自動化井控系統(tǒng)執(zhí)行傳統(tǒng)上由司鉆執(zhí)行的所有任務(wù)，旨在發(fā)現(xiàn)地層流體是否進(jìn)入井筒，如果確認(rèn)是，那么就控制鉆井進(jìn)程和BOP（防噴器）設(shè)備安全關(guān)井。事實(shí)證明，自動化可為各行各業(yè)帶來效率、可靠性、可重復(fù)性、質(zhì)量控制和安全方面的優(yōu)勢。通過提前仔細(xì)考慮所有可能的情況，確定所要監(jiān)控的關(guān)鍵參數(shù)，考慮在每種情況下要采取的適當(dāng)步驟，然后對機(jī)械設(shè)備控制進(jìn)行編程，以便每次都能提供這些結(jié)果，自動化可以減輕設(shè)備操作員在危機(jī)最嚴(yán)重的時(shí)刻做出正確決定的壓力。將這些原則運(yùn)用于潛在的、生死攸關(guān)處境時(shí)的井控險(xiǎn)情能使司鉆集中精力管控鉆井作業(yè)，而不必集中精力控制各種機(jī)械部件來逐步執(zhí)行一系列關(guān)鍵的操作。
諸多行業(yè)已經(jīng)證明，采用正確的傳感器和設(shè)備控制器，相比最好的設(shè)備操作員，能更快、更可靠地識別危急情況。此外，編程良好的機(jī)械控制系統(tǒng)要比人類操作員能更快、更高效地完成一系列的關(guān)鍵操作。因此，采用自動化的井控方法能最大限度地減少地層流體進(jìn)入井筒，把井帶回安全狀態(tài)的潛力就會大大增加。
使用與OEM（原始設(shè)備制造商) 工具集成的自動化井控系統(tǒng)，其邏輯推理方法的好處是顯而易見的。此外，從人為因素的角度來看，將邏輯推理集成到OEM控制系統(tǒng)中無需額外的屏幕、報(bào)警系統(tǒng)和設(shè)備，這對司鉆的操作環(huán)境有切實(shí)的好處。
Safe Influx（一家獨(dú)立的、為石油天然氣行業(yè)提供自動化井控解決方案的公司；Safe Influx直譯：地層流體安全進(jìn)入井筒）和NOV（國民油井Varco）最近開發(fā)的這一流程，然后就執(zhí)行并成功測試了這一集成的效果，見圖1。
圖1
集成過程
采取一種漸進(jìn)式的風(fēng)險(xiǎn)承擔(dān)和風(fēng)險(xiǎn)管控方法。確保了這些技術(shù)的集成是在對流程或人員造成最小或零風(fēng)險(xiǎn)的情況下實(shí)現(xiàn)的。在關(guān)鍵過程中修改軟件時(shí)，尤其是在現(xiàn)實(shí)世界中控制重工業(yè)設(shè)備時(shí)，始終是一個(gè)必要的關(guān)注點(diǎn)。它解決了系統(tǒng)間自動相互通信所帶來的潛在的額外風(fēng)險(xiǎn)，以及由此產(chǎn)生了額外的自動化和人機(jī)交互的風(fēng)險(xiǎn)。
Safe Influx和NOV兩家公司任命了一個(gè)具有相應(yīng)的多技能的綜合項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)。項(xiàng)目管理系統(tǒng)用于執(zhí)行項(xiàng)目，包括：明確的項(xiàng)目范圍、項(xiàng)目經(jīng)理和團(tuán)隊(duì)成員、每周的項(xiàng)目會議以及為捕獲決策的項(xiàng)目會議紀(jì)要、行動計(jì)劃和信息請求。不同國家間的會議采用視頻會議的方式進(jìn)行。
該項(xiàng)目計(jì)劃的制定是通過使用公認(rèn)的工程方法和模擬器測試技術(shù)來管理集成的成功程度，旨在建立安全性和功能性，以及識別任何錯(cuò)誤或沖突。一旦模擬器測試被證明是成功的，就可通過在鉆機(jī)測試設(shè)備上安裝該系統(tǒng)，屆時(shí)就可以將其遷移到實(shí)際的鉆機(jī)系統(tǒng)中加以運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)人們想要達(dá)到的自動化井控的目標(biāo)。
