一項實現(xiàn)BHA（井底鉆具組合）完全自主操控的研究正在進行中。虛擬測試系統(tǒng)的開發(fā)能讓石油公司或運營商們通過進行一個虛擬的現(xiàn)場測試來模擬鉆進軌跡的自動控制。該技術能提高機械鉆速（ROP）和鉆井效率，還能最大限度地減少井眼扭曲以及與設計軌跡的偏差。
自主或自主操控鉆井是一種進化——從完全的人機界面到自動操控和簡化的人機界面再到自動調(diào)節(jié)的自主操控。在瞬息萬變的環(huán)境中，地下鉆井環(huán)境的挑戰(zhàn)加劇了這項任務的難度。不久前，工程師們的腦海中只有一個概念，現(xiàn)在已經(jīng)實現(xiàn)了一種自主操控的BHA，也就是人們已知的旋轉導向，能在無人干預的情況下進行井眼軌跡控制。隨之而來的在安全、可持續(xù)性、成本效益、準確性、一致性以及可預測性方面對該行業(yè)的好處是全方位的。
自主操控的BHA意味著現(xiàn)場無需更多的定向司鉆和鉆工，從而可減少員工面臨的HSE（健康、安全與環(huán)境）風險。另外，鉆井現(xiàn)場巡查巡檢的人員也會相應地減少，加上鉆井性能的一致性更好，自主操控還能降低能耗以及與二氧化碳排放有關的活動，同時還更具成本效益。而且，由于自主操控的BHA可對井下環(huán)境的變化即時做出反應，從而消除了數(shù)據(jù)上傳至地面再做響應的時間延遲，因此，井眼軌跡和定位會更加準確。自操控鉆井隨著每次現(xiàn)場運用的增加其步伐也在加快。迄今為止，自主鉆井已在美國的陸上、中東和北海鉆進了超過26000 ft的曲線段（通常又被稱作造斜、糾斜和降斜段）井眼。
挑戰(zhàn)與解決方案
在二疊紀盆地，高沖擊和高震動，加上南北方向鉆進時的高轉速，此井段也被稱作排斥區(qū)（zone of exclusion 簡稱ZOE），使得井下隨鉆連續(xù)方位測量變得十分困難。然而，一個由自操控技術引導的BHA，一種特定的設備，在7口非常規(guī)油井的鉆井作業(yè)中鉆進了7個曲線段，同樣的設備還與多口鄰井鉆進的情況進行了比較。曲線段鉆進需要的downlinks（下行指令）減少了42%，鉆頭在井底的時間得到了大幅增加，鉆進速度提高了39%。
另一個二疊紀盆地的運營商在打造斜段和切線段——或BHA自主打這部分井段時——其結果是在打了579 ft曲線段期間沒有發(fā)送downlinks，這也使得ROP提高了39%。在排斥區(qū)內(nèi)，BHA一直鉆至方位180°的水平著陸點。在未發(fā)送downlinks的情況下打出了一個軌跡更為圓滑的579 ft的曲線段井眼。
自主軌跡控制背后的核心理念是一種級聯(lián)的、基于主與次的多層級方法，隨之而來的是，系統(tǒng)的復雜性隨著附加層的增加而增加。這種方法提高了在應對鉆井過程中存在的非線性、延遲性和不確定性時整個軌跡控制系統(tǒng)的效率。這一原理為旋轉導向系統(tǒng)自動軌跡控制的幾種操作模式奠定了基礎。
井眼軌跡自動操控接下來面臨的重大挑戰(zhàn)是自動開啟造斜點造斜、地層幾何空間和地質導向鉆進過程中曲線段井眼的自動控制，以及通過結合地面和井下信息，將其變成自動軌跡控制動作，它代表著更高水平的定向軌跡的自動控制，以及由定向司鉆常規(guī)處理的控制。這包括作為姿態(tài)控制器的外層或主層級的幾何空間導向和地層地質導向。自主鉆井消除了對井下軌跡做出響應時地面干預的一些依賴，從而在遇到井下情況變化時更快地做出響應。
控制像井眼軌跡這樣的多變量系統(tǒng)，有兩種基本方法，一個是多輸入和多輸出控制器法；另一個是級聯(lián)控制法，一種主次控制器的多層級方法，隨著向控制系統(tǒng)添加額外層，控制的復雜性也會隨之增加。級聯(lián)控制法更適合于必須處治一系列感興趣頻次的控制應用。在此配置中，內(nèi)環(huán)控制處理的動態(tài)速度比級聯(lián)中外環(huán)控制的動態(tài)速度更快。級聯(lián)控制還能消除某些干擾，提高閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)性能。
