不可预测的定向钻井性能会对钻井作业造成严重损害，导致成本上升，并可能导致错过生产。虽然许多定向工程师的工作水平很高，但准确预测钻头位置和轨迹的实践很难掌握，而且人的因素意味着失败总是有可能的。为了解决这些问题，行业越来越多地关注于定向钻井的自动化。可重复性和一致性被认为是这些自动化系统价值的基础。
 
Patterson-UTI 的 自 动 化技 术 主 管 Marcus Howell 表示 :“在今天的环境下，一天的钻井记录，而第二天却落后于预期，这是不可接受的。”一旦实现了可预测性，下一步就是确保钻井质量和准确的井眼位置。“没有结合最新调查数据分析、准确性和洞察力的自动软件创新让自动化定向钻井赢得用户信任
 
译图 1：H&P 的钻头导向系统是由 Motive 钻井技术公司获得的，它使用认知计算来指导定向钻井过程。该系统集成在该公司的AutoSlide 自动钻井服务软件套件中。图 3：在位于休斯顿的实时作业中心，专家们监督 Hess 在 Bakken 的自动定向钻井作业。该公司表示，该中心帮助其实现了定向钻井作业的标准化，缩短了钻井周期，降低了钻井和完井成本。MarcusHowell 继续表示。Patterson-UTI 在 APEX平 台 上 使 用 Cortex( 一 种 于2020 年商业化的专有操作系统 )来托管各种自动化应用程序，包括来自第三方的应用程序。
 
例如，自动定向钻井控制应用利用了 Superior QC 开 发 的基于云的 FDIR( 故障检测、隔离和恢复 ) 系统，可以提供实时校正和更精确的井位布置。这减少了弯曲度，最大限度地增加了与目标生产层的接触。通过使用 Cortex 系统进行边缘计算，Patterson-UTI 现在可以使用先进的算法来传输大量井下数据，并在短时间内进行全范围的更新。该系统具有多个通信 适 配 器， 可 对 EDR 数 据、 控制系统数据和第三方设备数据进行读写。

Howell 先生称，对于任何有效的自动定向钻井系统来说，在最短的延迟时间内整理出高质量的数据是必须的。“从我们的系统中收集了大量的数据，但必须以一种有用的方式传递这种见解。使用 Cortex，我们可以处理从井筒角度通常被忽略的有价值的钻井数据。它基本上是以一种新的方式结合这些数据，计算出更精确的 15 英尺处的井眼成型轨迹。这让我们的运营商客户能够做出更明智的商业决策。”数据管理Helmerich & Payne (H&P)的首席创新官托德·本森表示，数据管理确实是自动化系统发挥作用的关键领域。
 
大多数定向钻井的差异是由于不同的定向工程师之间的知识或经验的差异。通过集中式数据系统 ( 可以与客户船队中的其他系统连接 )，任何单个决策者对特定钻井环境的了解都可以被显著放大。这消除了差异，确保所有司钻在相同的最佳水平作业。Benson 表示 :“在使用井下传感器时，我们仍然需要处理类似于烟雾信号的速度，以及相当麻烦的滞后时间和距离。”“但自动化系统中的算法基本上可以在传感器确认之前预测、识别和预期事情的发生。”这确实是自动化系统的一大优势，无论是作为大型数据集的聚合，还是作为可以挖掘所有这些数据集的东西。”
 
2017 年，H&P 收 购 了Motive Drilling Technologies，在自动化领域取得了重大进展。Benson 表示，该公司的钻头导向系统是业内首次使用认知计算来指导定向钻井过程。该系统运行在部署在钻机上的 1-Div 2 类工业计算机上，使用标准的 WITS0 协议接收实时钻井和轨迹数据。自学习算法从定向监测站收集到的传感器数据，或与井径测量深度相对应的参考点，创建并分析数百万种潜在的转向方案。该系统根据钻井时间、弯曲度风险和未来生产潜力来评估每条路径。然后，它将这些评估结果提交给司钻，司钻可以根据从任何连接设备接收到的优化指令进行操作。Motive 系统是 H&P 公司的AutoSlide 的一部分，AutoSlide是一套钻井服务，可自动控制地面设备和导向泥浆马达，以优化斜井和水平井钻井中的滑动。该公司还利用先进的物理模型与 2019 年收购的 DrillScan 进行合作，以便更好地了解钻柱力学和井筒完整性。
 
最终，这些模型有望成为H&P综合系统的基础，该系统将集成自动定向钻井应用程序和自动地质导向应用程序。远程中心数 据 可 视 化 和 分 析 是Patterson-UTI 位 于 休 斯 顿 的PTEN+ 性能中心的核心，这是一个专门用于钻机监测和分析的中央指挥单位。该中心于 2018 年启动，可用于 Patterson 的所有钻机。该公司由钻井优化工程师、压力泵送分析师和定向钻井专家组成，他们远程监控作业，为工具设置、故障排除和服务一致性提供支持。
 
howell 将该中心描述为一个控制环境，旨在推动内部性能，并将自动化系统的优势与该领域人员的优势结合起来。该公司的性能优化团队使用性能中心的工程师与办公室和现场客户进行的分析，并在多个钻机上分享经验教训。howell 表示 :“数据是我们中心的核心。”他指出，运营商客户可以访问 Patterson-UTI 的可视化数据仪表盘。“在显示控制系统数据方面，我们有一个很大的优势，这也是很多运营商现在都想涉足的领域。我们运行在任何给定的部分，他们想知道参数，想要更多的透明度，他们可以看到司钻所能看到的，我们想给他们更多。”
 
