提高钻井机械效率和稳定性的新型自动化钻井界面

杨 莉

（中石化胜利分公司河口采油厂工艺研究 257200）

本文章中调查了相关实验室数据、现场测试及结果，涵盖了这套新系统从最初的商业应用到被证明有效可行的过程。海上作业每口井因此可以节省24小时，而且有潜力可以将这一数据提高到每口井72小时。陆地钻机也有相应的数据。

这样一个系统可以简称为一个泥浆泵控制装置。目前为止，它已经应用于各种型号的陆地钻机以及一部在海洋作业的深水钻井船上。通过这种方式，使得原本复杂的针对井下工具的命令传输信号变的非常简单，它应用下拉菜单即可轻松实现。因为在正常的工况下，要在完全手动条件下来保证与井下旋转导向工具的连接实现零失误是几乎不可能的，而通过这种方式可以。另外，它与转盘和绞车刹车的连接也已经测试成功。通过这种应用，可以用于限制司钻的作业速度设定，从而避免因缺乏经验而造成的井眼或其它井口设备受损的情况发生。这种新系统的应用，在未来将从根本上改变钻井方式。对于现有钻机来说，它作为一种输送装置，可以将复杂的命令准确快速的应用于钻井作业中。另外，它也可以侧重于算法将许多新的钻井技术得以应用，从而降低钻柱摆动和疲劳的发生程度，更重要的是可以使井口应力最小化并大大缩减由此产生的故障停工时间。

1 论述这种产品的性能

在钻柱里面的电子井下工具最初起源于设定为固定配置的MWD，并很快发展为由作业者通过手动作业来实现和井下工具的通讯，也就是我们通常说的“下行通讯”。目前，井下工具主要有MWD、LWD、旋转导向系统、地层测试工具以及一些附属设备，它们都可以通过下行通讯接收指示。这些可以通过手动改变钻机上的手轮实现，或者是通过一个安装在立管上的阀门。目前有些阀门可以通过一台预排程序的电脑实现半自动化作业。

设备供应商可以开发一种简单的控制装置，它可以被安装在钻机现有的控制系统里面以此来实现对下行通讯的自动化。这种计算机化的下行通讯方式分别应用于深水钻井船和陆地钻机上。在这篇文章中，详细描述了它是如何被使用以及它给作业者带来的种种好处。用时，也探讨了应用这种新技术所带来的长远影响。

2 目前的理论

目前的井下工具是通过各种地面钻机设备来接收下行命令的。其中通常公司的作法是利用泥浆流速的变化，它可以在定向井工程师的帮助下由司钻通过手动调节泵冲数完成。另外有其他公司利用一种位于钻台面并与立管系统连接的旁通阀来实现，旁通掉一部分参与正常循环的的泥浆液来传递下行信号。其他一些公司通过作为上行连接的阀门来改变压力脉冲信号，还有一些公司通过改变顶驱或是转盘的转速来实现与井下工具的通讯。但是，所有这些手动模式都存在以下缺陷：

1.人为操作所存在的不精确、不一致性，尤其是在钻井过程中的突发状况会打断司钻的下行作业

2.占用司钻太多的时间

3.现有的自动控制系统成本较高，且需要定期进行保养和维护

4.压力脉冲会受到井深的限制，即便是在新的解码和检测能力大大提高的情况下

3 新的控制系统

此新系统被开发为可以与各种类型钻机的电控系统相匹配。只需要将现有的控制信号截断，与预制好的命令序列作比较，然后将这些计算正确的指令沿着原有的路径传输。在一个典型的直流钻机的电控系统里面，位于司钻房的手轮控制器会通过一个位于SCR房的接线端子排与电阻器或电位计相连接。通过这样的接线方式，将手轮与SCR的控制系统相连接从而起到调节泵冲的作用。我们可以对电控系统进行相关的改动包括截断与手轮的接线和将此新系统连接进去。这样的话，司钻房的手轮和新系统的主控制器相连接，模数转换后与来自定向井服务公司的指令序列作比较，重新计算后信号序列返回SCR或者AC驱动回路。

