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?？松梨阢@井機(jī)器人完成第一口井鉆進(jìn)

埃克森美孚（ExxonMobil）公司日前正在使用Pace R801自動(dòng)鉆機(jī)，在美國(guó)得州二疊紀(jì)油田進(jìn)行鉆井作業(yè)。

全球鉆井機(jī)器人的研制可以追溯到2008年，當(dāng)時(shí)挪威國(guó)家石油公司（Equinor）最初資助了一家挪威初創(chuàng)公司。2017年，在挪威試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)設(shè)備進(jìn)行評(píng)估后，美國(guó)Nabors公司收購(gòu)了此機(jī)器人。

預(yù)計(jì)到2025年，全世界大部分油田都會(huì)用上自動(dòng)鉆機(jī)。鉆臺(tái)上僅有一個(gè)機(jī)器人，就會(huì)完成今天多人工作。機(jī)器人可以有條不紊地抓起鉆桿，并將其精確地移動(dòng)到鉆井轉(zhuǎn)盤的中心孔上方，以最快速度連接起鉆柱。

截至2021年10月18日，自動(dòng)鉆機(jī)PaceR801已在埃克森美孚井場(chǎng)上完成了第一口井鉆進(jìn)，并開(kāi)始在第2口井上鉆井。鉆臺(tái)視頻顯示鉆臺(tái)上的鉆桿排列在架子上，各個(gè)鉆柱具有不同的螺紋規(guī)格。機(jī)器人伸手拿起一根約45英尺長(zhǎng)鉆桿，憑借儀器識(shí)別鉆桿螺紋模式，并且以正確的方式進(jìn)行鉆桿的旋轉(zhuǎn)與連接。

機(jī)器人的手臂，將完成連接的鉆桿，移動(dòng)到鉆臺(tái)轉(zhuǎn)盤中心，并將鉆桿垂直固定到位。然后，另一個(gè)機(jī)械裝置在應(yīng)用程序控制下繼續(xù)連接鉆柱，并且將鉆柱降至井底，從而恢復(fù)鉆機(jī)鉆進(jìn)。

自動(dòng)鉆井已經(jīng)做到鉆臺(tái)上無(wú)人值守。原有鉆井人員，目前還在鉆機(jī)上工作，但是僅執(zhí)行檢查、維護(hù)、維修和鉆機(jī)移動(dòng)等工作。機(jī)器人能夠在不到1分鐘時(shí)間內(nèi)，完成從卡瓦到卡瓦所對(duì)應(yīng)的管柱的連接。

目前，多家歐美石油公司都在研究自動(dòng)鉆機(jī)，希望實(shí)現(xiàn)鉆井自動(dòng)化目標(biāo)。其目的是即便低技能司鉆，也能夠通過(guò)依靠自動(dòng)化學(xué)到經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用于更快更好地鉆進(jìn)中，從而達(dá)到與高技能司鉆相同水平。

自動(dòng)化鉆桿處理機(jī)器人是一個(gè)驚人的進(jìn)步，因?yàn)槠鸪蹉@井行業(yè)在管柱連接機(jī)械化方面進(jìn)展緩慢。陸地鉆機(jī)對(duì)機(jī)械鉆柱處理系統(tǒng)的需求較少，因?yàn)椤叭祟愐苿?dòng)速度非?？臁?。在鉆臺(tái)司鉆室里，司鉆打開(kāi)了系統(tǒng)并按下了“鉆進(jìn)”鍵，啟動(dòng)一個(gè)名為“排管引擎”程序。剩下的事，是這一程序所含的所有工序步驟，由相應(yīng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)執(zhí)行。這些一系列精確執(zhí)行的步驟都是經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，以求各個(gè)動(dòng)作之間的時(shí)間損失最小。

自動(dòng)鉆井是利用機(jī)器人、自動(dòng)化、計(jì)算和數(shù)據(jù)的綜合能力，共同進(jìn)行鉆井優(yōu)化。自動(dòng)化已經(jīng)滲透到關(guān)鍵鉆井功能中，從鉆井曲線到連接管道時(shí)最大程度地減少粘卡事故，并減少起下鉆作業(yè)。機(jī)器人能夠在不到1分鐘的時(shí)間內(nèi)，完成從卡瓦到鉆桿的連接操作。利用機(jī)器人，可以讓工人離開(kāi)鉆臺(tái)，離開(kāi)危險(xiǎn)區(qū)域。當(dāng)前機(jī)器人處理鉆柱的速度較快，為了保證安全，需要在鉆臺(tái)建立一個(gè)無(wú)人工作空間。編程人員專門調(diào)低了鉆井機(jī)器人的移動(dòng)速度，以確保其部件碰到人身之前時(shí)即刻停止。因?yàn)樵诠ぷ鲿r(shí)，人類容易做出不可預(yù)測(cè)的動(dòng)作。

