提高鉆井機械效率和穩定性的新型自動化鉆井界面

楊 莉

（中石化勝利分公司河口采油廠工藝研究 257200）

本文章中調查了相關實驗室數據、現場測試及結果，涵蓋了這套新系統從最初的商業應用到被證明有效可行的過程。海上作業每口井因此可以節省24小時，而且有潛力可以將這一數據提高到每口井72小時。陸地鉆機也有相應的數據。

這樣一個系統可以簡稱為一個泥漿泵控制裝置。目前為止，它已經應用于各種型號的陸地鉆機以及一部在海洋作業的深水鉆井船上。通過這種方式，使得原本復雜的針對井下工具的命令傳輸信號變的非常簡單，它應用下拉菜單即可輕松實現。因為在正常的工況下，要在完全手動條件下來保證與井下旋轉導向工具的連接實現零失誤是幾乎不可能的，而通過這種方式可以。另外，它與轉盤和絞車剎車的連接也已經測試成功。通過這種應用，可以用于限制司鉆的作業速度設定，從而避免因缺乏經驗而造成的井眼或其它井口設備受損的情況發生。這種新系統的應用，在未來將從根本上改變鉆井方式。對于現有鉆機來說，它作為一種輸送裝置，可以將復雜的命令準確快速的應用于鉆井作業中。另外，它也可以側重于算法將許多新的鉆井技術得以應用，從而降低鉆柱擺動和疲勞的發生程度，更重要的是可以使井口應力最小化并大大縮減由此產生的故障停工時間。

1 論述這種產品的性能

在鉆柱里面的電子井下工具最初起源于設定為固定配置的MWD，并很快發展為由作業者通過手動作業來實現和井下工具的通訊，也就是我們通常說的“下行通訊”。目前，井下工具主要有MWD、LWD、旋轉導向系統、地層測試工具以及一些附屬設備，它們都可以通過下行通訊接收指示。這些可以通過手動改變鉆機上的手輪實現，或者是通過一個安裝在立管上的閥門。目前有些閥門可以通過一臺預排程序的電腦實現半自動化作業。

設備供應商可以開發一種簡單的控制裝置，它可以被安裝在鉆機現有的控制系統里面以此來實現對下行通訊的自動化。這種計算機化的下行通訊方式分別應用于深水鉆井船和陸地鉆機上。在這篇文章中，詳細描述了它是如何被使用以及它給作業者帶來的種種好處。用時，也探討了應用這種新技術所帶來的長遠影響。

2 目前的理論

目前的井下工具是通過各種地面鉆機設備來接收下行命令的。其中通常公司的作法是利用泥漿流速的變化，它可以在定向井工程師的幫助下由司鉆通過手動調節泵沖數完成。另外有其他公司利用一種位于鉆臺面并與立管系統連接的旁通閥來實現，旁通掉一部分參與正常循環的的泥漿液來傳遞下行信號。其他一些公司通過作為上行連接的閥門來改變壓力脈沖信號，還有一些公司通過改變頂驅或是轉盤的轉速來實現與井下工具的通訊。但是，所有這些手動模式都存在以下缺陷：

1.人為操作所存在的不精確、不一致性，尤其是在鉆井過程中的突發狀況會打斷司鉆的下行作業

2.占用司鉆太多的時間

3.現有的自動控制系統成本較高，且需要定期進行保養和維護

4.壓力脈沖會受到井深的限制，即便是在新的解碼和檢測能力大大提高的情況下

3 新的控制系統

此新系統被開發為可以與各種類型鉆機的電控系統相匹配。只需要將現有的控制信號截斷，與預制好的命令序列作比較，然后將這些計算正確的指令沿著原有的路徑傳輸。在一個典型的直流鉆機的電控系統里面，位于司鉆房的手輪控制器會通過一個位于SCR房的接線端子排與電阻器或電位計相連接。通過這樣的接線方式，將手輪與SCR的控制系統相連接從而起到調節泵沖的作用。我們可以對電控系統進行相關的改動包括截斷與手輪的接線和將此新系統連接進去。這樣的話，司鉆房的手輪和新系統的主控制器相連接，模數轉換后與來自定向井服務公司的指令序列作比較，重新計算后信號序列返回SCR或者AC驅動回路。

