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二疊紀(jì)盆地已經(jīng)試運行了一臺 全自動鉆井平臺，但經(jīng)濟(jì)和互操作 性方面的挑戰(zhàn)可能會使短期內(nèi)的重 點放在自動化特定任務(wù)上，以實現(xiàn) 切實的效率提高 近年來，業(yè)內(nèi)對鉆 井作業(yè)中關(guān)鍵功 能的自動化價值 達(dá)成了共識：它 在提高鉆機(jī)和井筒的安全性、提 高效率和性能方面具有很大潛力。 結(jié)果也得到了充分的證明。然而， 當(dāng)談到大規(guī)模部署全自動鉆井平 臺的可行性時，似乎還沒有達(dá)成 共識。

一些人認(rèn)為，大規(guī)模的全 面自動化離成為現(xiàn)實并不遙遠(yuǎn)。 最典型的例子可 能 是 Nabors Industries 的 PACE-R801，這 是一臺全自動陸地鉆機(jī)，今年完 成了?？松梨谠诙B紀(jì)盆地的 試點作業(yè)。 Nabors 的控制和自動化總監(jiān) Brett Schellenberg 表示 :“當(dāng) 我們能夠?qū)⑷藗冝D(zhuǎn)移到安全的地 方時，這是一件好事。“自動化 使我們能夠做到這一點。同樣重 要的是，它使我們能夠標(biāo)準(zhǔn)化來 自我們最好的鉆井工程師、井架 手和地面手的最佳實踐，并將這 些事情標(biāo)準(zhǔn)化，并在我們的船隊 中不斷重復(fù)這些事情，以提高我 們的周期時間。” 另一個業(yè)內(nèi)人士則對全自動 鉆井平臺是否會在不久的將來占據(jù) 主導(dǎo)地位持懷疑態(tài)度。常見的障礙 包括 : 可在鉆機(jī)之間使用的標(biāo)準(zhǔn)控 制接口的開發(fā)，以及建造新鉆機(jī)或 對系統(tǒng)進(jìn)行資本密集型改造的財務(wù) 挑戰(zhàn)，這些系統(tǒng)可以完全自動化仍 由人工執(zhí)行的各種任務(wù)。

在本文中，DC 與兩家鉆井承 包商、一家運營商和一家服務(wù)公 司進(jìn)行了交流，探討了他們對自 主鉆井的當(dāng)前看法，并討論了近 期在推進(jìn)自動化方面所做的努力。 實現(xiàn)全自動化鉆井平臺 Nabors 公 司 的 R801 鉆 機(jī) 在全自動鉆井方面一直處于領(lǐng)先 地位，該鉆機(jī)在去年秋天投入使 用之前已經(jīng)研發(fā)了五年。它將該 公司的自動化鉆井軟件與機(jī)器人 技術(shù)相結(jié)合，將人員從紅區(qū)移除， 并提供一致的結(jié)果。在與?？松?美孚的試點項目中，該鉆機(jī)在三 個平臺上鉆了 9 口井?？偟膩碚f， 它已經(jīng)完成了約 200 萬英尺的鉆 井、起下鉆和下套管作業(yè)。

為了實現(xiàn)鉆井平臺的完全自 動化，該平臺被機(jī)器人管架取代。 這 個 機(jī) 械 臂 可 以 處 理 13.375- in 的 鉆 桿 和 管 柱。 直 徑 和 包 含 自 己 的 紡 絲 器， 用 于 連 接 和 起 下鉆。司鉆在司鉆室內(nèi)通過并入 Nabors 公司 SmartROS 的自動 管狀管理應(yīng)用程序控制機(jī)器人， 該應(yīng)用程序可以控制鉆機(jī)的控制 系統(tǒng)和管理鉆機(jī)上的設(shè)備。 通過將鉆臺上使用的不同管 柱的規(guī)格輸入到管柱管理應(yīng)用程 序中，例如，鉆鋌的內(nèi)徑和外徑， 應(yīng)用程序的算法將自動跟蹤管柱 的運動。該應(yīng)用程序還會測量每 個連接的扭矩，并將該信息傳遞 給機(jī)器人管道處理程序。 Nabors 控制與自動化高級 經(jīng)理 Ram Murthi 表示，開發(fā)這 種智能管柱管理系統(tǒng)是實現(xiàn)鉆機(jī) 完全自動化的最大挑戰(zhàn)之一。這 主要是因為該系統(tǒng)必須考慮到各 種各樣的管柱，以及確保管柱定 位的精度和準(zhǔn)確性。此外，該公 司還必須能夠管理油管從一個系 統(tǒng)到另一個系統(tǒng)的流動，并與鉆 臺上的其他工藝和設(shè)備協(xié)調(diào)。

