虽然没有新的建造 周期，但硬件和 软件的进步为未 来钻机的设计和 功能的发展提供了线索。 未来的钻机到底是什么？石 油和天然气行业的本质是向前看， 但不要太超前。钻井承包商和运 营商的利润空间通常很小，对未 来几年可能运行的假想钻井平台 的憧憬似乎只是一件徒劳的事情。 钻井承包商和运营商传统上对钻 机最大的期望是，与市场上的其 他钻机相比，如何更快、更有效、 更低成本地钻井。这一重点在未 来不会改变。 然而，对于该行业的一些人 来说，未来的需求让他们思考钻 机将如何改变以适应新的现实。 例如，云计算系统和数据分析软 件的结合应用正在改善钻井数据 的收集和监控方式，自动化和机 器人软件包正在利用这些数据做 出决策并在钻机上执行任务，而无需人工干预。
 
随着这些系统成 为司钻工具箱中更常用的工具， 处理信息的能力以及人们在钻机 上实际处理信息的需求——将会 改变。 SLB 压力控制设备领域专家 马特·吉文斯称 :“当我们审视 技术时，我们所做的一切都是为 了向用户提供更多信息。无论这 些信息是在井场的边缘，他们正 在那里获取，还是我们正在将这 些数据连接回镇上，如果我们能 够取回这些数据，这将有助于人 们开始做出更好的决策。” 虽然人们仍将是钻井过程中 的重要组成部分，但人类究竟将 如何在钻井平台上发挥作用，仍 是该行业尚未回答的问题。
 
自动 化越来越多地导致人们被重新分配到钻台以外的地方。也许在将 来，人们会在远离钻井平台数英 里的远程操作中心操作钻井平台。 随着角色的演变和人们工作方式 的不同，未来钻机的设计将会发 生根本性的变化。 “老实说，我看到未来的钻 机没有司钻室或传统的井架。” 埃克森美孚公司的运营经理贾 森·加尔说：“由于陆地钻机经 常被拆卸和移动，它们必须变得 更加模块化，具有更少的部件， 并且需要更少的劳动力来移动。 钻机将为机器而不是人建造，以 执行重复性的任务，这给了我们 另一个设计自由度。
 
未来能够实 现高性能钻机的传感器技术、控 制系统和决策算法正在快速发展， 并将继续变得更好。” 行业代表对钻机的样子有 想法，但这些想法实现的可能性 既取决于技术能力，也取决于市 场力量。资本纪律和向股东返还 现金仍然是运营商和钻井商的首 要任务，他们希望在后疫情油价 低迷时期保持稳定的地位。尽管 WTI 价格已经恢复到 2019 年的 水平，但该行业仍然对投入大量 资金开发未经证实的系统持谨慎 态度，无论其潜力如何。这种保 守主义将成为实现未来钻井平台 的障碍。 纳伯斯美国钻井业务副总裁 乔希普莱斯称 :“这不是一个开 关的翻转，公司面临着来自管理 层和股东的巨大压力，要求它们 降低成本、高效钻井。所以风险 和回报之间有一点平衡。作为一 名客户，您是否花了一些时间来 推动自动化或加倍现有计划以提 高效率？对我来说，改变我们客 户的心态是最大的挑战。”
 
钻井平台将走向何方
 
“未来的钻机”看起来会是 什么样子，或者什么时候会到来， 取决于在行业内与谁交谈，但对 加尔先生来说，钻机可能会更早 到来。回顾顶驱或旋转导向器等 行业变革创新的使用趋势，他认 为，未来五到十年，钻机能力将 出现稳定但显著的变化。钻机所 有者将继续为他们的钻机配备越 来越受自动化和先进决策算法支 持的机械化设备。 他预计，到 21 世纪 30 年代 中期，钻井平台上的高度自动化 和数字化系统将成为主流。下一 代钻机的外观和功能都有所不同， 将会因进一步提高效率和降低钻 机拥有成本的需求而诞生。 他说：“棘手的是几个周期 必须同时对齐。当你有一个强大 的商品周期，现有的钻井设备需 要更换，可靠、廉价的传感器加 上先进的计算技术，人们将开始 明白他们可以建造一个根本不同 的钻机，对人类更安全，并为钻 井承包商和运营商提供比我们今 天使用的钻机更好的经济效益。”
 
