鉆井技術(shù)的不斷進(jìn)步改變了作業(yè)的面貌。今天，機(jī)器完成了許多幾十年前靠人工完成的工作。持續(xù)的投資正在提供技術(shù)，將這些節(jié)省勞動(dòng)力的設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)橥暾淖詣?dòng)化系統(tǒng)。
通過(guò)自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)價(jià)值
鉆井承包商在復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境中競(jìng)爭(zhēng)項(xiàng)目。作業(yè)者想要高效、可靠的鉆機(jī)，他們也希望與承包商合作，這些承包商不斷應(yīng)用技術(shù)來(lái)解決作業(yè)挑戰(zhàn)，并提供可衡量的改進(jìn)。與此同時(shí)，運(yùn)營(yíng)商正在尋找具有良好鉆井性能和安全記錄的公司，這些記錄表明他們致力于降低風(fēng)險(xiǎn)和提高工人的安全。自動(dòng)化使鉆井承包商能夠在每一層進(jìn)行交付，如圖1所示。當(dāng)鉆井活動(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化時(shí)，人們可以從重復(fù)性和潛在危險(xiǎn)的活動(dòng)中解脫出來(lái)，專注于需要在不同層次上思考的更高層次的任務(wù)。自動(dòng)化減少了人為錯(cuò)誤，確保了復(fù)雜鉆井環(huán)境的一致性和可靠性。簡(jiǎn)化單個(gè)鉆井過(guò)程的結(jié)果顯示出可測(cè)量的性能改進(jìn)。促使集成活動(dòng)的概念，以實(shí)現(xiàn)更廣泛的自動(dòng)化，從而獲得更大的收益。
下套管的更好方法
在常規(guī)的下套管過(guò)程中，提撈器采用升降機(jī)下放，攜帶管柱砝碼，在貓道后將套管接頭移至井中心，隨套管接頭在車廂內(nèi)上移。在此過(guò)程中，司鉆松開(kāi)，將側(cè)門升降機(jī)定位在滑輪中套管上方，然后關(guān)閉升降機(jī)，將鏈接上浮至井中心。工人用拖尾繩將管子拖尾，用手施加螺紋膠，然后將銷釘定位到卡瓦中的套管箱內(nèi)。將套管接頭從貓道上吊裝下來(lái)，并與殘根中的現(xiàn)有接頭對(duì)齊后，由船員進(jìn)行連接，使用動(dòng)力鉗將套管接頭與套管柱連接。然后，司鉆人員拾取管柱重量，打開(kāi)卡瓦，將套管柱下入孔內(nèi)。這個(gè)過(guò)程在過(guò)去幾十年的陸上作業(yè)中沒(méi)有得到發(fā)展，它依靠船員在物理上組成套管柱。機(jī)械化是邁向自動(dòng)化的第一步，因?yàn)樗鼘⑷蝿?wù)從人力轉(zhuǎn)移到機(jī)器上，利用發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力來(lái)執(zhí)行體力要求高的任務(wù)。機(jī)器以一致的精度和準(zhǔn)確度持續(xù)地執(zhí)行著勞動(dòng)密集型的活動(dòng)，執(zhí)行過(guò)程比人類工作人員更加高效和安全。
機(jī)械化與安全
動(dòng)力鉗用于制造套管已有幾十年的歷史，它是工藝機(jī)械化的一個(gè)例子，改善了石油和天然氣的操作。使用這種工具，更少的工人可以完成與只使用手工工具的更大的船員相同的工作量。動(dòng)力鉗增加了對(duì)扭矩施加的控制，使執(zhí)行精確，過(guò)程可重復(fù)，同時(shí)減少了所需的人工搬運(yùn)量。盡管動(dòng)力鉗在套管接頭的上扣和脫扣方面有所改進(jìn)，但由于需要人工干預(yù)，事故仍不斷發(fā)生。許多工人都有過(guò)拉傷、扭傷和重復(fù)性應(yīng)力損傷的經(jīng)歷（由于重復(fù)作業(yè)，如刺傷套管部分），以及在使用電動(dòng)鉗、升降機(jī)和其他設(shè)備時(shí)由于不注意而割傷、撕裂和夾住手指和手。這是推動(dòng)變革的重要因素。提高機(jī)械化實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化——機(jī)器在最少人工干預(yù)的情況下執(zhí)行任務(wù)、做出決策和控制過(guò)程——降低了受傷和事故的風(fēng)險(xiǎn)，并將性能提升到一個(gè)新的水平。這種方法使用集成解決方案，用我們的CDS(CRT)代替動(dòng)力鉗和升降機(jī)，體現(xiàn)了我們對(duì)任務(wù)的承諾,圖2.