該 鉆機(jī)實現(xiàn)全面自動化的另一個關(guān) 鍵方面是 Nabors 的自動化鉆井 軟件 Smart Suite，該軟件運行 在 其 SmartROS 鉆 機(jī) 操 作 系 統(tǒng) 上。R801 包 含 了 Nabors 現(xiàn) 有 的幾個軟件解決方案，并且還專 門為該項目開發(fā)了新的解決方案。 SmartDRILL 就 是 一 個 例 子，它是一種自動鉆井活動排序 器，可以按照最佳實踐配置鉆井 工作流程。在應(yīng)用程序中編寫了 工程序列，以便在連接期間和圍 繞滑梯旋轉(zhuǎn)時，自動將鉆頭送入 或從井底送入。此外，它還具有 足夠的智能，能夠在需要時自動 更新作業(yè)順序，以避免意外的井 下危險。R801 上的另一款應(yīng)用 是 SmartSLIDE，這是一款自動 滑動鉆井的定向控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 Nabors 表 示， 雖 然 R801 的鉆井平臺上沒有工作人員，但 鉆井現(xiàn)場的工作人員數(shù)量仍然大 致相同，只是他們的職責(zé)不同。 現(xiàn)場仍有一名司鉆監(jiān)督整個作業(yè)， 而其他工作人員則負(fù)責(zé)維護(hù)、檢 查和鉆機(jī)移動等基本任務(wù)。 鉆井平臺也進(jìn)行了一些設(shè)計 上的改變，以確保工作人員的安 全。紅色區(qū)域被圍起來，并配備 了與鉆井控制系統(tǒng)相連的運動檢 測傳感器。如果傳感器檢測到有 人進(jìn)入該區(qū)域，紅色區(qū)域內(nèi)的移 動設(shè)備將自動停止。司鉆的艙室 也高于鉆臺，與標(biāo)準(zhǔn)的陸地鉆機(jī)相比略高。主要是為了幫助鉆井 人員更好地觀察自動化鉆臺，并 進(jìn)一步消除潛在的危險。 雖然沒有提供試驗項目的詳 細(xì) 性 能 數(shù) 據(jù)， 但 Schellenberg 指 出， 該 活 動 沒 有 發(fā) 生 OSHA 可 記 錄 的 事 故， 井 眼 時 間 接 近 Nabors 最好的西德克薩斯船隊 的平均時間。

