一項實現(xiàn)BHA（井底鉆具組合）完全自主操控的研究正在進(jìn)行中。虛擬測試系統(tǒng)的開發(fā)能讓石油公司或運營商們通過進(jìn)行一個虛擬的現(xiàn)場測試來模擬鉆進(jìn)軌跡的自動控制。該技術(shù)能提高機(jī)械鉆速（ROP）和鉆井效率，還能最大限度地減少井眼扭曲以及與設(shè)計軌跡的偏差。
自主或自主操控鉆井是一種進(jìn)化——從完全的人機(jī)界面到自動操控和簡化的人機(jī)界面再到自動調(diào)節(jié)的自主操控。在瞬息萬變的環(huán)境中，地下鉆井環(huán)境的挑戰(zhàn)加劇了這項任務(wù)的難度。不久前，工程師們的腦海中只有一個概念，現(xiàn)在已經(jīng)實現(xiàn)了一種自主操控的BHA，也就是人們已知的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向，能在無人干預(yù)的情況下進(jìn)行井眼軌跡控制。隨之而來的在安全、可持續(xù)性、成本效益、準(zhǔn)確性、一致性以及可預(yù)測性方面對該行業(yè)的好處是全方位的。
自主操控的BHA意味著現(xiàn)場無需更多的定向司鉆和鉆工，從而可減少員工面臨的HSE（健康、安全與環(huán)境）風(fēng)險。另外，鉆井現(xiàn)場巡查巡檢的人員也會相應(yīng)地減少，加上鉆井性能的一致性更好，自主操控還能降低能耗以及與二氧化碳排放有關(guān)的活動，同時還更具成本效益。而且，由于自主操控的BHA可對井下環(huán)境的變化即時做出反應(yīng)，從而消除了數(shù)據(jù)上傳至地面再做響應(yīng)的時間延遲，因此，井眼軌跡和定位會更加準(zhǔn)確。自操控鉆井隨著每次現(xiàn)場運用的增加其步伐也在加快。迄今為止，自主鉆井已在美國的陸上、中東和北海鉆進(jìn)了超過26000 ft的曲線段（通常又被稱作造斜、糾斜和降斜段）井眼。
挑戰(zhàn)與解決方案
在二疊紀(jì)盆地，高沖擊和高震動，加上南北方向鉆進(jìn)時的高轉(zhuǎn)速，此井段也被稱作排斥區(qū)（zone of exclusion 簡稱ZOE），使得井下隨鉆連續(xù)方位測量變得十分困難。然而，一個由自操控技術(shù)引導(dǎo)的BHA，一種特定的設(shè)備，在7口非常規(guī)油井的鉆井作業(yè)中鉆進(jìn)了7個曲線段，同樣的設(shè)備還與多口鄰井鉆進(jìn)的情況進(jìn)行了比較。曲線段鉆進(jìn)需要的downlinks（下行指令）減少了42%，鉆頭在井底的時間得到了大幅增加，鉆進(jìn)速度提高了39%。
另一個二疊紀(jì)盆地的運營商在打造斜段和切線段——或BHA自主打這部分井段時——其結(jié)果是在打了579 ft曲線段期間沒有發(fā)送downlinks，這也使得ROP提高了39%。在排斥區(qū)內(nèi)，BHA一直鉆至方位180°的水平著陸點。在未發(fā)送downlinks的情況下打出了一個軌跡更為圓滑的579 ft的曲線段井眼。
自主軌跡控制背后的核心理念是一種級聯(lián)的、基于主與次的多層級方法，隨之而來的是，系統(tǒng)的復(fù)雜性隨著附加層的增加而增加。這種方法提高了在應(yīng)對鉆井過程中存在的非線性、延遲性和不確定性時整個軌跡控制系統(tǒng)的效率。這一原理為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)自動軌跡控制的幾種操作模式奠定了基礎(chǔ)。
