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钻井自动化(二):导向和钻机的变革

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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

顺畅的导向作业

井队的高端产品正朝着自动化集成等方面取得有意义的进展。专业服务公司致力于通过先进的工具与软件,推动其他关键领域的发展。这些先进技术带来了更快、更安全、更经济的服务,同时也提供了先进的建井方式与最优的着陆效率,这将在其生产阶段带来回报。毕竟,钻井的目的是达到产层,但若能提供一条更清晰、直达地层深处的井眼轨迹就会更好。在2016年,Weatherford开始关注旋转导向系统(RSS)的客户需求,并获得一系列的需求清单。最终,这些需求奠定了其Magnus系统的基础。

Weatherford钻井与地层评价总裁Etienne Roux说:“过去三年,我们一直认为正在走出低迷期,我们的大多数工程、努力与研发经费都投入到了技术领域。我们花了大量时间与客户进行前期沟通,了解他们的驱动力与核心需求。我们已经大幅减少了正在开展的工程项目的数量,淘汰了那些虽然好但不实用的东西,并与客户商讨了实际需要什么以及他们的优先事项。”

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图1 Weatherford的Magnus旋转导向系统采用推钻头设计,可在任何环境下实现精确的定向导向。(来源:Weatherford)

针对旋转导向系统,客户希望实现以下三点:能够将扭矩从更大、更强的钻机与新型泥浆马达(用于配备马达的旋转导向系统)传递至钻头;防止井下工具卡死/断裂的方法;更高的作业效率与利用率。理论上,Weatherford制定了一个既灵活又模块化的稳定设计。在此之前,钻井承包商从未有过自己的推钻头式旋转导向系统。该公司邀请了内部客户,11个月内就在市场上推出了8.5寸样品工具。2017年4月在俄克拉荷马州的测试地点,进行了第一次现场测试,即钻一口真正的井。Magnus的首次商业应用将于一年后进行。

Roux说:“我们设计了一个非常灵活的工具。到目前为止,我们还没有把工具遗失在井筒中。Magnus没有遗失任何工具,因此,在美国与全球部署了大量6.75寸工具后,我们认为我们已经实现了这一关键需求。说到创新点与技术特点,这套控制系统很好地解决了工具的空间定位问题,其速度在业中处于领先地位,因此能钻出非常光滑的轨迹,并能适应各种井下条件。

他接着说:“实际上,我们将成像工具安装在这些导向工具的后方,用线图形式向客户展示钻井过程。为什么我可以说我们的作业更顺畅?我们的旋转导向工具在持续旋转期间,其三个推力块是完全独立制动的,这在业内是首屈一指。在旋转钻进期间,其它推钻头式旋转导向系统需要随时激活推力块。而我们的系统,泥浆直接作用于推力块,因此我们称之为真正的独立控制。如此设计的原因在于以下三点:钻出更平滑的井眼轨迹;钻进期间可从井口打开或关闭推力块(例如在钻出管鞋时);工具采用模块化设计。如果从井眼中起出该工具,发现需要更换其中一个推力块,那么则无需将其运往维修中心。可以直接将一个控制模块送到井场,重新装回推力块,对它进行功能测试,然后就可恢复钻进作业。这确实是与众不同,有助于提高我们的周转速度,还有助于优化钻井的设计与作业方式。”

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图2 Weatherford的Magnus旋转导向系统具有完全独立的推力块控制,可实现精确中靶与稳斜控制。(来源:Weatherford)

无论是钻机承包商、作业者还是独立服务商,Weatherford都能提供量身定制的技术。Magnus现在拥有6.75寸系列工具,可应用于8.375寸至8.75寸的井段。而且正在美国、墨西哥和中东使用9.5寸的工具进行商业钻井作业,钻进12.25寸的井段。我们刚刚发布了11寸的工具,最大可应用于17.5寸的井段。最终,还将应用于超过17.5寸的井段。

自Magnus推出以来,该技术已广泛应用于全球的陆地与海上作业,包括Permian盆地超过24000英尺的水平段,美国与加拿大的各种陆上油藏,以及拉丁美洲,欧洲和中东。

机器人钻机的崛起

未来总是风云变幻,充满着最好的乐观主义与最坏的不确定性。当谈及陆地钻井队时,迅速涌现的话题便是集成以及日益实现自动化。以前手动执行的任务现在由机器代替。发生这种情况的主要原因有两个:一是实现自动化的技术已经成熟,二是可提高安全性,使油井可预测、成本更低。放眼整个钻井行业,接纳自动化是一项深思熟虑的任务。各公司在实现首个全自动钻机的过程中,一直采取谨慎而有意义的步骤,以引入不同方面的自动化。

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图3 H&P公司最近一直在强化其技术产品,包括2019年8月收购DrillScan公司。这是一家提供钻井工程软件、油气井工程服务、油气行业培训的供应商。(来源:H&P公司)

H&P公司商业战略副总裁Shawn DeVerse说:“我不认为我们可以简单地直接跳跃至全自动钻机的阶段。现如今,我们拥有的技术能够替代人类,自动完成许多动作与决策。为了更大程度地利用这些技术,则需要改变油气行业的传统文化。它要求人们改变自己的行为或习惯。这更像是一种管理变革或文化变革,而不是管理层的承诺或投资。”

机器学习、物联网以及所有这些21世纪的流行词汇都在助长这样一种观念:在不远的将来,油气行业将可以承包一个完全自动化的钻机来进行作业。与汽车行业内部正在发生的变化(比如车道保持系统、自适应巡航控制、自动制动等)不同,钻井行业正在接近无人驾驶汽车。

从自动钻井的角度来看,该技术拥有直接且可衡量的优势。例如更一致的滑动钻进作业,更低的工具故障率,这些都能够降低人工成本,提高作业效率。而且,这些仅是较小的优势。想要真切观察到转变,你必须长期参与其中。在带来显著影响之前,基础观念也需真正经历这种转变。

DeVerse说:“如果你已经了解我们的自动钻机发展到哪个阶段,那么你就可以着手利用这些自动化组件,并将它们以一种协同的方式整合在一起。然后,你将开始优化整个作业流程。将所有不同的决策组件(动态设计、地质导向、钻井优化)整合起来,构建出真正的优化状态。”

完全自动化的早期发展集中在硬件本身。如今,该行业重点关注的是智能化与实际控制钻机的决策,并试图将整个钻井作业流程整合到统一的过程中。若分阶段解读该进程,则先是输入钻井设计的数据,然后实时数据可提供井眼形状与岩石特征的信息。当然,有多种输入来源。通常,决策过程被细分为众多专业学科(即定向井工程师,泥浆工程师,钻井工程师以及甲方人员),每个人都使用不同的数据集来制定决策。

更高的可预测性与效率将给作业者带来可观的利润与投资回报。迄今为止,这一直是推动油气行业实现自动化的关键因素。

 

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