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二疊紀(jì)盆地已經(jīng)試運(yùn)行了一臺(tái) 全自動(dòng)鉆井平臺(tái)，但經(jīng)濟(jì)和互操作 性方面的挑戰(zhàn)可能會(huì)使短期內(nèi)的重 點(diǎn)放在自動(dòng)化特定任務(wù)上，以實(shí)現(xiàn) 切實(shí)的效率提高 近年來，業(yè)內(nèi)對(duì)鉆 井作業(yè)中關(guān)鍵功 能的自動(dòng)化價(jià)值 達(dá)成了共識(shí)：它 在提高鉆機(jī)和井筒的安全性、提 高效率和性能方面具有很大潛力。 結(jié)果也得到了充分的證明。然而， 當(dāng)談到大規(guī)模部署全自動(dòng)鉆井平 臺(tái)的可行性時(shí)，似乎還沒有達(dá)成 共識(shí)。

一些人認(rèn)為，大規(guī)模的全 面自動(dòng)化離成為現(xiàn)實(shí)并不遙遠(yuǎn)。 最典型的例子可 能 是 Nabors Industries 的 PACE-R801，這 是一臺(tái)全自動(dòng)陸地鉆機(jī)，今年完 成了?？松梨谠诙B紀(jì)盆地的 試點(diǎn)作業(yè)。 Nabors 的控制和自動(dòng)化總監(jiān) Brett Schellenberg 表示 :“當(dāng) 我們能夠?qū)⑷藗冝D(zhuǎn)移到安全的地 方時(shí)，這是一件好事。“自動(dòng)化 使我們能夠做到這一點(diǎn)。同樣重 要的是，它使我們能夠標(biāo)準(zhǔn)化來 自我們最好的鉆井工程師、井架 手和地面手的最佳實(shí)踐，并將這 些事情標(biāo)準(zhǔn)化，并在我們的船隊(duì) 中不斷重復(fù)這些事情，以提高我 們的周期時(shí)間。” 另一個(gè)業(yè)內(nèi)人士則對(duì)全自動(dòng) 鉆井平臺(tái)是否會(huì)在不久的將來占據(jù) 主導(dǎo)地位持懷疑態(tài)度。常見的障礙 包括 : 可在鉆機(jī)之間使用的標(biāo)準(zhǔn)控 制接口的開發(fā)，以及建造新鉆機(jī)或 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行資本密集型改造的財(cái)務(wù) 挑戰(zhàn)，這些系統(tǒng)可以完全自動(dòng)化仍 由人工執(zhí)行的各種任務(wù)。

在本文中，DC 與兩家鉆井承 包商、一家運(yùn)營(yíng)商和一家服務(wù)公 司進(jìn)行了交流，探討了他們對(duì)自 主鉆井的當(dāng)前看法，并討論了近 期在推進(jìn)自動(dòng)化方面所做的努力。 實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化鉆井平臺(tái) Nabors 公 司 的 R801 鉆 機(jī) 在全自動(dòng)鉆井方面一直處于領(lǐng)先 地位，該鉆機(jī)在去年秋天投入使 用之前已經(jīng)研發(fā)了五年。它將該 公司的自動(dòng)化鉆井軟件與機(jī)器人 技術(shù)相結(jié)合，將人員從紅區(qū)移除， 并提供一致的結(jié)果。在與?？松?美孚的試點(diǎn)項(xiàng)目中，該鉆機(jī)在三 個(gè)平臺(tái)上鉆了 9 口井。總的來說， 它已經(jīng)完成了約 200 萬英尺的鉆 井、起下鉆和下套管作業(yè)。

為了實(shí)現(xiàn)鉆井平臺(tái)的完全自 動(dòng)化，該平臺(tái)被機(jī)器人管架取代。 這 個(gè) 機(jī) 械 臂 可 以 處 理 13.375- in 的 鉆 桿 和 管 柱。 直 徑 和 包 含 自 己 的 紡 絲 器， 用 于 連 接 和 起 下鉆。司鉆在司鉆室內(nèi)通過并入 Nabors 公司 SmartROS 的自動(dòng) 管狀管理應(yīng)用程序控制機(jī)器人， 該應(yīng)用程序可以控制鉆機(jī)的控制 系統(tǒng)和管理鉆機(jī)上的設(shè)備。 通過將鉆臺(tái)上使用的不同管 柱的規(guī)格輸入到管柱管理應(yīng)用程 序中，例如，鉆鋌的內(nèi)徑和外徑， 應(yīng)用程序的算法將自動(dòng)跟蹤管柱 的運(yùn)動(dòng)。該應(yīng)用程序還會(huì)測(cè)量每 個(gè)連接的扭矩，并將該信息傳遞 給機(jī)器人管道處理程序。 Nabors 控制與自動(dòng)化高級(jí) 經(jīng)理 Ram Murthi 表示，開發(fā)這 種智能管柱管理系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)鉆機(jī) 完全自動(dòng)化的最大挑戰(zhàn)之一。這 主要是因?yàn)樵撓到y(tǒng)必須考慮到各 種各樣的管柱，以及確保管柱定 位的精度和準(zhǔn)確性。此外，該公 司還必須能夠管理油管從一個(gè)系 統(tǒng)到另一個(gè)系統(tǒng)的流動(dòng)，并與鉆 臺(tái)上的其他工藝和設(shè)備協(xié)調(diào)。

