鉆井作業(yè)的自動化操作可大幅降低安全風(fēng)險，提高作業(yè)效率。為降低風(fēng)險和提高效能采取的井控自動化操作提供了意味深長的技術(shù)進(jìn)步。在過去的幾十年里，油氣井施工面臨著一些重大障礙。鉆井作業(yè)本質(zhì)上存在著諸多安全風(fēng)險，因為這種作業(yè)暴露在危險和具有挑戰(zhàn)的環(huán)境中。眾所周知，井控失控是鉆井作業(yè)中的主要風(fēng)險之一，一次錯誤可能會導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。自動化系統(tǒng)的運用可以消除人為失誤，減少井控事故，從而實現(xiàn)鉆井作業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。通過將目前人工執(zhí)行的操作流程變?yōu)樽詣踊僮?，就能最大限度地降低安全風(fēng)險和提高鉆井作業(yè)效率。地層流體涌入的快速響應(yīng)能使涌入量減少，更快地恢復(fù)到正常的鉆井作業(yè)。
圖1
MPD（Managed Pressure Drilling控壓鉆井）使用多個鉆井參數(shù)的實時數(shù)據(jù)提供一次井控防范。MPD系統(tǒng)采用地面回壓和高精度流量測量來監(jiān)測地層流體涌入，見圖1（Victus智能MPD可快速檢測和減少地層流體的涌入）。如果壓力和流量處于一次井控防范限度之內(nèi)，該系統(tǒng)就會將涌入井筒的地層流體循環(huán)出井眼，而無需啟動二次井控。當(dāng)涌入井筒的地層流體超出一次井控防范規(guī)定的流量或額定壓力時，二次井控會被激活。
井控自動化是一種無人介入或干預(yù)即可激活二次井控防范的系統(tǒng)。該系統(tǒng)的開發(fā)旨在使關(guān)井過程完全自動化。該系統(tǒng)能監(jiān)測鉆井作業(yè)，識別地層流體涌入，接管相關(guān)鉆機(jī)設(shè)備的控制，以及自動將井關(guān)閉。
MPD作業(yè)中，井控自動化技術(shù)可對地層流體的涌入迅速做出響應(yīng)，如果需要，可以自動將井關(guān)閉，從而消除與二次井控交接有關(guān)的人為因素問題。何時關(guān)井的決斷由MPD系統(tǒng)以預(yù)先商定的準(zhǔn)則來做出。一旦自動井控系統(tǒng)收到來自MPD系統(tǒng)的指令，該技術(shù)會立刻執(zhí)行關(guān)井進(jìn)程。提前做出決斷能使鉆井作業(yè)順利進(jìn)行。
MPD中的井控注意事項
威德福公司的Victus智能MPD系統(tǒng)可發(fā)現(xiàn)和控制地層流體涌入井筒，將涌入井筒的地層流體循環(huán)出井筒，可部署在各種鉆井作業(yè)中。該系統(tǒng)將鉆機(jī)設(shè)備整合于一體，實現(xiàn)機(jī)器與機(jī)器、設(shè)備與設(shè)備之間數(shù)據(jù)通信，實時分析井下工況并迅速自動做出響應(yīng)。該系統(tǒng)采用SBP（surface back pressure地面回壓），在地層孔隙壓力和破裂壓力限值范圍內(nèi)控制BHP（bottomhole pressure井底壓力），實現(xiàn)精準(zhǔn)的壓力浮動。由MPD提供的控制可以更好的管控環(huán)空壓力分布，從而在鉆井過程中以及在其它建井作業(yè)中對BHP實施精確的管控。封閉的環(huán)空空間，通過檢測流量和SBP，使MPD系統(tǒng)能對地層流體的涌入進(jìn)行監(jiān)測和做出響應(yīng)，限制計劃外地層流體的涌入量。
在MPD作業(yè)期間，有幾個物理參數(shù)控制著井筒壓力的限值。這些參數(shù)包括旋轉(zhuǎn)控制裝置（旋轉(zhuǎn)頭）的壓力限值、套管鞋下方裸眼地層以及裸眼井段較弱地層的承壓強(qiáng)度。這些壓力限值通常組合成一個被稱為IME（Influx Management Envelope地層流體涌入管控包絡(luò)值）的概念。Victus智能MPD系統(tǒng)在一次井控范圍內(nèi)控制地層流體涌入并將其循環(huán)出井筒，在IME限值內(nèi)保持工況。如果在鉆進(jìn)地層遭遇意外壓力時，那么IME限值可能會被突破。在這種情況下，則需要安全有效地轉(zhuǎn)為二次井控。
傳統(tǒng)情況下，鉆井工人采用溝通程序設(shè)法做到從一次井控到二次井控的過渡，隨后就可能暴露出個人和群體人為因素的問題。因此，在人工從一次井控轉(zhuǎn)到二次井控期間的實際操作中就已存在著嚴(yán)重的井控問題。
自動關(guān)井