在證明完全自動化的陸地鉆 井是可能的之后，Nabors 現(xiàn)在 專注于將 R801 的軟件和機(jī)器人 組件改造到其他現(xiàn)有的鉆機(jī)上， 而不需要進(jìn)行重大的重新設(shè)計。 今年晚些時候，該公司計劃在現(xiàn) 有的 Nabors 鉆機(jī)上部署模塊化 自 動 化 系 統(tǒng)。Schellenberg 表 示，此舉更符合該行業(yè)當(dāng)前的經(jīng) 濟(jì)現(xiàn)實。 他說：“隨著我們開始將這 些產(chǎn)品商業(yè)化，我們真的希望能 夠?qū)Ｗ⒂谀K化，靈活和靈活地 適應(yīng)任何鉆機(jī)配置。”“隨著鉆 井平臺自動化的不斷發(fā)展，我們 的重點將是現(xiàn)有鉆機(jī)的可擴(kuò)展性。 資金不再那么容易獲得，所以我 們需要考慮提供這些技術(shù)，而不 是讓客戶不得不建造全新的鉆井 平臺。” 以實際利益為目標(biāo)的自動化 許多鉆井行業(yè)人士仍對在不 久的將來實現(xiàn)完全自主鉆井的可 行性持懷疑態(tài)度，尤其是大規(guī)模 自主鉆井。Ensign 鉆井解決方 案副總裁 Mark Anderson指出， 人工在鉆機(jī)上完成的任務(wù)非常復(fù) 雜多樣。他說，對于一個自主系 統(tǒng)來說，它們太大了，無法完全 處理，尤其是在對鉆井承包商來 說成本合理的情況下。 Anderson 表 示：“ 要 想 擁 有一臺自動鉆井平臺，你必須實 現(xiàn)每一項任務(wù)和所有突發(fā)事件的 自動化，而從開發(fā)成本來看，這 樣做的經(jīng)濟(jì)效益是不可行的。” “此外，我們擁有龐大的設(shè)備安 裝資本基礎(chǔ)。我不認(rèn)為我們會為 了一個自動系統(tǒng)而放棄 2000 臺 現(xiàn)代空調(diào)設(shè)備。”

相 反，Anderson 表 示， 他 認(rèn)為自動化是一段“旅程”。與 其嘗試開發(fā)完全自動化的鉆機(jī)來 大規(guī)模部署，鉆井承包商更有可 能擴(kuò)大可自動化鉆機(jī)的任務(wù)列表。 在 Ensign，除了開發(fā) EDGE 鉆 機(jī)操作系統(tǒng) ( 將自動化控制系統(tǒng) 與基于云的機(jī)器學(xué)習(xí)算法相結(jié)合， 以優(yōu)化鉆井性能 ) 外，該公司最 近還專注于開發(fā)用于自動擴(kuò)眼、 基于 mse 的 ROP 優(yōu)化和自動下 行到旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的工具。該公 司還在開發(fā)一個工具面自動化控 制的原型。 此 外，Ensign 還 為 所 有 鉆 機(jī)設(shè)備開發(fā)了具有下鉆能力的人 機(jī)界面，以及一鍵連接系統(tǒng)，使 司鉆只需按下一個按鈕，就可以 在鉆機(jī)上啟動某些關(guān)鍵功能的自 動化程序。該系統(tǒng)激活頂部驅(qū)動 和泵，將鉆頭驅(qū)動至底部。 他說 :“在系 統(tǒng)下放鉆頭的 同時，司鉆進(jìn)行連接，從卡瓦中 取出鉆柱，按下一個按鈕，然后 進(jìn)行其他操作，比如管理工作人 員。”“它會從井底升起，如果 需要的話還會加大力度，關(guān)閉頂 部驅(qū)動，停止泥漿泵，然后讓司 鉆關(guān)閉系統(tǒng)。鉆井工人喜歡這個 系統(tǒng)。我們正在努力改善鉆井系 統(tǒng)的一小部分，然后人類可以完 成我們還沒有完成的其他部分。” Anderson 認(rèn)為，自動化系 統(tǒng)的遠(yuǎn)程操作將在未來幾年為鉆 井承包商帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。 “設(shè)備控制系統(tǒng)并不在乎控制是 來自人類還是 PLC。不管怎樣， 它都可以升降絞車。如果你需要 更大的鉆頭重量，不管指令是來 自無人鉆井控制系統(tǒng)還是人類。 您可以在場外中心更改設(shè)定點， 也就是遠(yuǎn)程更改自動化鉆井控制 系統(tǒng)中的變量。這些都是我們可 以真正受益的領(lǐng)域。”