該 鉆機(jī)實(shí)現(xiàn)全面自動(dòng)化的另一個(gè)關(guān) 鍵方面是 Nabors 的自動(dòng)化鉆井 軟件 Smart Suite，該軟件運(yùn)行 在 其 SmartROS 鉆 機(jī) 操 作 系 統(tǒng) 上。R801 包 含 了 Nabors 現(xiàn) 有 的幾個(gè)軟件解決方案，并且還專 門為該項(xiàng)目開發(fā)了新的解決方案。 SmartDRILL 就 是 一 個(gè) 例 子，它是一種自動(dòng)鉆井活動(dòng)排序 器，可以按照最佳實(shí)踐配置鉆井 工作流程。在應(yīng)用程序中編寫了 工程序列，以便在連接期間和圍 繞滑梯旋轉(zhuǎn)時(shí)，自動(dòng)將鉆頭送入 或從井底送入。此外，它還具有 足夠的智能，能夠在需要時(shí)自動(dòng) 更新作業(yè)順序，以避免意外的井 下危險(xiǎn)。R801 上的另一款應(yīng)用 是 SmartSLIDE，這是一款自動(dòng) 滑動(dòng)鉆井的定向控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 Nabors 表 示， 雖 然 R801 的鉆井平臺(tái)上沒有工作人員，但 鉆井現(xiàn)場(chǎng)的工作人員數(shù)量仍然大 致相同，只是他們的職責(zé)不同。 現(xiàn)場(chǎng)仍有一名司鉆監(jiān)督整個(gè)作業(yè)， 而其他工作人員則負(fù)責(zé)維護(hù)、檢 查和鉆機(jī)移動(dòng)等基本任務(wù)。 鉆井平臺(tái)也進(jìn)行了一些設(shè)計(jì) 上的改變，以確保工作人員的安 全。紅色區(qū)域被圍起來，并配備 了與鉆井控制系統(tǒng)相連的運(yùn)動(dòng)檢 測(cè)傳感器。如果傳感器檢測(cè)到有 人進(jìn)入該區(qū)域，紅色區(qū)域內(nèi)的移 動(dòng)設(shè)備將自動(dòng)停止。司鉆的艙室 也高于鉆臺(tái)，與標(biāo)準(zhǔn)的陸地鉆機(jī)相比略高。主要是為了幫助鉆井 人員更好地觀察自動(dòng)化鉆臺(tái)，并 進(jìn)一步消除潛在的危險(xiǎn)。 雖然沒有提供試驗(yàn)項(xiàng)目的詳 細(xì) 性 能 數(shù) 據(jù)， 但 Schellenberg 指 出， 該 活 動(dòng) 沒 有 發(fā) 生 OSHA 可 記 錄 的 事 故， 井 眼 時(shí) 間 接 近 Nabors 最好的西德克薩斯船隊(duì) 的平均時(shí)間。