一個開環(huán)的軌跡傳播包括由定向司鉆操控的輸入變量，例如鉆壓、轉速、泵排量以及導向指令；該過程的輸出是井眼軌跡的形成。在鉆井過程中，BHA的配置和鉆頭的特性被視為是常量。
然后，還存在著一些干擾，例如地層產(chǎn)生的干擾。這些干擾作為輸入信號被添加到輸入系統(tǒng)，因為它們會影響鉆進產(chǎn)生的軌跡。對于多輸入和多輸出概念的閉環(huán)軌跡控制，其原理如圖1（采用多輸入多輸出控制器的閉環(huán)軌跡控制概念）所示。在此情況下，控制器使用期望的軌跡作為輸入，輸出鉆井參數(shù)和導向指令的變化，以實現(xiàn)期望的鉆進軌跡。請記住，地層是對系統(tǒng)的一種干擾。
圖2
然而，對于級聯(lián)概念的控制方法，除了地層干擾外，鉆井參數(shù)還充當了對閉環(huán)系統(tǒng)的干擾，而且，鉆井參數(shù)和地層的任何變化都會由控制器自動進行校正，見圖2（采用級聯(lián)控制的閉環(huán)軌跡控制）。
級聯(lián)控制法中的自動軌跡控制
在闡明級聯(lián)法在軌跡控制方面的優(yōu)勢后，采用多層控制的級聯(lián)閉環(huán)方法為實現(xiàn)自動井眼定位的通用方法奠定了基礎，見圖3（用于井眼定位的通用自動化方法）。地層代表著采用加速計和磁力計測量的井眼傳播；它受轉向裝置和偏置力的影響?？刂?轉向單元代表第一級控制；控制器根據(jù)加速計和磁力計傳感器測量的數(shù)據(jù)計算泥漿馬達工具面，將其與目標工具面和轉向率進行比較，然后執(zhí)行轉向力，以修復鉆進地層的方向。
姿態(tài)控制代表第二級控制；它感知連續(xù)井斜和方位，計算由第一級控制執(zhí)行的目標工具面和轉向率。軌跡控制代表第三級控制；采用目標狗腿度和期望的工具面方向，軌跡控制計算由第二級控制執(zhí)行的目標井斜和方位。地質導向/井眼定位代表第四級控制；第四級控制執(zhí)行復雜的油藏模型，以實現(xiàn)最大化油氣生產(chǎn)的井眼定位，以及指定由第三級控制執(zhí)行的目標狗腿度。井下運行的旋轉導向工具與地面之間的遙測速率在做設計決策時起著關鍵作用，每個控制回路將放置的何處，要么在地面，要么在井下。
圖3顯示了與位置控制回路一起在級聯(lián)控制法中已得到應用的姿態(tài)控制。姿態(tài)控制器除了在保持目標角度方面發(fā)揮關鍵作用外，還被用來校正垂深誤差，該誤差可能是由于地質模型中的不確定性或內(nèi)環(huán)擾動控制期間垂深的損失引起的。
曲線段井眼自動曲率控制
曲率控制器為井斜和方位目標生成設定點，這些設定點被饋送給姿態(tài)控制器，以產(chǎn)生期望的曲率特性，自動地輕推這些設定點。這個自動曲率控制器是一種對姿態(tài)控制器手動輕推的擴展，見圖2。自動曲率控制器利用ROP信息為饋送給姿態(tài)控制器的井斜和方位生成設定點。如果遙測速率能在時間域內(nèi)使自動曲率控制器在井下運行，那么ROP值則至關重要。ROP本身可在井下進行測量、估算和控制，或向井下工具發(fā)送downlinks來獲得。
虛擬測試可以評估控制方法的性能，識別和優(yōu)化控制器的關鍵參數(shù)，例如實際現(xiàn)場測試前控制器的增益。此外，虛擬現(xiàn)場測試還能評估控制器的局限性，例如對干擾的敏感性，如ROP、鉆壓、以及與井未有關的BHA的配置）。
測試控制的應用程序傳統(tǒng)上是在Simulink環(huán)境中完成的。如果結果令人滿意，一份適當?shù)囊?guī)范和要求的文檔會發(fā)送給軟件/固件團隊，其中，控制器算法是在硬件在回路仿真環(huán)境中進行編碼和測試的，但沒有反饋信號和工廠模型，在這種情況下得到的才是井眼傳播模型。該設置不對干擾進行實時仿真，例如地層變化、鉆壓、ROP以及指令下傳/上傳的鏈路延遲。然后要在現(xiàn)場對閉環(huán)控制器進行評估，這種評估方式成本昂貴，而且，一次實施中能夠執(zhí)行多少次參數(shù)更改也會受到限制。環(huán)境不受控制，工具中的傳感器數(shù)量有限；因此，很難追蹤任何失誤或故障的原因。
