本文在此介紹的是常規鉆井與控壓鉆井（MPD）兩種方式下控制系統的技術發展，通過將鉆井自動化操作系統與適合于目的的MPD系統相結合，實現鉆井績效的整體優化。整合后的系統實現了包括泥漿泵、絞車、頂驅以及MPD系統等主要鉆井設備自動、精準和協調的控制。這種MPD系統包括一組與MPD控制系統結合運用的電控節流，而這個MPD控制系統又與鉆機的主要鉆井控制系統實現了完美的整合。
 
    從有線鉆桿獲得的高分辨率指標數據顯示，通過整體的優化可以實現鉆井績效和井筒壓力無與倫比的控制。結果表明，將一個適合于目的的MPD控制系統與一個自動操作系統整合于一體是非常有價值的。這種集成的系統確保了持續的高績效指標，而且，通過直接使用網絡上所有鉆井設備的高速數據，不再需要專用的MPD操作員控制臺和人機界面、多余的儀器儀表、臨時電纜以及次優的通信接口。
 
MPD系統
    這種MPD系統包括一個電控節流、一個可編程邏輯控制器（PLC）系統、以及司鉆坐席的整合與操作。這是一個經過現場驗證設計的、帶有一個壓力控制操作長軌跡跟蹤記錄的第三代節流系統。一個外螺帽和機架裝置允許快速方便地對節流進行維修，例如檢查、驗收或更換部件。圖1是一個帶有電啟動器和機架裝置的MPD節流系統。
伺服電機是一種采用滾子螺旋技術免維護結構設計的電機，無需機械調整和定期潤滑保養即可提供可預測和可靠的使用壽命。最大節流速度為9.8毫米/每秒，只需5.7秒就能使節流閥完全就位。這種機械結構可在不縮短預期使用壽命的情況下承受100%的工作周期。這是一種獲得全球認證的電機，采用了帶端子塊的三電壓接線盒以及便于靈活布線的3/4-in.的常壓常溫密封壓蓋端口，額定溫度為-40至+60℃。工業自動化級的部件能使設計的產品做的非常緊湊和堅固，從而能承受持續的額定負載和百萬次免維護的壓力調整。
 
帶有堅固的NACE MR0175柔韌鋼外殼的自鎖失效就位設計是全密封的IP67規格，電機為一種簡單的5/8in.六角鍵設計，這種設計無需特殊工具，允許手動處理應對動力損耗作業。MPD控制系統能夠處治單電控節流以及一個可選的科里奧利流量計所需的所有控制和輸入數據。該系統接受來自鉆機傳感器網絡中的各種輸入數據，根據需要調整節流，控制井筒壓力，以達到一個目標壓力。所構建的MPD控制系統采用了電動節流和三重冗余的井筒壓力傳感器，為的是獲得良好的節流表現和更高的可靠性。
 
該控制系統采用三種主要操作模式來控制地面回壓。手動調位模式，在這種操作模式下，操作員可以遠程設置從0到100之間的節流位置；節流壓力控制模式，節流壓力控制模式能自動控制節流壓力，控制系統可自動調整節流的位置或大小，以保持節流壓力的設定點；節流壓力對照表模式，壓力對照表由不同流速／流量相對的節流壓力設定點組成，當啟用或觸發時，節流壓力設定點會根據泥漿泵當前的流速／流量自動地進行調整。
 
鉆井自動化操作系統
 
    自動化操作系統（AOS）是一組安裝在一部交流電動鉆機上的過程控制軟件。帶有必要的硬件和對位的基線鉆井控制系統，能實現自動鉆進過程控制。該軟件的目的是自動持續地提交或傳遞例行過程，例如，提升泵速、標記井底以及鉆進時優化參數。這可使司鉆專注于安全和關鍵操作過程的監控，包括員工資源管理。這些任務要求對操作環境、大量的未以數字方式捕獲的數據通告有一個深入的了解，而一位富有經驗和信息敏感的司鉆則更擅長于管控過程，勝過一個計算機化的系統。
 
    AOS由幾個安裝在鉆機控制器機柜中的單板計算機、一個附加或增補的顯示屏和一個接口開關組成，其中，后兩者安裝在司鉆操作室中。該系統有一個初始安裝配置，配置設定了AOS將如何執行某些任務，例如提升泵速以及在向井底傳送回壓時的阻尼加速。
 
    配置選項非常寬泛，允許高標準定制。不過，配置并非與安裝無關，AOS接口允許系統重置，從而對配置進行動態更改，在條件發生變化時允許進行主動的優化管理。這讓用戶可以對該系統進行配置，以便最佳地執行自操作任務，遵從公司的最佳實踐或現場和井的特定考慮。
 
    完整的AOS系統是一個好的程序，這讓鉆井工程師們可為AOS提供一組操作參數，例如鉆壓（WOB）、轉速、扭矩、流速、泵壓、機械鉆速（ROP），確定所鉆的井應如何由該系統來完成交付?？蔀橐粋€要求的井段指定這些參數，也可將這些參數以數字方式加載到該系統。關鍵在于，在AOS范圍內操作時司鉆沒有權限編輯這些參數，因此，任何所需的更改必須經過一個明確的升級和協議核查來進行。
 
