控压钻井作业中的井控自动化

时间:2022-06-06 14:41 来源:《石油与装备》 作者:编译 李智鹏 点击:

钻井作业的自动化操作可大幅降低安全风险,提高作业效率。为降低风险和提高效能采取的井控自动化操作提供了意味深长的技术进步。在过去的几十年里,油气井施工面临着一些重大障碍。钻井作业本质上存在着诸多安全风险,因为这种作业暴露在危险和具有挑战的环境中。众所周知,井控失控是钻井作业中的主要风险之一,一次错误可能会导致灾难性的后果。自动化系统的运用可以消除人为失误,减少井控事故,从而实现钻井作业的技术进步。通过将目前人工执行的操作流程变为自动化操作,就能最大限度地降低安全风险和提高钻井作业效率。地层流体涌入的快速响应能使涌入量减少,更快地恢复到正常的钻井作业。
 
图1 
MPD(Managed Pressure Drilling控压钻井)使用多个钻井参数的实时数据提供一次井控防范。MPD系统采用地面回压和高精度流量测量来监测地层流体涌入,见图1(Victus智能MPD可快速检测和减少地层流体的涌入)。如果压力和流量处于一次井控防范限度之内,该系统就会将涌入井筒的地层流体循环出井眼,而无需启动二次井控。当涌入井筒的地层流体超出一次井控防范规定的流量或额定压力时,二次井控会被激活。
 
井控自动化是一种无人介入或干预即可激活二次井控防范的系统。该系统的开发旨在使关井过程完全自动化。该系统能监测钻井作业,识别地层流体涌入,接管相关钻机设备的控制,以及自动将井关闭。
 
MPD作业中,井控自动化技术可对地层流体的涌入迅速做出响应,如果需要,可以自动将井关闭,从而消除与二次井控交接有关的人为因素问题。何时关井的决断由MPD系统以预先商定的准则来做出。一旦自动井控系统收到来自MPD系统的指令,该技术会立刻执行关井进程。提前做出决断能使钻井作业顺利进行。
 
MPD中的井控注意事项
 
威德福公司的Victus智能MPD系统可发现和控制地层流体涌入井筒,将涌入井筒的地层流体循环出井筒,可部署在各种钻井作业中。该系统将钻机设备整合于一体,实现机器与机器、设备与设备之间数据通信,实时分析井下工况并迅速自动做出响应。该系统采用SBP(surface back pressure地面回压),在地层孔隙压力和破裂压力限值范围内控制BHP(bottomhole pressure井底压力),实现精准的压力浮动。由MPD提供的控制可以更好的管控环空压力分布,从而在钻井过程中以及在其它建井作业中对BHP实施精确的管控。封闭的环空空间,通过检测流量和SBP,使MPD系统能对地层流体的涌入进行监测和做出响应,限制计划外地层流体的涌入量。
 
在MPD作业期间,有几个物理参数控制着井筒压力的限值。这些参数包括旋转控制装置(旋转头)的压力限值、套管鞋下方裸眼地层以及裸眼井段较弱地层的承压强度。这些压力限值通常组合成一个被称为IME(Influx Management Envelope地层流体涌入管控包络值)的概念。Victus智能MPD系统在一次井控范围内控制地层流体涌入并将其循环出井筒,在IME限值内保持工况。如果在钻进地层遭遇意外压力时,那么IME限值可能会被突破。在这种情况下,则需要安全有效地转为二次井控。
 
传统情况下,钻井工人采用沟通程序设法做到从一次井控到二次井控的过渡,随后就可能暴露出个人和群体人为因素的问题。因此,在人工从一次井控转到二次井控期间的实际操作中就已存在着严重的井控问题。
 
自动关井
 
Safe Influx(一家专注于为油气行业提供自动井控解决方案的独立公司)于2018年设计了一个自动井控系统,主要是为了解决人为因素的安全问题。自动化技术的增强反应能够对井控事件做出快速识别、决策和反应,从而能显著减少地层流体涌入量,降低对人和环境的危害风险。因此,该系统有助于降低与钻井施工有关的安全风险和作业成本。
 
使用算法,Safe Influx公司的自动井控系统能够对正在施工的井进行连续实时的监测。一旦发现地层流体涌入井筒,该系统就会支配指定的钻机设备、调整钻杆接头位置《为关闭防喷器让钻杆接头躲开胶芯(环形防喷器)或闸板(闸板防喷器)》、停止顶驱、停泵;并相应地关闭防喷器。
 
在开始钻井作业前,司钻会设置钻杆接头位置参数(调整钻杆接头位置),这样系统就知道将钻杆放置在什么位置(准确高度)。这样就能实现自动动作功能,以确保防喷器内没有钻杆接头。司钻还能选择自动井控系统将要控制的设备。通过确定的设备(顶驱、泥浆泵、绞车和防喷器),钻井作业可根据油公司或钻井承包商的政策继续进行下去。在建井作业期间,一项健全的井控保证流程准备就绪。
 
当系统检测到地层流体涌入井筒时,控制算法能使系统同时发出指令并执行指令。司钻会收到视觉和听觉警告信号。一旦自动井控序列指令开始,系统就会按照人工操作员执行的控制步骤控制设备。在自动操作过程中,如果需要,司钻可以随时进行人工控制。
 
