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)省勞動力的設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)橥暾淖詣踊到y(tǒng)。
通過自動化實(shí)現(xiàn)價值
鉆井承包商在復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境中競爭項(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)來解決作業(yè)挑戰(zhàn)，并提供可衡量的改進(jìn)。與此同時，運(yùn)營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)險和提高工人的安全。自動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)鉆井活動實(shí)現(xiàn)自動化時，人們可以從重復(fù)性和潛在危險的活動中解脫出來，專注于需要在不同層次上思考的更高層次的任務(wù)。自動化減少了人為錯誤，確保了復(fù)雜鉆井環(huán)境的一致性和可靠性。簡化單個鉆井過程的結(jié)果顯示出可測量的性能改進(jìn)。促使集成活動的概念，以實(shí)現(xiàn)更廣泛的自動化，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。在此過程中，司鉆松開，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，并與殘根中的現(xiàn)有接頭對齊后，由船員進(jìn)行連接，使用動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，打開卡瓦，將套管柱下入孔內(nèi)。這個過程在過去幾十年的陸上作業(yè)中沒有得到發(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)動機(jī)的動力來執(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)行著勞動密集型的活動，執(zhí)行過程比人類工作人員更加高效和安全。
機(jī)械化與安全
動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。動力鉗增加了對扭矩施加的控制，使執(zhí)行精確，過程可重復(fù)，同時減少了所需的人工搬運(yùn)量。盡管動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），以及在使用電動鉗、升降機(jī)和其他設(shè)備時由于不注意而割傷、撕裂和夾住手指和手。這是推動變革的重要因素。提高機(jī)械化實(shí)現(xiàn)自動化——機(jī)器在最少人工干預(yù)的情況下執(zhí)行任務(wù)、做出決策和控制過程——降低了受傷和事故的風(fēng)險，并將性能提升到一個新的水平。這種方法使用集成解決方案，用我們的CDS(CRT)代替動力鉗和升降機(jī)，體現(xiàn)了我們對任務(wù)的承諾,圖2.
設(shè)計更好的解決方案
向自動化套管柱上扣組裝的過渡始于對整個過程的回顧。通過評估確定了造成平井時間的常見因素，包括在接頭中對齊套管下放工具(CRT)、彌補(bǔ)連接、以及套管柱的間歇性鉆井液填充。該分析沒有將重點(diǎn)放在孤立的改進(jìn)上，如使用動力鉗更容易地執(zhí)行套管上扣和卸扣，而是將動力鉗和其他機(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，自動化CRT校準(zhǔn)和上扣連接等關(guān)鍵任務(wù)可以解決常見的低效率問題，并消除許多與下套管相關(guān)的安全問題。完整的IntegraTMTRS解決方案包括機(jī)械升級和軟件創(chuàng)新，以優(yōu)化套管連接時間，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)動系統(tǒng)(CDS)和SmartROS®系統(tǒng)(圖3)—后者是一種可實(shí)現(xiàn)自動化的專有智能ROS。頂驅(qū)為自動化CDS提供動力，使其能夠旋轉(zhuǎn)和往復(fù)移動套管柱至總深度，并利用技術(shù)來簡化和自動化套管安裝過程，遵循自動化工作流程/配方并實(shí)施最佳實(shí)踐來給井下套管，同時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，并在自動化操作系統(tǒng)的控制下無縫連接多個流程。
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)從座椅上自動操作吊卡中處理套管接頭之前是安全操作的。軟件對頂驅(qū)動的邏輯進(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)或單根吊卡過載的風(fēng)險。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刺扎、自動填充和自動上料等自動化功能。這些自動化功能提供了對套管下入過程的控制，并以一致性的形式增加了價值，并且能夠縮短每個連接的時間。在整個鉆井過程中，這些加起來可以節(jié)省大量的生產(chǎn)套管作業(yè)時間。
