未来的全自动钻井技术的展望

  挪威国家石油公司正在致力于各个子系统的研发，以便加装到总系统中。他们相信通过一系列的技术努力，一种新的、全自动的钻井系统会在不久的将来成为现实。两种解决方案是Dri11tronics和econtrol/eDrilling(电子控制/电子钻井)概念。

 

  该技术是一种技术集合，是技术综合应用的问题。设计自动钻井系统是大势所趋，因为它可加快钻井进程。未来钻井概念的基础是采用高速遥测钻杆，高速遥测钻杆正处在形成商业化产品的阶段。自动钻井系统应当具备优化钻井作业的功能，具体包括：能够加快钻进/起下钻的作业速度；能够放慢钻进/起下钻的作业速度；能够更容易监测溢流，有利于井控；实现自动开泵/停泵；实现自动钻井液监测；能够高效应用遥测钻杆，即实时采集井下数据；实现钻井过程的自动化，始终正确地处理井眼问题，减少人为失误，使非生产时间降低到最低程度。

 

  1.Drilltronics

 

  该系统采用动态过程模型模拟井内流动与钻柱动力学，采用先进的粘性恒温物理流变动力学模型模拟固相输送与状态方程，扭矩与摩阻模拟则是基于“软绳”模型，采用预先开发的钻井数据完善系统对动力学测量数据进行预处理，从而筛选并导出模型需要的输入数据。流动模型解是一个半隐含矩阵解，明显与水体转移有关，从而可实时获得复杂流动的解，通过采用卡尔曼滤波技术完成模拟计算，其中压力校正采用了相似流动摩擦系数。

 

  2.现场测试

 

  挪威国家石油公司于2008年1月对一套用于优化钻进控制的新系统进行了一次全尺寸的现场测试，该试验是在挪威国家石油公司位于挪威大陆架的Statfjord地区的C平台上进行的，此次测试则使用了主动式的。该系统的工作情况令人满意，达到了预期的效果，在主动控制模式测试期间没有发生HSE事故。同时表明，该系统的人-机界面需要进行一些改进。此后，对其它的主动控制模块也进行了测试。

 

  （1）摩阻测试模块

 

  该模块由许多编程的井内摩阻自动测试组成，井内摩阻与钻柱上提、下放以及是否旋转有关，对该模块进行编程还可使其具备自动扩划眼功能。对动力学测量数据的自动分析会给出井内摩阻情况，摩阻变化趋势分析则会表明钻屑的聚集情况、井眼稳定情况和井眼质量状况。该模块在钻进期间的每次接单根时都得到了应用。

 

  （2）起下钻/扩划眼控制

 

  该模块用来限制钻柱起下的速度与加速度，以避免产生过高的激动压力与抽汲压力，即“跑出”孔隙/破裂压力窗口，起下钻控制有助于避免溢流、地层破裂与井漏发生；扩划眼控制可限制钻柱的旋转速度从而避免倒扣/卡钻，将操纵杆“开到家”。该模块便会将起下钻/扩划眼的速度控制在安全的范围内。该模块在裸眼起下钻过程中和摩阻自动测试期间得到了应用。

 

  （3）开泵

 

  该模块可控制泵排量由小到大逐渐增加到合适的值，以免井内压力超过地层破裂压力引发钻井液漏失。该模块包括半自动和手动两种模式，在此次先导试验中，每次接单根时都应用了半自动优化功能。

 

  3.窄压力窗口

 

  挪威国家石油公司的供应商正在研发244.5mm与177.8mm旋转导向尾管钻井系统。该系统包含一个全套的钻井工具包，通过带膨胀管的导向尾管钻井技术和控制压力钻井技术的联合应用，今天的许多钻井疑难问题都可以得到解决。

 

  4.eControl/eDri11ing(电子控制/电子钻井)

 

  eDri1ling是一种新型的钻井仿真系统，三维可视与来自远程钻井专家中心的控制是eControl的技术基础，它是一套钻机监视、优化与控制系统，运用先进的钻井过程模型可实现井眼的三维可视。

 