Safe Influx（一家專注于為油氣行業(yè)提供自動井控解決方案的獨立公司）于2018年設(shè)計了一個自動井控系統(tǒng)，主要是為了解決人為因素的安全問題。自動化技術(shù)的增強(qiáng)反應(yīng)能夠?qū)厥录龀隹焖僮R別、決策和反應(yīng)，從而能顯著減少地層流體涌入量，降低對人和環(huán)境的危害風(fēng)險。因此，該系統(tǒng)有助于降低與鉆井施工有關(guān)的安全風(fēng)險和作業(yè)成本。
使用算法，Safe Influx公司的自動井控系統(tǒng)能夠?qū)φ谑┕さ木M(jìn)行連續(xù)實時的監(jiān)測。一旦發(fā)現(xiàn)地層流體涌入井筒，該系統(tǒng)就會支配指定的鉆機(jī)設(shè)備、調(diào)整鉆桿接頭位置《為關(guān)閉防噴器讓鉆桿接頭躲開膠芯（環(huán)形防噴器）或閘板（閘板防噴器）》、停止頂驅(qū)、停泵；并相應(yīng)地關(guān)閉防噴器。
在開始鉆井作業(yè)前，司鉆會設(shè)置鉆桿接頭位置參數(shù)（調(diào)整鉆桿接頭位置），這樣系統(tǒng)就知道將鉆桿放置在什么位置（準(zhǔn)確高度）。這樣就能實現(xiàn)自動動作功能，以確保防噴器內(nèi)沒有鉆桿接頭。司鉆還能選擇自動井控系統(tǒng)將要控制的設(shè)備。通過確定的設(shè)備（頂驅(qū)、泥漿泵、絞車和防噴器），鉆井作業(yè)可根據(jù)油公司或鉆井承包商的政策繼續(xù)進(jìn)行下去。在建井作業(yè)期間，一項健全的井控保證流程準(zhǔn)備就緒。
當(dāng)系統(tǒng)檢測到地層流體涌入井筒時，控制算法能使系統(tǒng)同時發(fā)出指令并執(zhí)行指令。司鉆會收到視覺和聽覺警告信號。一旦自動井控序列指令開始，系統(tǒng)就會按照人工操作員執(zhí)行的控制步驟控制設(shè)備。在自動操作過程中，如果需要，司鉆可以隨時進(jìn)行人工控制。
圖2
整合MPD與自動井控于一體
地層流體涌入自動檢測流程及自動關(guān)井系統(tǒng)幾乎可以消除從一次井控到二次井控過渡期間的操作風(fēng)險。鑒于這一復(fù)雜的過渡過程，威德福公司和Safe Influx開發(fā)了業(yè)界第一個完全集成的MPD和自動井控系統(tǒng)。兩家公司之間的密切合作提供了一個能對上游石油天然氣產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生重大影響的系統(tǒng)。整合后的系統(tǒng)可以完成從一次井控到二次井控整個過渡過程自動操控，使轉(zhuǎn)換過程的操控更加快捷和無縫接續(xù)，見圖2（MPD自動井控泳道圖）。MPD和自動井控系統(tǒng)被設(shè)計為運行兩個獨立的過程。此外，司鉆還承擔(dān)了一些控制鉆井進(jìn)程的其它活動?？偣灿腥齻€必須規(guī)劃的進(jìn)程。
圖3
發(fā)現(xiàn)井涌。MPD系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)控鉆井進(jìn)程。當(dāng)檢測到一次地層流體涌入井筒時，MPD系統(tǒng)將根據(jù)需要保持或增大環(huán)空SBP，以防地層流體進(jìn)一步涌入井筒。然后，組合系統(tǒng)會使MPD系統(tǒng)以一種受控的方式安全地將涌入井筒的地層流體循環(huán)出井筒，見圖3（流量計為井涌檢測提供了精確的測量）。
在將涌入井筒的地層流體循環(huán)出井筒的整個過程中，對SBP的持續(xù)監(jiān)控能使MPD系統(tǒng)確定是否正在接近井筒壓力限值。當(dāng)壓力超過操作井控所需的設(shè)備和工藝流程的限值時，作業(yè)則需要轉(zhuǎn)到二次井控，因為鉆機(jī)防噴器的工作壓力限值遠(yuǎn)高于MPD旋轉(zhuǎn)控制裝置或旋轉(zhuǎn)頭的壓力限值（通常指的是環(huán)形防噴器關(guān)井膠塞的承受壓力）。這種從一次井控轉(zhuǎn)換到二次井控要求停止鉆井作業(yè)，然后關(guān)閉防噴器。
一旦MPD系統(tǒng)達(dá)到井控操作限值，MPD系統(tǒng)就會向自動井控系統(tǒng)發(fā)出信號，下令自動井控系統(tǒng)關(guān)井。然后，MPD操作人員會按照手動順序停止MPD作業(yè)進(jìn)程。