井眼軌跡自動操控接下來面臨的重大挑戰(zhàn)是自動開啟造斜點造斜、地層幾何空間和地質(zhì)導(dǎo)向鉆進(jìn)過程中曲線段井眼的自動控制，以及通過結(jié)合地面和井下信息，將其變成自動軌跡控制動作，它代表著更高水平的定向軌跡的自動控制，以及由定向司鉆常規(guī)處理的控制。這包括作為姿態(tài)控制器的外層或主層級的幾何空間導(dǎo)向和地層地質(zhì)導(dǎo)向。自主鉆井消除了對井下軌跡做出響應(yīng)時地面干預(yù)的一些依賴，從而在遇到井下情況變化時更快地做出響應(yīng)。
控制像井眼軌跡這樣的多變量系統(tǒng)，有兩種基本方法，一個是多輸入和多輸出控制器法；另一個是級聯(lián)控制法，一種主次控制器的多層級方法，隨著向控制系統(tǒng)添加額外層，控制的復(fù)雜性也會隨之增加。級聯(lián)控制法更適合于必須處治一系列感興趣頻次的控制應(yīng)用。在此配置中，內(nèi)環(huán)控制處理的動態(tài)速度比級聯(lián)中外環(huán)控制的動態(tài)速度更快。級聯(lián)控制還能消除某些干擾，提高閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)性能。
一個開環(huán)的軌跡傳播包括由定向司鉆操控的輸入變量，例如鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵排量以及導(dǎo)向指令；該過程的輸出是井眼軌跡的形成。在鉆井過程中，BHA的配置和鉆頭的特性被視為是常量。
然后，還存在著一些干擾，例如地層產(chǎn)生的干擾。這些干擾作為輸入信號被添加到輸入系統(tǒng)，因為它們會影響鉆進(jìn)產(chǎn)生的軌跡。對于多輸入和多輸出概念的閉環(huán)軌跡控制，其原理如圖1（采用多輸入多輸出控制器的閉環(huán)軌跡控制概念）所示。在此情況下，控制器使用期望的軌跡作為輸入，輸出鉆井參數(shù)和導(dǎo)向指令的變化，以實現(xiàn)期望的鉆進(jìn)軌跡。請記住，地層是對系統(tǒng)的一種干擾。
圖2
然而，對于級聯(lián)概念的控制方法，除了地層干擾外，鉆井參數(shù)還充當(dāng)了對閉環(huán)系統(tǒng)的干擾，而且，鉆井參數(shù)和地層的任何變化都會由控制器自動進(jìn)行校正，見圖2（采用級聯(lián)控制的閉環(huán)軌跡控制）。
級聯(lián)控制法中的自動軌跡控制
在闡明級聯(lián)法在軌跡控制方面的優(yōu)勢后，采用多層控制的級聯(lián)閉環(huán)方法為實現(xiàn)自動井眼定位的通用方法奠定了基礎(chǔ)，見圖3（用于井眼定位的通用自動化方法）。地層代表著采用加速計和磁力計測量的井眼傳播；它受轉(zhuǎn)向裝置和偏置力的影響?？刂?轉(zhuǎn)向單元代表第一級控制；控制器根據(jù)加速計和磁力計傳感器測量的數(shù)據(jù)計算泥漿馬達(dá)工具面，將其與目標(biāo)工具面和轉(zhuǎn)向率進(jìn)行比較，然后執(zhí)行轉(zhuǎn)向力，以修復(fù)鉆進(jìn)地層的方向。
姿態(tài)控制代表第二級控制；它感知連續(xù)井斜和方位，計算由第一級控制執(zhí)行的目標(biāo)工具面和轉(zhuǎn)向率。軌跡控制代表第三級控制；采用目標(biāo)狗腿度和期望的工具面方向，軌跡控制計算由第二級控制執(zhí)行的目標(biāo)井斜和方位。地質(zhì)導(dǎo)向/井眼定位代表第四級控制；第四級控制執(zhí)行復(fù)雜的油藏模型，以實現(xiàn)最大化油氣生產(chǎn)的井眼定位，以及指定由第三級控制執(zhí)行的目標(biāo)狗腿度。井下運行的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具與地面之間的遙測速率在做設(shè)計決策時起著關(guān)鍵作用，每個控制回路將放置的何處，要么在地面，要么在井下。
