大规模自主钻井 我们离成功还有多远

时间:2022-10-21 15:22 来源:《石油与装备》 作者:周颉 / 译
二叠纪盆地已经试运行了一台 全自动钻井平台,但经济和互操作 性方面的挑战可能会使短期内的重 点放在自动化特定任务上,以实现 切实的效率提高 近年来,业内对钻 井作业中关键功 能的自动化价值 达成了共识:它 在提高钻机和井筒的安全性、提 高效率和性能方面具有很大潜力。 结果也得到了充分的证明。然而, 当谈到大规模部署全自动钻井平 台的可行性时,似乎还没有达成 共识。

一些人认为,大规模的全 面自动化离成为现实并不遥远。 最典型的例子可 能 是 Nabors Industries 的 PACE-R801,这 是一台全自动陆地钻机,今年完 成了埃克森美孚在二叠纪盆地的 试点作业。 Nabors 的控制和自动化总监 Brett Schellenberg 表示 :“当 我们能够将人们转移到安全的地 方时,这是一件好事。“自动化 使我们能够做到这一点。同样重 要的是,它使我们能够标准化来 自我们最好的钻井工程师、井架 手和地面手的最佳实践,并将这 些事情标准化,并在我们的船队 中不断重复这些事情,以提高我 们的周期时间。” 另一个业内人士则对全自动 钻井平台是否会在不久的将来占据 主导地位持怀疑态度。常见的障碍 包括 : 可在钻机之间使用的标准控 制接口的开发,以及建造新钻机或 对系统进行资本密集型改造的财务 挑战,这些系统可以完全自动化仍 由人工执行的各种任务。

在本文中,DC 与两家钻井承 包商、一家运营商和一家服务公 司进行了交流,探讨了他们对自 主钻井的当前看法,并讨论了近 期在推进自动化方面所做的努力。 实现全自动化钻井平台 Nabors 公 司 的 R801 钻 机 在全自动钻井方面一直处于领先 地位,该钻机在去年秋天投入使 用之前已经研发了五年。它将该 公司的自动化钻井软件与机器人 技术相结合,将人员从红区移除, 并提供一致的结果。在与埃克森 美孚的试点项目中,该钻机在三 个平台上钻了 9 口井。总的来说, 它已经完成了约 200 万英尺的钻 井、起下钻和下套管作业。

为了实现钻井平台的完全自 动化,该平台被机器人管架取代。 这 个 机 械 臂 可 以 处 理 13.375- in 的 钻 杆 和 管 柱。 直 径 和 包 含 自 己 的 纺 丝 器, 用 于 连 接 和 起 下钻。司钻在司钻室内通过并入 Nabors 公司 SmartROS 的自动 管状管理应用程序控制机器人, 该应用程序可以控制钻机的控制 系统和管理钻机上的设备。 通过将钻台上使用的不同管 柱的规格输入到管柱管理应用程 序中,例如,钻铤的内径和外径, 应用程序的算法将自动跟踪管柱 的运动。该应用程序还会测量每 个连接的扭矩,并将该信息传递 给机器人管道处理程序。 Nabors 控制与自动化高级 经理 Ram Murthi 表示,开发这 种智能管柱管理系统是实现钻机 完全自动化的最大挑战之一。这 主要是因为该系统必须考虑到各 种各样的管柱,以及确保管柱定 位的精度和准确性。此外,该公 司还必须能够管理油管从一个系 统到另一个系统的流动,并与钻 台上的其他工艺和设备协调。

该 钻机实现全面自动化的另一个关 键方面是 Nabors 的自动化钻井 软件 Smart Suite,该软件运行 在 其 SmartROS 钻 机 操 作 系 统 上。R801 包 含 了 Nabors 现 有 的几个软件解决方案,并且还专 门为该项目开发了新的解决方案。 SmartDRILL 就 是 一 个 例 子,它是一种自动钻井活动排序 器,可以按照最佳实践配置钻井 工作流程。在应用程序中编写了 工程序列,以便在连接期间和围 绕滑梯旋转时,自动将钻头送入 或从井底送入。此外,它还具有 足够的智能,能够在需要时自动 更新作业顺序,以避免意外的井 下危险。R801 上的另一款应用 是 SmartSLIDE,这是一款自动 滑动钻井的定向控制转向系统。 Nabors 表 示, 虽 然 R801 的钻井平台上没有工作人员,但 钻井现场的工作人员数量仍然大 致相同,只是他们的职责不同。 现场仍有一名司钻监督整个作业, 而其他工作人员则负责维护、检 查和钻机移动等基本任务。 钻井平台也进行了一些设计 上的改变,以确保工作人员的安 全。红色区域被围起来,并配备 了与钻井控制系统相连的运动检 测传感器。如果传感器检测到有 人进入该区域,红色区域内的移 动设备将自动停止。司钻的舱室 也高于钻台,与标准的陆地钻机相比略高。主要是为了帮助钻井 人员更好地观察自动化钻台,并 进一步消除潜在的危险。 虽然没有提供试验项目的详 细 性 能 数 据, 但 Schellenberg 指 出, 该 活 动 没 有 发 生 OSHA 可 记 录 的 事 故, 井 眼 时 间 接 近 Nabors 最好的西德克萨斯船队 的平均时间。

