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鉆井技術的不斷進步改變了作業的面貌。今天，機器完成了許多幾十年前靠人工完成的工作。持續的投資正在提供技術，將這些節省勞動力的設備轉變為完整的自動化系統。
 
通過自動化實現價值
 
鉆井承包商在復雜的作業環境中競爭項目。作業者想要高效、可靠的鉆機，他們也希望與承包商合作，這些承包商不斷應用技術來解決作業挑戰，并提供可衡量的改進。與此同時，運營商正在尋找具有良好鉆井性能和安全記錄的公司，這些記錄表明他們致力于降低風險和提高工人的安全。自動化使鉆井承包商能夠在每一層進行交付，如圖1所示。當鉆井活動實現自動化時，人們可以從重復性和潛在危險的活動中解脫出來，專注于需要在不同層次上思考的更高層次的任務。自動化減少了人為錯誤，確保了復雜鉆井環境的一致性和可靠性。簡化單個鉆井過程的結果顯示出可測量的性能改進。促使集成活動的概念，以實現更廣泛的自動化，從而獲得更大的收益。
 
下套管的更好方法
 
在常規的下套管過程中，提撈器采用升降機下放，攜帶管柱砝碼，在貓道后將套管接頭移至井中心，隨套管接頭在車廂內上移。在此過程中，司鉆松開，將側門升降機定位在滑輪中套管上方，然后關閉升降機，將鏈接上浮至井中心。工人用拖尾繩將管子拖尾，用手施加螺紋膠，然后將銷釘定位到卡瓦中的套管箱內。將套管接頭從貓道上吊裝下來，并與殘根中的現有接頭對齊后，由船員進行連接，使用動力鉗將套管接頭與套管柱連接。然后，司鉆人員拾取管柱重量，打開卡瓦，將套管柱下入孔內。這個過程在過去幾十年的陸上作業中沒有得到發展，它依靠船員在物理上組成套管柱。機械化是邁向自動化的第一步，因為它將任務從人力轉移到機器上，利用發動機的動力來執行體力要求高的任務。機器以一致的精度和準確度持續地執行著勞動密集型的活動，執行過程比人類工作人員更加高效和安全。
 
機械化與安全
 
動力鉗用于制造套管已有幾十年的歷史，它是工藝機械化的一個例子，改善了石油和天然氣的操作。使用這種工具，更少的工人可以完成與只使用手工工具的更大的船員相同的工作量。動力鉗增加了對扭矩施加的控制，使執行精確，過程可重復，同時減少了所需的人工搬運量。盡管動力鉗在套管接頭的上扣和脫扣方面有所改進，但由于需要人工干預，事故仍不斷發生。許多工人都有過拉傷、扭傷和重復性應力損傷的經歷（由于重復作業，如刺傷套管部分），以及在使用電動鉗、升降機和其他設備時由于不注意而割傷、撕裂和夾住手指和手。這是推動變革的重要因素。提高機械化實現自動化——機器在最少人工干預的情況下執行任務、做出決策和控制過程——降低了受傷和事故的風險，并將性能提升到一個新的水平。這種方法使用集成解決方案，用我們的CDS(CRT)代替動力鉗和升降機，體現了我們對任務的承諾,圖2.
 
設計更好的解決方案
 
向自動化套管柱上扣組裝的過渡始于對整個過程的回顧。通過評估確定了造成平井時間的常見因素，包括在接頭中對齊套管下放工具(CRT)、彌補連接、以及套管柱的間歇性鉆井液填充。該分析沒有將重點放在孤立的改進上，如使用動力鉗更容易地執行套管上扣和卸扣，而是將動力鉗和其他機械化工藝的使用放在了管柱下放服務(TRS)的背景下，該服務將套管下入工具(CRT)集成到鉆機及其鉆機操作系統(ROS)中。顯而易見，自動化CRT校準和上扣連接等關鍵任務可以解決常見的低效率問題，并消除許多與下套管相關的安全問題。完整的IntegraTMTRS解決方案包括機械升級和軟件創新，以優化套管連接時間，并減少因人為失誤而導致的接頭損壞的可能性，這在歷史上一直是安全事件的原因。
 