設(shè)計(jì)更好的解決方案
向自動(dòng)化套管柱上扣組裝的過(guò)渡始于對(duì)整個(gè)過(guò)程的回顧。通過(guò)評(píng)估確定了造成平井時(shí)間的常見(jiàn)因素，包括在接頭中對(duì)齊套管下放工具(CRT)、彌補(bǔ)連接、以及套管柱的間歇性鉆井液填充。該分析沒(méi)有將重點(diǎn)放在孤立的改進(jìn)上，如使用動(dòng)力鉗更容易地執(zhí)行套管上扣和卸扣，而是將動(dòng)力鉗和其他機(jī)械化工藝的使用放在了管柱下放服務(wù)(TRS)的背景下，該服務(wù)將套管下入工具(CRT)集成到鉆機(jī)及其鉆機(jī)操作系統(tǒng)(ROS)中。顯而易見(jiàn)，自動(dòng)化CRT校準(zhǔn)和上扣連接等關(guān)鍵任務(wù)可以解決常見(jiàn)的低效率問(wèn)題，并消除許多與下套管相關(guān)的安全問(wèn)題。完整的IntegraTMTRS解決方案包括機(jī)械升級(jí)和軟件創(chuàng)新，以優(yōu)化套管連接時(shí)間，并減少因人為失誤而導(dǎo)致的接頭損壞的可能性，這在歷史上一直是安全事件的原因。
IntegraTM系統(tǒng)系統(tǒng)包括頂驅(qū)、套管驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(CDS)和SmartROS®系統(tǒng)(圖3)—后者是一種可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的專有智能ROS。頂驅(qū)為自動(dòng)化CDS提供動(dòng)力，使其能夠旋轉(zhuǎn)和往復(fù)移動(dòng)套管柱至總深度，并利用技術(shù)來(lái)簡(jiǎn)化和自動(dòng)化套管安裝過(guò)程，遵循自動(dòng)化工作流程/配方并實(shí)施最佳實(shí)踐來(lái)給井下套管，同時(shí)保持最佳井筒完整性。這種整體方法消除了阻礙傳統(tǒng)鉆井作業(yè)效率和生產(chǎn)率的孤島，并在自動(dòng)化操作系統(tǒng)的控制下無(wú)縫連接多個(gè)流程。
理解螺母和螺栓
將CRT與鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)相結(jié)合，將機(jī)器人流量轉(zhuǎn)移到CDS工具。在機(jī)械方面，三個(gè)壓力傳感器提供反饋確認(rèn)工具在提升管柱重量、釋放管柱重量或在單根圖3司鉆利用SmartROS鉆機(jī)操作系統(tǒng)從座椅上自動(dòng)操作吊卡中處理套管接頭之前是安全操作的。軟件對(duì)頂驅(qū)動(dòng)的邏輯進(jìn)行了更改，使其能夠適應(yīng)套管運(yùn)行的應(yīng)用程序。將套管下入操作與鉆機(jī)集成在一起的互鎖和權(quán)限，消除了套管落入井內(nèi)或單根吊卡過(guò)載的風(fēng)險(xiǎn)。該技術(shù)允許與鉆機(jī)系統(tǒng)并行操作。鉆井人機(jī)界面（HMI）——司鉆用來(lái)與鉆機(jī)交互的控制面板——在CDS與頂驅(qū)裝配后，被置于兩種可選的套管下入模式之一。這使得鉆井HMI具有比CDS工具更全面的功能，并使司鉆能夠使用自動(dòng)刺扎、自動(dòng)填充和自動(dòng)上料等自動(dòng)化功能。這些自動(dòng)化功能提供了對(duì)套管下入過(guò)程的控制，并以一致性的形式增加了價(jià)值，并且能夠縮短每個(gè)連接的時(shí)間。在整個(gè)鉆井過(guò)程中，這些加起來(lái)可以節(jié)省大量的生產(chǎn)套管作業(yè)時(shí)間。
