石油圈
結合軟件升級與機器學習，如今的手動鉆機正逐步向自動化發展。
編輯 | 大安
順暢的導向作業
井隊的高端產品正朝著自動化集成等方面取得有意義的進展。專業服務公司致力于通過先進的工具與軟件，推動其他關鍵領域的發展。這些先進技術帶來了更快、更安全、更經濟的服務，同時也提供了先進的建井方式與最優的著陸效率，這將在其生產階段帶來回報。畢竟，鉆井的目的是達到產層，但若能提供一條更清晰、直達地層深處的井眼軌跡就會更好。在2016年，Weatherford開始關注旋轉導向系統（RSS）的客戶需求，并獲得一系列的需求清單。最終，這些需求奠定了其Magnus系統的基礎。
Weatherford鉆井與地層評價總裁Etienne Roux說：“過去三年，我們一直認為正在走出低迷期，我們的大多數工程、努力與研發經費都投入到了技術領域。我們花了大量時間與客戶進行前期溝通，了解他們的驅動力與核心需求。我們已經大幅減少了正在開展的工程項目的數量，淘汰了那些雖然好但不實用的東西，并與客戶商討了實際需要什么以及他們的優先事項?！?/p>
圖1 Weatherford的Magnus旋轉導向系統采用推鉆頭設計，可在任何環境下實現精確的定向導向。（來源：Weatherford）
針對旋轉導向系統，客戶希望實現以下三點：能夠將扭矩從更大、更強的鉆機與新型泥漿馬達（用于配備馬達的旋轉導向系統）傳遞至鉆頭；防止井下工具卡死/斷裂的方法；更高的作業效率與利用率。理論上，Weatherford制定了一個既靈活又模塊化的穩定設計。在此之前，鉆井承包商從未有過自己的推鉆頭式旋轉導向系統。該公司邀請了內部客戶，11個月內就在市場上推出了8.5寸樣品工具。2017年4月在俄克拉荷馬州的測試地點，進行了第一次現場測試，即鉆一口真正的井。Magnus的首次商業應用將于一年后進行。
Roux說：“我們設計了一個非常靈活的工具。到目前為止，我們還沒有把工具遺失在井筒中。Magnus沒有遺失任何工具，因此，在美國與全球部署了大量6.75寸工具后，我們認為我們已經實現了這一關鍵需求。說到創新點與技術特點，這套控制系統很好地解決了工具的空間定位問題，其速度在業中處于領先地位，因此能鉆出非常光滑的軌跡，并能適應各種井下條件。
他接著說：“實際上，我們將成像工具安裝在這些導向工具的后方，用線圖形式向客戶展示鉆井過程。為什么我可以說我們的作業更順暢？我們的旋轉導向工具在持續旋轉期間，其三個推力塊是完全獨立制動的，這在業內是首屈一指。在旋轉鉆進期間，其它推鉆頭式旋轉導向系統需要隨時激活推力塊。而我們的系統，泥漿直接作用于推力塊，因此我們稱之為真正的獨立控制。如此設計的原因在于以下三點：鉆出更平滑的井眼軌跡；鉆進期間可從井口打開或關閉推力塊（例如在鉆出管鞋時）；工具采用模塊化設計。如果從井眼中起出該工具，發現需要更換其中一個推力塊，那么則無需將其運往維修中心?？梢灾苯訉⒁粋€控制模塊送到井場，重新裝回推力塊，對它進行功能測試，然后就可恢復鉆進作業。這確實是與眾不同，有助于提高我們的周轉速度，還有助于優化鉆井的設計與作業方式?！?/p>
圖2 Weatherford的Magnus旋轉導向系統具有完全獨立的推力塊控制，可實現精確中靶與穩斜控制。（來源：Weatherford）
無論是鉆機承包商、作業者還是獨立服務商，Weatherford都能提供量身定制的技術。Magnus現在擁有6.75寸系列工具，可應用于8.375寸至8.75寸的井段。而且正在美國、墨西哥和中東使用9.5寸的工具進行商業鉆井作業，鉆進12.25寸的井段。我們剛剛發布了11寸的工具，最大可應用于17.5寸的井段。最終，還將應用于超過17.5寸的井段。
自Magnus推出以來，該技術已廣泛應用于全球的陸地與海上作業，包括Permian盆地超過24000英尺的水平段，美國與加拿大的各種陸上油藏，以及拉丁美洲，歐洲和中東。
機器人鉆機的崛起
未來總是風云變幻，充滿著最好的樂觀主義與最壞的不確定性。當談及陸地鉆井隊時，迅速涌現的話題便是集成以及日益實現自動化。以前手動執行的任務現在由機器代替。發生這種情況的主要原因有兩個：一是實現自動化的技術已經成熟，二是可提高安全性，使油井可預測、成本更低。放眼整個鉆井行業，接納自動化是一項深思熟慮的任務。各公司在實現首個全自動鉆機的過程中，一直采取謹慎而有意義的步驟，以引入不同方面的自動化。
圖3 H＆P公司最近一直在強化其技術產品，包括2019年8月收購DrillScan公司。這是一家提供鉆井工程軟件、油氣井工程服務、油氣行業培訓的供應商。（來源：H＆P公司）
H＆P公司商業戰略副總裁Shawn DeVerse說：“我不認為我們可以簡單地直接跳躍至全自動鉆機的階段?，F如今，我們擁有的技術能夠替代人類，自動完成許多動作與決策。為了更大程度地利用這些技術，則需要改變油氣行業的傳統文化。它要求人們改變自己的行為或習慣。這更像是一種管理變革或文化變革，而不是管理層的承諾或投資?！?/p>
機器學習、物聯網以及所有這些21世紀的流行詞匯都在助長這樣一種觀念：在不遠的將來，油氣行業將可以承包一個完全自動化的鉆機來進行作業。與汽車行業內部正在發生的變化(比如車道保持系統、自適應巡航控制、自動制動等)不同，鉆井行業正在接近無人駕駛汽車。
從自動鉆井的角度來看，該技術擁有直接且可衡量的優勢。例如更一致的滑動鉆進作業，更低的工具故障率，這些都能夠降低人工成本，提高作業效率。而且，這些僅是較小的優勢。想要真切觀察到轉變，你必須長期參與其中。在帶來顯著影響之前，基礎觀念也需真正經歷這種轉變。
DeVerse說：“如果你已經了解我們的自動鉆機發展到哪個階段，那么你就可以著手利用這些自動化組件，并將它們以一種協同的方式整合在一起。然后，你將開始優化整個作業流程。將所有不同的決策組件（動態設計、地質導向、鉆井優化）整合起來，構建出真正的優化狀態?！?/p>
完全自動化的早期發展集中在硬件本身。如今，該行業重點關注的是智能化與實際控制鉆機的決策，并試圖將整個鉆井作業流程整合到統一的過程中。若分階段解讀該進程，則先是輸入鉆井設計的數據，然后實時數據可提供井眼形狀與巖石特征的信息。當然，有多種輸入來源。通常，決策過程被細分為眾多專業學科（即定向井工程師，泥漿工程師，鉆井工程師以及甲方人員），每個人都使用不同的數據集來制定決策。
更高的可預測性與效率將給作業者帶來可觀的利潤與投資回報。迄今為止，這一直是推動油氣行業實現自動化的關鍵因素。
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