新設(shè)備自動(dòng)化的進(jìn)步讓鉆井工人遠(yuǎn)離危險(xiǎn)區(qū)域，從而提高了操作的安全性、可靠性和作業(yè)效率。
鉆井作業(yè)是必不可少的，但本質(zhì)上存在著危險(xiǎn)性，鉆井工人每天都面臨著各種風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)。從重型設(shè)備和移動(dòng)部件到不可預(yù)測(cè)的天氣條件及其環(huán)境狀況，鉆井平臺(tái)無疑是鉆井作業(yè)中最危險(xiǎn)的場(chǎng)所。根據(jù)IADC（國(guó)際鉆井承包商協(xié)會(huì)）2023 年ISP（互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商）的報(bào)告，鉆井作業(yè)中損失的時(shí)間以及可記錄到的人員受傷事故出現(xiàn)最多的場(chǎng)所就是鉆臺(tái)，其中鉆工受傷的比例最大。
鉆臺(tái)是一個(gè)高強(qiáng)度的工作場(chǎng)所，鉆工們必須在該場(chǎng)所的一些危險(xiǎn)區(qū)域快速安全地執(zhí)行基本的操作任務(wù)，例如安裝和拆卸鉆桿、管具和套管。鉆工們還需相互協(xié)作完成起下鉆作業(yè)，監(jiān)控和維護(hù)重型設(shè)備，包括鉆機(jī)和大鉗等設(shè)備和工具。然而，鉆臺(tái)上的工作環(huán)境十分艱苦、條件苛刻且令人筋疲力盡，但一切工作都必須正確完成。
當(dāng)然，通過減少鉆臺(tái)上的人機(jī)互動(dòng)，在現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)程重新定位和認(rèn)識(shí)這方面的專業(yè)知識(shí)，鉆井作業(yè)可以做到更安全和更高效。鉆井自動(dòng)化經(jīng)歷了一個(gè)長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的探索過程，它不僅能為石油天然氣工業(yè)帶來變革性的環(huán)境影響以及運(yùn)營(yíng)效率方面的提高，更重要的是，它改變了鉆井工人工作的安全環(huán)境。
機(jī)械化和自動(dòng)化
2024年7月是 Piper Alpha 生產(chǎn)平臺(tái)在北海發(fā)生爆炸的36周年。這場(chǎng)奪走了167人生命的悲劇促使了全球重新評(píng)估安全作業(yè)協(xié)議。因此，政府機(jī)構(gòu)和行業(yè)機(jī)構(gòu)出臺(tái)了新的、更嚴(yán)格的法律和法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)和指南，重點(diǎn)關(guān)注的就是安全問題和風(fēng)險(xiǎn)管理。
Piper Alpha生產(chǎn)平臺(tái)所發(fā)生的事故也扮演了一種催化劑的作業(yè)，那就是它加速了機(jī)械化鉆井設(shè)備的進(jìn)步與發(fā)展，包括管具操控和管架存放的系統(tǒng)架構(gòu)。這些大型的重型機(jī)械裝置幫助海上鉆井平臺(tái)取代了人工操控管具和工具的作業(yè)程序，減少了一些危險(xiǎn)區(qū)域需要人與設(shè)備、管具與工具直接接觸和操作的要求。雖然這些早期的機(jī)械化設(shè)備是朝著正確方向邁出的一步，但它們依舊是重型機(jī)械，通常需要對(duì)鉆臺(tái)進(jìn)行大的改造，因此，很難改裝到現(xiàn)有的鉆機(jī)上。此外，這些設(shè)備的能源密集型特性也給整個(gè)鉆機(jī)底座和基礎(chǔ)帶來了額外的壓力。
隨著石油鉆井行業(yè)的不斷發(fā)展，NOV（國(guó)民油井Varco）公司認(rèn)識(shí)到了需要采取更積極主動(dòng)的方法來實(shí)現(xiàn)鉆井自動(dòng)化。在 2010 年代，該公司開始專注于過程自動(dòng)化，開發(fā)鉆井和管具處理解決方案，例如 NOVOS™ 操作平臺(tái)和多機(jī)器控制系統(tǒng)。這些進(jìn)步通過自動(dòng)化的重復(fù)性動(dòng)作以及支持多種應(yīng)用的功能，提高了鉆井作業(yè)的可靠性和可預(yù)測(cè)性，使鉆井工人能夠?qū)Ｗ⒂诟P(guān)鍵的任務(wù)和作業(yè)流程，而不是被手工作業(yè)或重復(fù)性的工作所困擾。