    AOS的一個關鍵特性是其允許安裝一些“應用（Apps）”，可以利用一個軟件開發工具包（SDK）來創建這些Apps，通過預留在AOS平臺中的創建功能來完成一個應用的創建過程，AOS平臺的功能還包括一些用于人機界面設計的可視化工具和一些小的功能組件。這些增值的應用可以托管在AOS中，從而可獲得訪問這個AOS系統中傳感器采數據和相關信息的權限。這些Apps由司鉆在司鉆操作室從AOS顯示屏中調取進行操作。
 
MPD一體化應用
 
    為了實現與AOS的整合，開發出了一個新的MPD“App”，圖2給出了MPD的App界面。
 隨著新系統將MPD作業設置在司鉆控制屏上，這能讓司鉆在利用這個一體化和高度自動化的控制系統來控制這個電動的MPD節流時，專注于安全與持續的過程控制。
 
    該系統還允許對關鍵的子任務如接單根進行定制和自動化設計，以滿足最高水平的持續作業，在最大程度地提高MPD系統執行精度的同時，最大程度地縮短接單根時間。在以連續平穩的泵升速度自動執行每次的泵速提升時，這讓配置一個MPD控制系統優化每次接單根時的壓力控制精度成為一項簡單而容易的任務。
 
    當系統在現場使用時，司鉆操作的MPD控制系統，由于其將員工需求縮減至了最少，所以，提高了作業績效，作業的連續性和一致性也得到了提高，同時，還大幅降低了作業成本。與其在現場投入專業的MPD作業人員進行操控，倒不如由鉆井承包商提供MPD服務，而原始設備制造商（OEM）則可提供維護和遠程支持，以現有的技術與設施利用好設備的專長。
 
系統測試與現場試驗
 
與該系統中提出的任何系統的復雜性一樣，為了驗證該系統在預計將要部署的應用案例中的總體效果和可用性，科研人員對研發效果進行了測試。只有在評價了這些應用案例且核實了來自類似系統的績效數據之后，該系統才能進入下一個階段。
 
    MPD控制系統是在一個硬件閉環的模擬器中進行的擴展性測試，其中包括了一個能在模擬環境中提供真實反饋的虛擬井筒，這能使該系統在整個開發過程中進行功能性和穩健性測試。所有需要安裝在AOS中的新的應用都在一個質量保證的實驗室中完成了廣泛的測試。建立這個實驗室是為了發現和探明應用中的不穩定性，重要的是要確保某項應用不會將不穩定因素引入到AOS中。一旦一項應用通過了質量保證測試，就可在一個實時的系統上進行部署。
 
    在一個先進的技術研發中心對整個系統架構進行了測試，該中心是為測試和驗證新技術而設計的。測試設施包括了一部配有最先進鉆井設備的全尺寸陸上鉆機和“有線鉆桿”，以實時解釋井下壓力。
 
測試期間，AOS被配置為執行多個自動任務序列，而MPD控制系統自動保持一個恒定的井底壓力。圖4中，自動操控系統正運行一系列鉆井接單根作業，而MPD系統則進行壓力控制。該AOS的一個關鍵作用是在操作鉆井設備過程中確保作業的連貫性、一致性和可重復性，這可帶來更加穩定和精準的壓力控制，這一點圖3中則看的很清楚。（圖中線色表示，褐紅色：流量/流速；青色：大鉤位置；綠色/藍色：MPD節流壓力；黑色/紅色：采自“有線鉆桿”的井下壓力）。
     該組合系統被安裝在一部先進的陸上鉆機上。由于在井與井之間和平臺與平臺之間無需任何大的組裝，因此，安裝這樣的MPD節流系統非常便于鉆機移動。經過培訓的現場服務人員可以在現場協助安裝，并就如何操作該系統對司鉆進行培訓。圖4示意了AOS屏幕上演示的MPD應用。
部分安裝包括在AOS環境下安裝的MPD應用，這使得MPD可以共享AOS網絡上所有應用所需的高性能網絡數據。例如調整泵效、監測鉆頭深度以及調整泥漿密度這類簡單的任務都可在AOS的應用間平等的共享?，F場試驗期間，司鉆可以根據流量設定目標壓力，監測節流效果，判斷是否存在缺陷，以及利用類似的AOS所擁有的其它應用的熟知度與培訓來對該系統進行調整。
 
    重要的是該行業正在不斷推進MPD系統與現有鉆井控制系統的整合。作為標準操作程序的一部分，而不是試圖控制一個復雜系統互無關聯的部分，實現這一目標將會在主司鉆屏幕上提供必要的MPD數據，使司鉆能夠有效的監測和控制MPD參數。MPD控制系統的真正整合將會以一種更可持續的價格為后運行的優化提供更好的整體性能和相關數據，促進更多的采用和更多的接受這種績效增強型的鉆井工具。