在此主系統中當對信號進行整合時，有一些特殊的規定：

1.對系統嚴格檢查以確保司鉆能夠在任何時候都能掌控大局。當然，司鉆也必須允許服務公司來對系統發送指令。

2.即使那樣，只有較低的輸入信號返回到現有的控制中。

3.司鉆只要輕輕轉動手輪，自動作業將即刻變為手動作業

4.司鉆能在任意時刻設置成與自己操作習慣一致的命令序列

如果有部件失效等情況發生，系統將會自動進行干預并迅速轉為手動作業模式。

這套新系統的接口設計為基于網絡服務的開放式協議，它可以與其它客戶接口自由兼容。一種XML協議可以提供獨立的平臺，以便于第三方的軟件能夠與此系統相互通訊。此協議允許通過服務公司的電腦進行系統配置及標定、生成指令序列、實施監控等等。當然，由于有保密設定任何試圖接近控制器的行為都是被禁止的。目前很多作業者、承包方或是第三方都有針對自身鉆機開發的軟件，此開放式協議接受類似軟件，具體的話會在案例分析中闡述。

在發送指令前，需要將服務公司的電腦通過以太網端口與主控制器相連，然后把相關的程序指令通過開發式協議上傳到主控制器。這些程序指令由服務公司通過下拉菜單創建，這種方式大大降低了發生錯誤的可能性。所有的指令序列一旦被成功傳送至主控制器后會被存儲在里面，同時系統會自動反饋給服務公司以確保指令被成功接收。這種通信方案的設計降低了主控制器和服務公司電腦之間信號傳輸延遲所帶來的影響：指令一旦上傳，回執確認返回給服務公司，系統待機直到接收到執行命令。

在正確設定之后，新系統可以用相同的構建發送給定值指令。這種設定曾經在位于德州中部的一臺陸地鉆機上進行實驗，針對各種鉆井參數比如鉆壓、轉速和泵沖。通過在不同時間段里改變設定值，一個復雜的序列就產生了并被發送到主控制器，從而完成在沒有人力介入的情況下成功的執行預先計劃好的作業。此外，同時發送多個指令也是可以實現的。

4 目前的應用

新的控制系統允許服務公司建立一個簡單的界面，可以在不考慮鉆機設計多樣性的前提下進行作業。因為此界面是通過以太網絡建立的，可以從鉆機自身網絡或是從一個遠程站點來發送命令。那條深水鉆井船上面就將位于鉆臺的站點和位于定向井工程師辦公室的站點整合到一起。而在陸地鉆機上，主要接收來自本地的作業指令，有時也會接收來自鉆井公司總部的。

雖然上述的狀況都是在和泥漿泵相結合的情況下進行的，但是相同的安裝及操作也適用于大多數的頂驅和轉盤。

相對于人工作業依賴于司鉆個人的持久注意力來說，自動化控制裝置的優勢在于它的可靠性和重復精度。由于自動化系統更加敏銳的導向性及脈沖下降沿，可以允許更窄的脈沖寬度通過，從而達到節省時間的目的。同時，更加敏銳的脈沖也大大提供了信號檢測能力，允許更加低幅度的變化，從而導致更低的流量變化和對環空壓力的更低影響。

5 未來的應用

利用同樣的方法，新的控制系統可以通過發送給定值和界限值來輔助完成許多鉆井作業?？梢酝ㄟ^現場試驗發送給定值到自動送鉆裝置，以證明新系統與其它遠程鉆井設備也能兼容。利用這些以定時發出的給定值，可以自動測算出最佳的鉆井參數。

現在有些第三方正在拓展它的附加功能，以此實現一些更加復雜作業的自動化，比如同時對多個鉆井設備實現自動化控制。

6 結論

1.新的系統可以為鉆機作業實現先進的控制方法提供一個安全有效且有實踐經驗的解決辦法。

2.這些先進的方法可以直接在本地鉆機上應用，也可以通過運程控制來實施。

3.事實證明，新的自動化系統可以在絕大多數鉆機上面實現復雜的控制方法，它對于鉆井控制方法來說具有劃時代的意義。