自动化井控系统执行传统上由司钻执行的所有任务，旨在发现地层流体是否进入井筒，如果确认是，那么就控制钻井进程和BOP（防喷器）设备安全关井。事实证明，自动化可为各行各业带来效率、可靠性、可重复性、质量控制和安全方面的优势。通过提前仔细考虑所有可能的情况，确定所要监控的关键参数，考虑在每种情况下要采取的适当步骤，然后对机械设备控制进行编程，以便每次都能提供这些结果，自动化可以减轻设备操作员在危机最严重的时刻做出正确决定的压力。将这些原则运用于潜在的、生死攸关处境时的井控险情能使司钻集中精力管控钻井作业，而不必集中精力控制各种机械部件来逐步执行一系列关键的操作。
 
    诸多行业已经证明，采用正确的传感器和设备控制器，相比最好的设备操作员，能更快、更可靠地识别危急情况。此外，编程良好的机械控制系统要比人类操作员能更快、更高效地完成一系列的关键操作。因此，采用自动化的井控方法能最大限度地减少地层流体进入井筒，把井带回安全状态的潜力就会大大增加。
 
    使用与OEM（原始设备制造商) 工具集成的自动化井控系统，其逻辑推理方法的好处是显而易见的。此外，从人为因素的角度来看，将逻辑推理集成到OEM控制系统中无需额外的屏幕、报警系统和设备，这对司钻的操作环境有切实的好处。
 
    Safe Influx（一家独立的、为石油天然气行业提供自动化井控解决方案的公司；Safe Influx直译：地层流体安全进入井筒）和NOV（国民油井Varco）最近开发的这一流程，然后就执行并成功测试了这一集成的效果，见图1。
 
图1
 
集成过程
 
    采取一种渐进式的风险承担和风险管控方法。确保了这些技术的集成是在对流程或人员造成最小或零风险的情况下实现的。在关键过程中修改软件时，尤其是在现实世界中控制重工业设备时，始终是一个必要的关注点。它解决了系统间自动相互通信所带来的潜在的额外风险，以及由此产生了额外的自动化和人机交互的风险。
 
    Safe Influx和NOV两家公司任命了一个具有相应的多技能的综合项目团队。项目管理系统用于执行项目，包括：明确的项目范围、项目经理和团队成员、每周的项目会议以及为捕获决策的项目会议纪要、行动计划和信息请求。不同国家间的会议采用视频会议的方式进行。
 
    该项目计划的制定是通过使用公认的工程方法和模拟器测试技术来管理集成的成功程度，旨在建立安全性和功能性，以及识别任何错误或冲突。一旦模拟器测试被证明是成功的，就可通过在钻机测试设备上安装该系统，届时就可以将其迁移到实际的钻机系统中加以运用，实现人们想要达到的自动化井控的目标。
 
    集成过程的一个关键要素是开发一个健全的输入/输出寄存器，为三个计算机系统提供相互有效通信的适当的接口地址。图1展示了所开发的模拟器系统的拓扑架构。模拟器测试用来建立安全性和功能性，识别集成过程中的任何错误或冲突。
 
模拟器集成与结果
    开发了一个混合模拟器试验的钻机平台。钻机模拟器和井下模拟器由OEM提供。可在线访问和控制模拟器，无需将设备和人员调派到一个物理位置或实际的现场。远程操控的成本和时间优势非常明显。
 
    自动化井控系统通过物理信号模拟而非软件模拟的方式进行验证。该装置被放置在一个有多个屏幕的测试室中，提供进行完整模拟器测试所需的所有信息。
 
开发了一个结构化的程序来验证系统的检测、通电、通信、集成、场景和测试程序。采用变量设置、设备组合和场景的多种组合来尝试识别任何潜在的冲突或不协调，同时还能监控自动化井控系统的功能。所有测试均进行视频录制，以及记录主要操作和观察结果的书面日志。
 
