計(jì)劃外的停工困擾著石油和天然氣行業(yè)。2016年的一份報(bào)告發(fā)現(xiàn)，油氣行業(yè)平均每年的停工時(shí)間超過(guò)27天，導(dǎo)致每家公司平均經(jīng)濟(jì)損失3800萬(wàn)美元。某些公司的停工損失超過(guò)8800萬(wàn)美元。造成災(zāi)難性經(jīng)濟(jì)損失的原因多種多樣。設(shè)備老化、有經(jīng)驗(yàn)的員工退休，以及低油價(jià)導(dǎo)致的利潤(rùn)下降和有限的資金投入，這些都是該行業(yè)計(jì)劃外停工停產(chǎn)的主要因素。
服務(wù)環(huán)是油氣開發(fā)現(xiàn)場(chǎng)鉆機(jī)的核心，但服務(wù)環(huán)也需要頻繁維護(hù)，找出容易出現(xiàn)故障的部位。一種新的、由igus公司開發(fā)的鉆機(jī)技術(shù)提高了服務(wù)環(huán)的可靠性，大大減少了停工時(shí)間。與其它產(chǎn)品相比，見圖1（一個(gè)創(chuàng)新的電環(huán)示意圖，每個(gè)環(huán)都加裝了220mm的動(dòng)態(tài)橫桿，可用作傳統(tǒng)服務(wù)環(huán)的替代品），igus公司的電環(huán)是專門設(shè)計(jì)用于更模塊化和更堅(jiān)固的系統(tǒng)。通過(guò)本地化的裝配團(tuán)隊(duì)，運(yùn)動(dòng)塑性專家可在世界各地對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行快速組裝并交付改裝后的裝置，包括德克薩斯州、新墨西哥州、墨西哥灣或北美任何地方的鉆機(jī)。德克薩斯州負(fù)責(zé)油氣開發(fā)的經(jīng)理Jason Freed說(shuō)：“事實(shí)上，任何油氣鉆探的鉆機(jī)都會(huì)看到電環(huán)的巨大價(jià)值。Igus公司的電環(huán)除了能減少停工外，在現(xiàn)場(chǎng)還更易維護(hù)，提高了鉆機(jī)的整體安全”。
傳統(tǒng)的服務(wù)環(huán)常常會(huì)引起電纜破裂或斷裂。新品設(shè)計(jì)的目的是提供一種解決兩個(gè)問(wèn)題的產(chǎn)品。電環(huán)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的領(lǐng)頭羊Tim Schneebeck說(shuō)：“電環(huán)的設(shè)計(jì)理念是出自易于維護(hù)的背景”，他在德國(guó)科隆的igus總部監(jiān)管著公司的油氣產(chǎn)品部門。“這就是為什么模塊化和產(chǎn)品堅(jiān)固性是電環(huán)產(chǎn)品關(guān)鍵的優(yōu)先事項(xiàng)。其它是安全性、耐用性、簡(jiǎn)單性和成本效益”。
Igus公司第一批電環(huán)的其中一項(xiàng)應(yīng)用是在加拿大的一個(gè)鉀礦開采場(chǎng)，由于大風(fēng)和嚴(yán)寒，工人們經(jīng)常遭遇停工。8小時(shí)的改裝修復(fù)了這個(gè)問(wèn)題，見圖2（加拿大一部用于開采鉀礦的鉆機(jī)，在極端惡劣的天氣狀況下也能正常作業(yè)，它采用了一種igus公司的能量鏈進(jìn)行改裝，幫助解決了與天氣有關(guān)的問(wèn)題，提高了鉆機(jī)的作業(yè)效率。）。第二天，一場(chǎng)暴風(fēng)雪席卷了加拿大薩斯喀徹溫省的貝休恩，鉆機(jī)就位于此地，改裝前原本需要暫時(shí)停工。而這次沒(méi)有停工，也沒(méi)出現(xiàn)安全及鉆機(jī)線纜損壞的問(wèn)題。Igus公司加拿大負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)能量鏈改裝的Alan Kwoo說(shuō)：“持續(xù)的作業(yè)時(shí)間和防止停工對(duì)鉆井施工至關(guān)重要。生產(chǎn)時(shí)間的損失就意味著收入的損失”。
圖2
初步分析