圖3顯示了與位置控制回路一起在級聯(lián)控制法中已得到應(yīng)用的姿態(tài)控制。姿態(tài)控制器除了在保持目標(biāo)角度方面發(fā)揮關(guān)鍵作用外，還被用來校正垂深誤差，該誤差可能是由于地質(zhì)模型中的不確定性或內(nèi)環(huán)擾動控制期間垂深的損失引起的。
曲線段井眼自動曲率控制
曲率控制器為井斜和方位目標(biāo)生成設(shè)定點，這些設(shè)定點被饋送給姿態(tài)控制器，以產(chǎn)生期望的曲率特性，自動地輕推這些設(shè)定點。這個自動曲率控制器是一種對姿態(tài)控制器手動輕推的擴(kuò)展，見圖2。自動曲率控制器利用ROP信息為饋送給姿態(tài)控制器的井斜和方位生成設(shè)定點。如果遙測速率能在時間域內(nèi)使自動曲率控制器在井下運行，那么ROP值則至關(guān)重要。ROP本身可在井下進(jìn)行測量、估算和控制，或向井下工具發(fā)送downlinks來獲得。
虛擬測試可以評估控制方法的性能，識別和優(yōu)化控制器的關(guān)鍵參數(shù)，例如實際現(xiàn)場測試前控制器的增益。此外，虛擬現(xiàn)場測試還能評估控制器的局限性，例如對干擾的敏感性，如ROP、鉆壓、以及與井未有關(guān)的BHA的配置）。
測試控制的應(yīng)用程序傳統(tǒng)上是在Simulink環(huán)境中完成的。如果結(jié)果令人滿意，一份適當(dāng)?shù)囊?guī)范和要求的文檔會發(fā)送給軟件/固件團(tuán)隊，其中，控制器算法是在硬件在回路仿真環(huán)境中進(jìn)行編碼和測試的，但沒有反饋信號和工廠模型，在這種情況下得到的才是井眼傳播模型。該設(shè)置不對干擾進(jìn)行實時仿真，例如地層變化、鉆壓、ROP以及指令下傳/上傳的鏈路延遲。然后要在現(xiàn)場對閉環(huán)控制器進(jìn)行評估，這種評估方式成本昂貴，而且，一次實施中能夠執(zhí)行多少次參數(shù)更改也會受到限制。環(huán)境不受控制，工具中的傳感器數(shù)量有限；因此，很難追蹤任何失誤或故障的原因。
這種傳統(tǒng)方法非常適合測試實時應(yīng)答產(chǎn)品和評價算法，但不適合測試閉環(huán)軌跡控制系統(tǒng)。一種基于模型的數(shù)字設(shè)計流程被采用并進(jìn)行了實施，對閉環(huán)軌跡控制器進(jìn)行了測試，加速了從初始概念到操作的進(jìn)程，同時還在開發(fā)過程中對其風(fēng)險和適用性進(jìn)行了早期確認(rèn)，最大限度地降低失誤或故障風(fēng)險。針對給定的要求，在控制器設(shè)計獲得了令人滿意的結(jié)果后，該控制系統(tǒng)的軟件模塊被編譯并在NI VeriStand環(huán)境內(nèi)被轉(zhuǎn)移到一個實時的NI PXI系統(tǒng)中。在轉(zhuǎn)移到實時環(huán)境后，設(shè)計過程的下一階段則是移除單個組件，用硬件模塊將其替換。
基于模型的控制系統(tǒng)的開發(fā)，在其生效和集成為軟件之前，通過一個虛擬系統(tǒng)來測試控制算法，大大提高了控制系統(tǒng)的成熟度。工廠和控制器可執(zhí)行的模型的使用使得在設(shè)計過程的初級階段驗證和確認(rèn)控制系統(tǒng)是否符合期望的功能要求成為可能。
虛擬現(xiàn)場測試結(jié)果
通過進(jìn)行虛擬的現(xiàn)場測試來模擬井眼軌跡自動控制，以驗證單自動曲線（也可稱作自動造斜）算法的性能，見圖4（一種先進(jìn)的建模系統(tǒng)，使工程師們能夠通過進(jìn)行的虛擬現(xiàn)場測試來驗