  事实上，Wellbore是该系统的关键要素，它具备先进的井下过程可视化功能，即它是能够显示所有钻井与钻井作业有关情况的新的、开放的三维可视设备，下一代的可视系统设计，可实现所有参与者共享，进一步增强全球范围内所有钻井与钻井活动的整体性。该系统的开放结构允许设备供应商、服务公司、承包商与甲方通过标准界面联系沟通，由于可以采用带缆钻杆与类似技术，因此，将该系统设计为能够处理高流量数据流。

 

  整个钻井过程的实时可视化具体包括：实时井眼轨迹、实时钻遇地层、实时随钻地震信息(尚未完成)、通过观察计数器/BHA了解实时井深、“观察”钻头与工具通过类似BOP或套管鞋等限制区域，并将这些实时数据实时传输给实时处理软件，对钻井作业情况进行实时模拟、分析、优化，即在继续钻进过程中观察井眼压力剖面并进行压力预测，以三维的方式记录、回放整个钻井作业情况。

 

  5.控制压力钻井(MPD)

 

  MPD是自动钻井不可或缺的一个重要组成部分，正如我们所知道的那样，MPD的具体做法在全球各地存在一定的差异，尤其在墨西哥湾地区这一现象更为突出，挪威国家石油公司目前没有在墨西哥湾的开发项目，但已经形成了进入墨西哥湾地区的大量的意向性文件。

 

  自动MPD方案能够克服“人为因素”形成的阻碍，他们也正在考虑接/卸单根期间连续循环的可行性解决方案，现有典型的双梯度系统需要输送相对大量的液体来补偿接单根期间的ECD效应，如CircSub、NOV’sCCV或其它连续循环系统能够减少接单根时间。

 

  6.连续液体/钻屑测量

 

  钻井液与钴屑性能的实时监视与测量对于全自动钻井系统也是十分必要的，因为钻井液与钻屑性能的实时监视与测量会影响到如ROP、ECD、MPD等的实时钻井参数，并改善决策水平，此外，它对遥控钻井也是必不可少的。

 

  地球物理服务股份有限公司正在联合挪威国家石油公司开发上述的一套全自动系统，目的是使该系统的可靠程度进一步增强。这一特殊的系统将负责测量钻井液的粘度、电稳定性、失水、密度、H2S、PH、固相颗粒级配与含量等。该系统还将测量：钻屑体积、井眼坍塌监视(形状特点)和钻屑矿物成分(采用拉曼光谱学原理)。

 

  7.钻井作业追踪系统(DOTS)

 

  挪威国家石油公司还在与Trac ID Systems AS公司合作开发一种全自动钻杆追踪系统，第一代产品主要任务是追踪钻杆进、出井眼，第二代产品还将包括每个钻杆单根的应用历史追踪。该公司已经形成了一种ATEX-certi-fied DOTS方案设计，包括常规海洋钻机钻台上的集成RFID天线系统以及相关的支持软件。

 

  RFID异频雷达收发安装技术是一项成熟技术，已经得到了一家大的钻杆租赁公司的使用与验证，异频雷达收发机已经根据ATEX规范获得了鉴定认证，每套异频雷达收发机都有自己的ATEX证书。异频雷达收发机是被动形式的，试验证明其可承受勘探开发油气井中的温度与压力，对异频雷达收发机的测试与验证采用了一套专门的测试钻机。

 

  钻井作业追踪系统还包含了一个软件工具，负责每个钻杆单根所有技术数据、文件、应用历史记录、管理编码等信息的通讯与汇总以及自动计数。

 

  8.尾管钻井

 

  钻穿地层压力变化巨大的层段或者钻穿具有窄压力窗口的层段一直是一项很棘手的作业，旋转导向尾管钻井系统近期可望研制成功。      挪威国家石油公司计划将上述简要介绍的所有技术全部集成到自动钻井系统中，灵活的适应性是一个关键的事情，这项任务的难点之一是系统应该具备兼容未来新的发展的能力，从而可覆盖原有的系统显而易见。该系统的中心计算机必须基于INTERNET界面，确保所有的数据与信息得到正确的处置，他们正在规划这样的一套系统，计划在2009年进行先导试验，最为关键的问题是将不同的系统整合到一起。