在证明完全自动化的陆地钻 井是可能的之后,Nabors 现在 专注于将 R801 的软件和机器人 组件改造到其他现有的钻机上, 而不需要进行重大的重新设计。 今年晚些时候,该公司计划在现 有的 Nabors 钻机上部署模块化 自 动 化 系 统。Schellenberg 表 示,此举更符合该行业当前的经 济现实。 他说:“随着我们开始将这 些产品商业化,我们真的希望能 够专注于模块化,灵活和灵活地 适应任何钻机配置。”“随着钻 井平台自动化的不断发展,我们 的重点将是现有钻机的可扩展性。 资金不再那么容易获得,所以我 们需要考虑提供这些技术,而不 是让客户不得不建造全新的钻井 平台。” 以实际利益为目标的自动化 许多钻井行业人士仍对在不 久的将来实现完全自主钻井的可 行性持怀疑态度,尤其是大规模 自主钻井。Ensign 钻井解决方 案副总裁 Mark Anderson指出, 人工在钻机上完成的任务非常复 杂多样。他说,对于一个自主系 统来说,它们太大了,无法完全 处理,尤其是在对钻井承包商来 说成本合理的情况下。 Anderson 表 示:“ 要 想 拥 有一台自动钻井平台,你必须实 现每一项任务和所有突发事件的 自动化,而从开发成本来看,这 样做的经济效益是不可行的。” “此外,我们拥有庞大的设备安 装资本基础。我不认为我们会为 了一个自动系统而放弃 2000 台 现代空调设备。”

相 反,Anderson 表 示, 他 认为自动化是一段“旅程”。与 其尝试开发完全自动化的钻机来 大规模部署,钻井承包商更有可 能扩大可自动化钻机的任务列表。 在 Ensign,除了开发 EDGE 钻 机操作系统 ( 将自动化控制系统 与基于云的机器学习算法相结合, 以优化钻井性能 ) 外,该公司最 近还专注于开发用于自动扩眼、 基于 mse 的 ROP 优化和自动下 行到旋转导向系统的工具。该公 司还在开发一个工具面自动化控 制的原型。 此 外,Ensign 还 为 所 有 钻 机设备开发了具有下钻能力的人 机界面,以及一键连接系统,使 司钻只需按下一个按钮,就可以 在钻机上启动某些关键功能的自 动化程序。该系统激活顶部驱动 和泵,将钻头驱动至底部。 他说 :“在系 统下放钻头的 同时,司钻进行连接,从卡瓦中 取出钻柱,按下一个按钮,然后 进行其他操作,比如管理工作人 员。”“它会从井底升起,如果 需要的话还会加大力度,关闭顶 部驱动,停止泥浆泵,然后让司 钻关闭系统。钻井工人喜欢这个 系统。我们正在努力改善钻井系 统的一小部分,然后人类可以完 成我们还没有完成的其他部分。” Anderson 认为,自动化系 统的远程操作将在未来几年为钻 井承包商带来显著的经济效益。 “设备控制系统并不在乎控制是 来自人类还是 PLC。不管怎样, 它都可以升降绞车。如果你需要 更大的钻头重量,不管指令是来 自无人钻井控制系统还是人类。 您可以在场外中心更改设定点, 也就是远程更改自动化钻井控制 系统中的变量。这些都是我们可 以真正受益的领域。”

大规模的完全自动化 能成为现实吗 美国陆上钻井和完井副总裁 John Willis 表示,尽管西方石 油公司 (Oxy) 从事自动化工作已 有多年,但该公司近期并没有开 发全自动钻机的计划。目前,作 业者的自动化工作主要集中在部 署来自钻井承包商和第三方的 11 种自动化应用。除了这些应用和 钻井承包商提供的其他自动化工 具外,作业者将“完全自动化”( 包 括管柱处理)视为一个长期目标。 Willis 指出,管道处理是实 现大规模自动化的一个关键障碍。 由于管架系统中各种各样的管柱 尺寸和预定义的位置,这仍然是 人工在钻机上执行的较为复杂的 任务之一。虽然在开发陆地钻机 的自动管道处理方面已经做了一 些工作,但他表示,成本是一个 关键问题。 “很多自动化系统的问题是, 它们从来没有一个能与优秀的钻井人员竞争。优秀的船员总是更 快、更便宜。”Willis 表示。然而, 与 10 年或 20 年前相比,他确实 看到了一些变化,比如机械臂等 系统可以改装到现有的钻机上。 “今天的情况非常不同。