集成過程的一個(gè)關(guān)鍵要素是開發(fā)一個(gè)健全的輸入/輸出寄存器，為三個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供相互有效通信的適當(dāng)?shù)慕涌诘刂贰D1展示了所開發(fā)的模擬器系統(tǒng)的拓?fù)浼軜?gòu)。模擬器測試用來建立安全性和功能性，識別集成過程中的任何錯(cuò)誤或沖突。
模擬器集成與結(jié)果
開發(fā)了一個(gè)混合模擬器試驗(yàn)的鉆機(jī)平臺。鉆機(jī)模擬器和井下模擬器由OEM提供。可在線訪問和控制模擬器，無需將設(shè)備和人員調(diào)派到一個(gè)物理位置或?qū)嶋H的現(xiàn)場。遠(yuǎn)程操控的成本和時(shí)間優(yōu)勢非常明顯。
自動化井控系統(tǒng)通過物理信號模擬而非軟件模擬的方式進(jìn)行驗(yàn)證。該裝置被放置在一個(gè)有多個(gè)屏幕的測試室中，提供進(jìn)行完整模擬器測試所需的所有信息。
開發(fā)了一個(gè)結(jié)構(gòu)化的程序來驗(yàn)證系統(tǒng)的檢測、通電、通信、集成、場景和測試程序。采用變量設(shè)置、設(shè)備組合和場景的多種組合來嘗試識別任何潛在的沖突或不協(xié)調(diào)，同時(shí)還能監(jiān)控自動化井控系統(tǒng)的功能。所有測試均進(jìn)行視頻錄制，以及記錄主要操作和觀察結(jié)果的書面日志。
測試的目標(biāo)是建立和測試接口布局，以確保：Safe Influx自動化井控系統(tǒng)能與鉆機(jī)的操控系統(tǒng)集成于一體；該集成系統(tǒng)成功運(yùn)行并在檢測到地層流體涌入井筒時(shí)完成自動關(guān)井的順序；模擬器集成的所有目標(biāo)均已實(shí)現(xiàn)。
經(jīng)過管理評審后，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)進(jìn)入了下一階段的集成，包括使用集成的系統(tǒng)來控制位于德克薩斯州的一部設(shè)備齊全的測試鉆機(jī)。
測試鉆機(jī)的集成和結(jié)果
成立了一個(gè)經(jīng)過調(diào)整的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，其中包括測試鉆機(jī)的適當(dāng)?shù)募寄芙M合。然后利用類似的項(xiàng)目管理工具將測試從模擬器環(huán)境轉(zhuǎn)移到現(xiàn)實(shí)環(huán)境。由于與鉆機(jī)和BOP控制系統(tǒng)直接連接，需要一些替代的、更有效的通信協(xié)議。遵循了在成功的模擬測試中建立的拓?fù)湓瓌t。創(chuàng)建了多個(gè)記錄和管理測試鉆機(jī)集成的項(xiàng)目文檔。其中包括鉆機(jī)測試步驟、觀察日志、行動記錄、集成系統(tǒng)單線圖、輸入/輸出寄存器、自動化井控邏輯圖、鉆機(jī)安裝計(jì)劃、培訓(xùn)材料和鉆機(jī)安全會議紀(jì)要。
鉆機(jī)數(shù)據(jù)日志用于方便所有測試的文檔記錄。測試的目標(biāo)是建立和測試接口的約定和布局，以確保實(shí)現(xiàn)以下操作：Safe Influx自動化井控系統(tǒng)能與實(shí)際的鉆機(jī)操控系統(tǒng)集成于一體，包括驅(qū)動BOP自動動作；集成系統(tǒng)成功運(yùn)行，在檢測到地層流體涌入井筒時(shí)完成自動關(guān)井系列動作；測試鉆機(jī)集成的所有目標(biāo)均已實(shí)現(xiàn)。