這種傳統(tǒng)方法非常適合測試實時應答產(chǎn)品和評價算法，但不適合測試閉環(huán)軌跡控制系統(tǒng)。一種基于模型的數(shù)字設計流程被采用并進行了實施，對閉環(huán)軌跡控制器進行了測試，加速了從初始概念到操作的進程，同時還在開發(fā)過程中對其風險和適用性進行了早期確認，最大限度地降低失誤或故障風險。針對給定的要求，在控制器設計獲得了令人滿意的結果后，該控制系統(tǒng)的軟件模塊被編譯并在NI VeriStand環(huán)境內(nèi)被轉移到一個實時的NI PXI系統(tǒng)中。在轉移到實時環(huán)境后，設計過程的下一階段則是移除單個組件，用硬件模塊將其替換。
基于模型的控制系統(tǒng)的開發(fā)，在其生效和集成為軟件之前，通過一個虛擬系統(tǒng)來測試控制算法，大大提高了控制系統(tǒng)的成熟度。工廠和控制器可執(zhí)行的模型的使用使得在設計過程的初級階段驗證和確認控制系統(tǒng)是否符合期望的功能要求成為可能。
虛擬現(xiàn)場測試結果
通過進行虛擬的現(xiàn)場測試來模擬井眼軌跡自動控制，以驗證單自動曲線（也可稱作自動造斜）算法的性能，見圖4（一種先進的建模系統(tǒng)，使工程師們能夠通過進行的虛擬現(xiàn)場測試來驗
證單自動造斜算法的性能，從而模擬井眼軌跡的自動控制）。這些測試能夠識別鉆井過程中存在的非線性、延遲性和不確定性的影響，從而進一步識別和優(yōu)化控制器的關鍵參數(shù)。該系統(tǒng)與一個真實的現(xiàn)場例子掛鉤，并進行了校正。
單自動造斜算法在三種不同的建模環(huán)境中進行了運行，最初是在Simulink環(huán)境中運行，然后在一個集成的鉆井工程分析系統(tǒng)中運行，又在一個閉環(huán)模型中對虛擬現(xiàn)場測試進行了模擬。在每個平臺運行的相同測試的結果都進行了驗證，在總井深處彼此之間在幾英尺內(nèi)都非常匹配。
以兩種配置進行測試，第一個是在集成的動態(tài)工程分析系統(tǒng)中進行的一個基于模型的測試，19次運行，鉆了超過8800 ft。在這個環(huán)境中，除了控制單元外，系統(tǒng)被完全建模。該測試的目的是通過鉆井參數(shù)和地層擾動來激勵系統(tǒng)。除了控制單元，所有的功能、ROP模式，以及擾動，如軟地層和地層推力，都進行了建模。第二個測試也是基于模式的，但測試環(huán)境采用的是在一個閉環(huán)模型中進行的模擬，其中鉆了超過24400 ft，25次運行。在這個環(huán)境下，對整個井下系統(tǒng)進行了建模；未使用硬件或固件。沒有發(fā)送downlinks；設定點通過一個特定的用戶界面鏈接到模型。所有的功能都進行了建模；ROP模式是預定義的。
為了驗證測試環(huán)境，模擬與北美一口真實現(xiàn)場示例的井的設計相關聯(lián)。這個曲線段的造斜率為8°/100ft，整個造斜段定向司鉆發(fā)送了9次downlinks才鉆至水平著陸點?，F(xiàn)場示例不是純二維的，因此從連接點創(chuàng)建了一幅虛擬的二維井的平面圖，其目標坐標與井的設計相同。這樣就可以將二維結果與二維井的設計進行比較。在集成的動態(tài)工程分析系統(tǒng)和閉環(huán)模型進行的模擬，兩種環(huán)境的測試產(chǎn)生了類似的結果。
對于所有這些測試，所生成的軌跡顯示了曲線段的樣子，除了初始設置外，沒有進行干預或發(fā)送downlinks。還分析了總井深處的垂深誤差，以及其它關鍵性能指標。實際上，在建立趨勢或開啟造斜進程后，如果需要，為了調(diào)整性能，定向司鉆或運營商可能會進行干預。因此，總井深處的誤差是假設最壞情況的誤差，只有在沒有采取任何措施修正軌跡的情況下才會發(fā)生。當生成的軌跡更接近井的設計時，測試的性能才被認為更為成功。