在證明完全自動(dòng)化的陸地鉆 井是可能的之后，Nabors 現(xiàn)在 專注于將 R801 的軟件和機(jī)器人 組件改造到其他現(xiàn)有的鉆機(jī)上， 而不需要進(jìn)行重大的重新設(shè)計(jì)。 今年晚些時(shí)候，該公司計(jì)劃在現(xiàn) 有的 Nabors 鉆機(jī)上部署模塊化 自 動(dòng) 化 系 統(tǒng)。Schellenberg 表 示，此舉更符合該行業(yè)當(dāng)前的經(jīng) 濟(jì)現(xiàn)實(shí)。 他說：“隨著我們開始將這 些產(chǎn)品商業(yè)化，我們真的希望能 夠?qū)Ｗ⒂谀K化，靈活和靈活地 適應(yīng)任何鉆機(jī)配置。”“隨著鉆 井平臺(tái)自動(dòng)化的不斷發(fā)展，我們 的重點(diǎn)將是現(xiàn)有鉆機(jī)的可擴(kuò)展性。 資金不再那么容易獲得，所以我 們需要考慮提供這些技術(shù)，而不 是讓客戶不得不建造全新的鉆井 平臺(tái)。” 以實(shí)際利益為目標(biāo)的自動(dòng)化 許多鉆井行業(yè)人士仍對(duì)在不 久的將來實(shí)現(xiàn)完全自主鉆井的可 行性持懷疑態(tài)度，尤其是大規(guī)模 自主鉆井。Ensign 鉆井解決方 案副總裁 Mark Anderson指出， 人工在鉆機(jī)上完成的任務(wù)非常復(fù) 雜多樣。他說，對(duì)于一個(gè)自主系 統(tǒng)來說，它們太大了，無法完全 處理，尤其是在對(duì)鉆井承包商來 說成本合理的情況下。 Anderson 表 示：“ 要 想 擁 有一臺(tái)自動(dòng)鉆井平臺(tái)，你必須實(shí) 現(xiàn)每一項(xiàng)任務(wù)和所有突發(fā)事件的 自動(dòng)化，而從開發(fā)成本來看，這 樣做的經(jīng)濟(jì)效益是不可行的。” “此外，我們擁有龐大的設(shè)備安 裝資本基礎(chǔ)。我不認(rèn)為我們會(huì)為 了一個(gè)自動(dòng)系統(tǒng)而放棄 2000 臺(tái) 現(xiàn)代空調(diào)設(shè)備。”

相 反，Anderson 表 示， 他 認(rèn)為自動(dòng)化是一段“旅程”。與 其嘗試開發(fā)完全自動(dòng)化的鉆機(jī)來 大規(guī)模部署，鉆井承包商更有可 能擴(kuò)大可自動(dòng)化鉆機(jī)的任務(wù)列表。 在 Ensign，除了開發(fā) EDGE 鉆 機(jī)操作系統(tǒng) ( 將自動(dòng)化控制系統(tǒng) 與基于云的機(jī)器學(xué)習(xí)算法相結(jié)合， 以優(yōu)化鉆井性能 ) 外，該公司最 近還專注于開發(fā)用于自動(dòng)擴(kuò)眼、 基于 mse 的 ROP 優(yōu)化和自動(dòng)下 行到旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的工具。該公 司還在開發(fā)一個(gè)工具面自動(dòng)化控 制的原型。 此 外，Ensign 還 為 所 有 鉆 機(jī)設(shè)備開發(fā)了具有下鉆能力的人 機(jī)界面，以及一鍵連接系統(tǒng)，使 司鉆只需按下一個(gè)按鈕，就可以 在鉆機(jī)上啟動(dòng)某些關(guān)鍵功能的自 動(dòng)化程序。該系統(tǒng)激活頂部驅(qū)動(dòng) 和泵，將鉆頭驅(qū)動(dòng)至底部。 他說 :“在系 統(tǒng)下放鉆頭的 同時(shí)，司鉆進(jìn)行連接，從卡瓦中 取出鉆柱，按下一個(gè)按鈕，然后 進(jìn)行其他操作，比如管理工作人 員。”“它會(huì)從井底升起，如果 需要的話還會(huì)加大力度，關(guān)閉頂 部驅(qū)動(dòng)，停止泥漿泵，然后讓司 鉆關(guān)閉系統(tǒng)。鉆井工人喜歡這個(gè) 系統(tǒng)。我們正在努力改善鉆井系 統(tǒng)的一小部分，然后人類可以完 成我們還沒有完成的其他部分。” Anderson 認(rèn)為，自動(dòng)化系 統(tǒng)的遠(yuǎn)程操作將在未來幾年為鉆 井承包商帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。 “設(shè)備控制系統(tǒng)并不在乎控制是 來自人類還是 PLC。不管怎樣， 它都可以升降絞車。如果你需要 更大的鉆頭重量，不管指令是來 自無人鉆井控制系統(tǒng)還是人類。 您可以在場(chǎng)外中心更改設(shè)定點(diǎn)， 也就是遠(yuǎn)程更改自動(dòng)化鉆井控制 系統(tǒng)中的變量。這些都是我們可 以真正受益的領(lǐng)域。”

