石油鉆井自動化技術的探索

摘 要：自動化鉆井是當今世界鉆井的重大發(fā)展方向。自動化鉆井的發(fā)展方向是閉環(huán)鉆井。所謂閉環(huán)鉆井，就是依靠傳感器測量鉆井過程中的各種參數(shù)，依靠計算機與人工智能技術獲取數(shù)據(jù)，并進行解釋和發(fā)出指令、最終由自動設備按指令進行操作，變成一種無人操作的閉環(huán)自動控制系統(tǒng)進行鉆井。

關鍵詞：石油鉆井；自動化；技術探索；

中圖分類號：V557+.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-3520（2014）-07-00-01

一、為了滿足鉆井工藝要求，整套鉆機必須具備下列各系統(tǒng)和設備

（一）起升系統(tǒng) ：起升系統(tǒng)在鉆井過程中的主要作用是起下鉆具、下套管、懸持鉆具和鉆頭送進等。這套設備由鉆井絞車、輔助剎車、游動系統(tǒng)（鋼絲繩、天車、游動滑車及大鉤）和井架組成。這實質上就是一臺重型起重機。另外，還有用于起下鉆具操作的井口工具及機械化設備（吊卡、卡瓦、動力大鉗、立根移運機構等）。

（二）旋轉系統(tǒng) ：旋轉系統(tǒng)在鉆井中的主要作用是帶動并中鉆具旋轉，并帶動鉆頭破碎巖石。旋轉系統(tǒng)包括的主要設備有轉盤和水龍頭。為實現(xiàn)鉆頭自動給進，現(xiàn)代鉆機配備有鉆具自動送進裝置。鉆井過程中，轉盤主要完成的工作是：轉動井中鉆具，傳遞足夠大的扭矩和必要的轉速；下套管或起下鉆時，承托井中全部套管柱或鉆桿柱重量；完成卸鉆頭、卸扣與處理事故時倒扣、進扣等輔助工作。

水龍頭是提升、旋轉、循環(huán)3大工作機組相交匯的“關節(jié)”部件，它的主要作用是：懸持旋轉著的鉆桿柱，承受大部分以至全部鉆具重量；向轉動著的鉆桿柱內輸入高壓鉆井液。

二、鉆機和裝備的智能化、自動化

（一）電子/智能鉆柱技術：美國Grant公司研制的智能鉆桿用銅導線輸送電能，可以根據(jù)井下硬件用電量大小的要求來確定輸電功率的大小。智能鉆柱的數(shù)據(jù)傳輸速率可達104bDs、105bps和106 bps，最大已達1.56*106bps。智能油管用光纖為主。智能鉆柱系統(tǒng)在井下采用分布式傳感器短節(jié)，將微處理器分別安裝在傳感器內部，然后通過耦合元件將微處理器信號耦合到電力線上，從而傳輸?shù)降孛鎮(zhèn)鞲衅鳌Ｔ撓到y(tǒng)采用傳輸直流電，如井下硬件需用交流電，可在井下硬件上增設逆變器DC/AC。

（二）地質導向鉆井：地質導向鉆井是以井下實際地質情況和油藏特征來確定和控制井眼軌跡的鉆井技術。使用這一技術，可以精確控制井下鉆具，命中最佳地質油藏目標，使井眼避開地層界面和地層流體界面并始終位于產(chǎn)層內。地質導向鉆井是在井下定向控制自動化鉆井系統(tǒng)的基礎上將隨鉆測量儀（MWD）改為隨鉆測井儀（LWD），而LWD僅是在MWD的系統(tǒng)中加上若干用于地層評價的參數(shù)傳感器，如電阻率、自然伽馬、方位中子密度、聲波、補償中子密度等。有的隨鉆測井儀還增加了溫度、井底鉆壓與扭矩、井下動力鉆具轉速等傳感器，使地質導向鉆井技術成為具有隨鉆定向測量、隨鉆地層評價測井和隨鉆錄井與自動導向鉆井的國際高新先進技術。地質導向鉆井技術特別適合在薄產(chǎn)層和高傾斜產(chǎn)層中鉆水平井。對于這樣的產(chǎn)層，使用常規(guī)方法控制井眼軌跡很難命中最佳地質目標，而使用隨鉆定向測量和隨鉆地層評價測井數(shù)據(jù)進行地質導向鉆井，可以隨時知道鉆頭周圍幾米范圍內的地質油藏特征和鉆頭與地層界面或地層流體的相對位置，因此可以控制鉆具始終在油氣藏中間鉆進。

