控压钻井及工艺自动化系统提高钻井绩效

时间:2019-12-06 10:04 来源:未知 作者:songxinyuan

本文在此介绍的是常规钻井与控压钻井(MPD)两种方式下控制系统的技术发展,通过将钻井自动化操作系统与适合于目的的MPD系统相结合,实现钻井绩效的整体优化。整合后的系统实现了包括泥浆泵、绞车、顶驱以及MPD系统等主要钻井设备自动、精准和协调的控制。这种MPD系统包括一组与MPD控制系统结合运用的电控节流,而这个MPD控制系统又与钻机的主要钻井控制系统实现了完美的整合。
 
    从有线钻杆获得的高分辨率指标数据显示,通过整体的优化可以实现钻井绩效和井筒压力无与伦比的控制。结果表明,将一个适合于目的的MPD控制系统与一个自动操作系统整合于一体是非常有价值的。这种集成的系统确保了持续的高绩效指标,而且,通过直接使用网络上所有钻井设备的高速数据,不再需要专用的MPD操作员控制台和人机界面、多余的仪器仪表、临时电缆以及次优的通信接口。
 
MPD系统
    这种MPD系统包括一个电控节流、一个可编程逻辑控制器(PLC)系统、以及司钻坐席的整合与操作。这是一个经过现场验证设计的、带有一个压力控制操作长轨迹跟踪记录的第三代节流系统。一个外螺帽和机架装置允许快速方便地对节流进行维修,例如检查、验收或更换部件。图1是一个带有电启动器和机架装置的MPD节流系统。
伺服电机是一种采用滚子螺旋技术免维护结构设计的电机,无需机械调整和定期润滑保养即可提供可预测和可靠的使用寿命。最大节流速度为9.8毫米/每秒,只需5.7秒就能使节流阀完全就位。这种机械结构可在不缩短预期使用寿命的情况下承受100%的工作周期。这是一种获得全球认证的电机,采用了带端子块的三电压接线盒以及便于灵活布线的3/4-in.的常压常温密封压盖端口,额定温度为-40至+60℃。工业自动化级的部件能使设计的产品做的非常紧凑和坚固,从而能承受持续的额定负载和百万次免维护的压力调整。
 
带有坚固的NACE MR0175柔韧钢外壳的自锁失效就位设计是全密封的IP67规格,电机为一种简单的5/8in.六角键设计,这种设计无需特殊工具,允许手动处理应对动力损耗作业。MPD控制系统能够处治单电控节流以及一个可选的科里奥利流量计所需的所有控制和输入数据。该系统接受来自钻机传感器网络中的各种输入数据,根据需要调整节流,控制井筒压力,以达到一个目标压力。所构建的MPD控制系统采用了电动节流和三重冗余的井筒压力传感器,为的是获得良好的节流表现和更高的可靠性。
 
该控制系统采用三种主要操作模式来控制地面回压。手动调位模式,在这种操作模式下,操作员可以远程设置从0到100之间的节流位置;节流压力控制模式,节流压力控制模式能自动控制节流压力,控制系统可自动调整节流的位置或大小,以保持节流压力的设定点;节流压力对照表模式,压力对照表由不同流速/流量相对的节流压力设定点组成,当启用或触发时,节流压力设定点会根据泥浆泵当前的流速/流量自动地进行调整。
 
钻井自动化操作系统
 
    自动化操作系统(AOS)是一组安装在一部交流电动钻机上的过程控制软件。带有必要的硬件和对位的基线钻井控制系统,能实现自动钻进过程控制。该软件的目的是自动持续地提交或传递例行过程,例如,提升泵速、标记井底以及钻进时优化参数。这可使司钻专注于安全和关键操作过程的监控,包括员工资源管理。这些任务要求对操作环境、大量的未以数字方式捕获的数据通告有一个深入的了解,而一位富有经验和信息敏感的司钻则更擅长于管控过程,胜过一个计算机化的系统。
 
    AOS由几个安装在钻机控制器机柜中的单板计算机、一个附加或增补的显示屏和一个接口开关组成,其中,后两者安装在司钻操作室中。该系统有一个初始安装配置,配置设定了AOS将如何执行某些任务,例如提升泵速以及在向井底传送回压时的阻尼加速。
 
    配置选项非常宽泛,允许高标准定制。不过,配置并非与安装无关,AOS接口允许系统重置,从而对配置进行动态更改,在条件发生变化时允许进行主动的优化管理。这让用户可以对该系统进行配置,以便最佳地执行自操作任务,遵从公司的最佳实践或现场和井的特定考虑。
 
    完整的AOS系统是一个好的程序,这让钻井工程师们可为AOS提供一组操作参数,例如钻压(WOB)、转速、扭矩、流速、泵压、机械钻速(ROP),确定所钻的井应如何由该系统来完成交付。可为一个要求的井段指定这些参数,也可将这些参数以数字方式加载到该系统。关键在于,在AOS范围内操作时司钻没有权限编辑这些参数,因此,任何所需的更改必须经过一个明确的升级和协议核查来进行。
 