自動關(guān)井。自動井控系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)測來自MPD系統(tǒng)的信號。一旦接收到MPD系統(tǒng)適當(dāng)?shù)男盘柤?，自動井控系統(tǒng)會做出相應(yīng)的反應(yīng)。如果系統(tǒng)發(fā)出“調(diào)整鉆桿接頭位置”信號，在向司鉆發(fā)出適當(dāng)提醒后，系統(tǒng)就會對絞車進(jìn)行控制，調(diào)整鉆具接頭位置，使接頭避開關(guān)井防噴器的膠芯或閘板。所有其它設(shè)備繼續(xù)保持之前的操作參數(shù)。當(dāng)后續(xù)發(fā)出的信號指示關(guān)井時，在向司鉆發(fā)出適當(dāng)提醒后，自動井控系統(tǒng)會執(zhí)行必要的任務(wù)，如停止頂驅(qū)和泥漿泵運轉(zhuǎn)，然后，會防噴器控制面板發(fā)送信號，關(guān)閉預(yù)先選定的防噴器，將井關(guān)閉。
在整個過程中，司鉆會收到自動操作的警示，司鉆也可禁止自動井控系統(tǒng)動作。如果司鉆意識到與涉及自動操作過程有關(guān)的設(shè)備或人員存在風(fēng)險時，司鉆則可進(jìn)行干預(yù)，暫停自動關(guān)井操作過程。然后，司鉆可根據(jù)需要完全控制鉆機(jī)設(shè)備的功能
從井涌檢測、SBP持續(xù)評估、以及如果需要，調(diào)整鉆桿接頭位置、直至關(guān)井的整個過程都是自動操作的。這種自動操作幾乎消除了通常與發(fā)生井噴的重大事故危害有關(guān)的操作程序和人為因素。這樣每次地層流體涌入井筒的體量就會顯著減少，因而就能做到更高效、更低壓力的壓井作業(yè)。自動響應(yīng)、效率和低壓操作減少了人為因素對作業(yè)產(chǎn)生負(fù)面影響的機(jī)會。
鉆機(jī)測試
這一集成系統(tǒng)已在休斯頓威德福公司的測試鉆機(jī)上進(jìn)行了試驗。總共設(shè)計了27項測試，依照MPD系統(tǒng)指定的MPD標(biāo)準(zhǔn)來衡量自動井控的各個方面。所涵蓋的測試包括系統(tǒng)設(shè)置；獨立的系統(tǒng)配置和集成調(diào)試；以及集成的應(yīng)急、通信和比較測試，見圖4（測試期間安裝在鉆臺上的地層流體安全涌入自動井控接口）。
圖4
該系統(tǒng)的全部和正常功能已被證明可在所有可能的鉆桿接頭未在防噴器關(guān)井位置的地方進(jìn)行操作。該系統(tǒng)在意外情況下的行為同樣重要。一系列場景的嚴(yán)格測試設(shè)計、以及對預(yù)期結(jié)果和計劃的驗收標(biāo)準(zhǔn)的全面審查是該過程的關(guān)鍵要素。每項測試都制定了非常詳細(xì)的說明，并描述了預(yù)期的結(jié)果。通過這種方式，任何偏離預(yù)期結(jié)果的情形都會被很容易的發(fā)現(xiàn)。
所有的測試都按計劃進(jìn)行。所有測試項的關(guān)鍵結(jié)果是：司鉆可在技術(shù)集成范圍內(nèi)隨時恢復(fù)完全的人工控制。即使開啟了自動井控系統(tǒng)，司鉆仍能保持對他所管轄的所有設(shè)備的完全控制，直到系統(tǒng)被激活。一旦自動井控系統(tǒng)被激活，司鉆可通過關(guān)閉系統(tǒng)立即恢復(fù)到完全的手動控制。鉆機(jī)試驗的成功結(jié)果使兩家公司有信心繼續(xù)進(jìn)行系統(tǒng)集成，實現(xiàn)提高性能的最佳結(jié)果。
系統(tǒng)集成優(yōu)勢
石油天然氣行業(yè)受益于顛覆性技術(shù)的出現(xiàn)，以加強(qiáng)鉆井安全。威德福公司的Victus智能MPD和地層流體安全涌入自動井控系統(tǒng)是兩項技術(shù)，可以分別降低操作風(fēng)險，提高鉆井作業(yè)效率和生產(chǎn)力。
兩項技術(shù)的接口可自動完成一次井控和二次井控，當(dāng)出現(xiàn)地層流體涌入井筒時可立即采取行動，確定是否繼續(xù)實施一次井控予以應(yīng)對，還是轉(zhuǎn)為二次井控加以處治，這種方法可提供更高水平的施工效率與安全。自動從一次井控切換到二次井控將MPD的優(yōu)勢進(jìn)一步擴(kuò)展到了建井施工中。
此外，兩項技術(shù)組合后的系統(tǒng)可大大降低溢流和井噴的風(fēng)險，從而減輕對環(huán)境的影響以及確保更可持續(xù)的鉆井施工。將MPD和自動井控系統(tǒng)集成于一體，實現(xiàn)快速安全關(guān)井的舉措是兩個系統(tǒng)之間強(qiáng)化合作的開始，目的是優(yōu)化石油天然氣行業(yè)的安全和作業(yè)績效。（原文來自威德福公司）
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