大規(guī)模的完全自動(dòng)化 能成為現(xiàn)實(shí)嗎 美國(guó)陸上鉆井和完井副總裁 John Willis 表示，盡管西方石 油公司 (Oxy) 從事自動(dòng)化工作已 有多年，但該公司近期并沒有開 發(fā)全自動(dòng)鉆機(jī)的計(jì)劃。目前，作 業(yè)者的自動(dòng)化工作主要集中在部 署來自鉆井承包商和第三方的 11 種自動(dòng)化應(yīng)用。除了這些應(yīng)用和 鉆井承包商提供的其他自動(dòng)化工 具外，作業(yè)者將“完全自動(dòng)化”( 包 括管柱處理)視為一個(gè)長(zhǎng)期目標(biāo)。 Willis 指出，管道處理是實(shí) 現(xiàn)大規(guī)模自動(dòng)化的一個(gè)關(guān)鍵障礙。 由于管架系統(tǒng)中各種各樣的管柱 尺寸和預(yù)定義的位置，這仍然是 人工在鉆機(jī)上執(zhí)行的較為復(fù)雜的 任務(wù)之一。雖然在開發(fā)陸地鉆機(jī) 的自動(dòng)管道處理方面已經(jīng)做了一 些工作，但他表示，成本是一個(gè) 關(guān)鍵問題。 “很多自動(dòng)化系統(tǒng)的問題是， 它們從來沒有一個(gè)能與優(yōu)秀的鉆井人員競(jìng)爭(zhēng)。優(yōu)秀的船員總是更 快、更便宜。”Willis 表示。然而， 與 10 年或 20 年前相比，他確實(shí) 看到了一些變化，比如機(jī)械臂等 系統(tǒng)可以改裝到現(xiàn)有的鉆機(jī)上。 “今天的情況非常不同。

在我看 來，機(jī)器人技術(shù)發(fā)展到可行的程 度只是時(shí)間問題。” 大規(guī)模實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化的另 一個(gè)障礙是缺乏可在鉆機(jī)間使用的 互操作系統(tǒng)。威利斯表示，仍需填 補(bǔ)的關(guān)鍵功能缺口包括一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)控 制系統(tǒng)界面和一個(gè)讓自動(dòng)化應(yīng)用程 序同時(shí)工作的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)。此外，他 還指出，需要一種標(biāo)準(zhǔn)接口來將鉆 井計(jì)劃傳輸?shù)姐@機(jī)的自動(dòng)化控制系 統(tǒng)中。井眼規(guī)劃數(shù)據(jù)與鉆機(jī)系統(tǒng)之 間的互操作性，以及遠(yuǎn)程配置自動(dòng) 化參數(shù)的能力，對(duì)于大規(guī)模實(shí)現(xiàn)全 面自動(dòng)化至關(guān)重要。 他補(bǔ)充說，目前的自動(dòng)化系 統(tǒng)仍然需要大量的人工數(shù)據(jù)輸入 和系統(tǒng)配置。他們不是幫助鉆井 工人，尤其是經(jīng)驗(yàn)不足的鉆井工 人，而是經(jīng)常向鉆井工人提出更 多要求。這使得這些系統(tǒng)難以實(shí) 施，尤其是在如今的環(huán)境中，因 為越來越難以雇傭有經(jīng)驗(yàn)的鉆井 人員。 Willis 表示：“自動(dòng)化的愿 景是，盡管鉆井人員經(jīng)驗(yàn)不足， 但仍能保持穩(wěn)定的性能。”然而， 如今，自動(dòng)化的使用需要大量的 數(shù)據(jù)輸入和系統(tǒng)配置，因此，鉆 井人員需要成為人工操作和自動(dòng) 化系統(tǒng)配置方面的專家，而不是 經(jīng)驗(yàn)不足的鉆井人員。” 他還指出，鉆井是一個(gè)周期 性行業(yè)。“鉆機(jī)數(shù)量有升有降。 當(dāng)經(jīng)濟(jì)衰退時(shí)，我們就會(huì)失去人 手，而當(dāng)經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇時(shí)，我們就得 雇人。每次我們雇傭新員工，他 們都會(huì)在學(xué)習(xí)的過程中犯錯(cuò)。減 少學(xué)習(xí)曲線的兩種方法是在自動(dòng) 化系統(tǒng)中獲取知識(shí)，并在遠(yuǎn)程專 家中保留知識(shí)。然后，那些來自 你的優(yōu)秀員工的專業(yè)知識(shí)，存儲(chǔ) 在自動(dòng)化系統(tǒng)中，可以持續(xù)地應(yīng) 用。

