02钻井自动化、智能化

1钻井自动化、智能化——钻井大趋势中国石油集团经济技术研究院2014年10月杨金华2前言汽车制造业先进的生产线早已实现了自动化、无人化。3汽车驾驶在澳大利亚一些大型矿山，自动装卸重卡早就实现了无人驾驶。国内外公路小骄车无人驾驶已经试验成功。前言4航空业大型民航客机可以全程自动飞行，只是出于安全考虑，起飞和降落仍由飞行员操作。前言5航天业飞船（神舟）与空间站（天宫飞行器）能够自动交汇对接。前言6航天业前言美国国家航空航天局（NASA）“好奇”号火星漫步者2012年在火星着陆。最近距离约为5500万公里最远距离超过4亿公里2013年距火星6000万公里左右平均气温-60℃7军事领域美国军方的“爱国者”导弹和无人机已投入实战。无人机在航母上的起飞、降落试验成功。前言8前言日常生活自动化、智能化可以说无处不在。全自动洗衣机扫地机器人智能手机智能电视9在众多行业的自动化、智能化和无人化大潮的推动下，石油钻井也在朝着自动化、智能化方向迈进，只是要滞后很多，主要原因是石油钻井过程太过复杂，井下情况复杂多变、不确定因素太多，作业风险较大。前言科学技术的重大突破或革命IT生物云计算下一代互联网仿生学军事通讯激光武器航天医学量子武器材料纳米材料大数据量子通讯纳米传感器光纤传感器太空探测器，比如“好奇”号火星漫步者海洋深潜器，比如“蚊龙”载人潜水器纳米传感器超临界材料3D打印技术需求业务驱动创新驱动科学技术的重大突破或革命10石油钻井已经从早期的机械化阶段进入了自动化阶段。钻井自动化同样经历初级、中级、高级三个发展阶段。钻井自动化的高级阶段也就是智能化钻井阶段。机械化自动化智能化无人化高级全自动有很强大的自主功能中级自动化水平越来越高有一定的自主功能初级有一定的自动化没有自主功能前言11汇报内容一、钻井自动化现状二、钻井智能化趋势三、无人化钻井前景四、认识与建议12一、钻井自动化现状钻井自动化主要由地面自动化、井下自动化、钻井信息化构成。钻井信息化地面自动化井下自动化13钻机自动化设备自动化钻机井口自动化设备，比如铁钻工配备自动送钻设备的一体化司钻控制室顶部驱动装置自动排管设备自动猫道或管具自动传送装置等海洋自动化钻机（双作业钻机）陆地自动化钻机多参数测量仪及综合录井仪地面自动化1、地面自动化自动控压钻井系统1、地面自动化14陆地自动化钻机的数量和应用不断增加NOV的RAPID钻机为提高钻井效率和安全性，国外设备制造商推出了一些陆地自动化钻机。中深井钻机钻深能力3657米（12000ft）井架高度24米，可以处理单根钻杆（二类钻杆8.2—9.1米或三类钻杆11.6—13.7米）交流变频电驱动钻机顶驱铁钻工全自动井口设备全自动钻杆处理装置一体化司钻控制室1、地面自动化15陆地自动化钻机1、地面自动化适合工厂化钻井的液压自动化钻机美国Schramm公司T500XD钻机钻深能力4500米伸缩式井架16陆地自动化钻机1、地面自动化适合工厂化钻井的液压自动化钻机液压顶驱最大扭矩47454N.m最大转速140转/分钟大钩额定载荷50万磅(22.68吨)顶驱可提供80000磅（356kN)）的向下推力，有利于准确控制钻压。控制钻压不单单依靠钻铤和钻柱的重量。动力上卸扣设备动力卡瓦动力转盘17陆地自动化钻机1、地面自动化适合工厂化钻井的液压自动化钻机自动化程度很高一体化司钻控制室（3米×4.6米）没有钻台工和井架工每个班通常只需三个操作人员：一个司钻、一个副司钻、一个助手实时数据可通过卫星或互联网传输到多个地方。18陆地自动化钻机1、地面自动化适合工厂化钻井的液压自动化钻机管具自动化处理设备可操作24英寸三类管材钻杆不是直立在钻台上，而是水平放置在管架上。