在我看 来,机器人技术发展到可行的程 度只是时间问题。” 大规模实现完全自动化的另 一个障碍是缺乏可在钻机间使用的 互操作系统。威利斯表示,仍需填 补的关键功能缺口包括一个标准控 制系统界面和一个让自动化应用程 序同时工作的标准系统。此外,他 还指出,需要一种标准接口来将钻 井计划传输到钻机的自动化控制系 统中。井眼规划数据与钻机系统之 间的互操作性,以及远程配置自动 化参数的能力,对于大规模实现全 面自动化至关重要。 他补充说,目前的自动化系 统仍然需要大量的人工数据输入 和系统配置。他们不是帮助钻井 工人,尤其是经验不足的钻井工 人,而是经常向钻井工人提出更 多要求。这使得这些系统难以实 施,尤其是在如今的环境中,因 为越来越难以雇佣有经验的钻井 人员。 Willis 表示:“自动化的愿 景是,尽管钻井人员经验不足, 但仍能保持稳定的性能。”然而, 如今,自动化的使用需要大量的 数据输入和系统配置,因此,钻 井人员需要成为人工操作和自动 化系统配置方面的专家,而不是 经验不足的钻井人员。” 他还指出,钻井是一个周期 性行业。“钻机数量有升有降。 当经济衰退时,我们就会失去人 手,而当经济复苏时,我们就得 雇人。每次我们雇佣新员工,他 们都会在学习的过程中犯错。减 少学习曲线的两种方法是在自动 化系统中获取知识,并在远程专 家中保留知识。然后,那些来自 你的优秀员工的专业知识,存储 在自动化系统中,可以持续地应 用。

专家远程监控钻机的知识可 以应用于很多钻机,而不是一个 钻机。” 将 MPD 集成到钻机控制中 控压钻井 (MPD) 已经成为一 种被广泛接受的窄压力窗地层钻 井方法。然而,在钻井平台上实 施 MPD 服务的过程既耗时又昂 贵,尤其是在深水项目中。对于 一些钻井承包商来说,将 MPD 系统集成到钻机的自动化基础设 施 ( 包括硬件、软件和程序 ) 中是 一种简化流程的方法。 据控压钻井高级副总裁Mark Mitchell 表 示,NOV 一 直在努力确保其 MPD 系统在钻 机自动化系统中无缝工作。当钻 机的控制系统更新为 MPD 功能 时,钻井人员可以获得额外的控 制、MPD 屏幕视图和数据趋势。 MPD 系统不会取代或阻碍司钻使 用常规钻井工具。相反,它提高 了井下状况的能见度,并为钻井 人员提供额外的工具,以尽可能 安全、高效地钻井。 Mitchell 表示 :“钻井工作 的很大一部分是采集特定的数据 集 (MPD 数据是子集之一 ),并 将其聚合起来,以显示有用的信 息,从而实现更快、更准确的决 策。

“自动化水平很重要 ; 如 果每个人只是自动化和集成自己 的独立数据子集,那么系统的全 部潜力就无法实现。” 系统控制可以直接连接到 钻机的控制系统中,也可以通过 NOV 的 NControl软件平台间 接集成。该开放式架构平台与钻 井平台的控制系统和任何对 MPD 作业 ( 如录井 ) 重要的第三方接口 进行通信。一体化程度取决于钻 井平台所有者和作业公司的偏好。 2018 年,NOV 将主动控制 装 置 (ACD) 纳 入 其 产 品 组 合。 ACD 是一种用于 MPD 作业的主 动、非旋转密封装置,通过环形 封隔器系统提供的密封套筒来密 封井筒环空,并实现回井分流。 当密封套筒磨损时,系统会自动 改变密封上的液压关闭压力,以 补偿磨损,并适应导致磨损的工 具接头的通过。 ACD 是一个主动系统,而不 是一个被动系统,就像一个传统 的旋转设备。这种设计消除了对 复杂轴承组件和高磨损旋转密封 组件的需求,这些在 MPD 作业 期间造成了非生产时间。 此外,它允许控制系统监测 密封元件的状况,使司钻能够主 动计划更换密封元件。操作时, 司钻可以手动调节密封关闭压力 或允许 ACD 在自动模式下运行。 控制系统根据传感器反馈自动做 出这些调整。 “使用 RCD,你永远不会真 正知道密封的情况,直到它不再 密封,而有了 ACD,我们可以知 道什么时候该更换密封。此外, 由于密封在操作过程中磨损,我 们可以施加额外的关闭压力,有 效地再生密封面。” 目前,全球共有 8 艘钻井船 使用 ACD 进行 MPD 作业。自该 技术问世以来,已经有超过 30 口 井采用了该技术。
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