在一次應(yīng)用中，將CDS工具與接頭對齊所需的時間從30秒減少到10秒。時間運(yùn)動研究表明，使用基于軟件的序列來自動化操作可以提供一致的性能和連接完整性，無論誰坐在司鉆的椅子上，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)場試驗(yàn)中，通過遵循基于軟件的序列，CDS對比時間減少了67%。過去，CDS工具在接頭中的校準(zhǔn)過程取決于司鉆，完井速度取決于司鉆的經(jīng)驗(yàn)水平，但隨著自動化配方的出現(xiàn)，確保了整個套管下入作業(yè)的一致性，無需再進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)豐富的猜測。配方管理器確保刺入距離始終相同，并且每次連接過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)開始時檢測交叉線程活動的參數(shù)。
隨著時間的推移，從將CDS工具與鉆井平臺的SmartROS®系統(tǒng)集成開始，編程工作不斷得到改進(jìn)。由于理論和基于現(xiàn)場數(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。一個例子是改進(jìn)塊松弛時使用自動化妝。司鉆通常會密切關(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)計只關(guān)注于絞車松弛時的每英寸螺紋數(shù)。經(jīng)過多次試驗(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)場證明價值
在鉆井自動化的一個應(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)備移動到鉆臺，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。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)，以確保在整個套管下入圖4通過對起裝（RU）和下裝（RD）時間的比較，可以發(fā)現(xiàn)自動化可以減少70%的連接時間。過程中連接一致。消除了估計每個連接所需的手動扭矩應(yīng)用的猜測，并使工作人員遠(yuǎn)離紅色區(qū)域。自動化縮短了每次連接的時間，將套管性能速度提高了21%,將起下鉆時間縮短了70%,相當(dāng)于4小時(圖4)。自動對扣是套管柱上扣過程的關(guān)鍵部分。為了啟用Autostab，配方管理器存儲并應(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)建過程中每個環(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)，鉆井工人可以離開紅色區(qū)域。自動化系統(tǒng)還消除了鉆井液充填套管柱時的間歇性停頓。配方管理器中的自動填充功能允許司鉆輸入每個接頭的計算沖程來控制泥漿泵，在套管連接完成時通過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250分鐘。(略多于4小時)。另一個有助于縮短平井時間的因素是將CDS工具與已裝入轉(zhuǎn)盤套管柱中的接頭對齊。在人工作業(yè)中，該過程所需的時間取決于司鉆的專業(yè)知識。在裝置中增加了一個連桿傾斜穩(wěn)定器，以減輕外部因素，如陣風(fēng)會影響連桿傾斜并影響對齊，并在執(zhí)行器上放置了一個支架，并固定在每個連桿傾斜上，以限制運(yùn)動范圍。自動化妝微調(diào)，以減少步驟之間的過渡時間，加快進(jìn)程。這些階段組合成一個完整的上扣序列，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。連接順序的自動化為司鉆減少了四個步驟?，F(xiàn)場結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)安裝工藝的2:06分鐘相比，Autostab的卡瓦連接時間為2分12秒。雖然Autostab技術(shù)的首次試驗(yàn)反映了手動和自動上扣之間的連接時間差異可以忽略不計，但它證明了該技術(shù)實(shí)現(xiàn)一致性的能力，彌合了現(xiàn)場有經(jīng)驗(yàn)和無經(jīng)驗(yàn)的司鉆之間的差距。時間/運(yùn)動對比顯示，當(dāng)使用自動化軟件時，從插入CDS到完成連接所需的時間更短，如圖5所示。
自動化的未來
自動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，并簡化整個過程，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，同時減輕潛在的風(fēng)險。尚未開發(fā)的能力有望在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)更大的自動化。海上鉆井的自動化已經(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，允許一個操作人員控制多個設(shè)備。工程師們正在研究改進(jìn)陸上自動化程度，評估從貓道到油井中心的尾管過程自動化概念,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)定填充每個接頭的泥漿量，并監(jiān)測位移，因此司鉆只需監(jiān)督處理過程。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上擴(kuò)展自動化。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)器來制定套管配方。很明顯，該行業(yè)將繼續(xù)追求自動化和優(yōu)化，以獲取越來越大的價值。采用自動化等技術(shù)進(jìn)步可以提高作業(yè)效率，并為參與鉆井作業(yè)的每個人創(chuàng)造更安全的工作環(huán)境。
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