业界首个真正集成的MPD控制系统应用海上钻井

时间:2021-04-19 14:41 来源:《石油与装备》4月 作者:李晓生

钻井承包商与OFS提供商之间的伙伴关系正在将完全由钻井承包商拥有和操作的MPD系统,以独特和完整的功效推向更高水平的应用。 MPD(控压钻井)正成为一种被人们广泛接受的在压力窗口狭窄地层钻井作业的方法。虽然MPD是某些油气井钻井作业的唯一选择,但其它油气井也受益于提高成功率、减少非生产时间(NPT),以及提高MPD带来的屏障管理。MPD作业至少需要一套旋转控制装置(RCD)、节流管汇和一些计量组件。其它设备可能包括一组缓冲管汇、回压泵和分流管汇。对于每家MPD提供商,设备和控制系统都是独特的,供应商可能会因作业的不同而有所变化。但每次在采用不同设备配置时,都会为此次作业生成一套独特的作业程序和流程,这样一来,使钻井作业人员无法从最佳实践和经验教训中获益。
 
所以,目前实施MPD服务的做法既耗时又昂贵,尤其是在深水钻井方面。与此同时,MPD的总体责任正不断从石油公司转移至钻井承包商一方。因此,越来越多的承包商正在研究通过将引入的MPD服务作为一种在其钻机设备上永久安装的产品来降低他们成本的机会。通过将部分或全部的MPD系统集成进钻机的自动化设备中,承包商就能实现成本的大幅降低,提高钻井效率和安全效能。

集成解决方案

随着越来越多的海上钻探合同要求钻机和浮动钻井船具备完整的MPD作业能力,Noble公司开始着手为其钻机或钻井平台开发一个下一代的、完全集成的MPD控制系统的项目。海上钻井承包商选择NOV公司合作开发该系统,系统包括一套完整无缝集成、可扩展且适合用途的MPD解决方案,其设备和组件能真正并入一部钻机的自动化的钻井控制系统中。完全集成的MPD控制组件。非集成的控制系统会增加司钻的劳动强度,司钻不得不在设备控制功能与过程控制功能之间进行关联,动用其综合知识和经验来协调整个控制。司钻还必须经常与第三方MPD服务商的专家们进行沟通,这些牵涉精力的工作可能会延迟决策、降低生产效率,甚至会带来运营商失误的更高风险。

因此,整个控制系统的构建是为了与钻机供应商提供的原始钻井控制系统建立起真正的系统集成。这些公司致力于将MPD设备与控制系统集成为一个完全的自动化的产品,使其无缝地集成到钻机控制系统中。作为一家有经验的OEM,NOV公司运用了他在设计方面广泛而丰富的知识,将专用的MPD钻机控制系统并入了已有的网络实地安装环境中,确保了一个无缝的整体系统集成。

集成的MPD系统的操作被进一步优化,以一种在钻井过程中机械和水力学双效能、考虑不同钻井液压缩性、密度和惰性的综合瞬态模型下进行的优化,还考虑了温度和岩屑载荷的影响。该模型还包括一个内置的早期井涌和漏失检测模块,该模块分析和比较预期的返出流量,为了准确识别井涌和井漏事件,还考虑了钻具移动、泵速、泥浆压缩性和其它因素的影响。

由于流量变化、多流体操作以及钻具移动(冲击和抽吸效应)的影响,井下压力变化通过MPD控制系统进行建模和主动管控。模型经过校准,以匹配作业期间的井下测量。综合模型的能力是业内独特的。因为模型能从许多不同角度和应用对油井和钻机设备的动力学表现进行分析。NOV公司已在各种现场作业中验证了该模型。它是多种产品供应的一部分,包括SoftSpeed II 粘/滑卡钻缓解器、有线钻杆和MPD优化应用。

系统优势

完全集成的MPD系统已完成了开发、试验和现场应用,现场很快得到证明,它是一个可为司钻提供完成钻井作业的坚固、健全和灵活的系统。通过将所有节流、泥浆泵、顶驱,以及其它设备完全关联在一起,并实现协同工作,钻井作业可在完全控制井底压力、大幅提高机械钻速和钻井效率的情况下受控进行。

集成的控制系统还能让司钻从执行日常机械控制功能和重复性的连续工作中解脱出来。现在,这些功能中的许多已实现了自动化,将司钻提升至一个钻井进程的管理者的位置,而不是手动控制许多操作任务。

通过一个综合信息的钻井屏幕,司钻现在可以执行MPD和常规钻井作业,其效率更高,响应时间更快,见图1(借助一个信息集成的屏幕,司钻现在可以完全控制MPD和常规钻井作业,而工作压力减轻了不少)。与以前非集成的双屏幕控制场景相比,使用这个新系统进行的训练模拟表明,司钻对在MPD环境下的事件和变化的响应时间提高了33%至80%。

