCem?固井平臺系統(tǒng)及自動化固井成套裝備，進(jìn)行管線試壓、預(yù)混、前置液及水泥漿注替、開擋銷下膠塞、注壓塞液、替漿閥位倒換和碰壓等作業(yè)流程自動化施工。

5.1 自動化固井作業(yè)施工參數(shù)設(shè)計(jì)

基于AnyCem?固井平臺系統(tǒng)開展固井設(shè)計(jì)與模擬分析，合理設(shè)計(jì)固井施工參數(shù)。設(shè)計(jì)的自動化固井作業(yè)參數(shù)見表2。

表2 自動化固井作業(yè)參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果Table 2 Design parameters of automatic cementing operation

5.2 自動化固井作業(yè)的實(shí)施

1）自動化固井裝備到達(dá)現(xiàn)場后，按施工要求完成擺放及通訊線路連接，然后進(jìn)行調(diào)試，并均切換為自動控制模式。

2）采用AnyCem?固井平臺系統(tǒng)，測試施工過程中自動化固井裝備各部件、各機(jī)構(gòu)的動作執(zhí)行得是否準(zhǔn)確。

3）施工前，采用AnyCem?固井平臺系統(tǒng)的試壓模塊，對入井管線進(jìn)行試壓。

4）基于AnyCem?固井平臺系統(tǒng)提前做好固井施工設(shè)計(jì)。階段設(shè)計(jì)參數(shù)自動導(dǎo)入固井實(shí)時監(jiān)控模塊。作業(yè)開始后，漿體泵注、水泥漿預(yù)混、水泥頭倒閘閥、膠塞釋放及穩(wěn)定供灰系統(tǒng)閥門開閉均按表2的設(shè)計(jì)流程自動完成。整個作業(yè)過程中，可實(shí)現(xiàn)對漿體密度、水泥車混漿罐/計(jì)量罐液位、水閥/灰閥開度、漿體用量、各階段排量、出灰口開度、膠塞投遞狀態(tài)等施工參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測與自動控制。

5.3 自動化作業(yè)效果

該井自動化固井施工順利，軟硬件一體化交互、多參數(shù)實(shí)時采集、多裝備協(xié)同監(jiān)控實(shí)施效果較好。管線試壓階段，軟件設(shè)計(jì)最大壓力16.0 MPa，水泥車實(shí)測壓力達(dá)到16.3 MPa穩(wěn)定3 min然后自動泄壓，再次設(shè)計(jì)最大壓力20 MPa，水泥車實(shí)測壓力達(dá)到20.2 MPa穩(wěn)定1 min然后自動泄壓；水泥漿預(yù)混、漿體泵注階段，AnyCem?固井平臺系統(tǒng)自動控制裝備各閥、泵作業(yè)指令執(zhí)行準(zhǔn)確；停泵搖擋銷階段，AnyCem?固井平臺系統(tǒng)自動控制水泥頭投遞膠塞指令執(zhí)行準(zhǔn)確；注壓塞液、替漿閥位倒換、頂替液碰壓均按照AnyCem?固井平臺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)正確執(zhí)行。AnyCem?固井平臺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與監(jiān)測結(jié)果對比見表3。

根據(jù)監(jiān)測采集的流體密度、泵壓、注入量和泵注排量數(shù)據(jù)，繪制了實(shí)時施工曲線，如圖3所示。

自動化固井作業(yè)施工流體密度、泵注排量、注入量等參數(shù)及施工裝備各部件及閥門開閉的監(jiān)控成功率100%，數(shù)據(jù)及視頻遠(yuǎn)程傳輸準(zhǔn)確率100%，監(jiān)測數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)值誤差小于2%，水泥漿密度控制精度0.01 kg/L，排量控制精度0.01 m3/min，水泥頭倒閘閥、開擋銷時間小于2 s。與常規(guī)固井技術(shù)相比，基于AnyCem?系統(tǒng)的自動化固井技術(shù)提高了固井設(shè)計(jì)模擬結(jié)果與施工參數(shù)實(shí)測值的符合率，提升了固井施工作業(yè)精準(zhǔn)度與施工的連續(xù)性，保障了固井施工質(zhì)量。

表3 自動化固井作業(yè)監(jiān)測結(jié)果Table 3 Monitoring results of automatic cementing operation

圖3 自動化固井作業(yè)監(jiān)測曲線Fig.3 Monitoring curve of automatic cementing operation

6 結(jié)論與建議

1）針對我國現(xiàn)有固井軟件存在的不足和問題，研究了多裝備協(xié)同控制方法、全工藝流程自動監(jiān)控方法，研制了自動監(jiān)控固井裝備，開發(fā)了多功能、一體化的AnyCem?固井平臺系統(tǒng)，形成了基于AnyCem?系統(tǒng)的自動化固井技術(shù)。

2）基于AnyCem?系統(tǒng)的自動化固井技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用85井次，實(shí)現(xiàn)了固井裝備操作無人化，提高了固井施工作業(yè)效率，降低了高壓作業(yè)風(fēng)險，改善了高空、高寒等環(huán)境下的作業(yè)模式，固井作業(yè)精準(zhǔn)度整體提升80%以上。

3）現(xiàn)有技術(shù)基于固井軟件開展設(shè)計(jì)與模擬分析，指導(dǎo)自動化固井施工，但無法根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測施工參數(shù)變化而實(shí)時智能優(yōu)化控制。因此，固井自動實(shí)時優(yōu)化作業(yè)與智能決策技術(shù)將是未來的研究方向之一，建議對此開展研究，以進(jìn)一步降本增效，保障和提升井筒封固質(zhì)量。

致謝：中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司固井研究所所長靳建洲，在基于AnyCem?系統(tǒng)的自動化固井技術(shù)研發(fā)思路定型、現(xiàn)場實(shí)施方案優(yōu)化方面提供了專業(yè)指導(dǎo)和無私幫助，為本文的撰寫奠定了良好的基礎(chǔ)，在此表示感謝。