楊 莉

（中石化勝利分公司河口采油廠工藝研究 257200）

本文章中調(diào)查了相關(guān)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)、現(xiàn)場測試及結(jié)果，涵蓋了這套新系統(tǒng)從最初的商業(yè)應(yīng)用到被證明有效可行的過程。海上作業(yè)每口井因此可以節(jié)省24小時(shí)，而且有潛力可以將這一數(shù)據(jù)提高到每口井72小時(shí)。陸地鉆機(jī)也有相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

這樣一個(gè)系統(tǒng)可以簡稱為一個(gè)泥漿泵控制裝置。目前為止，它已經(jīng)應(yīng)用于各種型號(hào)的陸地鉆機(jī)以及一部在海洋作業(yè)的深水鉆井船上。通過這種方式，使得原本復(fù)雜的針對井下工具的命令傳輸信號(hào)變的非常簡單，它應(yīng)用下拉菜單即可輕松實(shí)現(xiàn)。因?yàn)樵谡５墓r下，要在完全手動(dòng)條件下來保證與井下旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的連接實(shí)現(xiàn)零失誤是幾乎不可能的，而通過這種方式可以。另外，它與轉(zhuǎn)盤和絞車剎車的連接也已經(jīng)測試成功。通過這種應(yīng)用，可以用于限制司鉆的作業(yè)速度設(shè)定，從而避免因缺乏經(jīng)驗(yàn)而造成的井眼或其它井口設(shè)備受損的情況發(fā)生。這種新系統(tǒng)的應(yīng)用，在未來將從根本上改變鉆井方式。對于現(xiàn)有鉆機(jī)來說，它作為一種輸送裝置，可以將復(fù)雜的命令準(zhǔn)確快速的應(yīng)用于鉆井作業(yè)中。另外，它也可以側(cè)重于算法將許多新的鉆井技術(shù)得以應(yīng)用，從而降低鉆柱擺動(dòng)和疲勞的發(fā)生程度，更重要的是可以使井口應(yīng)力最小化并大大縮減由此產(chǎn)生的故障停工時(shí)間。

1 論述這種產(chǎn)品的性能

在鉆柱里面的電子井下工具最初起源于設(shè)定為固定配置的MWD，并很快發(fā)展為由作業(yè)者通過手動(dòng)作業(yè)來實(shí)現(xiàn)和井下工具的通訊，也就是我們通常說的“下行通訊”。目前，井下工具主要有MWD、LWD、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)、地層測試工具以及一些附屬設(shè)備，它們都可以通過下行通訊接收指示。這些可以通過手動(dòng)改變鉆機(jī)上的手輪實(shí)現(xiàn)，或者是通過一個(gè)安裝在立管上的閥門。目前有些閥門可以通過一臺(tái)預(yù)排程序的電腦實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化作業(yè)。

設(shè)備供應(yīng)商可以開發(fā)一種簡單的控制裝置，它可以被安裝在鉆機(jī)現(xiàn)有的控制系統(tǒng)里面以此來實(shí)現(xiàn)對下行通訊的自動(dòng)化。這種計(jì)算機(jī)化的下行通訊方式分別應(yīng)用于深水鉆井船和陸地鉆機(jī)上。在這篇文章中，詳細(xì)描述了它是如何被使用以及它給作業(yè)者帶來的種種好處。用時(shí)，也探討了應(yīng)用這種新技術(shù)所帶來的長遠(yuǎn)影響。

2 目前的理論

目前的井下工具是通過各種地面鉆機(jī)設(shè)備來接收下行命令的。其中通常公司的作法是利用泥漿流速的變化，它可以在定向井工程師的幫助下由司鉆通過手動(dòng)調(diào)節(jié)泵沖數(shù)完成。另外有其他公司利用一種位于鉆臺(tái)面并與立管系統(tǒng)連接的旁通閥來實(shí)現(xiàn)，旁通掉一部分參與正常循環(huán)的的泥漿液來傳遞下行信號(hào)。其他一些公司通過作為上行連接的閥門來改變壓力脈沖信號(hào)，還有一些公司通過改變頂驅(qū)或是轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)與井下工具的通訊。但是，所有這些手動(dòng)模式都存在以下缺陷：