 一个由司钻操控的全集成的MPD作业,有助于解决一些组织与组织之间的问题,最近的一项研究发现,这些问题导致了挪威大陆架的一些海上事件。其中包括:不同公司人员之间的角色含糊不清;衔接和协调能力崩溃;组织与组织之间质量控制不佳;以及公司与公司之间的沟通出现问题等等。

 集成的MPD系统所实现的效能改进表明,如果这一集成的控制系统将最相关的MPD详细信息直接置于它们的屏幕上,那么司钻就能在无需与原始设备制造商的MPD专家沟通的情况下,即可承担起额外的MPD监控责任。完全集成的系统还有助于司钻实现一项行业需求,即最大限度地减少自升式钻机或深水钻井平台上的作业人员。而一个非集成的MPD系统,其作业可能需要7-8名第三方的MPD专业人员才能操作,而这套完全集成的系统能帮助将作业人员减至两人或三人,这些作业人员都是由钻井承包商雇佣的,见图2(传统的MPD作业通常需要5至10名额外人员在井场提供服务,包括第三方的服务人员和井队从事MPD作业的人员。但在实施了NOV公司全集成的自动化控制的MPD系统后,Noble公司使MPD作业的总人数降至了只有3人。其中包括他们自己的员工。这是一个显著的成本节约,让钻井承包商更接近其只拥有两名专业MPD技术人员的目标)。
 
通过使用他们自己的员工来全面操作MPD系统(无需任何第三方团队加入),钻井承包商正在创建自己的领域知识和操作流程,他们还可在其它的钻机上向MPD操作的其余部分进行拓展。此外,当MPD处于脱机状态时,司钻自己的MPD代表可以很容易地被重新分派到井上其他的作业执行任务。由于早期采用了这种真正集成的MPD产品,Noble公司是海上钻井行业第一个优化钻井平台上MPD作业人数的钻井承包商。

证明其海上作业的潜力。经过近两年的密切合作和联合开发,钻井承包商将完全集成的MPD系统配备到了他的Noble公司环球旅行者二号钻井船上的钻机控制系统中,这是一部额定水深3050m、钻井深度12200m的深水钻井船。由于钻机的集成以及并入了先进的自动化设计,Noble公司完全拥有和运营的环球旅行者二号是业内一个真正的集成系统。另一个业内第一,环球旅行者二号自己的钻井队管理着整个的设备操作,没有NOV公司的员工或第三方团队的人员在钻井船上协助作业。迄今为止,该钻井承包商已使用Noble公司环球旅行者二号上的钻井系统钻了5口MPD油气井,其中一口井位于保加利亚的近海,另外4口井位于墨西哥湾。所有这些油气井都是深水钻井作业。

作为该井的所有者在MPD团队中信任的证明,在集成的系统安装在钻井船上后,Noble公司在保加利亚钻的第一口井直接采用了MPD作业。采用MPD钻这口井对钻至总井深至关重要。由于地质问题,包括压力窗口狭窄(孔隙压力与破裂压力接近),以及许多未知的地质构造,该油田早期钻的井大都无法钻至总井深。尽管面临这些挑战,第一次采用MPD钻的这口井比计划钻的更深,被认为是一口钻的成功的井。这个MPD系统还不断地在墨西哥湾的油气钻井作业中证明了它的效率和性能,包括许多新的MPD作业,如控压固井作业。

与任何新举措一样,现场使用的这种集成的MPD系统也面临一些不可预见的挑战。例如,井队作业人员必须习惯该系统就位时他们需承担的新角色和责任。此外,钻台上的各方人员必须熟悉该系统的设备响应和自动化流程,这需要时间,而且,需通过打更多的井才能提高技能和积累经验。通过在多部钻机上使用相同的集成系统,Noble公司已经能够做到减少培训要求,充分利用从各钻井队获得的经验。

建立在成功基础上

环球旅行者二号钻井船上完全集成的MPD系统的早期成功,给了两家公司以及他们其它的钻井船和北海其它地区的钻井平台继续他们项目实施的信心。NOV和Noble公司目前正致力于在2021年夏季为北海一家大型石油公司实施3口井钻探计划之前,将这一集成的MPD系统整合到Noble Lloyd Noble 自升式钻井平台中。MPD系统将被集成到钻机现有的网络设施的安装中,与NOV公司的工艺自动化平台建立起无缝协作,创建更多的改进机会和作业绩效。

该系统高度集成,让钻井承包商们能够完全依靠他们自身的能力来实施MPD作业,也是如何实施传统MPD作业的一种方式的改变。随着北海以及全球其他超大型石油公司所听到的该集成的MPD产品带来的切实的好处,NOV公司随时准备提供帮助和技术支持,优化全球以及每个钻井应用项目的MPD作业,无论是深水还是陆上,以及全球任何地方的钻探作业。(文章作者:莱昂纳多·科雷亚,国民油井Varco;罗伯特·范·库伦堡,Noble公司;2021年1月发布于世界石油网站)
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