图2
 
整合MPD与自动井控于一体
 
地层流体涌入自动检测流程及自动关井系统几乎可以消除从一次井控到二次井控过渡期间的操作风险。鉴于这一复杂的过渡过程,威德福公司和Safe Influx开发了业界第一个完全集成的MPD和自动井控系统。两家公司之间的密切合作提供了一个能对上游石油天然气产业产生重大影响的系统。整合后的系统可以完成从一次井控到二次井控整个过渡过程自动操控,使转换过程的操控更加快捷和无缝接续,见图2(MPD自动井控泳道图)。MPD和自动井控系统被设计为运行两个独立的过程。此外,司钻还承担了一些控制钻井进程的其它活动。总共有三个必须规划的进程。
 
图3
发现井涌。MPD系统持续监控钻井进程。当检测到一次地层流体涌入井筒时,MPD系统将根据需要保持或增大环空SBP,以防地层流体进一步涌入井筒。然后,组合系统会使MPD系统以一种受控的方式安全地将涌入井筒的地层流体循环出井筒,见图3(流量计为井涌检测提供了精确的测量)。
 
在将涌入井筒的地层流体循环出井筒的整个过程中,对SBP的持续监控能使MPD系统确定是否正在接近井筒压力限值。当压力超过操作井控所需的设备和工艺流程的限值时,作业则需要转到二次井控,因为钻机防喷器的工作压力限值远高于MPD旋转控制装置或旋转头的压力限值(通常指的是环形防喷器关井胶塞的承受压力)。这种从一次井控转换到二次井控要求停止钻井作业,然后关闭防喷器。
 
一旦MPD系统达到井控操作限值,MPD系统就会向自动井控系统发出信号,下令自动井控系统关井。然后,MPD操作人员会按照手动顺序停止MPD作业进程。
自动关井。自动井控系统持续监测来自MPD系统的信号。一旦接收到MPD系统适当的信号集,自动井控系统会做出相应的反应。如果系统发出“调整钻杆接头位置”信号,在向司钻发出适当提醒后,系统就会对绞车进行控制,调整钻具接头位置,使接头避开关井防喷器的胶芯或闸板。所有其它设备继续保持之前的操作参数。当后续发出的信号指示关井时,在向司钻发出适当提醒后,自动井控系统会执行必要的任务,如停止顶驱和泥浆泵运转,然后,会防喷器控制面板发送信号,关闭预先选定的防喷器,将井关闭。
 
在整个过程中,司钻会收到自动操作的警示,司钻也可禁止自动井控系统动作。如果司钻意识到与涉及自动操作过程有关的设备或人员存在风险时,司钻则可进行干预,暂停自动关井操作过程。然后,司钻可根据需要完全控制钻机设备的功能
 
从井涌检测、SBP持续评估、以及如果需要,调整钻杆接头位置、直至关井的整个过程都是自动操作的。这种自动操作几乎消除了通常与发生井喷的重大事故危害有关的操作程序和人为因素。这样每次地层流体涌入井筒的体量就会显著减少,因而就能做到更高效、更低压力的压井作业。自动响应、效率和低压操作减少了人为因素对作业产生负面影响的机会。
钻机测试
 
这一集成系统已在休斯顿威德福公司的测试钻机上进行了试验。总共设计了27项测试,依照MPD系统指定的MPD标准来衡量自动井控的各个方面。所涵盖的测试包括系统设置;独立的系统配置和集成调试;以及集成的应急、通信和比较测试,见图4(测试期间安装在钻台上的地层流体安全涌入自动井控接口)。
 
图4
该系统的全部和正常功能已被证明可在所有可能的钻杆接头未在防喷器关井位置的地方进行操作。该系统在意外情况下的行为同样重要。一系列场景的严格测试设计、以及对预期结果和计划的验收标准的全面审查是该过程的关键要素。每项测试都制定了非常详细的说明,并描述了预期的结果。通过这种方式,任何偏离预期结果的情形都会被很容易的发现。
 
所有的测试都按计划进行。所有测试项的关键结果是:司钻可在技术集成范围内随时恢复完全的人工控制。即使开启了自动井控系统,司钻仍能保持对他所管辖的所有设备的完全控制,直到系统被激活。一旦自动井控系统被激活,司钻可通过关闭系统立即恢复到完全的手动控制。钻机试验的成功结果使两家公司有信心继续进行系统集成,实现提高性能的最佳结果。
 
系统集成优势
 
石油天然气行业受益于颠覆性技术的出现,以加强钻井安全。威德福公司的Victus智能MPD和地层流体安全涌入自动井控系统是两项技术,可以分别降低操作风险,提高钻井作业效率和生产力。
 
两项技术的接口可自动完成一次井控和二次井控,当出现地层流体涌入井筒时可立即采取行动,确定是否继续实施一次井控予以应对,还是转为二次井控加以处治,这种方法可提供更高水平的施工效率与安全。自动从一次井控切换到二次井控将MPD的优势进一步扩展到了建井施工中。
 
此外,两项技术组合后的系统可大大降低溢流和井喷的风险,从而减轻对环境的影响以及确保更可持续的钻井施工。将MPD和自动井控系统集成于一体,实现快速安全关井的举措是两个系统之间强化合作的开始,目的是优化石油天然气行业的安全和作业绩效。(原文来自威德福公司)
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