石油鉆井自動(dòng)化技術(shù)的探索

摘 要：自動(dòng)化鉆井是當(dāng)今世界鉆井的重大發(fā)展方向。自動(dòng)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(cè)量鉆井過程中的各種參數(shù)，依靠計(jì)算機(jī)與人工智能技術(shù)獲取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行解釋和發(fā)出指令、最終由自動(dòng)設(shè)備按指令進(jìn)行操作，變成一種無人操作的閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行鉆井。

關(guān)鍵詞：石油鉆井；自動(dòng)化；技術(shù)探索；

中圖分類號(hào)：V557+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-3520（2014）-07-00-01

一、為了滿足鉆井工藝要求，整套鉆機(jī)必須具備下列各系統(tǒng)和設(shè)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(jìn)等。這套設(shè)備由鉆井絞車、輔助剎車、游動(dòng)系統(tǒng)（鋼絲繩、天車、游動(dòng)滑車及大鉤）和井架組成。這實(shí)質(zhì)上就是一臺(tái)重型起重機(jī)。另外，還有用于起下鉆具操作的井口工具及機(jī)械化設(shè)備（吊卡、卡瓦、動(dòng)力大鉗、立根移運(yùn)機(jī)構(gòu)等）。

（二）旋轉(zhuǎn)系統(tǒng) ：旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)在鉆井中的主要作用是帶動(dòng)并中鉆具旋轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)鉆頭破碎巖石。旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括的主要設(shè)備有轉(zhuǎn)盤和水龍頭。為實(shí)現(xiàn)鉆頭自動(dòng)給進(jìn)，現(xiàn)代鉆機(jī)配備有鉆具自動(dòng)送進(jìn)裝置。鉆井過程中，轉(zhuǎn)盤主要完成的工作是：轉(zhuǎn)動(dòng)井中鉆具，傳遞足夠大的扭矩和必要的轉(zhuǎn)速；下套管或起下鉆時(shí)，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(shí)倒扣、進(jìn)扣等輔助工作。

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

二、鉆機(jī)和裝備的智能化、自動(dòng)化

（一）電子/智能鉆柱技術(shù)：美國Grant公司研制的智能鉆桿用銅導(dǎo)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(dá)104bDs、105bps和106 bps，最大已達(dá)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(nèi)部，然后通過耦合元件將微處理器信號(hào)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(shè)逆變器DC/AC。

（二）地質(zhì)導(dǎo)向鉆井：地質(zhì)導(dǎo)向鉆井是以井下實(shí)際地質(zhì)情況和油藏特征來確定和控制井眼軌跡的鉆井技術(shù)。使用這一技術(shù)，可以精確控制井下鉆具，命中最佳地質(zhì)油藏目標(biāo)，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(nèi)。地質(zhì)導(dǎo)向鉆井是在井下定向控制自動(dòng)化鉆井系統(tǒng)的基礎(chǔ)上將隨鉆測(cè)量?jī)x（MWD）改為隨鉆測(cè)井儀（LWD），而LWD僅是在MWD的系統(tǒng)中加上若干用于地層評(píng)價(jià)的參數(shù)傳感器，如電阻率、自然伽馬、方位中子密度、聲波、補(bǔ)償中子密度等。有的隨鉆測(cè)井儀還增加了溫度、井底鉆壓與扭矩、井下動(dòng)力鉆具轉(zhuǎn)速等傳感器，使地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)成為具有隨鉆定向測(cè)量、隨鉆地層評(píng)價(jià)測(cè)井和隨鉆錄井與自動(dòng)導(dǎo)向鉆井的國際高新先進(jìn)技術(shù)。地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)特別適合在薄產(chǎn)層和高傾斜產(chǎn)層中鉆水平井。對(duì)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(zhì)目標(biāo)，而使用隨鉆定向測(cè)量和隨鉆地層評(píng)價(jià)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行地質(zhì)導(dǎo)向鉆井，可以隨時(shí)知道鉆頭周圍幾米范圍內(nèi)的地質(zhì)油藏特征和鉆頭與地層界面或地層流體的相對(duì)位置，因此可以控制鉆具始終在油氣藏中間鉆進(jìn)。

地質(zhì)導(dǎo)向的基本方法是在井設(shè)計(jì)階段使用試驗(yàn)井或鄰井的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，得出新設(shè)計(jì)井的模擬測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)以及對(duì)將鉆各個(gè)地層的各種響應(yīng)。在鉆井過程中，將井下隨鉆測(cè)量工具發(fā)送到地面的實(shí)際測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)與各個(gè)模擬數(shù)據(jù)相對(duì)比，看它們是否一致。如果模擬數(shù)據(jù)與隨鉆實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)一致，就說明井眼命中了最佳地質(zhì)目標(biāo)，否則就說明應(yīng)該按井下實(shí)際地質(zhì)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(zhuǎn)導(dǎo)向裝置來完成的。地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)大大提高了油層鉆遇率、鉆井成功率和采收率，從而實(shí)現(xiàn)了增儲(chǔ)上產(chǎn)，節(jié)約了鉆井成本。

（三）鉆機(jī)自動(dòng)化 ：地面鉆機(jī)自動(dòng)化及井下自動(dòng)化是自動(dòng)化鉆井的兩個(gè)方面。井下自動(dòng)化得以實(shí)現(xiàn)的必要裝置為井下閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)；地面鉆機(jī)自動(dòng)化得以實(shí)現(xiàn)的必要裝置為地面閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)。近年來，針對(duì)地面鉆機(jī)自動(dòng)化及井下自動(dòng)化的研究很多，且也取得了實(shí)質(zhì)性的突破。就井下定向方面而言，井下定向控制自動(dòng)化鉆井系統(tǒng)或旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向裝置、鉆頭及隨鉆測(cè)量?jī)x組成。就旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向裝置而言，其預(yù)設(shè)了若干控制指令及井眼設(shè)計(jì)軌跡數(shù)據(jù)。若預(yù)設(shè)設(shè)計(jì)值與隨鉆測(cè)量?jī)x及近鉆頭傳感器探管測(cè)量所得的方位值及井斜值間的差值未在規(guī)定范圍，則導(dǎo)向裝置的電子控制模塊將產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的控制指令，進(jìn)而促使3個(gè)導(dǎo)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(gè)導(dǎo)向翼板的伸出及縮入不一致，則必然產(chǎn)生一個(gè)糾斜率，并最終完成井下閉環(huán)。此外，隨鉆測(cè)量?jī)x在井下脈沖發(fā)生器的協(xié)助下把工程參數(shù)測(cè)量值上傳至地面，并經(jīng)信號(hào)處理裝置處理后，再經(jīng)地面主控計(jì)算機(jī)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(dǎo)向裝置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“井下→地面→井下”的閉環(huán)。

三、結(jié)論

實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、信息化、自動(dòng)化、智能化的鉆機(jī)。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(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)、鉆井專家系統(tǒng)、遠(yuǎn)程安全應(yīng)急系統(tǒng)、電、氣、液集成控制系統(tǒng)、鉆臺(tái)自動(dòng)化機(jī)具系統(tǒng)、井眼軌跡自動(dòng)化控制系統(tǒng)、隨鉆測(cè)量系統(tǒng)等。未來的鉆機(jī)，必將具備遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程支持、智能優(yōu)化鉆井。

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