NOV的最新進(jìn)展代表了該公司向著自主操控的自動(dòng)化操作邁出了重要的一步，將自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù)集成到鉆井工藝流程中，創(chuàng)造出一個(gè)非手工操作的鉆井平臺(tái)。該公司的愿景是開發(fā)一種全自動(dòng)化的鉆井系統(tǒng)，將設(shè)備自動(dòng)化、過程自動(dòng)化和態(tài)勢(shì)感知相結(jié)合，將當(dāng)前的設(shè)置和設(shè)想轉(zhuǎn)變?yōu)槲磥磴@機(jī)的動(dòng)作。
鉆臺(tái)設(shè)備自動(dòng)化
鉆桿和管具處理是鉆臺(tái)上最常見、最耗時(shí)且最容易出現(xiàn)危險(xiǎn)的一項(xiàng)工作，需要全體作業(yè)人員持續(xù)的引起注意，嚴(yán)格按照安全作業(yè)程序進(jìn)行操作。司鉆的任務(wù)是與鉆工們緊密配合，從鉆臺(tái)上的各個(gè)位置跟蹤鉆桿的位置，安全有效地在自身具有聯(lián)鎖裝置的各種設(shè)備之間將鉆桿和管具安裝到位、下入井內(nèi)或拆卸后起出井眼，安放在合適或指定的位置。
同時(shí)，司鉆還必須注視和查看多個(gè)屏幕數(shù)據(jù)、曲線走勢(shì)、警報(bào)信息以及各種消息，并對(duì)工人的安全和來自井筒的數(shù)據(jù)擁有態(tài)勢(shì)感知能力。與此同時(shí)，手工操控鉆桿和重型鉆鋌的井架工也被暴露在井架高位的二層臺(tái)和各種操作器件中。
自從“Big Foot”在近50年前進(jìn)入市場(chǎng)以來，鐵鉆工，又被稱作液壓大鉗（以下簡(jiǎn)稱液壓大鉗），這種設(shè)備使鉆井工人能夠更輕松、更快速、更安全、更穩(wěn)健地對(duì)鉆桿進(jìn)行上扣和卸扣，將其順利接入鉆具或從鉆具中卸開拆下。這種設(shè)備的引入不僅提高了操作效率，減少了鉆臺(tái)上的人員傷害，使鉆井工人能夠脫離險(xiǎn)境，還改善了作業(yè)體驗(yàn)，減輕了鉆井工人接單根、卸單根或起下鉆作業(yè)上、卸扣操作的身體疲勞。液壓大鉗還能替代傳統(tǒng)的、利用貓頭軸對(duì)鉆桿、鉆具進(jìn)行上卸扣的方法，將一根鏈繩或棕繩的一端纏繞在鉆桿接頭上，另一端纏繞在貓頭軸上，通過在貓頭軸一端拉動(dòng)鏈繩或棕繩使鉆桿或鉆具旋轉(zhuǎn)，使鉆桿的公母扣上在一起，并使絲扣上緊。
該行業(yè)對(duì)大位移水平井和超深井的追求推動(dòng)了向更大直徑鉆桿的轉(zhuǎn)變，例如 5
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2 in.和 5
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8 in.直徑的鉆桿。雖然大直徑鉆桿長(zhǎng)期以來一直是海上油井的主打產(chǎn)品，但直到最近五年才被引入陸上。這種轉(zhuǎn)變大大增加了對(duì)鉆機(jī)和設(shè)備的要求。這些直徑更大、井眼更深的井需要能夠應(yīng)對(duì)更高扭矩載荷以及能為整個(gè)鉆具提供更好的重量分布的設(shè)備。這些較大直徑鉆桿的高質(zhì)量連接需要更強(qiáng)勁的上扣和卸扣扭矩，以及來自頂驅(qū)至鉆頭的增強(qiáng)性扭矩傳遞，如圖1（50多年來，NOV公司不斷對(duì)液壓大鉗進(jìn)行改進(jìn)，以滿足日益嚴(yán)苛的鉆井作業(yè)的需求和扭矩要求）所示。
圖1
然而，這種轉(zhuǎn)變也給鉆井承包商帶來了新的挑戰(zhàn)。扭矩要求的增加會(huì)導(dǎo)致接單根、接鉆具、卸單根、卸鉆具上扣和卸扣效率下降，還可能會(huì)導(dǎo)致NPT（非生產(chǎn)時(shí)間）增加。此外，較大的鉆具需要對(duì)鉆機(jī)的井架和底座結(jié)構(gòu)進(jìn)行修正或加強(qiáng)，同時(shí)起鉆時(shí)還會(huì)對(duì)鉆桿接頭和鉆鋌轉(zhuǎn)接頭本體造成磨損，導(dǎo)致潛在的問題出現(xiàn)。
在“Big Foot”推出約五十年后，NOV公司開發(fā)了新的液壓大鉗的標(biāo)準(zhǔn)。IRX-120的模塊化設(shè)計(jì)結(jié)合了強(qiáng)度、精度和靈活性，可為現(xiàn)代鉆井作業(yè)提供安全、可靠和高效的鉆具處理。