專家遠(yuǎn)程監(jiān)控鉆機(jī)的知識(shí)可 以應(yīng)用于很多鉆機(jī)，而不是一個(gè) 鉆機(jī)。” 將 MPD 集成到鉆機(jī)控制中 控壓鉆井 (MPD) 已經(jīng)成為一 種被廣泛接受的窄壓力窗地層鉆 井方法。然而，在鉆井平臺(tái)上實(shí) 施 MPD 服務(wù)的過程既耗時(shí)又昂 貴，尤其是在深水項(xiàng)目中。對(duì)于 一些鉆井承包商來說，將 MPD 系統(tǒng)集成到鉆機(jī)的自動(dòng)化基礎(chǔ)設(shè) 施 ( 包括硬件、軟件和程序 ) 中是 一種簡(jiǎn)化流程的方法。 據(jù)控壓鉆井高級(jí)副總裁Mark Mitchell 表 示，NOV 一 直在努力確保其 MPD 系統(tǒng)在鉆 機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)中無縫工作。當(dāng)鉆 機(jī)的控制系統(tǒng)更新為 MPD 功能 時(shí)，鉆井人員可以獲得額外的控 制、MPD 屏幕視圖和數(shù)據(jù)趨勢(shì)。 MPD 系統(tǒng)不會(huì)取代或阻礙司鉆使 用常規(guī)鉆井工具。相反，它提高 了井下狀況的能見度，并為鉆井 人員提供額外的工具，以盡可能 安全、高效地鉆井。 Mitchell 表示 :“鉆井工作 的很大一部分是采集特定的數(shù)據(jù) 集 (MPD 數(shù)據(jù)是子集之一 )，并 將其聚合起來，以顯示有用的信 息，從而實(shí)現(xiàn)更快、更準(zhǔn)確的決 策。

“自動(dòng)化水平很重要 ; 如 果每個(gè)人只是自動(dòng)化和集成自己 的獨(dú)立數(shù)據(jù)子集，那么系統(tǒng)的全 部潛力就無法實(shí)現(xiàn)。” 系統(tǒng)控制可以直接連接到 鉆機(jī)的控制系統(tǒng)中，也可以通過 NOV 的 NControl軟件平臺(tái)間 接集成。該開放式架構(gòu)平臺(tái)與鉆 井平臺(tái)的控制系統(tǒng)和任何對(duì) MPD 作業(yè) ( 如錄井 ) 重要的第三方接口 進(jìn)行通信。一體化程度取決于鉆 井平臺(tái)所有者和作業(yè)公司的偏好。 2018 年，NOV 將主動(dòng)控制 裝 置 (ACD) 納 入 其 產(chǎn) 品 組 合。 ACD 是一種用于 MPD 作業(yè)的主 動(dòng)、非旋轉(zhuǎn)密封裝置，通過環(huán)形 封隔器系統(tǒng)提供的密封套筒來密 封井筒環(huán)空，并實(shí)現(xiàn)回井分流。 當(dāng)密封套筒磨損時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng) 改變密封上的液壓關(guān)閉壓力，以 補(bǔ)償磨損，并適應(yīng)導(dǎo)致磨損的工 具接頭的通過。 ACD 是一個(gè)主動(dòng)系統(tǒng)，而不 是一個(gè)被動(dòng)系統(tǒng)，就像一個(gè)傳統(tǒng) 的旋轉(zhuǎn)設(shè)備。這種設(shè)計(jì)消除了對(duì) 復(fù)雜軸承組件和高磨損旋轉(zhuǎn)密封 組件的需求，這些在 MPD 作業(yè) 期間造成了非生產(chǎn)時(shí)間。 此外，它允許控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè) 密封元件的狀況，使司鉆能夠主 動(dòng)計(jì)劃更換密封元件。操作時(shí)， 司鉆可以手動(dòng)調(diào)節(jié)密封關(guān)閉壓力 或允許 ACD 在自動(dòng)模式下運(yùn)行。 控制系統(tǒng)根據(jù)傳感器反饋?zhàn)詣?dòng)做 出這些調(diào)整。 “使用 RCD，你永遠(yuǎn)不會(huì)真 正知道密封的情況，直到它不再 密封，而有了 ACD，我們可以知 道什么時(shí)候該更換密封。此外， 由于密封在操作過程中磨損，我 們可以施加額外的關(guān)閉壓力，有 效地再生密封面。” 目前，全球共有 8 艘鉆井船 使用 ACD 進(jìn)行 MPD 作業(yè)。自該 技術(shù)問世以來，已經(jīng)有超過 30 口 井采用了該技術(shù)。