随着未来钻机变得更加机械 化， 更加依赖自动化来操作钻机， 钻井队的角色将会改变。控制层 级中最有效的级别是消除风险。 通过消除风险使今天的钻 机更加安全的第一步通过使用铁 钻工和卡瓦已经开始了，使人类 从连接或下套管等基本操作中解 脱出来，这些操作可以在钻工舱 中 操 作。 他 指 出， 自 动 化 机 器 人系统——如纳伯斯红区机器人 (RZR) 钻台模块，目前运行在埃 克森美孚公司在二叠纪盆地运营 的 X29 陆上钻机上——消除了火 线和落物风险最高的区域人员。 人仍然起着关键作用，但他们不 会在钻台上工作。
 
他解释道：“今天我们看到 自动化程度很高的钻井平台需要 与非自动化钻井平台相同数量的 工作人员。我们需要有才能的人来维护和操作日益复杂的机器。 我们现在看到的是纳伯斯 X29。 但在遥远的未来，当我们从一张 白纸开始，有目的地设计钻机， 用更少的人操作就可以解放那些 人，让他们在不同的环境下做不 同的任务和工作。如果您今天参 观我们的远程中心，我们有一名 定向钻井专业人员执行几年前需 要六个人在六个不同的钻井现场 执行的任务。这是因为他们得 到了钻头导向软件的帮助，该 软件持续运行数千次计算，并 显示钻头在空间中的位置以及 它与其他油井的关系。我认为 我们会看到更多的应用，让人 类在机器执行重复任务或复杂 计算时提供监督。” 传感器技术结合先进的机器 学习算法也将定义未来的钻机。
 
加尔先生认为，在井底钻具组合 (BHA) 和钻柱上安装一套可靠、 廉价的传感器来提供准确的井下 测量，而不是通过地面测量来推 断井下条件，这将导致钻井速度 和设备可靠性的阶跃变化。目前， 自动化系统的“绝大多数”输入 来自表面测量。 他说 :“只要我们从地面提 升、泵送和转向，就有机会通过 精确的井下测量和将这些测量结 果几乎即时传输到地面来提高效 率。我们需要可靠的技术来提供 有线管道的带宽和速度，同时又 能让这种数据传输在行业中无处 不在。我们需要从地面向井下组 件供电。这将需要一个新的钻井 工具生态系统。自主旋转导向工 具在无需下行链路的情况下纠正 路线，这方面的进展令我感到兴 奋，但旋转钻井的最终效率和可 靠性将需要沿管柱测量、更好的 岩石测量以及使用实际井下测量 的闭环控制，所有这些都需要廉 价、闪电般快速的遥测技术。” 被问及该行业开发未来钻机 的最大障碍时，加尔给出了一个 词 : 合作。
 
他描述了使自动化和 数字化成为主流的途径，即运营 商和钻井承包商之间的紧密合作。 作业者要求和财务承诺将推动钻 机新系统的开发和采用，但概念 验证将由钻井承包商负责。 “钻井承包商只能做到这一 步，花这么多钱，却没有机器的 有用出路。通常情况下，钻井承 包商有责任在操作者愿意使用机 器之前证明机器可以工作。为了 行业的快速发展，需要强有力的 合作。今天，推动创新通常需要 运营商在一定程度上资助该计划 或承诺使用它。要解决的基本问 题是如何公平分享钻机创新投资 所创造的价值，这本身就需要一 些创新思维。”
 
增加钻机的自动化程度
 
自动化对该行业来说是一个 主要的净利好，有助于公司推动 钻机性能的一致性。正如纳伯斯 的乔希普莱斯先生所指出的，运 营商“希望一遍又一遍地以同样 的方式钻探同样的油井，帮助他 们规划预算和进度。” 钻机上自动化与机器人系统 的配对将继续是未来钻井者和操 作者的优先考虑事项。2022 年， 纳伯斯用 RZR 模块改造了 X29 钻机，该模块使管道搬运和其他 常规钻井活动自动化。该公司表 示，计划明年在另外四个钻井平 台上安装该模块。
 