在此主系统中当对信号进行整合时，有一些特殊的规定：

1.对系统严格检查以确保司钻能够在任何时候都能掌控大局。当然，司钻也必须允许服务公司来对系统发送指令。

2.即使那样，只有较低的输入信号返回到现有的控制中。

3.司钻只要轻轻转动手轮，自动作业将即刻变为手动作业

4.司钻能在任意时刻设置成与自己操作习惯一致的命令序列

如果有部件失效等情况发生，系统将会自动进行干预并迅速转为手动作业模式。

这套新系统的接口设计为基于网络服务的开放式协议，它可以与其它客户接口自由兼容。一种XML协议可以提供独立的平台，以便于第三方的软件能够与此系统相互通讯。此协议允许通过服务公司的电脑进行系统配置及标定、生成指令序列、实施监控等等。当然，由于有保密设定任何试图接近控制器的行为都是被禁止的。目前很多作业者、承包方或是第三方都有针对自身钻机开发的软件，此开放式协议接受类似软件，具体的话会在案例分析中阐述。

在发送指令前，需要将服务公司的电脑通过以太网端口与主控制器相连，然后把相关的程序指令通过开发式协议上传到主控制器。这些程序指令由服务公司通过下拉菜单创建，这种方式大大降低了发生错误的可能性。所有的指令序列一旦被成功传送至主控制器后会被存储在里面，同时系统会自动反馈给服务公司以确保指令被成功接收。这种通信方案的设计降低了主控制器和服务公司电脑之间信号传输延迟所带来的影响：指令一旦上传，回执确认返回给服务公司，系统待机直到接收到执行命令。

在正确设定之后，新系统可以用相同的构建发送给定值指令。这种设定曾经在位于德州中部的一台陆地钻机上进行实验，针对各种钻井参数比如钻压、转速和泵冲。通过在不同时间段里改变设定值，一个复杂的序列就产生了并被发送到主控制器，从而完成在没有人力介入的情况下成功的执行预先计划好的作业。此外，同时发送多个指令也是可以实现的。

4 目前的应用

新的控制系统允许服务公司建立一个简单的界面，可以在不考虑钻机设计多样性的前提下进行作业。因为此界面是通过以太网络建立的，可以从钻机自身网络或是从一个远程站点来发送命令。那条深水钻井船上面就将位于钻台的站点和位于定向井工程师办公室的站点整合到一起。而在陆地钻机上，主要接收来自本地的作业指令，有时也会接收来自钻井公司总部的。

虽然上述的状况都是在和泥浆泵相结合的情况下进行的，但是相同的安装及操作也适用于大多数的顶驱和转盘。

相对于人工作业依赖于司钻个人的持久注意力来说，自动化控制装置的优势在于它的可靠性和重复精度。由于自动化系统更加敏锐的导向性及脉冲下降沿，可以允许更窄的脉冲宽度通过，从而达到节省时间的目的。同时，更加敏锐的脉冲也大大提供了信号检测能力，允许更加低幅度的变化，从而导致更低的流量变化和对环空压力的更低影响。

5 未来的应用

利用同样的方法，新的控制系统可以通过发送给定值和界限值来辅助完成许多钻井作业。可以通过现场试验发送给定值到自动送钻装置，以证明新系统与其它远程钻井设备也能兼容。利用这些以定时发出的给定值，可以自动测算出最佳的钻井参数。

现在有些第三方正在拓展它的附加功能，以此实现一些更加复杂作业的自动化，比如同时对多个钻井设备实现自动化控制。

6 结论

1.新的系统可以为钻机作业实现先进的控制方法提供一个安全有效且有实践经验的解决办法。

2.这些先进的方法可以直接在本地钻机上应用，也可以通过运程控制来实施。

3.事实证明，新的自动化系统可以在绝大多数钻机上面实现复杂的控制方法，它对于钻井控制方法来说具有划时代的意义。