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  • 控壓鉆井作業中的井控自動化

    時間:2022-06-06 14:41 來源:《石油與裝備》 作者:編譯 李智鵬

    鉆井作業的自動化操作可大幅降低安全風險,提高作業效率。為降低風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進步。在過去的幾十年里,油氣井施工面臨著一些重大障礙。鉆井作業本質上存在著諸多安全風險,因為這種作業暴露在危險和具有挑戰的環境中。眾所周知,井控失控是鉆井作業中的主要風險之一,一次錯誤可能會導致災難性的后果。自動化系統的運用可以消除人為失誤,減少井控事故,從而實現鉆井作業的技術進步。通過將目前人工執行的操作流程變為自動化操作,就能最大限度地降低安全風險和提高鉆井作業效率。地層流體涌入的快速響應能使涌入量減少,更快地恢復到正常的鉆井作業。
     
    圖1 
    MPD(Managed Pressure Drilling控壓鉆井)使用多個鉆井參數的實時數據提供一次井控防范。MPD系統采用地面回壓和高精度流量測量來監測地層流體涌入,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,該系統就會將涌入井筒的地層流體循環出井眼,而無需啟動二次井控。當涌入井筒的地層流體超出一次井控防范規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即可激活二次井控防范的系統。該系統的開發旨在使關井過程完全自動化。該系統能監測鉆井作業,識別地層流體涌入,接管相關鉆機設備的控制,以及自動將井關閉。
     
    MPD作業中,井控自動化技術可對地層流體的涌入迅速做出響應,如果需要,可以自動將井關閉,從而消除與二次井控交接有關的人為因素問題。何時關井的決斷由MPD系統以預先商定的準則來做出。一旦自動井控系統收到來自MPD系統的指令,該技術會立刻執行關井進程。提前做出決斷能使鉆井作業順利進行。
     
    MPD中的井控注意事項
     
    威德福公司的Victus智能MPD系統可發現和控制地層流體涌入井筒,將涌入井筒的地層流體循環出井筒,可部署在各種鉆井作業中。該系統將鉆機設備整合于一體,實現機器與機器、設備與設備之間數據通信,實時分析井下工況并迅速自動做出響應。該系統采用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控制BHP(bottomhole pressure井底壓力),實現精準的壓力浮動。由MPD提供的控制可以更好的管控環空壓力分布,從而在鉆井過程中以及在其它建井作業中對BHP實施精確的管控。封閉的環空空間,通過檢測流量和SBP,使MPD系統能對地層流體的涌入進行監測和做出響應,限制計劃外地層流體的涌入量。
     
    在MPD作業期間,有幾個物理參數控制著井筒壓力的限值。這些參數包括旋轉控制裝置(旋轉頭)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值)的概念。Victus智能MPD系統在一次井控范圍內控制地層流體涌入并將其循環出井筒,在IME限值內保持工況。如果在鉆進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為二次井控。
     
    傳統情況下,鉆井工人采用溝通程序設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到二次井控期間的實際操作中就已存在著嚴重的井控問題。
     
    自動關井
     
    Safe Influx(一家專注于為油氣行業提供自動井控解決方案的獨立公司)于2018年設計了一個自動井控系統,主要是為了解決人為因素的安全問題。自動化技術的增強反應能夠對井控事件做出快速識別、決策和反應,從而能顯著減少地層流體涌入量,降低對人和環境的危害風險。因此,該系統有助于降低與鉆井施工有關的安全風險和作業成本。
     
    使用算法,Safe Influx公司的自動井控系統能夠對正在施工的井進行連續實時的監測。一旦發現地層流體涌入井筒,該系統就會支配指定的鉆機設備、調整鉆桿接頭位置《為關閉防噴器讓鉆桿接頭躲開膠芯(環形防噴器)或閘板(閘板防噴器)》、停止頂驅、停泵;并相應地關閉防噴器。
     
    在開始鉆井作業前,司鉆會設置鉆桿接頭位置參數(調整鉆桿接頭位置),這樣系統就知道將鉆桿放置在什么位置(準確高度)。這樣就能實現自動動作功能,以確保防噴器內沒有鉆桿接頭。司鉆還能選擇自動井控系統將要控制的設備。通過確定的設備(頂驅、泥漿泵、絞車和防噴器),鉆井作業可根據油公司或鉆井承包商的政策繼續進行下去。在建井作業期間,一項健全的井控保證流程準備就緒。
     
    當系統檢測到地層流體涌入井筒時,控制算法能使系統同時發出指令并執行指令。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,系統就會按照人工操作員執行的控制步驟控制設備。在自動操作過程中,如果需要,司鉆可以隨時進行人工控制。
     