普莱斯预计，在不久的将来， 更多这样的系统将在行业内获得 青睐。“我相信，随着我们继续 验证技术并交付成果，自动化系 统将会得到更大规模的采用，这可能会在未来 5 到 10 年内，甚 至更快。”他说：“当我们获得 青睐时，通常会来自 IOC，即更 大的公司。更广泛采用的最大挑 战将是这样一个事实，即这不是 你只需按一下开关就能立即奏效 的事情。需要与钻井承包商合作， 通过学习曲线来优化这些系统。” 这些自动化系统已经在帮助 人们远离危险方面发挥了作用。 例如，RZR 模块在钻台上自动执 行重复任务，包括进行钻井连接 和起下钻。不需要在钻台上和井 架内安排一名工作人员。 “ 对 于 RZR， 我 们 有 一 个 机架，它从猫道上取下钻杆，将 其放入井架，从井架上取下，并 将其送到油井中心或小鼠洞、自 动卡瓦或液压升降机。”
 
普莱斯 说 :“井架工和钻工从这些高风 险区域被重新分配，以执行钻机 上的其他高价值任务，如维护和 准备下一项工作，这样整体效率 更高，可以更快地过渡到下一项 工作。” RZR 通 过 纳 伯 斯 专 有 的 SmartROS 钻机操作系统实现， 可安装在现有钻机上并控制第三方 制造商的设备。模块化可以部署在 大多数标准钻机配置上。 普莱斯先生表示，像 RZR 这 样的机器人系统的模块化对钻井 者来说至关重要，因为他们在钻 机上采用了更高的自动化程度。 “为了扩大我们的车队，我们需 要对我们的系统进行模块化。
 
例 如，它使我们在现场短时间内完 成 RZR 升级变得更加容易，就像 在钻机移动期间，而不是花费一 周或 10 天进行升级。当我们用自 动化取代传统系统时，我们必须 牢记模块化。这让它在战场上跑 得更快。” 虽然 RZR 模块目前实现了管 道搬运任务的自动化，但普莱斯 认为，预计自动化的范围将扩展 到钻机其他部分。例如，纳伯斯 正在研究钻机引擎自动化的方法， 以便每个引擎的负载可以根据特 定时间钻机上正在进行的任务自 动调整，以节省燃料和排放。他 还指出自动化的潜力，当与人工 智能算法结合时，有助于提高钻 井平台的安全性，特别是在分析 掉落物体的可能性方面。 “在检查物体坠落风险时， 可以使用基于人工智能的视觉 系统和传感器来识别哪里有东 西松动，或者哪里需要进行物 理检查。”普莱斯先生说：“有 了数据和人工智能，我们有机 会加深对掉落物体的理解，并 关注无论是动态还是静态掉 落。”
 
压力控制设备维护
 
行业内的普遍看法是，对于 钻井者来说，新的建造周期不会 在近期到来。但这并不意味着未 来的钻机不会从目前运行的设备 升级。 SLB 公 司 的 吉 文 斯 先 生 指 出，钻井者和操作者对钻机不断 变化的需求可能会影响该行业未 来对防喷器的看法。随着陆上和 海上油井深度的不断增加，原始 设备制造商将需要解决从防喷器 获得接近实时的综合数据的挑战。 “防喷器组通常闲置在油井 上。这是一条紧急防线，你需要 知道它总是会起作用的。”吉文 斯先生说：“我们开始考虑如何 取回数据，并做出更明智的维护 决策。
 
如果你可以获得这些数据， 将其应用于钻井包并开始链接， 就可以开始做出更多关于我的防 喷器是否准备好运行，以及它是 否连接到钻机的控制系统以便其 连接在一起的决定。” 传统防喷器控制系统在运行时向地面提供有限的数据——压 力读数和体积流量；工作人员通 常从流量和压力推断出防喷器已 经关闭。然而，吉文斯先生认为， 这种猜测并不理想。为了真正准 确地读取防喷器的活动，钻井人 员需要独立测量多个防喷器装置 流量的独立数据点，而不是从地 面对整个防喷器组进行一次测量。
 
“现在，我们有一个测量加 仑数的仪表，如果我们按顺序发 出三个命令，有时一个功能在另 一个功能真正完成之前就已经开 始了，所以你可以测量整个防喷 器组的流量，但你不知道哪个防 喷器单元实际上已经关闭。” 他补充称，测量闸板位置的 传感器——闸板是否从完全缩回 移动到完全关闭也是原始设备制 造商和钻井者前进的优先事项。 “在最佳系统中，我会了解负载 情况是怎样的？我是否看到了弯 曲的真实属性，表明钻机可能施 加了正在发生的水下温度载荷， 外部有多冷，内部有多冷——并 帮助我了解可能受壁温、闸板位 置和更多流量数据等因素影响的 应力。” 他解释说：“如果钻井者和 原始设备制造商能够从防喷器中 产生更精细的数据，就可以更容 易地做出维护和设备可用性的决 策。在此基础上，公司还可以寻 找新的方法来设计防喷器，以帮 助提高性能。
 
