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鉆井自動化(一):動力和套管的變革

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結合軟件升級與機器學習,如今的手動鉆機正逐步向自動化發展。

編輯 | 大安

縱觀陸上鉆機的發展史,這些油氣行業的主力干將一直致力于將機械變得動力更強、功能更多、效率更高。機械性能優化與強大硬件解決了前兩項挑戰,這些改進使鉆機能力達到了最強。配備的“超規格”裝置有:1500馬力的絞車,額定懸重高達75萬磅的天車,7500psi的泥漿循環系統,以及多井批鉆的作業能力。新興的機械設計與復雜的軟件開發,將用于應對最后一項挑戰,使鉆機具有一定程度的自動、安全、可重復功能,這在以前可謂是聞所未聞。鉆機的手動功能正逐步移交給鉆機的應用程序,從接立柱到引擎性能最大化,所有作業將實現一鍵控制。

混合動力帶動

陸上鉆井公司Patterson UTI利用Cortex處理器、該公司的APEX鉆機操作系統,以及控制和/或監控從鉆井自動化到減振所有事務的一套應用程序。Genesis應用程序用于控制鉆機的發電機與環保型混合動力發動機。

Patterson UTI公司首席執行官Andy Hendricks在2019年9月Barclay能源電力領導人會議上表示:“Eco Cell公司正將我們的鉆機改造為混合動力鉆機。它是一組鋰電池,可以替代鉆機的整套發電機系統。當我們有多余電力時,它可以將之存儲起來。當然,這需要很多電池,而且井架的結構也很大。但是,經過一年多的測試,我們欣然發現該技術降低了燃料使用量并改善了廢物的排放。這是一種以混合動力運行鉆機的技術。我們可自主選擇何時用電池或柴油供電?!?/p>

過去十年,鉆機已走了很長一段的發展之路。手動作業已實現自動化。程序化作業得以簡化。如今,一些鉆機可以移動,越來越多的鉆機可共享組件,通過高速數據傳輸相互通信。所有這一切都驅使著油氣行業進入新紀元,到那時候,將由全自動機器人鉆井設備來執行非常規井的鉆井作業。盡管在技術與文化上仍然需要克服巨大的障礙,但未來在油田中使用無人設備,可能會像智能手機一樣普遍。

杜絕套管錯扣

在油田周期性的低谷期,作業者與服務公司之間的話題往往更多著重于降本增效,而不是尋找下一個重大技術突破。腳踏實地充分利用公司的資產,而不是投入大量資金以實現夢想。盡管,對某些人而言,美國陸上鉆機市場的疲軟是痛苦的,但對于另一些人而言,這可能成為鉆井設備革新的驅動力。近年來,鉆機變得更大、更快、更強大、更智能。如此一來,間接推動鉆機變得更安全、更經濟。

通過2017年對Tesco的收購,Nabors工業公司已使其管柱產品趨于成熟,包括在現有設備中添加功能與軟件套件,使客戶能夠以前所未有的方式操控該設備。Nabors以鉆機為畫布,以新技術為畫筆,避免手動操作,引入更安全、更簡化的作業,描繪出鉆機自動化的新篇章。重點是將套管驅動系統(CDS)進一步集成到井隊中。

Nabors公司的CDS集成冠軍Brad Riley表示:“我們堅信,我們正朝著完全自動化的方向邁進。每家大型鉆井承包商的目標都一致。我們都在追尋方法來增強產品線,為客戶提供更多服務,并通過自動化來減少人力。講真,在下套管期間,越多人距離轉盤越遠就越好。在美國本土,套管服務公司遭遇的很多傷害都是由管鉗造成。它有很多活動部件,很多夾持點。我們的愿景是,如果可能的話,永遠不要在Nabors鉆機上配備管鉗。我們開始著手從井口到生產管柱的全面整合,迄今為止,我們已經非常成功地完成了部分工作?!?/p>

CDS是一種液壓驅動工具。其閥組安裝在鉆機的頂驅上,與CDS的閥塊相匹配。鉆機的液壓系統直接插入該工具,使司鉆可以完全控制套管的上扣作業。Nabors公司與附屬公司Canrig合作開發出一款新型軟件系統,使司鉆僅需觸摸一個按鈕就可完成上扣作業。該按鈕可執行預設參數的錯扣檢驗流程,并可在軟件中進行設置。如果檢測出錯扣,則發送信號以停止上扣作業,然后起出管柱,檢查絲扣是否損壞。如果未檢測到錯扣,則繼續以預設速度進行上扣。當達到所需的上扣扭矩時,頂驅則會減慢上扣速度。這種自動化的另一個優勢是集成了自動灌漿功能,這是一種動態平衡管柱懸重的服務。

Riley解釋道:“當服務公司接管柱時,通常需要停四到五次,甚至更多。例如接下生產管柱時,灌漿需耗費30分鐘至1個小時,這樣才能增加管柱的重量。我們把這個過程集成到一鍵設置中,使客戶能夠隨時自動灌滿管柱。以設定的泵沖進行灌漿。當管柱下入至鉆臺以下時,就會停泵。當松開接扣工具,重新準備下一個接扣作業時,幾乎沒有流體流出工具,因此泥漿不會沾到整個鉆臺或其他任何地方上?!?/p>

迄今為止,Nabors公司已經在美國本土發布了新型CDS系統,并在61個鉆機上安裝了閥組。截至9月初,該承包商在23個鉆機上進行了集成式下套管作業:其中10個位于德克薩斯州西部的Permian盆地,兩個位于德克薩斯州南部和東部,幾個位于北達科他州,一個位于俄克拉荷馬州。美國本土的所有Nabors鉆機都可以進行CDS改造升級。

通常完成下套管作業需要6個人,該系統僅需3個人。作業時間與作業人數掛鉤,但自動灌漿功能節省了更多時間,通常多達2到3個小時。安裝時間也會更快。

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