服務(wù)環(huán)是鉆機(jī)的能量來(lái)源。服務(wù)環(huán)為安裝在井架中的一部大型頂驅(qū)電機(jī)提供電力，該電機(jī)為鉆具提供旋轉(zhuǎn)扭矩。該系統(tǒng)能使鉆機(jī)鉆深達(dá)10km，服務(wù)環(huán)為鉆機(jī)的主電機(jī)供電，為其它設(shè)施如照明、潤(rùn)滑油加熱器和冷卻風(fēng)扇等提供輔助電力。還為控制、數(shù)據(jù)傳輸和儀器的運(yùn)用提供電能。
Schneebeck說(shuō)：“電環(huán)是通過(guò)分析頂驅(qū)系統(tǒng)的服務(wù)環(huán)演變而來(lái)的。我們?cè)谶@些服務(wù)環(huán)中看到的主要問(wèn)題就是封裝，封裝使保護(hù)軟管和電纜整個(gè)系統(tǒng)變得僵硬和彎曲性差。如果你發(fā)現(xiàn)這些環(huán)中的其中一個(gè)環(huán)有問(wèn)題，那么整個(gè)軟管和電纜系統(tǒng)就需要更換”。Schneebeck還說(shuō)到：“在美國(guó)，許多鉆機(jī)都有簡(jiǎn)單的服務(wù)環(huán)，電纜和軟管周圍沒(méi)有封裝。一個(gè)簡(jiǎn)單的袋子合攏保護(hù)著所有的電纜和軟管。鉆機(jī)越自動(dòng)化，服務(wù)環(huán)就越先進(jìn)——直到一個(gè)完整的封裝版本。
封裝是用一種類似膠粘物的物質(zhì)涂抹在電纜的保護(hù)軟管中。膠粘物用作應(yīng)變緩解，保護(hù)系統(tǒng)免受水侵。如果只有一根電纜出現(xiàn)問(wèn)題，非模塊化系統(tǒng)需要工人們更換整個(gè)環(huán)體。Schneebeck說(shuō)：“我們看到這些服務(wù)環(huán)的主要問(wèn)題是破裂或斷裂，封裝的其中一個(gè)主要問(wèn)題是僵硬和彎曲性或柔軟性差”。
Igus公司的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)模塊化系統(tǒng)，使其既能減少系統(tǒng)維護(hù)和降低成本，還能承受斷裂損壞，斷裂是服務(wù)環(huán)最常見的問(wèn)題。Freed說(shuō)：“斷裂導(dǎo)致電纜損壞，而在鉆機(jī)搬遷或移動(dòng)期間處理電環(huán)也是導(dǎo)致其損壞的一個(gè)因素。更換電環(huán)、保險(xiǎn)杠、鏈路和電纜的諸多部件，使其具有堅(jiān)固的電纜保護(hù)作用，可能是處治電環(huán)的最獨(dú)特的事項(xiàng)”。大多數(shù)服務(wù)環(huán)需要不斷的維護(hù)。此外，因強(qiáng)風(fēng)造成的服務(wù)環(huán)斷裂讓工人們處于危險(xiǎn)境地，因?yàn)樗麄円噲D處治高壓電纜。電環(huán)的設(shè)計(jì)還要考慮確保安全的要求。設(shè)備或部件掉落是鉆井作業(yè)中最忌諱問(wèn)題和最大的安全隱患。Freed說(shuō)：“安全性是電環(huán)最主要的優(yōu)先事項(xiàng)”。
高昂的腐蝕成本
腐蝕也會(huì)導(dǎo)致石油行業(yè)代價(jià)高昂的停工。石油天然氣工業(yè)每年在腐蝕方面總的成本支出達(dá)13億美元、油氣勘探中使用的材料有一些暴露在最惡劣的工業(yè)環(huán)境中，導(dǎo)致材料老化，因而可能會(huì)損害環(huán)境和威脅工人的安全。大多數(shù)服務(wù)環(huán)由鋼材料制成，因此，容易受到腐蝕。
Igus公司的電環(huán)采用技術(shù)創(chuàng)新和低成本組件解決了腐蝕問(wèn)題，可在任何氣象如海水、嚴(yán)寒、強(qiáng)風(fēng)、灰塵和高溫等環(huán)境下可靠的使用。見圖3（能量鏈取代了在暴風(fēng)雪環(huán)境下經(jīng)常出現(xiàn)損壞、導(dǎo)致作業(yè)中斷的服務(wù)環(huán)）。igus公司加拿大電鏈產(chǎn)業(yè)經(jīng)理Scott Parker 說(shuō)：“電環(huán)的核心由聚合物部件制成，其核心繩索不是金屬，因此不會(huì)被腐蝕。為了避免緊固件的腐蝕，硬件由不銹鋼制成。由于采用了聚合物材料，因此無(wú)需潤(rùn)滑，而且，在腐蝕性環(huán)境下也不會(huì)出現(xiàn)電環(huán)卡住的情形”。
圖3