首要任务是掌握数 据，以便做出决定，找出哪里出 了问题。我如何让我的防喷器保 持最大可用性，进行离线维修， 而不是在关键时刻进行维修？当 你开始得到这些数据时，我们就 可以开始考虑我们正在做什么来 简化防喷器控制系统。我们开始 在国际收支的操作中使用数据， 以使国际收支更加有效，操作更 加可靠和快速。” 吉文斯说，从国际收支中获 取这种特定数据的挑战是硬件和 软件的问题。他指出，市场上可 用的预测健康监测软件是基于钻 井者目前获得的有限数据输入。 获取更多的数据需要对防喷 器进行硬件调整，以容纳更多的 传感器。例如更换执行器中的各 种组件，以提供足够的空间来安 装传感器。 此外，监控软件需要 能够识别防喷器的行为趋势，以 便帮助钻井者和原始设备制造商 做出更好的维护决策。吉文斯表 示，将人工智能算法整合到防喷 器监测软件中，可能是该领域。
 
“如果你想走向未来，可以 处理更大数据集的智能软件和可 以解释这些数据并开始发现其中 趋势的人工智能的结合——所有 这些都可以帮助你与 BOP 一起做 出决策。你可以安装所有这些， 而不必升级 BOP 本身的硬件，但 如果你升级了硬件，那么这些软 件开发就更容易更快地发生。我 认为，随着时间的推移，我们将 会达到这样一个阶段，在这一阶 段，我们可以用现有的硬件做软 件没有这么多。为了实现下一个 飞跃，我们必须在硬件方面做出 一些改变。”
 
给钻机脱碳
 
随着世界继续向零净未来发 展，石油和天然气价值链中的每 个部门都面临着在满足全球能源 需求的同时减少温室气体排放的 压力。对于钻井承包商来说，这 意味着减少钻机的排放，这通常 意味着找到碳密集度更低的方式 为钻机提供动力。 柴油发动机和发电机仍然是 钻机发电的主要来源，但市场上 已经有许多替代能源系统。 例如， 电池储能系统储存天然气发电机 的多余能量，并在高峰使用期间 将这些能量输出回发电机，这是 陆地钻机的普遍选择。微电网， 或独立于本地电网为本地区域产 生和储存自己的电力的独立电网， 可以显著减少现场排放，特别是 当微电网由可再生能源供电时。 “为了给钻机供电，你需要 一个合适的基础设施。”Kenera 销售副总裁霍马斯·基普克说： “这不仅仅是可再生能源的产 生，而是一般意义上的能源的 产生。在世界各地，我们看到 了建设电网的需求和趋势，这 些电网可以为钻机供电。钻机 可以连接到电网，并从中运行。 它可以是一个天然气处理站， 一个核电厂，甚至一个风电场。
 
这肯定是我们可以看到钻井平 台推动减排的事情。” 根 据 7 月 25 日 的 公 告， Kenera 的母公司 KCA 道依达集 团 将 被Helmerich & Payne 收 购，该公司已经在这一领域提供 了一系列系统。例如它提供了一 个电池储能系统，该系统由配备 有电池架、电源和辅助面板的电 池电源控制室组成，供钻机使用。 它的装载容器就像一个微型电网， 使其能够在不靠近电网的区域工 作的钻机上使用。 他说：“为了连接你现在看 到的常规钻机，需要柴油发电 机，柴油发电机将为钻机供电。 为了将它接入电网，需要某种 电网容器，或电网变压器容器， 它将电力转换成钻机可用的电 力。” 基普克先生补充说：“这些 类型的系统将继续是未来钻机 的重要组成部分。在现有的低 排放系统中，只要电网不是由 化石燃料驱动的，连接到电网 提供了完全消除钻井平台排放 的最佳机会。” 然而，电气化的道路将在很 大程度上取决于该地区。例如西 欧提供了几个使用可再生能源的 公共电网，比如风能。在中东， 几个国家正在建设核电站，最终 可能为该地区的陆地钻井平台提 供电力。 “我们看到的电气化的最 大问题之一是除了钻井者和操 作者之外，还有第三方需要参 与这场游戏，那就是电网供应 商。”他解释道：“在你作业 的地区，国家电网公司可能就 是这样，他们需要为你的钻井 位置提供适量的电力。