證單自動造斜算法的性能，從而模擬井眼軌跡的自動控制）。這些測試能夠識別鉆井過程中存在的非線性、延遲性和不確定性的影響，從而進(jìn)一步識別和優(yōu)化控制器的關(guān)鍵參數(shù)。該系統(tǒng)與一個真實的現(xiàn)場例子掛鉤，并進(jìn)行了校正。
單自動造斜算法在三種不同的建模環(huán)境中進(jìn)行了運行，最初是在Simulink環(huán)境中運行，然后在一個集成的鉆井工程分析系統(tǒng)中運行，又在一個閉環(huán)模型中對虛擬現(xiàn)場測試進(jìn)行了模擬。在每個平臺運行的相同測試的結(jié)果都進(jìn)行了驗證，在總井深處彼此之間在幾英尺內(nèi)都非常匹配。
以兩種配置進(jìn)行測試，第一個是在集成的動態(tài)工程分析系統(tǒng)中進(jìn)行的一個基于模型的測試，19次運行，鉆了超過8800 ft。在這個環(huán)境中，除了控制單元外，系統(tǒng)被完全建模。該測試的目的是通過鉆井參數(shù)和地層擾動來激勵系統(tǒng)。除了控制單元，所有的功能、ROP模式，以及擾動，如軟地層和地層推力，都進(jìn)行了建模。第二個測試也是基于模式的，但測試環(huán)境采用的是在一個閉環(huán)模型中進(jìn)行的模擬，其中鉆了超過24400 ft，25次運行。在這個環(huán)境下，對整個井下系統(tǒng)進(jìn)行了建模；未使用硬件或固件。沒有發(fā)送downlinks；設(shè)定點通過一個特定的用戶界面鏈接到模型。所有的功能都進(jìn)行了建模；ROP模式是預(yù)定義的。
為了驗證測試環(huán)境，模擬與北美一口真實現(xiàn)場示例的井的設(shè)計相關(guān)聯(lián)。這個曲線段的造斜率為8°/100ft，整個造斜段定向司鉆發(fā)送了9次downlinks才鉆至水平著陸點?，F(xiàn)場示例不是純二維的，因此從連接點創(chuàng)建了一幅虛擬的二維井的平面圖，其目標(biāo)坐標(biāo)與井的設(shè)計相同。這樣就可以將二維結(jié)果與二維井的設(shè)計進(jìn)行比較。在集成的動態(tài)工程分析系統(tǒng)和閉環(huán)模型進(jìn)行的模擬，兩種環(huán)境的測試產(chǎn)生了類似的結(jié)果。
對于所有這些測試，所生成的軌跡顯示了曲線段的樣子，除了初始設(shè)置外，沒有進(jìn)行干預(yù)或發(fā)送downlinks。還分析了總井深處的垂深誤差，以及其它關(guān)鍵性能指標(biāo)。實際上，在建立趨勢或開啟造斜進(jìn)程后，如果需要，為了調(diào)整性能，定向司鉆或運營商可能會進(jìn)行干預(yù)。因此，總井深處的誤差是假設(shè)最壞情況的誤差，只有在沒有采取任何措施修正軌跡的情況下才會發(fā)生。當(dāng)生成的軌跡更接近井的設(shè)計時，測試的性能才被認(rèn)為更為成功。
初始測試在整個運行過程中采用了恒定的ROP，對于測試過程中的每個ROP，一個恒定的鉆井ROP被假定為井眼傳播的ROP，并饋送給控制器。每個測試用例都在模擬器上獨立運行，以選定ROP值作為參考，自動造斜的ROP +/-百分比誤差作為測試。將產(chǎn)生的軌跡進(jìn)行了比較，意在進(jìn)行敏感度分析。自動造斜的ROP輸入范圍從30ft/hr.至450ft/hr.,大多數(shù)測試是以200ft/hr.作為井眼傳播模型的輸入來運行的。
