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大学生造钻机 美国高校钻井大赛的正确姿势

隶属德克萨斯农工大学团队的8英尺长的褐红色钻机开始降低它的钻头直至试验岩石的表面。

通过负载、旋转和震动传感器的指引,绞车在很小推力的作用下将顶部驱动装置缓慢向下移动,直至钻头接触到底部。当钻头到达指定位置后,只需要推动一个单独的按钮,钻机便开始工作了,这个过程完全不需要工作人员的指导。

农工大学是SPE钻井系统自动化技术部(DSATS)举办的第一届钻井大赛入围的四组代表队之一。第二阶段的比赛要求各团队的大学生在秋季时提交自动化钻井计划。四组入围团队需要建造钻机并对其进行测试,第二年春季时在他们各自的学校进行评判。

▲德克萨斯农工大学

钻机工作一个半小时之后,大赛观察者已经逐渐习惯了这种电力工具的嗡嗡声,刚开始它听起来像手提钻的声音。一位大赛组织者Fred Florence 在嘈杂的声音中问农机大学的学生,“这是由什么引起的?”

该团队成员紧紧盯着电脑屏幕输出的数据并根据数据迅速作出反应,没有丝毫不安慌乱的感觉。为了准备这次比赛,成员们熬了无数个长夜,在过去一年的精心研究准备之后,大赛规则不允许他们再进行任何人工修正。

水慢慢从钻柱的各个孔眼中流出来。钻头已经深入到了夹在1英尺厚砂岩层中的2英寸花岗岩里。几分钟之后,顶部驱动装置下面的钻杆被扭断,随之立即关闭了启动装置。

同样其他三组的钻杆也都被花岗岩层折断了。之所以把花岗岩安置在砂岩层中,就是为了测试钻杆的性能能否在没有人工指导下的环境下应对突发状况。

施加在钻头上的重量和旋转速度需要根据团队计算程序而自动增加或者减小,从而在钻遇坚硬地层过程中能够保持适当的钻进速度。

Florence说“恒定的转速和恒定的重量都会损害钻头,在某些特殊条件下,井底组件会变得非常不稳定。但是你可以及时调整施加钻头上的重量或者旋转速度来让井底组件再次达到稳定状态”。

设计一种能够动态调整的自动化钻井系统不仅需要石油工程知识,还需要其他学科知识作为支撑。

农工大学研究生团队由Narendra Vishnumolakala领导,他掌握仪器和电气工程方面的知识并且正在攻读石油工程硕士学位。他的团队成员包括电子计算机工程专业学生Prudhvi Maddineni、石油工程专业学生Seounghyun Rho(熟悉土木工程方面)、石油工程专业学生John Kim。

由于团队成员掌握各学科的知识,所以该团队能够自己制作一些传感器来节约成本,比如他们制作的光学转速计,能够测量钻井过程中钻杆的旋转速度。比赛规则允许团队花费15000美元,这个团队在建造他们的钻机时就已经花了约12000美元。

尽管每个团队都制作出了能够运行的钻机,但是没有一个能够钻穿花岗岩层。据Florence所说,裁判们预料到了钻遇花岗岩层时会出现问题。农工大学的钻机可以钻进大约一半左右。

学生们需要克服的另一个问题是需要使用直径为3/8寸、壁厚为0.016寸的钻杆。在之前的调查报告里,Vishnumolakala表示其团队成员认为DSATS应该提供更为坚固的管子。当钻机进入运行之后,钻杆这个薄弱环节强迫他们必须重新审视原来的策略。

他说,“根据测试结果,我们对设计和程序做出了相应的调整,经过一些像折断了管子之类的测试以后,最终我们找到了一套合适的工作参数,这些参数就是我们测试那天所使用的。”

当钻杆遇到花岗岩层时,这个团队通过降低了施加在钻头上的重量并增加旋转速度来调整他们的钻进方法。重量大可能会有帮助,但是与此同时钻杆会变得更脆弱,所以农工大学团队设计的重量不超过50磅。

不幸的是,钻进速度的增加引起了钻柱破坏性的共振。Florence说,“大幅度的横向振动致使套管疲劳损坏,学生们第一次观察到是在底部驱动装置下方套管分开时。当我们听到不正常的声音时,通常会怀疑钻杆底部扭断,但是由于套管位于我们所建造的工具结合处,对缺乏经验的学生来说这并不是很容易判断。”

Vishnumolakala认为套管损坏是由加速度产生的不准确振动造成的。由于这个团队无法把传感器直接安装在钻杆上,所以导致了不准确的读数。

然而为了赢得比赛,队员们并没有被要求建造一个最完美的钻机。计分规则里明确表示“所学课程”名目,这也被纳入评委评分中。在所有的马达声停止和评委审查结果之后,Florence对农工大学的学生说,“请大家记住,钻杆失败了,但是我们没有失败。”

最终评委裁定,俄克拉何马大学团队获得第一名,因为它的钻机比其他组的运转更好一些,另外他们的控制模型证明了他们对钻井所遇到的问题有更好的认识。当然为了钻杆更加坚固,他们也对其加压来防止钻杆弯曲。

未来的比赛DSATS将引入了新的挑战,比如定向钻井和钻柱传感器的应用,所以今后比赛中将会出现更多的困难。Florence说,“明年的比赛地层是不平行的,还会有倾角,这将给打直井带来挑战。”本次比赛中的钻井设计还可以在以后的比赛中再次提交,所以如果这些参赛者参加今后的比赛,他们将从今天的实践中获益良多。

Florence希望将来的某一天这些竞赛的研究成果能给自动化钻井方面带来技术上的突破。他还说,“我想让这些学生教会人们新的钻井方式”。

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