地面/井下集成钻井自动化稳步发展

    从某种意义上讲，油气钻井作业好像是“赌博”，一方面，人们愿意投资成百上千万美元（如果是深水钻井的话则要投资过亿美元乃至更多）去钻不知能否成功的探井，而另一方面，钻井界也深知其各种风险固然极大，假若一旦成功，其所得的回报会更高。从历史上讲，石油钻井工业对新技术的采用一直较慢，其向自动化和机械化发展的道路漫长而艰辛。一般而言，各公司都不愿率先尝试新技术，而是希望别的公司先试用，视其效果好坏再决定是否采用。

    考虑到石油天然气钻井工业的高昂成本和复杂性，谨慎行事是完全可以理解的。然而，随着钻井自动化进程的缓慢发展，钻井承包商和各服务公司都已逐步认识到钻井自动化的潜在利益是巨大的，这些潜在利益包括更好的安全性、更高的钻井效率、更小的风险以及整体优化的钻井工艺。

    现代钻机的进步
    离不开自动化

    整体而言，现代钻机在技术方面比以往任何时候都更为先进。通过广泛采用交流变频电驱动钻机、电子司钻、PLC控制系统、顶驱装置、铁钻工、自动排管装置以及机械化猫道等先进设备，现代钻机不再依赖手工操作和低效率不精确的机械化系统。

    先进的顶驱装置使钻机能够在起钻时进行倒划眼作业，从而更适合于钻较长的水平井段和大位移井。PLC（可编程逻辑控制）技术也已被油田所采用，使得可以在钻台上集成多种机械装置，并使司钻能够在全天候的司钻控制室内远程协调控制各种钻井活动。美国H&P钻井公司在其FlexRig钻机上装配了电子司钻后，通过应用计算机、软件
和触摸屏控制装置来监控和调整多项钻井参数、优化钻井工艺并减少或消除了长期困扰钻井工业的一些常见问题，使钻井工业自动化又向前迈进了一步。电子司钻与VFD（变频驱动）的结合应用可实现再生制动效果，取代机械制动装置，实现更精确和更稳定的控制且减轻司钻的体力负荷。

    自动送钻装置也在不断发展，通过应用自动送钻装置和优化钻井工艺，在某些地区可提高钻井效率达30%。目前通过与各种传感器、计算机和数据采集系统一起使用，先进的自动送钻装置能够连续的同时监控多项钻井参数，包括钻压、机械钻速、扭矩和压差等，根据在2009年SPE/IADE钻井大会上发表的一篇论文所披露的数据显示，与使用传统自动送钻装置钻井相比，使用先进的送钻装置钻井时机械钻速提高30%以上，而所用钻头只数则减少7%。
   
    井下自动化成果多面“开花”

    除了地面设备和钻机机械化以外，另一个使钻井人员激动的领域是井下活动的自动化及其与地面设备的集成。众多业内人士已不再仅仅局限于对井下自动化充满好奇，而是真正的想使其变为现实。井下测量技术日益发展，使作业人员对井眼情况有了更为清晰的了解；有线钻杆技术也有了重大突破，能够更快更大量的向地面传输数据；而钻井专家系统的出现则使井下钻井过程与地面自动化设备间的连接有了很大的进步。有多家公司正在开发将标准作业与控制系统相互集成的工作，比如井眼缩径检测及自动机械钻速控制等。

    过去几年间，Ak e r 公司一直与SINTEF、HPD 和 StatoilHydro公司共同开发一种应用井眼可视技术和钻井工艺模型来优化并控制钻井的系统，试图研制出一种自动钻井顺序装置，将井下测量数据集成到一种在线决策支持工具中去。这种开发结果可以与一种CADS（可配置自动钻井顺序）软件工具相集成，用以控制整个的钻井顺序。比如钻井人员只需按一个用于起钻的按钮，该控制系统便会完成起钻顺序中的每一个步骤。而在以前，这需要操作员的许多介入才能启动和停止不同的设备。还有一个钻井自动化项目就是Drilltronics装置的研制，参与研制者试图制造出一种钻井自动导航装置，就像是用于航空和航海界的无人导向系统，Drilltronics装置的最终目标是能够应用计算机模型来控制钻井设备，以便可以对钻井工艺过程进行分析。StatoilHydro、BP、ENI和国民油井华高公司都是该项目的参与者。该项目的成员们正在对钻井过程进行建模，以便能够实现自动化或是减小风险，其中的大部分工作都集中于对井下压力的研究。例如，专家们已经建立了一种计算机模型，这种模型能够确定泥浆泵在启动时不损坏地层的最大运行速度，计算机或是通知司钻应该所处的安全“包线”范围，或是在实际上对设备进行控制，使司钻不能意外地按动按钮，无意地超过最大速度。理想的情况是实时井下数据将用来连续校正计算机。

    Drilltronics装置于2008年就已在北海水域的Statfjord C钻井平台上完成了现场试验，根据IRIS公司的报道，在对12 ¼英寸和8 ½英寸井段进行开窗侧钻时对起下钻控制、半自动泥浆泵启动以及自动摩擦检测等模块进行了测试，在钻入储层后对Drilltronics装置进行了试验，没有出现任何问题。目前专家们正在对该模型进行进一步的研究，不久便会再次对其进行现场试验。

    操作简化、
    注重安全成为趋势

    随着陆上钻井朝着更高层次自动化的发展，供货商们都在纷纷寻找如何使昂贵复杂的技术在低成本环境中工作的途径。例如，对于许多陆上钻机而言，要求必须配备专门的软件人员就不太切合实际，所以，类似于这方面的考虑正推动着设备供应商们重新考量其产品并找出更简单的使用方法。

    此类简化的一个典型实例是铁架工，也就是安装在井架上的一种排管装置，它使用一个机械臂来提升和排放钻杆和钻铤，消除了人工井架工在二层平台上工作的需要。从过去的工业事故统计数据来看，井架工是钻机上最危险的工种，所以铁架工能给井队带来明显的安全利益。

    当结合应用铁钻工、动力大钳和顶驱装置时，司钻就可以在司钻控制台处对日常的钻井作业进行控制，不需要有人待在危险的位置。而具有机械臂的铁帮手则可以在钻杆过井架大门移向井眼中心时控制钻杆的靠近状态，有助于下套管作业的顺利进行。
 
    另外，在过去的5年间，顶部驱动下套管装置已在钻井工业界站稳脚跟。威德福公司的增速传动装置将多个下套管工具融为一体，包括动力大钳、吊卡充填/循环工具以及重量补偿器，这类远程控制装置能实现无人下套管作业，具有明显的安全优势，且同时还具有钻井优势，人们可以在井眼中利用套管进行循环、做起下和旋转运动，从而可以用套管对井眼中的问题井同时进行划眼和钻进。