在一次應(yīng)用中，將CDS工具與接頭對(duì)齊所需的時(shí)間從30秒減少到10秒。時(shí)間運(yùn)動(dòng)研究表明，使用基于軟件的序列來(lái)自動(dòng)化操作可以提供一致的性能和連接完整性，無(wú)論誰(shuí)坐在司鉆的椅子上，以彌合經(jīng)驗(yàn)豐富的司鉆和缺乏現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)的司鉆之間的技能水平差距。在西德克薩斯州的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，通過(guò)遵循基于軟件的序列，CDS對(duì)比時(shí)間減少了67%。過(guò)去，CDS工具在接頭中的校準(zhǔn)過(guò)程取決于司鉆，完井速度取決于司鉆的經(jīng)驗(yàn)水平，但隨著自動(dòng)化配方的出現(xiàn)，確保了整個(gè)套管下入作業(yè)的一致性，無(wú)需再進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)豐富的猜測(cè)。配方管理器確保刺入距離始終相同，并且每次連接過(guò)程中施加的扭矩和速度不變。該系統(tǒng)還包括在裝配任務(wù)開(kāi)始時(shí)檢測(cè)交叉線程活動(dòng)的參數(shù)。
隨著時(shí)間的推移，從將CDS工具與鉆井平臺(tái)的SmartROS®系統(tǒng)集成開(kāi)始，編程工作不斷得到改進(jìn)。由于理論和基于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的鉆機(jī)物理控制之間存在差距，軟件工程師正在輸入代碼，以達(dá)到歷史上只有最有經(jīng)驗(yàn)的鉆井人員才能達(dá)到的精度操作設(shè)備。一個(gè)例子是改進(jìn)塊松弛時(shí)使用自動(dòng)化妝。司鉆通常會(huì)密切關(guān)注重量指示器，并調(diào)整松脫，使重量保持在規(guī)定范圍內(nèi)。最初的規(guī)范設(shè)計(jì)只關(guān)注于絞車松弛時(shí)的每英寸螺紋數(shù)。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)收集操作反饋后，工程師們修改了代碼，將重點(diǎn)放在重量上，這使得保持更嚴(yán)格的重量窗口。
在現(xiàn)場(chǎng)證明價(jià)值
在鉆井自動(dòng)化的一個(gè)應(yīng)用中，哥倫比亞的一名操作員采用傳統(tǒng)的下套管操作，需要將幾件設(shè)備移動(dòng)到鉆臺(tái)，這需要額外的工作人員，并使更多的人員暴露在紅區(qū)的安全風(fēng)險(xiǎn)中。作業(yè)者將常規(guī)套管下入改為IntegraTMTRS集成套管下入，安裝自動(dòng)CDS，并將其液壓連接到頂驅(qū)，從而降低了作業(yè)人員的風(fēng)險(xiǎn)。使用HMI屏幕，司鉆能夠監(jiān)督操作，因?yàn)橄到y(tǒng)遵循輸入的參數(shù)，以確保在整個(gè)套管下入圖4通過(guò)對(duì)起裝（RU）和下裝（RD）時(shí)間的比較，可以發(fā)現(xiàn)自動(dòng)化可以減少70%的連接時(shí)間。過(guò)程中連接一致。消除了估計(jì)每個(gè)連接所需的手動(dòng)扭矩應(yīng)用的猜測(cè)，并使工作人員遠(yuǎn)離紅色區(qū)域。自動(dòng)化縮短了每次連接的時(shí)間，將套管性能速度提高了21%,將起下鉆時(shí)間縮短了70%,相當(dāng)于4小時(shí)(圖4)。自動(dòng)對(duì)扣是套管柱上扣過(guò)程的關(guān)鍵部分。為了啟用Autostab，配方管理器存儲(chǔ)并應(yīng)用OEM推薦的參數(shù)，包括旋轉(zhuǎn)和扭矩的頂驅(qū)設(shè)定值，以及為連接構(gòu)建過(guò)程中每個(gè)環(huán)節(jié)指定的速度輸入。值得注意的是，在旋轉(zhuǎn)增加到更高的自旋轉(zhuǎn)/分鐘（RPM）之前，交叉螺紋轉(zhuǎn)/分鐘被設(shè)置為低，以檢測(cè)初始旋轉(zhuǎn)中的交叉線程。在組裝關(guān)節(jié)的最后一轉(zhuǎn)中，肩部向上的轉(zhuǎn)速被調(diào)整到較低的速度，并施加最佳扭矩。在頂驅(qū)控制CDS的30~40秒內(nèi)，鉆井工人可以離開(kāi)紅色區(qū)域。自動(dòng)化系統(tǒng)還消除了鉆井液充填套管柱時(shí)的間歇性停頓。配方管理器中的自動(dòng)填充功能允許司鉆輸入每個(gè)接頭的計(jì)算沖程來(lái)控制泥漿泵，在套管連接完成時(shí)通過(guò)CDS進(jìn)行通信。
