雖然沒有新的建造 周期，但硬件和 軟件的進步為未 來鉆機的設計和 功能的發(fā)展提供了線索。 未來的鉆機到底是什么？石 油和天然氣行業(yè)的本質是向前看， 但不要太超前。鉆井承包商和運 營商的利潤空間通常很小，對未 來幾年可能運行的假想鉆井平臺 的憧憬似乎只是一件徒勞的事情。 鉆井承包商和運營商傳統(tǒng)上對鉆 機最大的期望是，與市場上的其 他鉆機相比，如何更快、更有效、 更低成本地鉆井。這一重點在未 來不會改變。 然而，對于該行業(yè)的一些人 來說，未來的需求讓他們思考鉆 機將如何改變以適應新的現(xiàn)實。 例如，云計算系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析軟 件的結合應用正在改善鉆井數(shù)據(jù) 的收集和監(jiān)控方式，自動化和機 器人軟件包正在利用這些數(shù)據(jù)做 出決策并在鉆機上執(zhí)行任務，而無需人工干預。
隨著這些系統(tǒng)成 為司鉆工具箱中更常用的工具， 處理信息的能力以及人們在鉆機 上實際處理信息的需求——將會 改變。 SLB 壓力控制設備領域專家 馬特·吉文斯稱 :“當我們審視 技術時，我們所做的一切都是為 了向用戶提供更多信息。無論這 些信息是在井場的邊緣，他們正 在那里獲取，還是我們正在將這 些數(shù)據(jù)連接回鎮(zhèn)上，如果我們能 夠取回這些數(shù)據(jù)，這將有助于人 們開始做出更好的決策。” 雖然人們仍將是鉆井過程中 的重要組成部分，但人類究竟將 如何在鉆井平臺上發(fā)揮作用，仍 是該行業(yè)尚未回答的問題。
自動 化越來越多地導致人們被重新分配到鉆臺以外的地方。也許在將 來，人們會在遠離鉆井平臺數(shù)英 里的遠程操作中心操作鉆井平臺。 隨著角色的演變和人們工作方式 的不同，未來鉆機的設計將會發(fā) 生根本性的變化。 “老實說，我看到未來的鉆 機沒有司鉆室或傳統(tǒng)的井架。” 埃克森美孚公司的運營經(jīng)理賈 森·加爾說：“由于陸地鉆機經(jīng) 常被拆卸和移動，它們必須變得 更加模塊化，具有更少的部件， 并且需要更少的勞動力來移動。 鉆機將為機器而不是人建造，以 執(zhí)行重復性的任務，這給了我們 另一個設計自由度。
未來能夠實 現(xiàn)高性能鉆機的傳感器技術、控 制系統(tǒng)和決策算法正在快速發(fā)展， 并將繼續(xù)變得更好。” 行業(yè)代表對鉆機的樣子有 想法，但這些想法實現(xiàn)的可能性 既取決于技術能力，也取決于市 場力量。資本紀律和向股東返還 現(xiàn)金仍然是運營商和鉆井商的首 要任務，他們希望在后疫情油價 低迷時期保持穩(wěn)定的地位。盡管 WTI 價格已經(jīng)恢復到 2019 年的 水平，但該行業(yè)仍然對投入大量 資金開發(fā)未經(jīng)證實的系統(tǒng)持謹慎 態(tài)度，無論其潛力如何。這種保 守主義將成為實現(xiàn)未來鉆井平臺 的障礙。 納伯斯美國鉆井業(yè)務副總裁 喬希普萊斯稱 :“這不是一個開 關的翻轉，公司面臨著來自管理 層和股東的巨大壓力，要求它們 降低成本、高效鉆井。所以風險 和回報之間有一點平衡。作為一 名客戶，您是否花了一些時間來 推動自動化或加倍現(xiàn)有計劃以提 高效率？對我來說，改變我們客 戶的心態(tài)是最大的挑戰(zhàn)。”
鉆井平臺將走向何方