19陆地自动化钻机1、地面自动化适合工厂化钻井的液压自动化钻机液压步进系统井间快速移动可朝任意方向移动最大移动速度9.1米/小时20陆地自动化钻机1、地面自动化适合工厂化钻井的液压自动化钻机动力机组一个拖车两台760马力的柴油发动机可选双燃料发动机（燃油、燃气）21陆地自动化钻机1、地面自动化适合工厂化钻井的液压自动化钻机运输、安装方便井架一个拖车总共8个拖车自升式底座安装井架不需要吊车22国外一些大的陆地钻井承包商根据自身需要定制陆地自动化钻机。陆地自动化钻机H&P公司是美国数一数二的陆地钻井承包商，其FlexRig钻机已经发展到第五代，第一代和第二代为电驱动，第三代到第五代为交流变频电驱动。第五代钻机更适合丛式水平井批量钻井（工厂化钻井），额定钻深能力6705米。概况美国H&P公司（2012年底）在美国的陆地钻机数273台（大约一半用于开发页岩气、页岩油）电驱动钻机占比100%交流变频电驱动钻机占比87%顶驱配置率100%自动化钻机占比93%(253台FlexRig)1、地面自动化23陆地自动化钻机美国Patterson-UTI钻井公司APEX®钻机APEX®钻机113台，占36%，全部是交流变频电驱动，全部用于开发美国非常规油气。APEX步进式钻机是最新一代APEX钻机，是为工厂化钻井定制的自动化钻机。1、地面自动化钻机类型2012年底钻机数美国加拿大小计APEX1500钻机（其中4台装有步进系统）5151APEX1000钻机（其中9台装有步进系统）1515APEX步进式钻机4747APEX钻机小计113113其他电驱动钻机46854电驱动钻机总数159(占53%)8167机械钻机13710147陆地钻机合计2961831424陆地自动化钻机1、地面自动化工厂化钻井要求钻机能够在井间实现快速移动，而且是满立根移动。实现井间快速移动的方式主要有两种：滑轨式和步进式。滑轨式双向移动25陆地自动化钻机1、地面自动化步进式步进式钻机靠安装在钻机底座上的4个液压举升装置（步进系统）实现一步一步的移位：模仿四个大力士移动巨型重物的过程：迈一步，抬起来移位，放下来；再迈一步，再抬起来移位，再放下，如此反复。可以前进，左右移动，还可以原地转圈。一般完成一次钻机移位的全部工作大约需花两三个小时。26陆地自动化钻机1、地面自动化Nabors公司的B系列钻机(可编程交流变频电驱动钻机)27海洋自动化钻机1、地面自动化海洋钻井尤其是深水和超深水钻井的日费很高，最高的已超过70万美元/日。因此，对海洋钻井来说，提高钻井效率和缩短钻井周期对降低钻井成本尤为重要。而传统的海洋钻机在同一时间只能完成一项作业。如果一台钻机能同时完成两项或多项作业，则可显著提高作业效率。为此，国外发展了双作业海洋钻机。28双作业钻机的主要特点是正常钻进、起下钻、下套管、固井等常规作业由主钻机完成，组装拆卸钻柱、下放隔水管柱、下放与回收水下器具等辅助作业由辅钻机完成，主辅作业可以同步进行。比如主钻机钻表层期间，辅钻机组装隔水管柱。表层固井后可将已组装好的隔水管柱移到井口，从而显著提高钻井效率，缩短钻井周期。双作业钻机市场几乎被NOV和挪威AkerSolutions公司所垄断。按驱动方式，双井架双作业钻机分为液压驱动和电驱动两种。海洋自动化钻机1、地面自动化29荷兰Huisman设备公司设计了一种结构独特的双作业钻机——多功能箱式钻塔。钻塔内装有两台升沉补偿式绞车，钻塔两侧各有一个旋转式钻杆排放架。海洋自动化钻机1、地面自动化30海洋自动化钻机HuisDrill12000型钻井船Noble钻井公司已建造了4艘配备多功能箱式钻塔的深水钻井船，其中2艘的额定作业水深高达3657米，另2艘的额定作业水深为3048米。1、地面自动化31海洋自动化钻机JBF14000型半潜式钻井平台（额定作业水深14000英尺，合4267.2米）1、地面自动化32应用现状双作业钻机已在深水浮式钻井装置（深水半潜式钻井平台和深水钻井船）上得到广泛应用。据统计，近几年新建成的深水浮式钻井装置配备的钻机几乎都是双作业钻机；当前在建的深水浮式钻井装置（钻井船73艘，半潜式钻井平台24座）将全部采用双作业钻机。双作业钻机已经成为深水钻井利器。