為了適應(yīng)當(dāng)今陸上鉆井作業(yè)的鉆機(jī)需求，這款可配置的設(shè)備占地面積最小，由三部分裝置組成。扭矩鉗施加必要的正向力和切向力，提供接單根、接鉆具上扣卸扣所需的扭矩大小。扭矩鉗能對(duì)鉆具施加高達(dá)135千牛米的上扣扭力，卸扣扭力可達(dá)163千牛米，還能對(duì)鉆具提供三點(diǎn)接觸以及60°的來回轉(zhuǎn)動(dòng)。
旋轉(zhuǎn)鉗運(yùn)用旋轉(zhuǎn)將需要連接的兩根鉆桿或鉆具的一端連接到另一鉆桿或鉆具的一端，將公扣和母扣接在一起。市場(chǎng)上的IRX-120新型旋轉(zhuǎn)鉗，對(duì)于5
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2 in.的鉆具、能給出6.78千牛米的最高扭矩。每次接單根或接鉆具可節(jié)省3至5秒的時(shí)間。最終，裝有軌道的操作裝置將整個(gè)鉆具精準(zhǔn)一致地?cái)[放在鉆臺(tái)上預(yù)定的位置。
此外，IRX-120型旋轉(zhuǎn)鉗隨時(shí)可以自動(dòng)化操作；還可進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，并能與鉆機(jī)的控制系統(tǒng)集成于一體，見圖2（IRX-120型液壓大鉗的模塊化設(shè)計(jì)和最小占地面積的理念為現(xiàn)代鉆井作業(yè)提供了安全、可靠和高效的鉆具處理。這款液壓大鉗隨時(shí)可進(jìn)行自動(dòng)化操作，使其能在自動(dòng)化鉆井作業(yè)中進(jìn)行操控和監(jiān)控）。此功能使該款液壓大鉗成為自動(dòng)化鉆井進(jìn)程的一部分來進(jìn)行操控和監(jiān)控，從而能使鉆井工人避開鉆臺(tái)上的危險(xiǎn)區(qū)域。
圖2
自動(dòng)控制不僅能通過降低人員傷害或人為錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)來提高安全性，而且還能確保接單根、卸單根操作的可靠性和可重復(fù)性。液壓大鉗還被設(shè)計(jì)用于捕獲輸入給鉆機(jī)控制系統(tǒng)的操作數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可用來優(yōu)化接單根作業(yè)的操作過程、性能指標(biāo)跟蹤，最終能使鉆井隊(duì)實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)。這種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法進(jìn)一步提高了作業(yè)效率和可靠性，同時(shí)還能減少昂貴的 NPT。
NOV公司正在采用ATOM RTX創(chuàng)建一個(gè)非人工鉆臺(tái)，ATOM™ RTX 是一個(gè)先進(jìn)的、全自動(dòng)化的機(jī)器人系統(tǒng)，可執(zhí)行各種任務(wù)，以提高鉆機(jī)性能，如圖3（NOV的機(jī)器人系統(tǒng) ATOM RTX 可自動(dòng)執(zhí)行重復(fù)性作業(yè)，讓鉆井工人遠(yuǎn)離易受到傷害的危險(xiǎn)區(qū)域）所示。這個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行重復(fù)性任務(wù)，讓鉆井工人遠(yuǎn)離危險(xiǎn)區(qū)域，從而提高鉆井作業(yè)的整體安全。
圖3
該系統(tǒng)的可靠性和可預(yù)測(cè)性的操作性能可顯著提高作業(yè)效率。ATOM RTX及其可互換的末端執(zhí)行系統(tǒng)能夠以高精度和可重復(fù)的操作特性執(zhí)行各種任務(wù)，例如：對(duì)扣時(shí)可導(dǎo)向?qū)?zhǔn)、擺尾、自動(dòng)立柱擺放、可以高精度和可重復(fù)的動(dòng)作抑制泥漿泄露，如圖4（ATOM RTX可靠且可預(yù)測(cè)的性能有助于實(shí)現(xiàn)鉆井效果的一致性）所示。這也消除了與人工操作相關(guān)的可變性，無論疲勞、天氣或經(jīng)驗(yàn)如何，ATOM RTX都能應(yīng)變自如，從而減少了代價(jià)高昂的作業(yè)延誤和停工時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了更可靠和更一致的鉆井效果。