“未來的鉆機”看起來會是 什么樣子，或者什么時候會到來， 取決于在行業(yè)內與誰交談，但對 加爾先生來說，鉆機可能會更早 到來?；仡欗旘尰蛐D導向器等 行業(yè)變革創(chuàng)新的使用趨勢，他認 為，未來五到十年，鉆機能力將 出現(xiàn)穩(wěn)定但顯著的變化。鉆機所 有者將繼續(xù)為他們的鉆機配備越 來越受自動化和先進決策算法支 持的機械化設備。 他預計，到 21 世紀 30 年代 中期，鉆井平臺上的高度自動化 和數(shù)字化系統(tǒng)將成為主流。下一 代鉆機的外觀和功能都有所不同， 將會因進一步提高效率和降低鉆 機擁有成本的需求而誕生。 他說：“棘手的是幾個周期 必須同時對齊。當你有一個強大 的商品周期，現(xiàn)有的鉆井設備需 要更換，可靠、廉價的傳感器加 上先進的計算技術，人們將開始 明白他們可以建造一個根本不同 的鉆機，對人類更安全，并為鉆 井承包商和運營商提供比我們今 天使用的鉆機更好的經(jīng)濟效益。”
隨著未來鉆機變得更加機械 化， 更加依賴自動化來操作鉆機， 鉆井隊的角色將會改變?？刂茖?級中最有效的級別是消除風險。 通過消除風險使今天的鉆 機更加安全的第一步通過使用鐵 鉆工和卡瓦已經(jīng)開始了，使人類 從連接或下套管等基本操作中解 脫出來，這些操作可以在鉆工艙 中 操 作。 他 指 出， 自 動 化 機 器 人系統(tǒng)——如納伯斯紅區(qū)機器人 (RZR) 鉆臺模塊，目前運行在埃 克森美孚公司在二疊紀盆地運營 的 X29 陸上鉆機上——消除了火 線和落物風險最高的區(qū)域人員。 人仍然起著關鍵作用，但他們不 會在鉆臺上工作。
他解釋道：“今天我們看到 自動化程度很高的鉆井平臺需要 與非自動化鉆井平臺相同數(shù)量的 工作人員。我們需要有才能的人來維護和操作日益復雜的機器。 我們現(xiàn)在看到的是納伯斯 X29。 但在遙遠的未來，當我們從一張 白紙開始，有目的地設計鉆機， 用更少的人操作就可以解放那些 人，讓他們在不同的環(huán)境下做不 同的任務和工作。如果您今天參 觀我們的遠程中心，我們有一名 定向鉆井專業(yè)人員執(zhí)行幾年前需 要六個人在六個不同的鉆井現(xiàn)場 執(zhí)行的任務。這是因為他們得 到了鉆頭導向軟件的幫助，該 軟件持續(xù)運行數(shù)千次計算，并 顯示鉆頭在空間中的位置以及 它與其他油井的關系。我認為 我們會看到更多的應用，讓人 類在機器執(zhí)行重復任務或復雜 計算時提供監(jiān)督。” 傳感器技術結合先進的機器 學習算法也將定義未來的鉆機。
加爾先生認為，在井底鉆具組合 (BHA) 和鉆柱上安裝一套可靠、 廉價的傳感器來提供準確的井下 測量，而不是通過地面測量來推 斷井下條件，這將導致鉆井速度 和設備可靠性的階躍變化。目前， 自動化系統(tǒng)的“絕大多數(shù)”輸入 來自表面測量。 他說 :“只要我們從地面提 升、泵送和轉向，就有機會通過 精確的井下測量和將這些測量結 果幾乎即時傳輸?shù)降孛鎭硖岣咝?率。我們需要可靠的技術來提供 有線管道的帶寬和速度，同時又 能讓這種數(shù)據(jù)傳輸在行業(yè)中無處 不在。我們需要從地面向井下組 件供電。這將需要一個新的鉆井 工具生態(tài)系統(tǒng)。自主旋轉導向工 具在無需下行鏈路的情況下糾正 路線，這方面的進展令我感到興 奮，但旋轉鉆井的最終效率和可 靠性將需要沿管柱測量、更好的 巖石測量以及使用實際井下測量 的閉環(huán)控制，所有這些都需要廉 價、閃電般快速的遙測技術。” 被問及該行業(yè)開發(fā)未來鉆機 的最大障礙時，加爾給出了一個 詞 : 合作。