對初始ROP的敏感度進(jìn)行了評估，結(jié)果表明，如果自動造斜算法的ROP誤差比真實的ROP高20%，則生成的軌跡誤差與80%的ROP誤差相類似，那么目標(biāo)垂深處給出的垂深就高約100ft，如果ROP誤差比真實ROP的誤差低20%，則水平位移就會更大。還進(jìn)行了較小誤差的微調(diào)測試，表明整個造斜段總體的ROP誤差至關(guān)重要，而整個井眼的ROP波動則不那么重要。一項關(guān)鍵的成就就是證明了井眼傳播模型中自動曲線段ROP的輸入值對ROP變化值的靈敏度。所獲得的軌跡是否貼近設(shè)計的井眼軌跡，其精準(zhǔn)度取決于ROP的準(zhǔn)確度，這個ROP值要饋送到自動曲率控制器。
可以計算ROP誤差（在地面設(shè)計一個ROP觀察器），建議狗腿度輕推或校正ROP，以便在鉆進(jìn)過程中對所需的垂深進(jìn)行校正。垂深校正可以通過發(fā)送一個狗腿度輕推的downlinks來人工調(diào)整期望的狗腿度；或者，ROP可以通過發(fā)送downlinks的ROP值、或進(jìn)行受控的鉆進(jìn)、或未來能自動發(fā)送downlinks的ROP值來進(jìn)行調(diào)整。
定向司鉆會在鉆進(jìn)過程中進(jìn)行調(diào)整（就像采用井斜保持，或保持井斜和方位所做的那樣），而自動曲率控制器（即時采用10%誤差的ROP）將產(chǎn)生一個可預(yù)測的產(chǎn)量，定向司鉆會在正確的位置使井眼水平著陸。與目前采用的鉆造斜段的人工控制方法相比，采用自動曲率控制器鉆造斜段會鉆出一個更加平滑的曲線段，而且會發(fā)送更少的downlinks。
此外，定向司鉆或運營商將不需要那么多的技能或經(jīng)驗來進(jìn)行上面所述的調(diào)整并修正井眼軌跡。雖然定向司鉆偏離了井的設(shè)計并提前開始了造斜，提前讓井眼轉(zhuǎn)向進(jìn)入造斜段，并且在運行過程中使軌跡匯集于目標(biāo)方位，穿過中心線幾英尺內(nèi)的目標(biāo)。閉環(huán)模型模擬環(huán)境的測試是純二維的，且遵循一個虛擬二維井的設(shè)計，這就是為什么它們能直接從連接點繪制到目標(biāo)的原因。它們不會偏離井的設(shè)計，最終都會處于虛擬設(shè)計中距目標(biāo)幾英尺的范圍內(nèi)。
虛擬現(xiàn)場測試的結(jié)果還有助于將單自動造斜算法演變?yōu)槟壳暗淖灾骰蜃圆倏貭顟B(tài)——自動造斜模式的行為與其他的自動模式非常相似，例如自動傾斜（保持井斜）以及自動切線（保持方位）鉆進(jìn)，因為定向司鉆會介入該模式，并根據(jù)需要調(diào)整設(shè)置（狗腿度/馬達(dá)工具面/機(jī)械鉆速），具體取決于生成的軌跡。自動造斜控制器可在內(nèi)部調(diào)整轉(zhuǎn)向控制裝置，例如轉(zhuǎn)向比，并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行實際驗證。而虛擬現(xiàn)場測試使獲得這樣的證據(jù)點成為可能。這些模擬能為實際的現(xiàn)場試驗開發(fā)所需的工作流程、算法和數(shù)據(jù)架構(gòu)，從而加速BHA自主操控鉆井的進(jìn)展。
前進(jìn)的道路。當(dāng)然，完全自主操控的BHA仍擺在我們面前，而今天正在做的是開發(fā)關(guān)鍵功能，例如自動造斜，它克服了最后一個重大的自主操控障礙。實現(xiàn)這一目標(biāo)意味著放棄孤立和獨立的工作流程，從長遠(yuǎn)來看，這些工作流程會減少downlinks，加快鉆進(jìn)速度，提高鉆井效率，以更小的扭曲度使井眼軌跡最小的偏離設(shè)計，同時，還有助于減少相關(guān)的排放，因為鉆井速度和效率都得到了提高。
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