大規(guī)模的完全自動化 能成為現(xiàn)實嗎 美國陸上鉆井和完井副總裁 John Willis 表示，盡管西方石 油公司 (Oxy) 從事自動化工作已 有多年，但該公司近期并沒有開 發(fā)全自動鉆機(jī)的計劃。目前，作 業(yè)者的自動化工作主要集中在部 署來自鉆井承包商和第三方的 11 種自動化應(yīng)用。除了這些應(yīng)用和 鉆井承包商提供的其他自動化工 具外，作業(yè)者將“完全自動化”( 包 括管柱處理)視為一個長期目標(biāo)。 Willis 指出，管道處理是實 現(xiàn)大規(guī)模自動化的一個關(guān)鍵障礙。 由于管架系統(tǒng)中各種各樣的管柱 尺寸和預(yù)定義的位置，這仍然是 人工在鉆機(jī)上執(zhí)行的較為復(fù)雜的 任務(wù)之一。雖然在開發(fā)陸地鉆機(jī) 的自動管道處理方面已經(jīng)做了一 些工作，但他表示，成本是一個 關(guān)鍵問題。 “很多自動化系統(tǒng)的問題是， 它們從來沒有一個能與優(yōu)秀的鉆井人員競爭。優(yōu)秀的船員總是更 快、更便宜。”Willis 表示。然而， 與 10 年或 20 年前相比，他確實 看到了一些變化，比如機(jī)械臂等 系統(tǒng)可以改裝到現(xiàn)有的鉆機(jī)上。 “今天的情況非常不同。

在我看 來，機(jī)器人技術(shù)發(fā)展到可行的程 度只是時間問題。” 大規(guī)模實現(xiàn)完全自動化的另 一個障礙是缺乏可在鉆機(jī)間使用的 互操作系統(tǒng)。威利斯表示，仍需填 補的關(guān)鍵功能缺口包括一個標(biāo)準(zhǔn)控 制系統(tǒng)界面和一個讓自動化應(yīng)用程 序同時工作的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)。此外，他 還指出，需要一種標(biāo)準(zhǔn)接口來將鉆 井計劃傳輸?shù)姐@機(jī)的自動化控制系 統(tǒng)中。井眼規(guī)劃數(shù)據(jù)與鉆機(jī)系統(tǒng)之 間的互操作性，以及遠(yuǎn)程配置自動 化參數(shù)的能力，對于大規(guī)模實現(xiàn)全 面自動化至關(guān)重要。 他補充說，目前的自動化系 統(tǒng)仍然需要大量的人工數(shù)據(jù)輸入 和系統(tǒng)配置。他們不是幫助鉆井 工人，尤其是經(jīng)驗不足的鉆井工 人，而是經(jīng)常向鉆井工人提出更 多要求。這使得這些系統(tǒng)難以實 施，尤其是在如今的環(huán)境中，因 為越來越難以雇傭有經(jīng)驗的鉆井 人員。 Willis 表示：“自動化的愿 景是，盡管鉆井人員經(jīng)驗不足， 但仍能保持穩(wěn)定的性能。”然而， 如今，自動化的使用需要大量的 數(shù)據(jù)輸入和系統(tǒng)配置，因此，鉆 井人員需要成為人工操作和自動 化系統(tǒng)配置方面的專家，而不是 經(jīng)驗不足的鉆井人員。” 他還指出，鉆井是一個周期 性行業(yè)。“鉆機(jī)數(shù)量有升有降。 當(dāng)經(jīng)濟(jì)衰退時，我們就會失去人 手，而當(dāng)經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇時，我們就得 雇人。每次我們雇傭新員工，他 們都會在學(xué)習(xí)的過程中犯錯。減 少學(xué)習(xí)曲線的兩種方法是在自動 化系統(tǒng)中獲取知識，并在遠(yuǎn)程專 家中保留知識。然后，那些來自 你的優(yōu)秀員工的專業(yè)知識，存儲 在自動化系統(tǒng)中，可以持續(xù)地應(yīng) 用。