IntegraTM系統系統包括頂驅、套管驅動系統(CDS)和SmartROS®系統(圖3)—后者是一種可實現自動化的專有智能ROS。頂驅為自動化CDS提供動力，使其能夠旋轉和往復移動套管柱至總深度，并利用技術來簡化和自動化套管安裝過程，遵循自動化工作流程/配方并實施最佳實踐來給井下套管，同時保持最佳井筒完整性。這種整體方法消除了阻礙傳統鉆井作業效率和生產率的孤島，并在自動化操作系統的控制下無縫連接多個流程。
 
理解螺母和螺栓
 
將CRT與鉆機的液壓系統相結合，將機器人流量轉移到CDS工具。在機械方面，三個壓力傳感器提供反饋確認工具在提升管柱重量、釋放管柱重量或在單根圖3司鉆利用SmartROS鉆機操作系統從座椅上自動操作吊卡中處理套管接頭之前是安全操作的。軟件對頂驅動的邏輯進行了更改，使其能夠適應套管運行的應用程序。將套管下入操作與鉆機集成在一起的互鎖和權限，消除了套管落入井內或單根吊卡過載的風險。該技術允許與鉆機系統并行操作。鉆井人機界面（HMI）——司鉆用來與鉆機交互的控制面板——在CDS與頂驅裝配后，被置于兩種可選的套管下入模式之一。這使得鉆井HMI具有比CDS工具更全面的功能，并使司鉆能夠使用自動刺扎、自動填充和自動上料等自動化功能。這些自動化功能提供了對套管下入過程的控制，并以一致性的形式增加了價值，并且能夠縮短每個連接的時間。在整個鉆井過程中，這些加起來可以節省大量的生產套管作業時間。
 
在一次應用中，將CDS工具與接頭對齊所需的時間從30秒減少到10秒。時間運動研究表明，使用基于軟件的序列來自動化操作可以提供一致的性能和連接完整性，無論誰坐在司鉆的椅子上，以彌合經驗豐富的司鉆和缺乏現場經驗的司鉆之間的技能水平差距。在西德克薩斯州的現場試驗中，通過遵循基于軟件的序列，CDS對比時間減少了67%。過去，CDS工具在接頭中的校準過程取決于司鉆，完井速度取決于司鉆的經驗水平，但隨著自動化配方的出現，確保了整個套管下入作業的一致性，無需再進行經驗豐富的猜測。配方管理器確保刺入距離始終相同，并且每次連接過程中施加的扭矩和速度不變。該系統還包括在裝配任務開始時檢測交叉線程活動的參數。
 
隨著時間的推移，從將CDS工具與鉆井平臺的SmartROS®系統集成開始，編程工作不斷得到改進。由于理論和基于現場數據的鉆機物理控制之間存在差距，軟件工程師正在輸入代碼，以達到歷史上只有最有經驗的鉆井人員才能達到的精度操作設備。一個例子是改進塊松弛時使用自動化妝。司鉆通常會密切關注重量指示器，并調整松脫，使重量保持在規定范圍內。最初的規范設計只關注于絞車松弛時的每英寸螺紋數。經過多次試驗收集操作反饋后，工程師們修改了代碼，將重點放在重量上，這使得保持更嚴格的重量窗口。
 