在一根500接頭的生產(chǎn)管柱上，傳統(tǒng)的每20接頭加注套管10分鐘，共加注25次，總計(jì)250分鐘。(略多于4小時(shí))。另一個(gè)有助于縮短平井時(shí)間的因素是將CDS工具與已裝入轉(zhuǎn)盤套管柱中的接頭對(duì)齊。在人工作業(yè)中，該過(guò)程所需的時(shí)間取決于司鉆的專業(yè)知識(shí)。在裝置中增加了一個(gè)連桿傾斜穩(wěn)定器，以減輕外部因素，如陣風(fēng)會(huì)影響連桿傾斜并影響對(duì)齊，并在執(zhí)行器上放置了一個(gè)支架，并固定在每個(gè)連桿傾斜上，以限制運(yùn)動(dòng)范圍。自動(dòng)化妝微調(diào)，以減少步驟之間的過(guò)渡時(shí)間，加快進(jìn)程。這些階段組合成一個(gè)完整的上扣序列，由司鉆按下按鈕激活。如果連接不正確，聯(lián)鎖裝置會(huì)凍結(jié)作業(yè)，阻止司鉆繼續(xù)作業(yè)，直到警告得到確認(rèn)和解決。這一特點(diǎn)大大降低了套管柱落入井筒的可能性。Autostab專有技術(shù)首次應(yīng)用于二疊系盆地7.625英寸中間套管上。連接順序的自動(dòng)化為司鉆減少了四個(gè)步驟?，F(xiàn)場(chǎng)結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)安裝工藝的2:06分鐘相比，Autostab的卡瓦連接時(shí)間為2分12秒。雖然Autostab技術(shù)的首次試驗(yàn)反映了手動(dòng)和自動(dòng)上扣之間的連接時(shí)間差異可以忽略不計(jì)，但它證明了該技術(shù)實(shí)現(xiàn)一致性的能力，彌合了現(xiàn)場(chǎng)有經(jīng)驗(yàn)和無(wú)經(jīng)驗(yàn)的司鉆之間的差距。時(shí)間/運(yùn)動(dòng)對(duì)比顯示，當(dāng)使用自動(dòng)化軟件時(shí)，從插入CDS到完成連接所需的時(shí)間更短，如圖5所示。
自動(dòng)化的未來(lái)
自動(dòng)化下套管有助于彌補(bǔ)經(jīng)驗(yàn)不足和經(jīng)驗(yàn)豐富的鉆井人員之間的差距，并簡(jiǎn)化整個(gè)過(guò)程，以提高一致性和效率。集成遠(yuǎn)程扭矩轉(zhuǎn)向、液壓升降機(jī)和貓道尾臂，正在徹底改變鉆井，同時(shí)減輕潛在的風(fēng)險(xiǎn)。尚未開(kāi)發(fā)的能力有望在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)更大的自動(dòng)化。海上鉆井的自動(dòng)化已經(jīng)成為可能，TRS提供了一套全面的服務(wù)和技術(shù)，可以安全有效地下入套管和油管，允許一個(gè)操作人員控制多個(gè)設(shè)備。工程師們正在研究改進(jìn)陸上自動(dòng)化程度，評(píng)估從貓道到油井中心的尾管過(guò)程自動(dòng)化概念,以提供完全免提的套管下入，使作業(yè)者能夠規(guī)定套管下入的深度和速度，規(guī)定填充每個(gè)接頭的泥漿量，并監(jiān)測(cè)位移，因此司鉆只需監(jiān)督處理過(guò)程。如今，將系統(tǒng)與SmartROS®技術(shù)結(jié)合在一起，可以在全球陸上鉆井平臺(tái)上擴(kuò)展自動(dòng)化。智能鉆機(jī)操作系統(tǒng)支持的基于深度的配方具有擴(kuò)展自動(dòng)化的潛力，可以根據(jù)深度和下入井速設(shè)置深度觸發(fā)器來(lái)制定套管配方。很明顯，該行業(yè)將繼續(xù)追求自動(dòng)化和優(yōu)化，以獲取越來(lái)越大的價(jià)值。采用自動(dòng)化等技術(shù)進(jìn)步可以提高作業(yè)效率，并為參與鉆井作業(yè)的每個(gè)人創(chuàng)造更安全的工作環(huán)境。
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