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钻井自动化(一):动力和套管的变革

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结合软件升级与机器学习,如今的手动钻机正逐步向自动化发展。

编辑 | 大安

纵观陆上钻机的发展史,这些油气行业的主力干将一直致力于将机械变得动力更强、功能更多、效率更高。机械性能优化与强大硬件解决了前两项挑战,这些改进使钻机能力达到了最强。配备的“超规格”装置有:1500马力的绞车,额定悬重高达75万磅的天车,7500psi的泥浆循环系统,以及多井批钻的作业能力。新兴的机械设计与复杂的软件开发,将用于应对最后一项挑战,使钻机具有一定程度的自动、安全、可重复功能,这在以前可谓是闻所未闻。钻机的手动功能正逐步移交给钻机的应用程序,从接立柱到引擎性能最大化,所有作业将实现一键控制。

混合动力带动

陆上钻井公司Patterson UTI利用Cortex处理器、该公司的APEX钻机操作系统,以及控制和/或监控从钻井自动化到减振所有事务的一套应用程序。Genesis应用程序用于控制钻机的发电机与环保型混合动力发动机。

Patterson UTI公司首席执行官Andy Hendricks在2019年9月Barclay能源电力领导人会议上表示:“Eco Cell公司正将我们的钻机改造为混合动力钻机。它是一组锂电池,可以替代钻机的整套发电机系统。当我们有多余电力时,它可以将之存储起来。当然,这需要很多电池,而且井架的结构也很大。但是,经过一年多的测试,我们欣然发现该技术降低了燃料使用量并改善了废物的排放。这是一种以混合动力运行钻机的技术。我们可自主选择何时用电池或柴油供电。”

过去十年,钻机已走了很长一段的发展之路。手动作业已实现自动化。程序化作业得以简化。如今,一些钻机可以移动,越来越多的钻机可共享组件,通过高速数据传输相互通信。所有这一切都驱使着油气行业进入新纪元,到那时候,将由全自动机器人钻井设备来执行非常规井的钻井作业。尽管在技术与文化上仍然需要克服巨大的障碍,但未来在油田中使用无人设备,可能会像智能手机一样普遍。

杜绝套管错扣

在油田周期性的低谷期,作业者与服务公司之间的话题往往更多着重于降本增效,而不是寻找下一个重大技术突破。脚踏实地充分利用公司的资产,而不是投入大量资金以实现梦想。尽管,对某些人而言,美国陆上钻机市场的疲软是痛苦的,但对于另一些人而言,这可能成为钻井设备革新的驱动力。近年来,钻机变得更大、更快、更强大、更智能。如此一来,间接推动钻机变得更安全、更经济。

通过2017年对Tesco的收购,Nabors工业公司已使其管柱产品趋于成熟,包括在现有设备中添加功能与软件套件,使客户能够以前所未有的方式操控该设备。Nabors以钻机为画布,以新技术为画笔,避免手动操作,引入更安全、更简化的作业,描绘出钻机自动化的新篇章。重点是将套管驱动系统(CDS)进一步集成到井队中。

Nabors公司的CDS集成冠军Brad Riley表示:“我们坚信,我们正朝着完全自动化的方向迈进。每家大型钻井承包商的目标都一致。我们都在追寻方法来增强产品线,为客户提供更多服务,并通过自动化来减少人力。讲真,在下套管期间,越多人距离转盘越远就越好。在美国本土,套管服务公司遭遇的很多伤害都是由管钳造成。它有很多活动部件,很多夹持点。我们的愿景是,如果可能的话,永远不要在Nabors钻机上配备管钳。我们开始着手从井口到生产管柱的全面整合,迄今为止,我们已经非常成功地完成了部分工作。”

CDS是一种液压驱动工具。其阀组安装在钻机的顶驱上,与CDS的阀块相匹配。钻机的液压系统直接插入该工具,使司钻可以完全控制套管的上扣作业。Nabors公司与附属公司Canrig合作开发出一款新型软件系统,使司钻仅需触摸一个按钮就可完成上扣作业。该按钮可执行预设参数的错扣检验流程,并可在软件中进行设置。如果检测出错扣,则发送信号以停止上扣作业,然后起出管柱,检查丝扣是否损坏。如果未检测到错扣,则继续以预设速度进行上扣。当达到所需的上扣扭矩时,顶驱则会减慢上扣速度。这种自动化的另一个优势是集成了自动灌浆功能,这是一种动态平衡管柱悬重的服务。

Riley解释道:“当服务公司接管柱时,通常需要停四到五次,甚至更多。例如接下生产管柱时,灌浆需耗费30分钟至1个小时,这样才能增加管柱的重量。我们把这个过程集成到一键设置中,使客户能够随时自动灌满管柱。以设定的泵冲进行灌浆。当管柱下入至钻台以下时,就会停泵。当松开接扣工具,重新准备下一个接扣作业时,几乎没有流体流出工具,因此泥浆不会沾到整个钻台或其他任何地方上。”

迄今为止,Nabors公司已经在美国本土发布了新型CDS系统,并在61个钻机上安装了阀组。截至9月初,该承包商在23个钻机上进行了集成式下套管作业:其中10个位于德克萨斯州西部的Permian盆地,两个位于德克萨斯州南部和东部,几个位于北达科他州,一个位于俄克拉荷马州。美国本土的所有Nabors钻机都可以进行CDS改造升级。

通常完成下套管作业需要6个人,该系统仅需3个人。作业时间与作业人数挂钩,但自动灌浆功能节省了更多时间,通常多达2到3个小时。安装时间也会更快。

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