圖4
該系統(tǒng)的模塊化和可擴(kuò)展的性能使鉆井承包商能夠根據(jù)他們特定的需求和現(xiàn)有設(shè)備來定制技術(shù)，優(yōu)化潛能以應(yīng)對(duì)鉆井作業(yè)的獨(dú)特挑戰(zhàn)，無論是陸上應(yīng)用還是海上應(yīng)用。在加拿大的首次陸上商業(yè)運(yùn)用中，ATOM RTX執(zhí)行了一致的手動(dòng)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了NPT零的操作和無形的時(shí)間損失。
未來的鉆機(jī)
NOV積極主動(dòng)的鉆井自動(dòng)化方法使公司能夠開發(fā)滿足當(dāng)今和未來要求的集成技術(shù)和產(chǎn)品。隨著該行業(yè)不斷面臨的成本壓力、技能短缺和對(duì)更可持續(xù)實(shí)踐的需求等挑戰(zhàn)，自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù)的日益普及對(duì)于推動(dòng)創(chuàng)新和保持競(jìng)爭(zhēng)力至關(guān)重要。
將自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù)集成到鉆井過程中不僅僅是提高運(yùn)營(yíng)效率的問題，也是保護(hù)鉆井平臺(tái)工作人員福祉的問題，以及最大限度地減少行業(yè)對(duì)環(huán)境影響的關(guān)鍵一步。隨著該行業(yè)不斷突破建井周期的極限天數(shù)，對(duì)更先進(jìn)、更可靠的鉆井技術(shù)的需求只會(huì)變得更加迫切。
通過利用工業(yè)機(jī)器人和先進(jìn)的控制系統(tǒng)，NOV公司開發(fā)了如IRX-120液壓大鉗這樣的工具產(chǎn)品，該產(chǎn)品可更輕松地改裝到現(xiàn)有的鉆機(jī)上，無需對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行重大修改。這種方法使鉆井承包商能夠利用其現(xiàn)有的設(shè)備，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槲磥淼你@機(jī)，從而提高鉆井作業(yè)的安全性、可靠性、高效性和生產(chǎn)力。
結(jié)論
實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)鉆井作業(yè)的努力已經(jīng)進(jìn)行了數(shù)十年的實(shí)踐，還將在這個(gè)不斷變化的行業(yè)中繼續(xù)嘗試下去。盡管如此，通過將自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù)集成到鉆井工藝中，該行業(yè)已經(jīng)在提高安全性和效率方面取得了重大進(jìn)展。
隨著該行業(yè)面臨越來越多的挑戰(zhàn)，采用這些尖端技術(shù)對(duì)于推動(dòng)創(chuàng)新、保持競(jìng)爭(zhēng)力和確保該行業(yè)長(zhǎng)期生存下去至關(guān)重要。NOV公司專注于開發(fā)易于集成到現(xiàn)有鉆機(jī)和現(xiàn)代化工藝流程中的自動(dòng)化技術(shù)和機(jī)器人解決方案，這證明了該公司致力于支持鉆井承包商向未來鉆機(jī)過渡的承諾。
鉆井自動(dòng)化的好處不僅僅局限于安全和效率。通過讓鉆井工人從危險(xiǎn)區(qū)域和易傷害區(qū)域的作業(yè)環(huán)境中脫離，重新定位專業(yè)知識(shí)，最大限度地降低人為錯(cuò)誤導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)，這些技術(shù)還可以促進(jìn)更可靠和更可預(yù)測(cè)的鉆井效果。反過來講，這也能改進(jìn)施工決策、更好地分配各類資源，提高整體鉆井績(jī)效。
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