    AOS的一个关键特性是其允许安装一些“应用(Apps)”,可以利用一个软件开发工具包(SDK)来创建这些Apps,通过预留在AOS平台中的创建功能来完成一个应用的创建过程,AOS平台的功能还包括一些用于人机界面设计的可视化工具和一些小的功能组件。这些增值的应用可以托管在AOS中,从而可获得访问这个AOS系统中传感器采数据和相关信息的权限。这些Apps由司钻在司钻操作室从AOS显示屏中调取进行操作。
 
MPD一体化应用
 
    为了实现与AOS的整合,开发出了一个新的MPD“App”,图2给出了MPD的App界面。
 随着新系统将MPD作业设置在司钻控制屏上,这能让司钻在利用这个一体化和高度自动化的控制系统来控制这个电动的MPD节流时,专注于安全与持续的过程控制。
 
    该系统还允许对关键的子任务如接单根进行定制和自动化设计,以满足最高水平的持续作业,在最大程度地提高MPD系统执行精度的同时,最大程度地缩短接单根时间。在以连续平稳的泵升速度自动执行每次的泵速提升时,这让配置一个MPD控制系统优化每次接单根时的压力控制精度成为一项简单而容易的任务。
 
    当系统在现场使用时,司钻操作的MPD控制系统,由于其将员工需求缩减至了最少,所以,提高了作业绩效,作业的连续性和一致性也得到了提高,同时,还大幅降低了作业成本。与其在现场投入专业的MPD作业人员进行操控,倒不如由钻井承包商提供MPD服务,而原始设备制造商(OEM)则可提供维护和远程支持,以现有的技术与设施利用好设备的专长。
 
系统测试与现场试验
 
与该系统中提出的任何系统的复杂性一样,为了验证该系统在预计将要部署的应用案例中的总体效果和可用性,科研人员对研发效果进行了测试。只有在评价了这些应用案例且核实了来自类似系统的绩效数据之后,该系统才能进入下一个阶段。
 
    MPD控制系统是在一个硬件闭环的模拟器中进行的扩展性测试,其中包括了一个能在模拟环境中提供真实反馈的虚拟井筒,这能使该系统在整个开发过程中进行功能性和稳健性测试。所有需要安装在AOS中的新的应用都在一个质量保证的实验室中完成了广泛的测试。建立这个实验室是为了发现和探明应用中的不稳定性,重要的是要确保某项应用不会将不稳定因素引入到AOS中。一旦一项应用通过了质量保证测试,就可在一个实时的系统上进行部署。
 
    在一个先进的技术研发中心对整个系统架构进行了测试,该中心是为测试和验证新技术而设计的。测试设施包括了一部配有最先进钻井设备的全尺寸陆上钻机和“有线钻杆”,以实时解释井下压力。
 
测试期间,AOS被配置为执行多个自动任务序列,而MPD控制系统自动保持一个恒定的井底压力。图4中,自动操控系统正运行一系列钻井接单根作业,而MPD系统则进行压力控制。该AOS的一个关键作用是在操作钻井设备过程中确保作业的连贯性、一致性和可重复性,这可带来更加稳定和精准的压力控制,这一点图3中则看的很清楚。(图中线色表示,褐红色:流量/流速;青色:大钩位置;绿色/蓝色:MPD节流压力;黑色/红色:采自“有线钻杆”的井下压力)。
     该组合系统被安装在一部先进的陆上钻机上。由于在井与井之间和平台与平台之间无需任何大的组装,因此,安装这样的MPD节流系统非常便于钻机移动。经过培训的现场服务人员可以在现场协助安装,并就如何操作该系统对司钻进行培训。图4示意了AOS屏幕上演示的MPD应用。
部分安装包括在AOS环境下安装的MPD应用,这使得MPD可以共享AOS网络上所有应用所需的高性能网络数据。例如调整泵效、监测钻头深度以及调整泥浆密度这类简单的任务都可在AOS的应用间平等的共享。现场试验期间,司钻可以根据流量设定目标压力,监测节流效果,判断是否存在缺陷,以及利用类似的AOS所拥有的其它应用的熟知度与培训来对该系统进行调整。
 
    重要的是该行业正在不断推进MPD系统与现有钻井控制系统的整合。作为标准操作程序的一部分,而不是试图控制一个复杂系统互无关联的部分,实现这一目标将会在主司钻屏幕上提供必要的MPD数据,使司钻能够有效的监测和控制MPD参数。MPD控制系统的真正整合将会以一种更可持续的价格为后运行的优化提供更好的整体性能和相关数据,促进更多的采用和更多的接受这种绩效增强型的钻井工具。


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