二疊紀盆地已經試運行了一臺 全自動鉆井平臺，但經濟和互操作 性方面的挑戰可能會使短期內的重 點放在自動化特定任務上，以實現 切實的效率提高 近年來，業內對鉆 井作業中關鍵功 能的自動化價值 達成了共識：它 在提高鉆機和井筒的安全性、提 高效率和性能方面具有很大潛力。 結果也得到了充分的證明。然而， 當談到大規模部署全自動鉆井平 臺的可行性時，似乎還沒有達成 共識。

一些人認為，大規模的全 面自動化離成為現實并不遙遠。 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，今年完 成了?？松梨谠诙B紀盆地的 試點作業。 Nabors 的控制和自動化總監 Brett Schellenberg 表示 :“當 我們能夠將人們轉移到安全的地 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，它使我們能夠標準化來 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 些事情標準化，并在我們的船隊 中不斷重復這些事情，以提高我 們的周期時間。” 另一個業內人士則對全自動 鉆井平臺是否會在不久的將來占據 主導地位持懷疑態度。常見的障礙 包括 : 可在鉆機之間使用的標準控 制接口的開發，以及建造新鉆機或 對系統進行資本密集型改造的財務 挑戰，這些系統可以完全自動化仍 由人工執行的各種任務。

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

為了實現鉆井平臺的完全自 動化，該平臺被機器人管架取代。 這 個 機 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。司鉆在司鉆室內通過并入 Nabors 公司 SmartROS 的自動 管狀管理應用程序控制機器人， 該應用程序可以控制鉆機的控制 系統和管理鉆機上的設備。 通過將鉆臺上使用的不同管 柱的規格輸入到管柱管理應用程 序中，例如，鉆鋌的內徑和外徑， 應用程序的算法將自動跟蹤管柱 的運動。該應用程序還會測量每 個連接的扭矩，并將該信息傳遞 給機器人管道處理程序。 Nabors 控制與自動化高級 經理 Ram Murthi 表示，開發這 種智能管柱管理系統是實現鉆機 完全自動化的最大挑戰之一。這 主要是因為該系統必須考慮到各 種各樣的管柱，以及確保管柱定 位的精度和準確性。此外，該公 司還必須能夠管理油管從一個系 統到另一個系統的流動，并與鉆 臺上的其他工藝和設備協調。

該 鉆機實現全面自動化的另一個關 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 操 作 系 統 上。R801 包 含 了 Nabors 現 有 的幾個軟件解決方案，并且還專 門為該項目開發了新的解決方案。 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 更新作業順序，以避免意外的井 下危險。R801 上的另一款應用 是 SmartSLIDE，這是一款自動 滑動鉆井的定向控制轉向系統。 Nabors 表 示， 雖 然 R801 的鉆井平臺上沒有工作人員，但 鉆井現場的工作人員數量仍然大 致相同，只是他們的職責不同。 現場仍有一名司鉆監督整個作業， 而其他工作人員則負責維護、檢 查和鉆機移動等基本任務。 鉆井平臺也進行了一些設計 上的改變，以確保工作人員的安 全。紅色區域被圍起來，并配備 了與鉆井控制系統相連的運動檢 測傳感器。如果傳感器檢測到有 人進入該區域，紅色區域內的移 動設備將自動停止。司鉆的艙室 也高于鉆臺，與標準的陸地鉆機相比略高。主要是為了幫助鉆井 人員更好地觀察自動化鉆臺，并 進一步消除潛在的危險。 雖然沒有提供試驗項目的詳 細 性 能 數 據， 但 Schellenberg 指 出， 該 活 動 沒 有 發 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 現在 專注于將 R801 的軟件和機器人 組件改造到其他現有的鉆機上， 而不需要進行重大的重新設計。 今年晚些時候，該公司計劃在現 有的 Nabors 鉆機上部署模塊化 自 動 化 系 統。Schellenberg 表 示，此舉更符合該行業當前的經 濟現實。 他說：“隨著我們開始將這 些產品商業化，我們真的希望能 夠專注于模塊化，靈活和靈活地 適應任何鉆機配置。”“隨著鉆 井平臺自動化的不斷發展，我們 的重點將是現有鉆機的可擴展性。 資金不再那么容易獲得，所以我 們需要考慮提供這些技術，而不 是讓客戶不得不建造全新的鉆井 平臺。” 以實際利益為目標的自動化 許多鉆井行業人士仍對在不 久的將來實現完全自主鉆井的可 行性持懷疑態度，尤其是大規模 自主鉆井。Ensign 鉆井解決方 案副總裁 Mark Anderson指出， 人工在鉆機上完成的任務非常復 雜多樣。他說，對于一個自主系 統來說，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 現每一項任務和所有突發事件的 自動化，而從開發成本來看，這 樣做的經濟效益是不可行的。” “此外，我們擁有龐大的設備安 裝資本基礎。我不認為我們會為 了一個自動系統而放棄 2000 臺 現代空調設備。”