他描述了使自動化和 數(shù)字化成為主流的途徑，即運營 商和鉆井承包商之間的緊密合作。 作業(yè)者要求和財務承諾將推動鉆 機新系統(tǒng)的開發(fā)和采用，但概念 驗證將由鉆井承包商負責。 “鉆井承包商只能做到這一 步，花這么多錢，卻沒有機器的 有用出路。通常情況下，鉆井承 包商有責任在操作者愿意使用機 器之前證明機器可以工作。為了 行業(yè)的快速發(fā)展，需要強有力的 合作。今天，推動創(chuàng)新通常需要 運營商在一定程度上資助該計劃 或承諾使用它。要解決的基本問 題是如何公平分享鉆機創(chuàng)新投資 所創(chuàng)造的價值，這本身就需要一 些創(chuàng)新思維。”
增加鉆機的自動化程度
自動化對該行業(yè)來說是一個 主要的凈利好，有助于公司推動 鉆機性能的一致性。正如納伯斯 的喬希普萊斯先生所指出的，運 營商“希望一遍又一遍地以同樣 的方式鉆探同樣的油井，幫助他 們規(guī)劃預算和進度。” 鉆機上自動化與機器人系統(tǒng) 的配對將繼續(xù)是未來鉆井者和操 作者的優(yōu)先考慮事項。2022 年， 納伯斯用 RZR 模塊改造了 X29 鉆機，該模塊使管道搬運和其他 常規(guī)鉆井活動自動化。該公司表 示，計劃明年在另外四個鉆井平 臺上安裝該模塊。
普萊斯預計，在不久的將來， 更多這樣的系統(tǒng)將在行業(yè)內獲得 青睞。“我相信，隨著我們繼續(xù) 驗證技術并交付成果，自動化系 統(tǒng)將會得到更大規(guī)模的采用，這可能會在未來 5 到 10 年內，甚 至更快。”他說：“當我們獲得 青睞時，通常會來自 IOC，即更 大的公司。更廣泛采用的最大挑 戰(zhàn)將是這樣一個事實，即這不是 你只需按一下開關就能立即奏效 的事情。需要與鉆井承包商合作， 通過學習曲線來優(yōu)化這些系統(tǒng)。” 這些自動化系統(tǒng)已經(jīng)在幫助 人們遠離危險方面發(fā)揮了作用。 例如，RZR 模塊在鉆臺上自動執(zhí) 行重復任務，包括進行鉆井連接 和起下鉆。不需要在鉆臺上和井 架內安排一名工作人員。 “ 對 于 RZR， 我 們 有 一 個 機架，它從貓道上取下鉆桿，將 其放入井架，從井架上取下，并 將其送到油井中心或小鼠洞、自 動卡瓦或液壓升降機。”
普萊斯 說 :“井架工和鉆工從這些高風 險區(qū)域被重新分配，以執(zhí)行鉆機 上的其他高價值任務，如維護和 準備下一項工作，這樣整體效率 更高，可以更快地過渡到下一項 工作。” RZR 通 過 納 伯 斯 專 有 的 SmartROS 鉆機操作系統(tǒng)實現(xiàn)， 可安裝在現(xiàn)有鉆機上并控制第三方 制造商的設備。模塊化可以部署在 大多數(shù)標準鉆機配置上。 普萊斯先生表示，像 RZR 這 樣的機器人系統(tǒng)的模塊化對鉆井 者來說至關重要，因為他們在鉆 機上采用了更高的自動化程度。 “為了擴大我們的車隊，我們需 要對我們的系統(tǒng)進行模塊化。
例 如，它使我們在現(xiàn)場短時間內完 成 RZR 升級變得更加容易，就像 在鉆機移動期間，而不是花費一 周或 10 天進行升級。當我們用自 動化取代傳統(tǒng)系統(tǒng)時，我們必須 牢記模塊化。這讓它在戰(zhàn)場上跑 得更快。” 雖然 RZR 模塊目前實現(xiàn)了管 道搬運任務的自動化，但普萊斯 認為，預計自動化的范圍將擴展 到鉆機其他部分。例如，納伯斯 正在研究鉆機引擎自動化的方法， 以便每個引擎的負載可以根據(jù)特 定時間鉆機上正在進行的任務自 動調整，以節(jié)省燃料和排放。他 還指出自動化的潛力，當與人工 智能算法結合時，有助于提高鉆 井平臺的安全性，特別是在分析 掉落物體的可能性方面。 “在檢查物體墜落風險時， 可以使用基于人工智能的視覺 系統(tǒng)和傳感器來識別哪里有東 西松動，或者哪里需要進行物 理檢查。”普萊斯先生說：“有 了數(shù)據(jù)和人工智能，我們有機 會加深對掉落物體的理解，并 關注無論是動態(tài)還是靜態(tài)掉 落。”