初始測試在整個運行過程中采用了恒定的ROP，對于測試過程中的每個ROP，一個恒定的鉆井ROP被假定為井眼傳播的ROP，并饋送給控制器。每個測試用例都在模擬器上獨立運行，以選定ROP值作為參考，自動造斜的ROP +/-百分比誤差作為測試。將產(chǎn)生的軌跡進行了比較，意在進行敏感度分析。自動造斜的ROP輸入范圍從30ft/hr.至450ft/hr.,大多數(shù)測試是以200ft/hr.作為井眼傳播模型的輸入來運行的。
對初始ROP的敏感度進行了評估，結果表明，如果自動造斜算法的ROP誤差比真實的ROP高20%，則生成的軌跡誤差與80%的ROP誤差相類似，那么目標垂深處給出的垂深就高約100ft，如果ROP誤差比真實ROP的誤差低20%，則水平位移就會更大。還進行了較小誤差的微調(diào)測試，表明整個造斜段總體的ROP誤差至關重要，而整個井眼的ROP波動則不那么重要。一項關鍵的成就就是證明了井眼傳播模型中自動曲線段ROP的輸入值對ROP變化值的靈敏度。所獲得的軌跡是否貼近設計的井眼軌跡，其精準度取決于ROP的準確度，這個ROP值要饋送到自動曲率控制器。
可以計算ROP誤差（在地面設計一個ROP觀察器），建議狗腿度輕推或校正ROP，以便在鉆進過程中對所需的垂深進行校正。垂深校正可以通過發(fā)送一個狗腿度輕推的downlinks來人工調(diào)整期望的狗腿度；或者，ROP可以通過發(fā)送downlinks的ROP值、或進行受控的鉆進、或未來能自動發(fā)送downlinks的ROP值來進行調(diào)整。
定向司鉆會在鉆進過程中進行調(diào)整（就像采用井斜保持，或保持井斜和方位所做的那樣），而自動曲率控制器（即時采用10%誤差的ROP）將產(chǎn)生一個可預測的產(chǎn)量，定向司鉆會在正確的位置使井眼水平著陸。與目前采用的鉆造斜段的人工控制方法相比，采用自動曲率控制器鉆造斜段會鉆出一個更加平滑的曲線段，而且會發(fā)送更少的downlinks。
此外，定向司鉆或運營商將不需要那么多的技能或經(jīng)驗來進行上面所述的調(diào)整并修正井眼軌跡。雖然定向司鉆偏離了井的設計并提前開始了造斜，提前讓井眼轉向進入造斜段，并且在運行過程中使軌跡匯集于目標方位，穿過中心線幾英尺內(nèi)的目標。閉環(huán)模型模擬環(huán)境的測試是純二維的，且遵循一個虛擬二維井的設計，這就是為什么它們能直接從連接點繪制到目標的原因。它們不會偏離井的設計，最終都會處于虛擬設計中距目標幾英尺的范圍內(nèi)。
虛擬現(xiàn)場測試的結果還有助于將單自動造斜算法演變?yōu)槟壳暗淖灾骰蜃圆倏貭顟B(tài)——自動造斜模式的行為與其他的自動模式非常相似，例如自動傾斜（保持井斜）以及自動切線（保持方位）鉆進，因為定向司鉆會介入該模式，并根據(jù)需要調(diào)整設置（狗腿度/馬達工具面/機械鉆速），具體取決于生成的軌跡。自動造斜控制器可在內(nèi)部調(diào)整轉向控制裝置，例如轉向比，并根據(jù)結果進行實際驗證。而虛擬現(xiàn)場測試使獲得這樣的證據(jù)點成為可能。這些模擬能為實際的現(xiàn)場試驗開發(fā)所需的工作流程、算法和數(shù)據(jù)架構，從而加速BHA自主操控鉆井的進展。
前進的道路。當然，完全自主操控的BHA仍擺在我們面前，而今天正在做的是開發(fā)關鍵功能，例如自動造斜，它克服了最后一個重大的自主操控障礙。實現(xiàn)這一目標意味著放棄孤立和獨立的工作流程，從長遠來看，這些工作流程會減少downlinks，加快鉆進速度，提高鉆井效率，以更小的扭曲度使井眼軌跡最小的偏離設計，同時，還有助于減少相關的排放，因為鉆井速度和效率都得到了提高。
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