测试的目标是建立和测试接口布局，以确保：Safe Influx自动化井控系统能与钻机的操控系统集成于一体；该集成系统成功运行并在检测到地层流体涌入井筒时完成自动关井的顺序；模拟器集成的所有目标均已实现。
 
经过管理评审后，项目团队进入了下一阶段的集成，包括使用集成的系统来控制位于德克萨斯州的一部设备齐全的测试钻机。
 
测试钻机的集成和结果
 
    成立了一个经过调整的项目团队，其中包括测试钻机的适当的技能组合。然后利用类似的项目管理工具将测试从模拟器环境转移到现实环境。由于与钻机和BOP控制系统直接连接，需要一些替代的、更有效的通信协议。遵循了在成功的模拟测试中建立的拓扑原则。创建了多个记录和管理测试钻机集成的项目文档。其中包括钻机测试步骤、观察日志、行动记录、集成系统单线图、输入/输出寄存器、自动化井控逻辑图、钻机安装计划、培训材料和钻机安全会议纪要。
 
钻机数据日志用于方便所有测试的文档记录。测试的目标是建立和测试接口的约定和布局，以确保实现以下操作：Safe Influx自动化井控系统能与实际的钻机操控系统集成于一体，包括驱动BOP自动动作；集成系统成功运行，在检测到地层流体涌入井筒时完成自动关井系列动作；测试钻机集成的所有目标均已实现。
 
    在成功进行了测试钻机的集成、管理评审和后续的批准之后，该项目继续向潜在的客户进行了扩展的钻机测试和演示。
 
图2
 
Safe Influx自动化井控系统
    自动化井控系统采用的是Finesse Control Systems，一个西门子的PLC（可编程逻辑控制器）系统为Safe Influx开发的。它具有一个双冗余的CPU（中央处理器)，提供了一个高效的可用性平台，其中每个CPU都能持续地监控另一个CPU，并且在发生故障时，好的CPU 会继续处理正在执行的进程。这样就能最大限度地降低风险，确保该系统能在需要时正常运行。
 
    此外，Safe Infux选择使用了一种安全等级高的PLC，该PLC已获得了独立验证，因为它能使用西门子标准编程模块对其进行编程，以最大限度地降低不安全条件下的失败风险。这就提供了与OEM类似的高融合性设备集成的可能性，这些设备可用于实现经过认证的（安全整合性级别）SIL2或SIL3的安全工艺。
 
    由于没有可用的经过认证的OEM设备，该系统的完整性等级尚未得到开发。然而，选择使用此类处理器构建该系统可确保Safe Influx自动化井控PLC编程不会成为安全关井的薄弱环节。
 
    当与一个网络化钻机控制系统集成时，自动化井控系统从网络化钻机接收信息，通过数据链路将指令发送回网络钻机控制的CPU，通过类似的数据链路指示控制BOP的CPU发出指令，使BOP遵照指令执行动作。
 
    自动化井控的CPU包含了监控现有钻机控制系统提供的数据逻辑，检测地层流体是否涌入井筒，验证正在发生的井下工况。然后，根据各个设备的位置和运行状态，其逻辑从预定义的选项中选择适当的行动方案。
 
    通过数据链路，将一系列操作指令发送给钻机的控制系统。这些指令与司钻控制动作的现有信号并行起作用，因此所有其他的自动化保障措施在钻井系统中仍保持完好无损。    实际上，该自动化井控系统充当了司钻的助手，做了司钻以往会做的事情。
 
    这消除了司钻需要记住操作步骤和顺序的压力，也消除了司钻在一时激动下所有的操作干扰，使司钻能够继续执行正确的操作步骤。
 
    机器不会分心或措手不及；机器始终会按照程序执行操作：停止钻进、上提钻具让钻杆接头避开预选的BOP关井器件、停止顶驱运转、停止泥浆泵送以及关闭预选的BOP，实现安全关井。