Igus公司的材料的自潤(rùn)滑性還能大大降低維護(hù)時(shí)間和成本支出，擴(kuò)展了鉆機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的能力范圍。這項(xiàng)技術(shù)將聚合物能量鏈的優(yōu)勢(shì)與具有高拉伸強(qiáng)度的復(fù)合繩結(jié)合在一起。拉伸力被繩索吸收，通過(guò)安裝臂架支持著支撐結(jié)構(gòu)。這種設(shè)計(jì)減輕了電纜的各種應(yīng)力，確保了一個(gè)限定的電纜彎曲半徑。模塊化電環(huán)設(shè)計(jì)還可承受振動(dòng)和沖擊。Parker說(shuō)：“igus公司在海上鉆探市場(chǎng)有著悠久的作業(yè)經(jīng)歷，包括在海上應(yīng)用中首次采用了DNV GL額定的連續(xù)彎曲（柔性）電纜。由于igus公司能量鏈系統(tǒng)是聚合物材料，因此，已成功運(yùn)用于許多海上作業(yè)。在這個(gè)市場(chǎng)中，任何耐鹽且無(wú)需維護(hù)或頻繁更換的產(chǎn)品都會(huì)延長(zhǎng)生產(chǎn)時(shí)間，同時(shí)還能降低作業(yè)成本”。
安全問(wèn)題
服務(wù)環(huán)還涉及許多安全問(wèn)題。鉆機(jī)的維修工作相當(dāng)危險(xiǎn)，有許多移動(dòng)部件和組件。也有易燃的化學(xué)品以及從井中溢出油氣的可能性。最致命的鉆井平臺(tái)事故發(fā)生在1988年，當(dāng)時(shí)北海的Piper Alpha石油鉆井平臺(tái)導(dǎo)致了167名工人遇難。只有61名工人在這場(chǎng)悲劇中幸存了下來(lái)。
在加拿大的應(yīng)用中，大風(fēng)常常讓工人們受挫，迫使作業(yè)停工。鉆井承包商AKITA鉆井公司的現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)任人Justin Amyotte說(shuō)：“我們嘗試了多種方法來(lái)應(yīng)對(duì)大風(fēng)對(duì)服務(wù)環(huán)的擾亂。我們甚至在迎著風(fēng)的方向安裝鉆機(jī)。在大風(fēng)來(lái)臨期間，我們讓一名工人一直在鉆臺(tái)上觀察服務(wù)環(huán)。如果情況非常糟糕，我們就停止施工。改裝前的鉆機(jī)電纜包裹的很好，但當(dāng)電纜靠近鉆機(jī)鋼架時(shí)容易裹出皺紋和變形，由此產(chǎn)生阻礙，造成電纜拉扯甚至斷裂。裹有電纜和軟管的包裝更換成本很高。有時(shí)，大風(fēng)猛刮和侵襲服務(wù)環(huán)，將其吹進(jìn)鉆機(jī)的桅桿梁。希望司鉆能看到并叫停這種情況，修復(fù)這一困擾。如果司鉆未發(fā)現(xiàn)這種情形，電纜就會(huì)損壞。其結(jié)果就會(huì)導(dǎo)致更長(zhǎng)時(shí)間的停工”。
解決含有高壓電線的電纜斷裂問(wèn)題是一項(xiàng)危險(xiǎn)的工作。加拿大K+S 鉀礦開采公司高級(jí)經(jīng)理Darren Hrynkiw說(shuō)：“不止一次地，服務(wù)環(huán)在頂驅(qū)上被拉扯或斷裂，導(dǎo)致高壓電纜發(fā)生危險(xiǎn)架空的安全事故。施工者們探索了多種工程安全解決方案，但多數(shù)情況下，提出的方案大都涉及其它方面的維護(hù)，有時(shí)甚至?xí)?lái)新的安全問(wèn)題”。
加拿大的應(yīng)用
AKITA公司的鉆機(jī)在正常情況下工作良好，但因強(qiáng)風(fēng)造成服務(wù)線路阻斷時(shí)常常會(huì)導(dǎo)致停工，該公司考慮了改裝方案。Amyotte說(shuō)：“唯一的解決方案是采用堅(jiān)固的鏈路和軌道類系統(tǒng)。但這種系統(tǒng)可能會(huì)因管材或鉆機(jī)移動(dòng)而彎曲和損壞。也會(huì)因結(jié)冰而無(wú)法正常工作。一旦出現(xiàn)損壞，鉆機(jī)就要停下來(lái)等待維修”。Amyotte是在德克薩斯州一個(gè)來(lái)自德國(guó)科隆的igus公司的工業(yè)貿(mào)易展會(huì)上了解到有關(guān)電環(huán)的技術(shù)。