2020 年，Patterson-UTI 还将其基于云的 HiFi Nav 井筒布置服务商业化，该服务可以自动将数据从井场传输到性能中心。它利用算法来提高水平和垂直钻井过程中对井筒位置的了解，并实时减少地质不确定性。今年，该公司正在实地测试其基于云的 HiFi 制导技术，该技术利用 HiFi Nav 井筒布置服务产生的输出和地质导向目标的变化来计算导向决策。其结果将是确保井筒保持在产层内，并保持最佳的机械钻速范围。在行业中，表演中心并不是一个新奇的概念。2015 年，Hess在休斯顿开设了实时作业中心，实施了自动定向软件引导系统，以帮助改善电机滑动钻井。该中心负责 Bakken 钻井的大部分工作，支持多达 6 个钻井平台。
 
由于 Bakken 钻机数量的下降和变化，实时中心的规模与活动水平一致，目前支持两个钻机。Hess 目前在该中心保留了两名定向钻井人员，钻机上的钻井人员接管了井场的所有定向钻井活动。Hess 高 级 钻 井 顾 问 MattIsbell 表示，通过该中心使用自动化工具对公司在 Bakken 地区的效率产生了显著影响。自 2015 年以来，Hess 的井循环时间提高了37%，自 2018 年以来，其钻井和完井成本下降了约 20%。虽然自动导航软件并不是取得这些成就的唯一原因，但伊斯贝尔表示，毫无疑问，它发挥了不可或缺的作用。
 
Isbell 表示 :“我们的重点是减少操作变化，而自动定向钻井在这方面产生了巨大影响。”“通过将我们所有的自动化工具放到一个可配置的软件中，我们已经能够巩固由自动化系统产生的知识体系，并在我们的业务中始终做出类似的决策。有了这个导向系统，我们可以减少调整井眼轨迹的时间。随着时间的推移，减少这种变化将推动操作的改进。”云系统Nabors 主 要 利 用 两 种 技 术平台为其运营商客户实现自动定向 钻 井 :SmartSLIDE， 一 种 自动滑动钻井的定向控制系统，以及 SmartNAV，一种协同定向导向系统。
 
这两种应用程序是相辅相成的，每一种应用程序都执行定向司钻的不同功能——前者执行滑轨，后者执行自动定向决策。这两款应用都与 RigCLOUD集 成，RigCLOUD 是 一 款 数 据可 视 化 软 件，Nabors 可 以 实 时处理 kpi，并收集 SmartSLIDE系统运行情况的信息，这样人员就可以修改系统如何针对特定区域进行调整。“这就像驾驶一辆自动驾驶汽 车，”Nabors 高 级 运 营 经 理Austin Groover 在描述这两款应用如何协同工作时说。“你需要 GPS 系统告诉你何时转弯，何时离开高速公路，以及如何避开即将到来的交通，但你也需要一些真正导航车辆的东西。”
 
你需要这个系统来加速、减速、转动轮子和补偿路上的积雪。”截 至 2020 年 第 四 季 度， 这两款应用已在 7 个盆地钻了超过655 口井。2 0 2 0 年 ， N a b o r s 为Delaware 盆地的一家运营商部署了 SmartNAV 和 SmartSLIDE。挑战在于如何在保持井眼质量的同时提高钻井性能，同时为作业公司的钻机群提供自动化定向钻井概念的证明。采用这些自动化解决方案后，转弯过程中的工具面控制增加了 35%，水平段钻进时间减少了 14%，比最快的邻井曲线钻进速度快了 61%。这些性能的改善使作业者能够提前 2.84 天完成目标井眼。
 
由于此次部署的成功，SmartNAV和 SmartSLIDE 系统目前已在该运营商的钻机队伍中得到 100%的使用。对 于 钻 井 承 包 商 来 说， 自动定向钻井技术的发展只会变得更 加 重 要， 因 为 它 是 最 大 化 作业 人 员 每 天 进 尺 的 关 键 因 素。Groover 先生说 :“从我们的角度来看，现在你使用的是自动化系统，你可以相信正在做出的决策是最优的，他们考虑到了运营商制定的重要指标。”自动化系统中的人除了一致性和重复性，自动定向钻井的另一个关键优势是减少了对井场人员的需求。
 
例如，Hess 目 前 在 Bakken 的 作 业 中每 6 口井只使用 1 名定向工程师，而 5 年 前 每 6 口 井 使 用 12 名 定向工程师。Isbell 先生指出，将这些人员转移出油田对安全产生了显著的积极影响，不仅因为减软件和数字流程时，这给了他们额外的技能。实时中心在这方面扮演着关键角色，无论是改进我们用来交付工作的软件和算法，还是提出新的解决方案的需求。他说 :“钻井的一些部分很难数字化，对于定向司钻来说，放弃这种控制是非常困难的。” “从实际意义上说，钻井平台总是需要人，因为我们钻探的岩石的性质不是同质的。自动化系统和算法能够——也将会——做出真正伟大的事情，但你需要有人监督并做出一些最终决定。”Howell 承认，在实施自动化系统方面，组织的认同是行业面临的一个挑战。
 
在 Patterson-UTI 项 目 中， 他 强 调 了“ 传 递信息”的重要性，即定向司钻仍然是他们公司的重要组成部分。他指出，拥有自己的定向钻井公司——MS directional( 于 2017年收购 )——可以在内部建立自动化系统，并进行跨学科的协作。这种灵活性使该公司更容易获得买入。Howell 表示 :“我们努力确保我们的员工知道有一个适合他们的地方，即使不是在当地。”“当我们使用应用程序时，我们会让员工进来，询问他们的意见。在一天结束的时候，他们是每天使用这个系统的人。定向工程师需要充分了解系统的工作原理。今天的定向钻井不能完全考虑人的因素，但我们可以扩大人员的能力，并在更关键的业务方面更好地利用他们的技能。”