海洋自动化钻机1、地面自动化建造数量变化图33未来展望展望未来，双作业钻机将成为深水钻井船和半潜式钻井平台的标配钻机。在技术上，双作业钻机将得到进一步发展，结构将更加多样化，钻深能力、自动化水平、作业效率和安全性将进一步提升，有力地推动未来深水油气勘探开发。海洋自动化钻机1、地面自动化34钻机自动化设备日臻配套完善钻机自动化设备井口自动化设备，比如铁钻工配备自动送钻设备的一体化司钻控制室顶部驱动装置自动排管设备自动猫道或管具自动传送装置等多参数测量仪及综合录井仪1、地面自动化35钻机自动化设备1、地面自动化36钻机自动化设备1、地面自动化37钻机自动化设备1、地面自动化38钻机自动化设备1、地面自动化Maersk公司MAERSKDEVELOPER号半潜式钻井平台建成于2009年，属第六代半潜式钻井平台，额定作业水深3048米，钻深能力9144米，是该公司最先进的浮式钻井装置之一，配备的是NOV公司的双作业钻机及自动化设备，自动化程度很高，无需钻台工和井架工，操作人员只需在一体化司钻控制室即可完成相关作业。39自动控压钻井系统自动控压钻井系统是控压钻井技术的重大突破，也是钻井技术一次新的革命，应用不断增加，应用效果日益显著，已成为窄密度窗口问题的杀手锏，可减少井下复杂情况及由此引起的非生产时间，缩短钻井周期，提高钻井安全性。未来有望成为大中型自动化钻机的标配设备。1、地面自动化威德福：微流量控制系统斯伦贝谢：动态环空压力控制系统哈里伯顿：自动节流控压钻井系统威德福的微流量控制系统401、地面自动化威德福公司的微流量控制系统在Haynesville页岩气产区的应用效果指标用常规方法钻的6口井用控压钻井系统钻的4口井泥浆密度，克/厘米31.981.80下部井段平均钻井用时，天33.016.5平均钻井周期，天6240平均单井泥浆费用，万美元/井40.530.4平均单井钻井成本，万美元/井527391案例1提高钻井效率，缩短钻井周期，降低钻井成本Forest石油公司从2010年4年月开始在Haynesville页岩气产区的4口水平井中应用威德福公司的微流量控制系统。产层属高温高压地层，温度达176.7C℃。4口水平井的造斜点深约3680米，总井深约5200米，水平段长度1190米。在完成7英寸技术套管的固井之后，开始用油基泥浆钻下部井段（造斜井段+水平井段），同时启用威德福公司的微流量控制系统，取得了很好的应用效果。411、地面自动化案例2斯伦贝谢公司用控压注水泥技术成功完成深水深井固井作业斯伦贝谢公司用控压注水泥技术控制注水泥和候凝期间的井筒压力，在水深超过1000米的深水区，成功地完成了多次固井作业，套管下深从2000米至6500米不等，减少泥浆和水泥浆的漏失，降低储层受伤害的可能性，防止地层流体流入环空，降低钻完井成本，提高固井作业安全性。42井下自动化水平提升很快。井下自动化MWD、LWD、近钻头地质导向仪、WPD自动垂直钻井系统旋转导向钻井系统随钻地震（井下“眼睛”）（井下“望远镜”，有助于实现随钻前探）（井下“方向盘”）2、井下自动化43泥浆脉冲、电磁波随钻测量/测井已得到广泛应用2、井下自动化最小外径外径1-3/4英寸传感器离钻头的最短距离0.91米最大耐温能力230℃泥浆脉冲的数据传输速率最快的达到36位/秒442、井下自动化除了泥浆脉冲和电磁波两种应用最广泛的井下信道之外，国外还发展了井下声波传输技术。加拿大XACT井下遥测公司在壳牌和BP两大国际石油公司的支持下，开发成功了井下声波传输技术。声波沿钻柱传输。在传输过程中，信号强度有衰减，需要每隔一段距离设一个信号放大器（水平段每隔大约600米，直井段每隔大约1800米），它相当于中继站，将信号增强后传向下一个信号放大器，直至传输到地面。每个信号放大器的长度及操作与钻杆大致相同。声波传输方法已投入商业应用452、井下自动化声波传输方法已投入商业应用每个信号放大器还装多个传感器，用于实时测量钻本柱内及环空压力和温度，以及钻柱的