壓力控制設備維護
行業(yè)內的普遍看法是，對于 鉆井者來說，新的建造周期不會 在近期到來。但這并不意味著未 來的鉆機不會從目前運行的設備 升級。 SLB 公 司 的 吉 文 斯 先 生 指 出，鉆井者和操作者對鉆機不斷 變化的需求可能會影響該行業(yè)未 來對防噴器的看法。隨著陸上和 海上油井深度的不斷增加，原始 設備制造商將需要解決從防噴器 獲得接近實時的綜合數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn)。 “防噴器組通常閑置在油井 上。這是一條緊急防線，你需要 知道它總是會起作用的。”吉文 斯先生說：“我們開始考慮如何 取回數(shù)據(jù)，并做出更明智的維護 決策。
如果你可以獲得這些數(shù)據(jù)， 將其應用于鉆井包并開始鏈接， 就可以開始做出更多關于我的防 噴器是否準備好運行，以及它是 否連接到鉆機的控制系統(tǒng)以便其 連接在一起的決定。” 傳統(tǒng)防噴器控制系統(tǒng)在運行時向地面提供有限的數(shù)據(jù)——壓 力讀數(shù)和體積流量；工作人員通 常從流量和壓力推斷出防噴器已 經(jīng)關閉。然而，吉文斯先生認為， 這種猜測并不理想。為了真正準 確地讀取防噴器的活動，鉆井人 員需要獨立測量多個防噴器裝置 流量的獨立數(shù)據(jù)點，而不是從地 面對整個防噴器組進行一次測量。
“現(xiàn)在，我們有一個測量加 侖數(shù)的儀表，如果我們按順序發(fā) 出三個命令，有時一個功能在另 一個功能真正完成之前就已經(jīng)開 始了，所以你可以測量整個防噴 器組的流量，但你不知道哪個防 噴器單元實際上已經(jīng)關閉。” 他補充稱，測量閘板位置的 傳感器——閘板是否從完全縮回 移動到完全關閉也是原始設備制 造商和鉆井者前進的優(yōu)先事項。 “在最佳系統(tǒng)中，我會了解負載 情況是怎樣的？我是否看到了彎 曲的真實屬性，表明鉆機可能施 加了正在發(fā)生的水下溫度載荷， 外部有多冷，內部有多冷——并 幫助我了解可能受壁溫、閘板位 置和更多流量數(shù)據(jù)等因素影響的 應力。” 他解釋說：“如果鉆井者和 原始設備制造商能夠從防噴器中 產(chǎn)生更精細的數(shù)據(jù)，就可以更容 易地做出維護和設備可用性的決 策。在此基礎上，公司還可以尋 找新的方法來設計防噴器，以幫 助提高性能。
首要任務是掌握數(shù) 據(jù)，以便做出決定，找出哪里出 了問題。我如何讓我的防噴器保 持最大可用性，進行離線維修， 而不是在關鍵時刻進行維修？當 你開始得到這些數(shù)據(jù)時，我們就 可以開始考慮我們正在做什么來 簡化防噴器控制系統(tǒng)。我們開始 在國際收支的操作中使用數(shù)據(jù)， 以使國際收支更加有效，操作更 加可靠和快速。” 吉文斯說，從國際收支中獲 取這種特定數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn)是硬件和 軟件的問題。他指出，市場上可 用的預測健康監(jiān)測軟件是基于鉆 井者目前獲得的有限數(shù)據(jù)輸入。 獲取更多的數(shù)據(jù)需要對防噴 器進行硬件調整，以容納更多的 傳感器。例如更換執(zhí)行器中的各 種組件，以提供足夠的空間來安 裝傳感器。 此外，監(jiān)控軟件需要 能夠識別防噴器的行為趨勢，以 便幫助鉆井者和原始設備制造商 做出更好的維護決策。吉文斯表 示，將人工智能算法整合到防噴 器監(jiān)測軟件中，可能是該領域。