在鉆井平臺(tái)的司鉆按下啟動(dòng)按鈕后，鉆機(jī)自動(dòng)起下鉆系統(tǒng)可以1800英尺/小時(shí)的速度處理套管的起下作業(yè)。自動(dòng)作業(yè)系統(tǒng)，依靠各種控制參數(shù)進(jìn)行鉆進(jìn)。埃克森美孚公司列出了150個(gè)鉆機(jī)參數(shù)，涵蓋了從鉆頭重量到鉆井速度等各個(gè)方面機(jī)械狀態(tài)與運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

近來(lái)國(guó)際石油公司的鉆機(jī)和鉆井設(shè)備上的傳感器數(shù)量繼續(xù)增加，哈里伯頓等服務(wù)公司正在努力改進(jìn)鉆井中收集數(shù)據(jù)的處理方式。其新一代隨鉆測(cè)量（MWD）工具，將在井下處理所收集數(shù)據(jù)，并且還能使數(shù)據(jù)直接輸入到自動(dòng)控制系統(tǒng)，即鉆井信息處理機(jī)器人。然而哈里伯頓公司遇到困難，即當(dāng)鉆井?dāng)?shù)據(jù)量和規(guī)模不斷增長(zhǎng)時(shí)，可實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛娴臄?shù)據(jù)量，通常僅限于使用泥漿脈沖發(fā)送的數(shù)據(jù)量。而在鉆井現(xiàn)場(chǎng)，傳遞信息的泥漿脈沖，僅在泥漿泵開(kāi)啟時(shí)才能傳輸有限數(shù)量的數(shù)據(jù)。近年來(lái)哈里伯頓公司開(kāi)發(fā)新的MWD系統(tǒng)，可做到當(dāng)鉆機(jī)上提鉆柱時(shí)，也能夠通過(guò)泥漿傳遞信息。但這項(xiàng)技術(shù)還在試驗(yàn)之中。

鉆井界公認(rèn)，將數(shù)據(jù)迅速傳輸?shù)降孛娴淖罴逊椒ǎ抢勉@柱有線通訊。這種方法，也可以將電力和信息返傳回井底。但在鉆井現(xiàn)場(chǎng)，返傳送功能并不常用。事實(shí)上，國(guó)際上使用有線鉆柱進(jìn)行井下與地面通訊，已經(jīng)實(shí)施15年。自動(dòng)鉆井的鉆機(jī)，常使用有線鉆柱作為快速雙向通信的載體。

實(shí)施無(wú)水泥固井作業(yè)可降低成本減少排放

美國(guó)俄克拉何馬（Oklahoma）大學(xué)與成立于1994年的Welltec油井服務(wù)公司共同研發(fā)油氣田無(wú)水泥固井作業(yè)工藝，可以降低成本減少排放。

從油田開(kāi)發(fā)原理來(lái)看，油井作業(yè)主要依賴于兩個(gè)要素，即套管和水泥。作業(yè)目的，是達(dá)到保持油井整體性目標(biāo)。首先，作業(yè)人員回顧各種固井作業(yè)井型，如小井眼、常規(guī)井眼、鹽下地層常規(guī)井與鹽下地層水平井，其套管與水泥厚度，與常規(guī)井型無(wú)法相比，強(qiáng)度要相對(duì)薄弱一些。其次，在油田作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，當(dāng)前的新的固井工藝趨勢(shì)，是包括外部套管在內(nèi)的各種封隔器解決方案。例如，使用金屬進(jìn)行井眼與地層的封隔的解決方案。

目前，油氣井固井作業(yè)的普遍趨勢(shì)，是用“液壓金屬膨脹封隔器”代替水泥作為固井作業(yè)的主要工具?！耙簤航饘倥蛎浄飧羝鳌狈謩e安裝在套管接頭上，并可在下井時(shí)在井眼內(nèi)旋轉(zhuǎn)。這種“液壓金屬膨脹封隔器”可以固定在井眼內(nèi)某井段，由地面人員控制，進(jìn)行大直徑的膨脹擴(kuò)張；還可以沿著井眼曲線進(jìn)行安裝，與井眼幾何形狀相匹配。此外，還可以在封隔層內(nèi)外保持超過(guò)15000psi的壓差。

在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，人們使用有限元分析（FEA），進(jìn)行“液壓金屬膨脹封隔器”承載能力計(jì)算，并且也可以模擬往日不同工藝的作業(yè)場(chǎng)景，從而使作業(yè)人員可以決定是否使用“液壓金屬膨脹封隔器”技術(shù)，以替代水泥進(jìn)行固井作業(yè)。研發(fā)人員選擇“液壓金屬膨脹封隔器”代替水泥進(jìn)行固井，即實(shí)現(xiàn)無(wú)水泥固井作業(yè)。此外，由于制造水泥過(guò)程中產(chǎn)生大量二氧化碳，而“液壓金屬膨脹封隔器”技術(shù)的使用，則可以認(rèn)為減少每口井的二氧化碳排放總量。