1.人為操作所存在的不精確、不一致性，尤其是在鉆井過程中的突發(fā)狀況會(huì)打斷司鉆的下行作業(yè)

2.占用司鉆太多的時(shí)間

3.現(xiàn)有的自動(dòng)控制系統(tǒng)成本較高，且需要定期進(jìn)行保養(yǎng)和維護(hù)

4.壓力脈沖會(huì)受到井深的限制，即便是在新的解碼和檢測能力大大提高的情況下

3 新的控制系統(tǒng)

此新系統(tǒng)被開發(fā)為可以與各種類型鉆機(jī)的電控系統(tǒng)相匹配。只需要將現(xiàn)有的控制信號(hào)截?cái)啵c預(yù)制好的命令序列作比較，然后將這些計(jì)算正確的指令沿著原有的路徑傳輸。在一個(gè)典型的直流鉆機(jī)的電控系統(tǒng)里面，位于司鉆房的手輪控制器會(huì)通過一個(gè)位于SCR房的接線端子排與電阻器或電位計(jì)相連接。通過這樣的接線方式，將手輪與SCR的控制系統(tǒng)相連接從而起到調(diào)節(jié)泵沖的作用。我們可以對電控系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)的改動(dòng)包括截?cái)嗯c手輪的接線和將此新系統(tǒng)連接進(jìn)去。這樣的話，司鉆房的手輪和新系統(tǒng)的主控制器相連接，模數(shù)轉(zhuǎn)換后與來自定向井服務(wù)公司的指令序列作比較，重新計(jì)算后信號(hào)序列返回SCR或者AC驅(qū)動(dòng)回路。

在此主系統(tǒng)中當(dāng)對信號(hào)進(jìn)行整合時(shí)，有一些特殊的規(guī)定：

1.對系統(tǒng)嚴(yán)格檢查以確保司鉆能夠在任何時(shí)候都能掌控大局。當(dāng)然，司鉆也必須允許服務(wù)公司來對系統(tǒng)發(fā)送指令。

2.即使那樣，只有較低的輸入信號(hào)返回到現(xiàn)有的控制中。

3.司鉆只要輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，自動(dòng)作業(yè)將即刻變?yōu)槭謩?dòng)作業(yè)

4.司鉆能在任意時(shí)刻設(shè)置成與自己操作習(xí)慣一致的命令序列

如果有部件失效等情況發(fā)生，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)進(jìn)行干預(yù)并迅速轉(zhuǎn)為手動(dòng)作業(yè)模式。

這套新系統(tǒng)的接口設(shè)計(jì)為基于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的開放式協(xié)議，它可以與其它客戶接口自由兼容。一種XML協(xié)議可以提供獨(dú)立的平臺(tái)，以便于第三方的軟件能夠與此系統(tǒng)相互通訊。此協(xié)議允許通過服務(wù)公司的電腦進(jìn)行系統(tǒng)配置及標(biāo)定、生成指令序列、實(shí)施監(jiān)控等等。當(dāng)然，由于有保密設(shè)定任何試圖接近控制器的行為都是被禁止的。目前很多作業(yè)者、承包方或是第三方都有針對自身鉆機(jī)開發(fā)的軟件，此開放式協(xié)議接受類似軟件，具體的話會(huì)在案例分析中闡述。

在發(fā)送指令前，需要將服務(wù)公司的電腦通過以太網(wǎng)端口與主控制器相連，然后把相關(guān)的程序指令通過開發(fā)式協(xié)議上傳到主控制器。這些程序指令由服務(wù)公司通過下拉菜單創(chuàng)建，這種方式大大降低了發(fā)生錯(cuò)誤的可能性。所有的指令序列一旦被成功傳送至主控制器后會(huì)被存儲(chǔ)在里面，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)反饋給服務(wù)公司以確保指令被成功接收。這種通信方案的設(shè)計(jì)降低了主控制器和服務(wù)公司電腦之間信號(hào)傳輸延遲所帶來的影響：指令一旦上傳，回執(zhí)確認(rèn)返回給服務(wù)公司，系統(tǒng)待機(jī)直到接收到執(zhí)行命令。