專家遠(yuǎn)程監(jiān)控鉆機(jī)的知識可 以應(yīng)用于很多鉆機(jī)，而不是一個 鉆機(jī)。” 將 MPD 集成到鉆機(jī)控制中 控壓鉆井 (MPD) 已經(jīng)成為一 種被廣泛接受的窄壓力窗地層鉆 井方法。然而，在鉆井平臺上實 施 MPD 服務(wù)的過程既耗時又昂 貴，尤其是在深水項目中。對于 一些鉆井承包商來說，將 MPD 系統(tǒng)集成到鉆機(jī)的自動化基礎(chǔ)設(shè) 施 ( 包括硬件、軟件和程序 ) 中是 一種簡化流程的方法。 據(jù)控壓鉆井高級副總裁Mark Mitchell 表 示，NOV 一 直在努力確保其 MPD 系統(tǒng)在鉆 機(jī)自動化系統(tǒng)中無縫工作。當(dāng)鉆 機(jī)的控制系統(tǒng)更新為 MPD 功能 時，鉆井人員可以獲得額外的控 制、MPD 屏幕視圖和數(shù)據(jù)趨勢。 MPD 系統(tǒng)不會取代或阻礙司鉆使 用常規(guī)鉆井工具。相反，它提高 了井下狀況的能見度，并為鉆井 人員提供額外的工具，以盡可能 安全、高效地鉆井。 Mitchell 表示 :“鉆井工作 的很大一部分是采集特定的數(shù)據(jù) 集 (MPD 數(shù)據(jù)是子集之一 )，并 將其聚合起來，以顯示有用的信 息，從而實現(xiàn)更快、更準(zhǔn)確的決 策。

“自動化水平很重要 ; 如 果每個人只是自動化和集成自己 的獨立數(shù)據(jù)子集，那么系統(tǒng)的全 部潛力就無法實現(xiàn)。” 系統(tǒng)控制可以直接連接到 鉆機(jī)的控制系統(tǒng)中，也可以通過 NOV 的 NControl軟件平臺間 接集成。該開放式架構(gòu)平臺與鉆 井平臺的控制系統(tǒng)和任何對 MPD 作業(yè) ( 如錄井 ) 重要的第三方接口 進(jìn)行通信。一體化程度取決于鉆 井平臺所有者和作業(yè)公司的偏好。 2018 年，NOV 將主動控制 裝 置 (ACD) 納 入 其 產(chǎn) 品 組 合。 ACD 是一種用于 MPD 作業(yè)的主 動、非旋轉(zhuǎn)密封裝置，通過環(huán)形 封隔器系統(tǒng)提供的密封套筒來密 封井筒環(huán)空，并實現(xiàn)回井分流。 當(dāng)密封套筒磨損時，系統(tǒng)會自動 改變密封上的液壓關(guān)閉壓力，以 補償磨損，并適應(yīng)導(dǎo)致磨損的工 具接頭的通過。 ACD 是一個主動系統(tǒng)，而不 是一個被動系統(tǒng)，就像一個傳統(tǒng) 的旋轉(zhuǎn)設(shè)備。這種設(shè)計消除了對 復(fù)雜軸承組件和高磨損旋轉(zhuǎn)密封 組件的需求，這些在 MPD 作業(yè) 期間造成了非生產(chǎn)時間。 此外，它允許控制系統(tǒng)監(jiān)測 密封元件的狀況，使司鉆能夠主 動計劃更換密封元件。操作時， 司鉆可以手動調(diào)節(jié)密封關(guān)閉壓力 或允許 ACD 在自動模式下運行。 控制系統(tǒng)根據(jù)傳感器反饋自動做 出這些調(diào)整。 “使用 RCD，你永遠(yuǎn)不會真 正知道密封的情況，直到它不再 密封，而有了 ACD，我們可以知 道什么時候該更換密封。此外， 由于密封在操作過程中磨損，我 們可以施加額外的關(guān)閉壓力，有 效地再生密封面。” 目前，全球共有 8 艘鉆井船 使用 ACD 進(jìn)行 MPD 作業(yè)。自該 技術(shù)問世以來，已經(jīng)有超過 30 口 井采用了該技術(shù)。