“如果你想走向未來，可以 處理更大數(shù)據(jù)集的智能軟件和可 以解釋這些數(shù)據(jù)并開始發(fā)現(xiàn)其中 趨勢的人工智能的結合——所有 這些都可以幫助你與 BOP 一起做 出決策。你可以安裝所有這些， 而不必升級 BOP 本身的硬件，但 如果你升級了硬件，那么這些軟 件開發(fā)就更容易更快地發(fā)生。我 認為，隨著時間的推移，我們將 會達到這樣一個階段，在這一階 段，我們可以用現(xiàn)有的硬件做軟 件沒有這么多。為了實現(xiàn)下一個 飛躍，我們必須在硬件方面做出 一些改變。”
給鉆機脫碳
隨著世界繼續(xù)向零凈未來發(fā) 展，石油和天然氣價值鏈中的每 個部門都面臨著在滿足全球能源 需求的同時減少溫室氣體排放的 壓力。對于鉆井承包商來說，這 意味著減少鉆機的排放，這通常 意味著找到碳密集度更低的方式 為鉆機提供動力。 柴油發(fā)動機和發(fā)電機仍然是 鉆機發(fā)電的主要來源，但市場上 已經(jīng)有許多替代能源系統(tǒng)。 例如， 電池儲能系統(tǒng)儲存天然氣發(fā)電機 的多余能量，并在高峰使用期間 將這些能量輸出回發(fā)電機，這是 陸地鉆機的普遍選擇。微電網(wǎng)， 或獨立于本地電網(wǎng)為本地區(qū)域產(chǎn) 生和儲存自己的電力的獨立電網(wǎng)， 可以顯著減少現(xiàn)場排放，特別是 當微電網(wǎng)由可再生能源供電時。 “為了給鉆機供電，你需要 一個合適的基礎設施。”Kenera 銷售副總裁霍馬斯·基普克說： “這不僅僅是可再生能源的產(chǎn) 生，而是一般意義上的能源的 產(chǎn)生。在世界各地，我們看到 了建設電網(wǎng)的需求和趨勢，這 些電網(wǎng)可以為鉆機供電。鉆機 可以連接到電網(wǎng)，并從中運行。 它可以是一個天然氣處理站， 一個核電廠，甚至一個風電場。
這肯定是我們可以看到鉆井平 臺推動減排的事情。” 根 據(jù) 7 月 25 日 的 公 告， Kenera 的母公司 KCA 道依達集 團 將 被Helmerich & Payne 收 購，該公司已經(jīng)在這一領域提供 了一系列系統(tǒng)。例如它提供了一 個電池儲能系統(tǒng)，該系統(tǒng)由配備 有電池架、電源和輔助面板的電 池電源控制室組成，供鉆機使用。 它的裝載容器就像一個微型電網(wǎng)， 使其能夠在不靠近電網(wǎng)的區(qū)域工 作的鉆機上使用。 他說：“為了連接你現(xiàn)在看 到的常規(guī)鉆機，需要柴油發(fā)電 機，柴油發(fā)電機將為鉆機供電。 為了將它接入電網(wǎng)，需要某種 電網(wǎng)容器，或電網(wǎng)變壓器容器， 它將電力轉換成鉆機可用的電 力。” 基普克先生補充說：“這些 類型的系統(tǒng)將繼續(xù)是未來鉆機 的重要組成部分。在現(xiàn)有的低 排放系統(tǒng)中，只要電網(wǎng)不是由 化石燃料驅動的，連接到電網(wǎng) 提供了完全消除鉆井平臺排放 的最佳機會。” 然而，電氣化的道路將在很 大程度上取決于該地區(qū)。例如西 歐提供了幾個使用可再生能源的 公共電網(wǎng)，比如風能。在中東， 幾個國家正在建設核電站，最終 可能為該地區(qū)的陸地鉆井平臺提 供電力。 “我們看到的電氣化的最 大問題之一是除了鉆井者和操 作者之外，還有第三方需要參 與這場游戲，那就是電網(wǎng)供應 商。”他解釋道：“在你作業(yè) 的地區(qū)，國家電網(wǎng)公司可能就 是這樣，他們需要為你的鉆井 位置提供適量的電力。
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