在正確設(shè)定之后，新系統(tǒng)可以用相同的構(gòu)建發(fā)送給定值指令。這種設(shè)定曾經(jīng)在位于德州中部的一臺(tái)陸地鉆機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，針對各種鉆井參數(shù)比如鉆壓、轉(zhuǎn)速和泵沖。通過在不同時(shí)間段里改變設(shè)定值，一個(gè)復(fù)雜的序列就產(chǎn)生了并被發(fā)送到主控制器，從而完成在沒有人力介入的情況下成功的執(zhí)行預(yù)先計(jì)劃好的作業(yè)。此外，同時(shí)發(fā)送多個(gè)指令也是可以實(shí)現(xiàn)的。

4 目前的應(yīng)用

新的控制系統(tǒng)允許服務(wù)公司建立一個(gè)簡單的界面，可以在不考慮鉆機(jī)設(shè)計(jì)多樣性的前提下進(jìn)行作業(yè)。因?yàn)榇私缑媸峭ㄟ^以太網(wǎng)絡(luò)建立的，可以從鉆機(jī)自身網(wǎng)絡(luò)或是從一個(gè)遠(yuǎn)程站點(diǎn)來發(fā)送命令。那條深水鉆井船上面就將位于鉆臺(tái)的站點(diǎn)和位于定向井工程師辦公室的站點(diǎn)整合到一起。而在陸地鉆機(jī)上，主要接收來自本地的作業(yè)指令，有時(shí)也會(huì)接收來自鉆井公司總部的。

雖然上述的狀況都是在和泥漿泵相結(jié)合的情況下進(jìn)行的，但是相同的安裝及操作也適用于大多數(shù)的頂驅(qū)和轉(zhuǎn)盤。

相對于人工作業(yè)依賴于司鉆個(gè)人的持久注意力來說，自動(dòng)化控制裝置的優(yōu)勢在于它的可靠性和重復(fù)精度。由于自動(dòng)化系統(tǒng)更加敏銳的導(dǎo)向性及脈沖下降沿，可以允許更窄的脈沖寬度通過，從而達(dá)到節(jié)省時(shí)間的目的。同時(shí)，更加敏銳的脈沖也大大提供了信號(hào)檢測能力，允許更加低幅度的變化，從而導(dǎo)致更低的流量變化和對環(huán)空壓力的更低影響。

5 未來的應(yīng)用

利用同樣的方法，新的控制系統(tǒng)可以通過發(fā)送給定值和界限值來輔助完成許多鉆井作業(yè)。可以通過現(xiàn)場試驗(yàn)發(fā)送給定值到自動(dòng)送鉆裝置，以證明新系統(tǒng)與其它遠(yuǎn)程鉆井設(shè)備也能兼容。利用這些以定時(shí)發(fā)出的給定值，可以自動(dòng)測算出最佳的鉆井參數(shù)。

現(xiàn)在有些第三方正在拓展它的附加功能，以此實(shí)現(xiàn)一些更加復(fù)雜作業(yè)的自動(dòng)化，比如同時(shí)對多個(gè)鉆井設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。

6 結(jié)論

1.新的系統(tǒng)可以為鉆機(jī)作業(yè)實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的控制方法提供一個(gè)安全有效且有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的解決辦法。

2.這些先進(jìn)的方法可以直接在本地鉆機(jī)上應(yīng)用，也可以通過運(yùn)程控制來實(shí)施。

3.事實(shí)證明，新的自動(dòng)化系統(tǒng)可以在絕大多數(shù)鉆機(jī)上面實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制方法，它對于鉆井控制方法來說具有劃時(shí)代的意義。