在成功進(jìn)行了測試鉆機(jī)的集成、管理評審和后續(xù)的批準(zhǔn)之后，該項(xiàng)目繼續(xù)向潛在的客戶進(jìn)行了擴(kuò)展的鉆機(jī)測試和演示。
圖2
Safe Influx自動化井控系統(tǒng)
自動化井控系統(tǒng)采用的是Finesse Control Systems，一個(gè)西門子的PLC（可編程邏輯控制器）系統(tǒng)為Safe Influx開發(fā)的。它具有一個(gè)雙冗余的CPU（中央處理器)，提供了一個(gè)高效的可用性平臺，其中每個(gè)CPU都能持續(xù)地監(jiān)控另一個(gè)CPU，并且在發(fā)生故障時(shí)，好的CPU 會繼續(xù)處理正在執(zhí)行的進(jìn)程。這樣就能最大限度地降低風(fēng)險(xiǎn)，確保該系統(tǒng)能在需要時(shí)正常運(yùn)行。
此外，Safe Infux選擇使用了一種安全等級高的PLC，該P(yáng)LC已獲得了獨(dú)立驗(yàn)證，因?yàn)樗苁褂梦鏖T子標(biāo)準(zhǔn)編程模塊對其進(jìn)行編程，以最大限度地降低不安全條件下的失敗風(fēng)險(xiǎn)。這就提供了與OEM類似的高融合性設(shè)備集成的可能性，這些設(shè)備可用于實(shí)現(xiàn)經(jīng)過認(rèn)證的（安全整合性級別）SIL2或SIL3的安全工藝。
由于沒有可用的經(jīng)過認(rèn)證的OEM設(shè)備，該系統(tǒng)的完整性等級尚未得到開發(fā)。然而，選擇使用此類處理器構(gòu)建該系統(tǒng)可確保Safe Influx自動化井控PLC編程不會成為安全關(guān)井的薄弱環(huán)節(jié)。
當(dāng)與一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化鉆機(jī)控制系統(tǒng)集成時(shí)，自動化井控系統(tǒng)從網(wǎng)絡(luò)化鉆機(jī)接收信息，通過數(shù)據(jù)鏈路將指令發(fā)送回網(wǎng)絡(luò)鉆機(jī)控制的CPU，通過類似的數(shù)據(jù)鏈路指示控制BOP的CPU發(fā)出指令，使BOP遵照指令執(zhí)行動作。
自動化井控的CPU包含了監(jiān)控現(xiàn)有鉆機(jī)控制系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)邏輯，檢測地層流體是否涌入井筒，驗(yàn)證正在發(fā)生的井下工況。然后，根據(jù)各個(gè)設(shè)備的位置和運(yùn)行狀態(tài)，其邏輯從預(yù)定義的選項(xiàng)中選擇適當(dāng)?shù)男袆臃桨浮?br />
通過數(shù)據(jù)鏈路，將一系列操作指令發(fā)送給鉆機(jī)的控制系統(tǒng)。這些指令與司鉆控制動作的現(xiàn)有信號并行起作用，因此所有其他的自動化保障措施在鉆井系統(tǒng)中仍保持完好無損。 實(shí)際上，該自動化井控系統(tǒng)充當(dāng)了司鉆的助手，做了司鉆以往會做的事情。
這消除了司鉆需要記住操作步驟和順序的壓力，也消除了司鉆在一時(shí)激動下所有的操作干擾，使司鉆能夠繼續(xù)執(zhí)行正確的操作步驟。
機(jī)器不會分心或措手不及；機(jī)器始終會按照程序執(zhí)行操作：停止鉆進(jìn)、上提鉆具讓鉆桿接頭避開預(yù)選的BOP關(guān)井器件、停止頂驅(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)、停止泥漿泵送以及關(guān)閉預(yù)選的BOP，實(shí)現(xiàn)安全關(guān)井。
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