在現場證明價值
 
在鉆井自動化的一個應用中，哥倫比亞的一名操作員采用傳統的下套管操作，需要將幾件設備移動到鉆臺，這需要額外的工作人員，并使更多的人員暴露在紅區的安全風險中。作業者將常規套管下入改為IntegraTMTRS集成套管下入，安裝自動CDS，并將其液壓連接到頂驅，從而降低了作業人員的風險。使用HMI屏幕，司鉆能夠監督操作，因為系統遵循輸入的參數，以確保在整個套管下入圖4通過對起裝（RU）和下裝（RD）時間的比較，可以發現自動化可以減少70%的連接時間。過程中連接一致。消除了估計每個連接所需的手動扭矩應用的猜測，并使工作人員遠離紅色區域。自動化縮短了每次連接的時間，將套管性能速度提高了21%,將起下鉆時間縮短了70%,相當于4小時(圖4)。自動對扣是套管柱上扣過程的關鍵部分。為了啟用Autostab，配方管理器存儲并應用OEM推薦的參數，包括旋轉和扭矩的頂驅設定值，以及為連接構建過程中每個環節指定的速度輸入。值得注意的是，在旋轉增加到更高的自旋轉/分鐘（RPM）之前，交叉螺紋轉/分鐘被設置為低，以檢測初始旋轉中的交叉線程。在組裝關節的最后一轉中，肩部向上的轉速被調整到較低的速度，并施加最佳扭矩。在頂驅控制CDS的30~40秒內，鉆井工人可以離開紅色區域。自動化系統還消除了鉆井液充填套管柱時的間歇性停頓。配方管理器中的自動填充功能允許司鉆輸入每個接頭的計算沖程來控制泥漿泵，在套管連接完成時通過CDS進行通信。
 
在一根500接頭的生產管柱上，傳統的每20接頭加注套管10分鐘，共加注25次，總計250分鐘。(略多于4小時)。另一個有助于縮短平井時間的因素是將CDS工具與已裝入轉盤套管柱中的接頭對齊。在人工作業中，該過程所需的時間取決于司鉆的專業知識。在裝置中增加了一個連桿傾斜穩定器，以減輕外部因素，如陣風會影響連桿傾斜并影響對齊，并在執行器上放置了一個支架，并固定在每個連桿傾斜上，以限制運動范圍。自動化妝微調，以減少步驟之間的過渡時間，加快進程。這些階段組合成一個完整的上扣序列，由司鉆按下按鈕激活。如果連接不正確，聯鎖裝置會凍結作業，阻止司鉆繼續作業，直到警告得到確認和解決。這一特點大大降低了套管柱落入井筒的可能性。Autostab專有技術首次應用于二疊系盆地7.625英寸中間套管上。連接順序的自動化為司鉆減少了四個步驟。現場結果顯示，與傳統安裝工藝的2:06分鐘相比，Autostab的卡瓦連接時間為2分12秒。雖然Autostab技術的首次試驗反映了手動和自動上扣之間的連接時間差異可以忽略不計，但它證明了該技術實現一致性的能力，彌合了現場有經驗和無經驗的司鉆之間的差距。時間/運動對比顯示，當使用自動化軟件時，從插入CDS到完成連接所需的時間更短，如圖5所示。
 
自動化的未來
 
自動化下套管有助于彌補經驗不足和經驗豐富的鉆井人員之間的差距，并簡化整個過程，以提高一致性和效率。集成遠程扭矩轉向、液壓升降機和貓道尾臂，正在徹底改變鉆井，同時減輕潛在的風險。尚未開發的能力有望在短期內實現更大的自動化。海上鉆井的自動化已經成為可能，TRS提供了一套全面的服務和技術，可以安全有效地下入套管和油管，允許一個操作人員控制多個設備。工程師們正在研究改進陸上自動化程度，評估從貓道到油井中心的尾管過程自動化概念,以提供完全免提的套管下入，使作業者能夠規定套管下入的深度和速度，規定填充每個接頭的泥漿量，并監測位移，因此司鉆只需監督處理過程。如今，將系統與SmartROS®技術結合在一起，可以在全球陸上鉆井平臺上擴展自動化。智能鉆機操作系統支持的基于深度的配方具有擴展自動化的潛力，可以根據深度和下入井速設置深度觸發器來制定套管配方。很明顯，該行業將繼續追求自動化和優化，以獲取越來越大的價值。采用自動化等技術進步可以提高作業效率，并為參與鉆井作業的每個人創造更安全的工作環境。