鉆機(jī)的電環(huán)約為21m，彎曲半徑為500mm。電環(huán)安裝在桅桿式鉆機(jī)的中央?？稍?1m高的鉆機(jī)的中心點(diǎn)上下或來(lái)回移動(dòng)，見圖4（在此次應(yīng)用中，能量鏈被安裝在一部用于開采鉀礦的鉆機(jī)上。而這種方法也可用在鉆探油氣井的鉆機(jī)上）。AKITA公司的鉆機(jī)建造于2015年。K+S 鉀礦開采公司已經(jīng)營(yíng)了125年，為的是開采鉀礦，從而進(jìn)一步加工成氯化鉀。礦場(chǎng)位于Bethune，AKITA鉆機(jī)是40多年來(lái)首次在薩斯喀徹溫省對(duì)未開發(fā)的鉀礦進(jìn)行開采。AKITA公司計(jì)劃1月中旬用igus公司的能量鏈對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行改造。該礦場(chǎng)原定于2月份暫時(shí)關(guān)閉，然后在夏季再次啟動(dòng)。各團(tuán)隊(duì)希望在冬季剩余時(shí)間暫停之前對(duì)新的能量鏈進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。
圖4
改裝僅用了8小時(shí)，而新安裝的能源鏈第一次測(cè)試用了24小時(shí)。一場(chǎng)暴風(fēng)雪席卷了該地區(qū)，風(fēng)速高達(dá)每小時(shí)88英里，伴隨著降雪和凍雨。暴風(fēng)雪摧毀了電纜，積雪厚度超過(guò)150mm，造成了大范圍停電。今年1月的風(fēng)力是Regina地區(qū)有史以來(lái)最強(qiáng)的。氣溫降至接近零下40°F。暴風(fēng)雪在Bethune地區(qū)并不罕見，而這場(chǎng)特殊的暴風(fēng)雪對(duì)該地區(qū)造成了巨大的打擊。
不管怎樣，新的安裝了電環(huán)的AKITA鉆機(jī)啟動(dòng)了。沒(méi)有出現(xiàn)施工中斷和停工，也沒(méi)有工人們站在地上觀察可能出現(xiàn)的不幸事件。Hrynkiw說(shuō)：“即使遇到極端的天氣情況，電環(huán)也能正常工作。當(dāng)能找到一種工程方法消除安全隱患時(shí)，我總是非常高興，因?yàn)檫@比程序化的保障措施更為有效。鑒于這樣的設(shè)計(jì)，我們預(yù)計(jì)維護(hù)會(huì)變得很少或根本沒(méi)有，而這種保護(hù)系統(tǒng)的安裝不會(huì)對(duì)生產(chǎn)率造成影響”。雖然該技術(shù)的此次應(yīng)用是用在開采鉀礦的鉆機(jī)上，但Amyotte說(shuō)，任何鉆探油氣的鉆機(jī)都能從使用igus技術(shù)中獲得巨大收益。
利潤(rùn)豐厚的鉀礦市場(chǎng)
雖然鉀礦不像石油和天然氣那么受人關(guān)注，但它也是世界上最廣泛使用的礦物之一。K+S鉀礦開采特別值得關(guān)注，它包括了世界十大最深的鉀礦中的兩個(gè)。2017年6月，該公司生產(chǎn)了第一批可銷售的鉀礦。該礦物的開采預(yù)計(jì)可超過(guò)55年，建設(shè)成本超過(guò)40多億美元，每年將生產(chǎn)近200萬(wàn)噸碳酸鉀。
大幅減少停工時(shí)間
任何生產(chǎn)設(shè)施的目標(biāo)，無(wú)論是鉆探石油或是開發(fā)其它礦物，都需消除或減少停工時(shí)間。Amyotte說(shuō)：“減少停工時(shí)間就等于提高生產(chǎn)率。減少損失就等于節(jié)省成本”。當(dāng)igus公司的工程師們?cè)谠O(shè)計(jì)電環(huán)時(shí)，減少停工是他們的首要目標(biāo)。對(duì)于igus公司來(lái)說(shuō)，最具挑戰(zhàn)性的工作之一是測(cè)試確保電環(huán)能在最惡劣環(huán)境下的持續(xù)工作。
電環(huán)無(wú)疑解決了AKITA鉆機(jī)和K+S鉀礦開采公司關(guān)注的問(wèn)題。Amyotte說(shuō)：“該方法的效果好于預(yù)期，是解決他們多年來(lái)所面臨問(wèn)題的最佳方案。電環(huán)能讓頂驅(qū)電纜移動(dòng)自如，同時(shí)也限定了彎曲半徑。還能更好的保護(hù)電纜，不會(huì)因?yàn)樾枰S護(hù)和修理而導(dǎo)致作業(yè)停工。這對(duì)我們來(lái)說(shuō)非常具有吸引力，大大提高了生產(chǎn)效率”。
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