相 反，Anderson 表 示， 他 認為自動化是一段“旅程”。與 其嘗試開發完全自動化的鉆機來 大規模部署，鉆井承包商更有可 能擴大可自動化鉆機的任務列表。 在 Ensign，除了開發 EDGE 鉆 機操作系統 ( 將自動化控制系統 與基于云的機器學習算法相結合， 以優化鉆井性能 ) 外，該公司最 近還專注于開發用于自動擴眼、 基于 mse 的 ROP 優化和自動下 行到旋轉導向系統的工具。該公 司還在開發一個工具面自動化控 制的原型。 此 外，Ensign 還 為 所 有 鉆 機設備開發了具有下鉆能力的人 機界面，以及一鍵連接系統，使 司鉆只需按下一個按鈕，就可以 在鉆機上啟動某些關鍵功能的自 動化程序。該系統激活頂部驅動 和泵，將鉆頭驅動至底部。 他說 :“在系 統下放鉆頭的 同時，司鉆進行連接，從卡瓦中 取出鉆柱，按下一個按鈕，然后 進行其他操作，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，關閉頂 部驅動，停止泥漿泵，然后讓司 鉆關閉系統。鉆井工人喜歡這個 系統。我們正在努力改善鉆井系 統的一小部分，然后人類可以完 成我們還沒有完成的其他部分。” Anderson 認為，自動化系 統的遠程操作將在未來幾年為鉆 井承包商帶來顯著的經濟效益。 “設備控制系統并不在乎控制是 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還是人類。 您可以在場外中心更改設定點， 也就是遠程更改自動化鉆井控制 系統中的變量。這些都是我們可 以真正受益的領域。”

大規模的完全自動化 能成為現實嗎 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 發全自動鉆機的計劃。目前，作 業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 種自動化應用。除了這些應用和 鉆井承包商提供的其他自動化工 具外，作業者將“完全自動化”( 包 括管柱處理)視為一個長期目標。 Willis 指出，管道處理是實 現大規模自動化的一個關鍵障礙。 由于管架系統中各種各樣的管柱 尺寸和預定義的位置，這仍然是 人工在鉆機上執行的較為復雜的 任務之一。雖然在開發陸地鉆機 的自動管道處理方面已經做了一 些工作，但他表示，成本是一個 關鍵問題。 “很多自動化系統的問題是， 它們從來沒有一個能與優秀的鉆井人員競爭。優秀的船員總是更 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，比如機械臂等 系統可以改裝到現有的鉆機上。 “今天的情況非常不同。