地質導向的基本方法是在井設計階段使用試驗井或鄰井的測井數(shù)據(jù)進行計算機模擬，得出新設計井的模擬測井數(shù)據(jù)以及對將鉆各個地層的各種響應。在鉆井過程中，將井下隨鉆測量工具發(fā)送到地面的實際測井數(shù)據(jù)與各個模擬數(shù)據(jù)相對比，看它們是否一致。如果模擬數(shù)據(jù)與隨鉆實測數(shù)據(jù)一致，就說明井眼命中了最佳地質目標，否則就說明應該按井下實際地質油藏特征修正或改變井眼軌跡。修正或改變井眼軌跡也是靠旋轉導向裝置來完成的。地質導向鉆井技術大大提高了油層鉆遇率、鉆井成功率和采收率，從而實現(xiàn)了增儲上產(chǎn)，節(jié)約了鉆井成本。

（三）鉆機自動化 ：地面鉆機自動化及井下自動化是自動化鉆井的兩個方面。井下自動化得以實現(xiàn)的必要裝置為井下閉環(huán)自動控制系統(tǒng)；地面鉆機自動化得以實現(xiàn)的必要裝置為地面閉環(huán)自動控制系統(tǒng)。近年來，針對地面鉆機自動化及井下自動化的研究很多，且也取得了實質性的突破。就井下定向方面而言，井下定向控制自動化鉆井系統(tǒng)或旋轉導向鉆井系統(tǒng)由旋轉導向裝置、鉆頭及隨鉆測量儀組成。就旋轉導向裝置而言，其預設了若干控制指令及井眼設計軌跡數(shù)據(jù)。若預設設計值與隨鉆測量儀及近鉆頭傳感器探管測量所得的方位值及井斜值間的差值未在規(guī)定范圍，則導向裝置的電子控制模塊將產(chǎn)生對應的控制指令，進而促使3個導向翼板在指令的控制下產(chǎn)生井下縮入或伸出現(xiàn)象。若3個導向翼板的伸出及縮入不一致，則必然產(chǎn)生一個糾斜率，并最終完成井下閉環(huán)。此外，隨鉆測量儀在井下脈沖發(fā)生器的協(xié)助下把工程參數(shù)測量值上傳至地面，并經(jīng)信號處理裝置處理后，再經(jīng)地面主控計算機供操作者予以分析及決策，并在信息下傳通道的協(xié)助下把決策令傳輸至導向裝置，進而實現(xiàn)“井下→地面→井下”的閉環(huán)。

三、結論

實現(xiàn)數(shù)字化、信息化、自動化、智能化的鉆機。需具備完善的司鉆控制系統(tǒng)、鉆井參數(shù)系統(tǒng)、綜合錄井系統(tǒng)、遠程監(jiān)控系統(tǒng)、在線監(jiān)測系統(tǒng)、遠程故障診斷系統(tǒng)、鉆井專家系統(tǒng)、遠程安全應急系統(tǒng)、電、氣、液集成控制系統(tǒng)、鉆臺自動化機具系統(tǒng)、井眼軌跡自動化控制系統(tǒng)、隨鉆測量系統(tǒng)等。未來的鉆機，必將具備遠程操作、鉆井信息共享、鉆井全過程智能化控制功能，從而真正實現(xiàn)遠程支持、智能優(yōu)化鉆井。

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