油氣田進(jìn)行固井作業(yè)目的，是實(shí)現(xiàn)油（氣）井的整體性，即防止油井生命周期內(nèi)發(fā)生井控事故。而保障油井整體性最佳時(shí)機(jī)，是油井建井階段，即鉆井過(guò)程中。而油井整體性的定義，則是表示油井生產(chǎn)或注入流體的能力控制方式，同時(shí)防止任何不必要的流體在油井系統(tǒng)外運(yùn)移。

從石油勘探初期，作業(yè)者就一直尋找實(shí)現(xiàn)地層和井眼之間最佳封隔區(qū)間，并尋找保持油井整體性的解決方案。當(dāng)然最終目的，是延長(zhǎng)油井的壽命。油田油井生命周期，與多種現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的異常情況有關(guān)。例如，鉆井過(guò)程中的井漏、井眼不穩(wěn)定、井眼或者井身軌跡偏差。在使用水泥固井過(guò)程，即因?yàn)楸盟秃椭脫Q，造成水泥漿污染。此外，還有套管座封過(guò)程出現(xiàn)的問(wèn)題，如卡管、套管變形，還有鉆桿失效等。

研發(fā)人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)代越來(lái)越多油井采用斜井類型，目的是為了提高效能及節(jié)省成本。但這使固井作業(yè)更加困難。因?yàn)樾本叹鳂I(yè)時(shí)形成的水泥間隙，使得水泥在相同荷載和荷載下承受更高應(yīng)力。因此，固井作業(yè)要承擔(dān)更高事故發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。而解決此問(wèn)題的唯一方法，是使用“液壓金屬膨脹封隔器”，即使用金屬封隔器，代替水泥進(jìn)行固井作業(yè)。使用該封隔器，可以在長(zhǎng)井眼井段內(nèi)，實(shí)現(xiàn)金屬對(duì)巖石地層的隔離，或者稱封隔，從而形成可控性與可靠性均符合要求的油井井身結(jié)構(gòu)。

利用數(shù)據(jù)挖掘方法CRISP-DM實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)鉆井事故

沙特阿拉伯石油與礦業(yè)大學(xué)（King Fahd University of Petroleum and Minerals）學(xué)者于2020年提出在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行鉆井事故實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)的新方法，即數(shù)據(jù)挖掘法。

當(dāng)前鉆井行業(yè)的承包商極力利用人工智能（AI）技術(shù)進(jìn)行事故預(yù)測(cè)，即提前識(shí)別事故征兆，并且將事故控制在萌芽狀態(tài)。然而，作業(yè)者嘗試了多種方法，效果仍然不太理想。在鉆井現(xiàn)場(chǎng)，人們將鉆井事故的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際鉆井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行比較時(shí)，發(fā)現(xiàn)偏差仍然很大。究其原因，可能是人們使用人工智能技術(shù)的初始設(shè)計(jì)方法不當(dāng)，或者數(shù)據(jù)處理方式欠佳。

因此，作業(yè)者意識(shí)到，如果事先能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)鉆井事故前兆，就必須尋找動(dòng)態(tài)、充分與對(duì)路的人工智能技術(shù)，以及選擇適當(dāng)?shù)姆庋b數(shù)據(jù)處理模型。學(xué)者為此提出一種有效的數(shù)據(jù)挖掘方法，來(lái)確定最有效的人工智能智能技術(shù)和適用的數(shù)據(jù)處理技術(shù)。這套方法用于識(shí)別早期惡性鉆井事故。方法為CRISP-DM （cross-industry standard process for data mining）, 即為“跨行業(yè)數(shù)據(jù)挖掘標(biāo)準(zhǔn)流程”。

CRISP-DM方法包括6個(gè)階段：業(yè)務(wù)理解、數(shù)據(jù)收集和分析理解、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、建模、評(píng)估和部署。在這些階段，多個(gè)數(shù)據(jù)質(zhì)量技術(shù)被應(yīng)用于提高實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的可靠性。開(kāi)發(fā)模型在提前識(shí)別鉆井事故方面有了顯著改進(jìn)。與目前做法相比，對(duì)鉆機(jī)的大鉤載荷、鉆頭鉆進(jìn)深度等參數(shù)進(jìn)行了分析。組成CRISP-DM模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，來(lái)自多個(gè)油田鉆井現(xiàn)場(chǎng)。

新建立的模型，給予鉆井現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員以更便捷的方法和更大的窗口，以解決事故預(yù)測(cè)問(wèn)題，防止鉆井事故的發(fā)生，同時(shí)節(jié)省鉆井時(shí)間與成本。此外，CRISP-DM為人工智能專家和鉆井領(lǐng)域?qū)＜姨峁┝丝蚣堋RISP-DM預(yù)測(cè)鉆井事故方法的創(chuàng)新之處，在于首次引入了數(shù)據(jù)挖掘CRIPS方法鉆井事故預(yù)測(cè)。這些促成一個(gè)成功的人工智能模型的開(kāi)發(fā)優(yōu)于其他鉆井事故預(yù)測(cè)實(shí)踐。