在我看 來，機器人技術發展到可行的程 度只是時間問題。” 大規模實現完全自動化的另 一個障礙是缺乏可在鉆機間使用的 互操作系統。威利斯表示，仍需填 補的關鍵功能缺口包括一個標準控 制系統界面和一個讓自動化應用程 序同時工作的標準系統。此外，他 還指出，需要一種標準接口來將鉆 井計劃傳輸到鉆機的自動化控制系 統中。井眼規劃數據與鉆機系統之 間的互操作性，以及遠程配置自動 化參數的能力，對于大規模實現全 面自動化至關重要。 他補充說，目前的自動化系 統仍然需要大量的人工數據輸入 和系統配置。他們不是幫助鉆井 工人，尤其是經驗不足的鉆井工 人，而是經常向鉆井工人提出更 多要求。這使得這些系統難以實 施，尤其是在如今的環境中，因 為越來越難以雇傭有經驗的鉆井 人員。 Willis 表示：“自動化的愿 景是，盡管鉆井人員經驗不足， 但仍能保持穩定的性能。”然而， 如今，自動化的使用需要大量的 數據輸入和系統配置，因此，鉆 井人員需要成為人工操作和自動 化系統配置方面的專家，而不是 經驗不足的鉆井人員。” 他還指出，鉆井是一個周期 性行業。“鉆機數量有升有降。 當經濟衰退時，我們就會失去人 手，而當經濟復蘇時，我們就得 雇人。每次我們雇傭新員工，他 們都會在學習的過程中犯錯。減 少學習曲線的兩種方法是在自動 化系統中獲取知識，并在遠程專 家中保留知識。然后，那些來自 你的優秀員工的專業知識，存儲 在自動化系統中，可以持續地應 用。

專家遠程監控鉆機的知識可 以應用于很多鉆機，而不是一個 鉆機。” 將 MPD 集成到鉆機控制中 控壓鉆井 (MPD) 已經成為一 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 系統集成到鉆機的自動化基礎設 施 ( 包括硬件、軟件和程序 ) 中是 一種簡化流程的方法。 據控壓鉆井高級副總裁Mark Mitchell 表 示，NOV 一 直在努力確保其 MPD 系統在鉆 機自動化系統中無縫工作。當鉆 機的控制系統更新為 MPD 功能 時，鉆井人員可以獲得額外的控 制、MPD 屏幕視圖和數據趨勢。 MPD 系統不會取代或阻礙司鉆使 用常規鉆井工具。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據 集 (MPD 數據是子集之一 )，并 將其聚合起來，以顯示有用的信 息，從而實現更快、更準確的決 策。

“自動化水平很重要 ; 如 果每個人只是自動化和集成自己 的獨立數據子集，那么系統的全 部潛力就無法實現。” 系統控制可以直接連接到 鉆機的控制系統中，也可以通過 NOV 的 NControl軟件平臺間 接集成。該開放式架構平臺與鉆 井平臺的控制系統和任何對 MPD 作業 ( 如錄井 ) 重要的第三方接口 進行通信。一體化程度取決于鉆 井平臺所有者和作業公司的偏好。 2018 年，NOV 將主動控制 裝 置 (ACD) 納 入 其 產 品 組 合。 ACD 是一種用于 MPD 作業的主 動、非旋轉密封裝置，通過環形 封隔器系統提供的密封套筒來密 封井筒環空，并實現回井分流。 當密封套筒磨損時，系統會自動 改變密封上的液壓關閉壓力，以 補償磨損，并適應導致磨損的工 具接頭的通過。 ACD 是一個主動系統，而不 是一個被動系統，就像一個傳統 的旋轉設備。這種設計消除了對 復雜軸承組件和高磨損旋轉密封 組件的需求，這些在 MPD 作業 期間造成了非生產時間。 此外，它允許控制系統監測 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， 司鉆可以手動調節密封關閉壓力 或允許 ACD 在自動模式下運行。 控制系統根據傳感器反饋自動做 出這些調整。 “使用 RCD，你永遠不會真 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 進行 MPD 作業。自該 技術問世以來，已經有超過 30 口 井采用了該技術。