    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井系統幾乎可以消除從一次井控到二次井控過渡期間的操作風險。鑒于這一復雜的過渡過程,威德福公司和Safe Influx開發了業界第一個完全集成的MPD和自動井控系統。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業產生重大影響的系統。整合后的系統可以完成從一次井控到二次井控整個過渡過程自動操控,使轉換過程的操控更加快捷和無縫接續,見圖2(MPD自動井控泳道圖)。MPD和自動井控系統被設計為運行兩個獨立的過程。此外,司鉆還承擔了一些控制鉆井進程的其它活動??偣灿腥齻€必須規劃的進程。
     
    圖3
    發現井涌。MPD系統持續監控鉆井進程。當檢測到一次地層流體涌入井筒時,MPD系統將根據需要保持或增大環空SBP,以防地層流體進一步涌入井筒。然后,組合系統會使MPD系統以一種受控的方式安全地將涌入井筒的地層流體循環出井筒,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出井筒的整個過程中,對SBP的持續監控能使MPD系統確定是否正在接近井筒壓力限值。當壓力超過操作井控所需的設備和工藝流程的限值時,作業則需要轉到二次井控,因為鉆機防噴器的工作壓力限值遠高于MPD旋轉控制裝置或旋轉頭的壓力限值(通常指的是環形防噴器關井膠塞的承受壓力)。這種從一次井控轉換到二次井控要求停止鉆井作業,然后關閉防噴器。
     
    一旦MPD系統達到井控操作限值,MPD系統就會向自動井控系統發出信號,下令自動井控系統關井。然后,MPD操作人員會按照手動順序停止MPD作業進程。
    自動關井。自動井控系統持續監測來自MPD系統的信號。一旦接收到MPD系統適當的信號集,自動井控系統會做出相應的反應。如果系統發出“調整鉆桿接頭位置”信號,在向司鉆發出適當提醒后,系統就會對絞車進行控制,調整鉆具接頭位置,使接頭避開關井防噴器的膠芯或閘板。所有其它設備繼續保持之前的操作參數。當后續發出的信號指示關井時,在向司鉆發出適當提醒后,自動井控系統會執行必要的任務,如停止頂驅和泥漿泵運轉,然后,會防噴器控制面板發送信號,關閉預先選定的防噴器,將井關閉。
     
    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動作。如果司鉆意識到與涉及自動操作過程有關的設備或人員存在風險時,司鉆則可進行干預,暫停自動關井操作過程。然后,司鉆可根據需要完全控制鉆機設備的功能
     
    從井涌檢測、SBP持續評估、以及如果需要,調整鉆桿接頭位置、直至關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生井噴的重大事故危害有關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。自動響應、效率和低壓操作減少了人為因素對作業產生負面影響的機會。
    鉆機測試
     
    這一集成系統已在休斯頓威德福公司的測試鉆機上進行了試驗??偣苍O計了27項測試,依照MPD系統指定的MPD標準來衡量自動井控的各個方面。所涵蓋的測試包括系統設置;獨立的系統配置和集成調試;以及集成的應急、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井位置的地方進行操作。該系統在意外情況下的行為同樣重要。一系列場景的嚴格測試設計、以及對預期結果和計劃的驗收標準的全面審查是該過程的關鍵要素。每項測試都制定了非常詳細的說明,并描述了預期的結果。通過這種方式,任何偏離預期結果的情形都會被很容易的發現。
     
    所有的測試都按計劃進行。所有測試項的關鍵結果是:司鉆可在技術集成范圍內隨時恢復完全的人工控制。即使開啟了自動井控系統,司鉆仍能保持對他所管轄的所有設備的完全控制,直到系統被激活。一旦自動井控系統被激活,司鉆可通過關閉系統立即恢復到完全的手動控制。鉆機試驗的成功結果使兩家公司有信心繼續進行系統集成,實現提高性能的最佳結果。
     
    系統集成優勢
     
    石油天然氣行業受益于顛覆性技術的出現,以加強鉆井安全。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是兩項技術,可以分別降低操作風險,提高鉆井作業效率和生產力。
     
    兩項技術的接口可自動完成一次井控和二次井控,當出現地層流體涌入井筒時可立即采取行動,確定是否繼續實施一次井控予以應對,還是轉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的優勢進一步擴展到了建井施工中。
     
    此外,兩項技術組合后的系統可大大降低溢流和井噴的風險,從而減輕對環境的影響以及確保更可持續的鉆井施工。將MPD和自動井控系統集成于一體,實現快速安全關井的舉措是兩個系統之間強化合作的開始,目的是優化石油天然氣行業的安全和作業績效。(原文來自威德福公司)
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