埃克森美孚钻井机器人完成第一口井钻进等3则

埃克森美孚钻井机器人完成第一口井钻进

埃克森美孚（ExxonMobil）公司日前正在使用Pace R801自动钻机，在美国得州二叠纪油田进行钻井作业。

全球钻井机器人的研制可以追溯到2008年，当时挪威国家石油公司（Equinor）最初资助了一家挪威初创公司。2017年，在挪威试验台上对设备进行评估后，美国Nabors公司收购了此机器人。

预计到2025年，全世界大部分油田都会用上自动钻机。钻台上仅有一个机器人，就会完成今天多人工作。机器人可以有条不紊地抓起钻杆，并将其精确地移动到钻井转盘的中心孔上方，以最快速度连接起钻柱。

截至2021年10月18日，自动钻机PaceR801已在埃克森美孚井场上完成了第一口井钻进，并开始在第2口井上钻井。钻台视频显示钻台上的钻杆排列在架子上，各个钻柱具有不同的螺纹规格。机器人伸手拿起一根约45英尺长钻杆，凭借仪器识别钻杆螺纹模式，并且以正确的方式进行钻杆的旋转与连接。

机器人的手臂，将完成连接的钻杆，移动到钻台转盘中心，并将钻杆垂直固定到位。然后，另一个机械装置在应用程序控制下继续连接钻柱，并且将钻柱降至井底，从而恢复钻机钻进。

自动钻井已经做到钻台上无人值守。原有钻井人员，目前还在钻机上工作，但是仅执行检查、维护、维修和钻机移动等工作。机器人能够在不到1分钟时间内，完成从卡瓦到卡瓦所对应的管柱的连接。

目前，多家欧美石油公司都在研究自动钻机，希望实现钻井自动化目标。其目的是即便低技能司钻，也能够通过依靠自动化学到经验，应用于更快更好地钻进中，从而达到与高技能司钻相同水平。

自动化钻杆处理机器人是一个惊人的进步，因为起初钻井行业在管柱连接机械化方面进展缓慢。陆地钻机对机械钻柱处理系统的需求较少，因为“人类移动速度非常快”。在钻台司钻室里，司钻打开了系统并按下了“钻进”键，启动一个名为“排管引擎”程序。剩下的事，是这一程序所含的所有工序步骤，由相应系统负责执行。这些一系列精确执行的步骤都是经过精心设计，以求各个动作之间的时间损失最小。

自动钻井是利用机器人、自动化、计算和数据的综合能力，共同进行钻井优化。自动化已经渗透到关键钻井功能中，从钻井曲线到连接管道时最大程度地减少粘卡事故，并减少起下钻作业。机器人能够在不到1分钟的时间内，完成从卡瓦到钻杆的连接操作。利用机器人，可以让工人离开钻台，离开危险区域。当前机器人处理钻柱的速度较快，为了保证安全，需要在钻台建立一个无人工作空间。编程人员专门调低了钻井机器人的移动速度，以确保其部件碰到人身之前时即刻停止。因为在工作时，人类容易做出不可预测的动作。

在钻井平台的司钻按下启动按钮后，钻机自动起下钻系统可以1800英尺/小时的速度处理套管的起下作业。自动作业系统，依靠各种控制参数进行钻进。埃克森美孚公司列出了150个钻机参数，涵盖了从钻头重量到钻井速度等各个方面机械状态与运动参数。

近来国际石油公司的钻机和钻井设备上的传感器数量继续增加，哈里伯顿等服务公司正在努力改进钻井中收集数据的处理方式。其新一代随钻测量（MWD）工具，将在井下处理所收集数据，并且还能使数据直接输入到自动控制系统，即钻井信息处理机器人。然而哈里伯顿公司遇到困难，即当钻井数据量和规模不断增长时，可实时传输到地面的数据量，通常仅限于使用泥浆脉冲发送的数据量。而在钻井现场，传递信息的泥浆脉冲，仅在泥浆泵开启时才能传输有限数量的数据。近年来哈里伯顿公司开发新的MWD系统，可做到当钻机上提钻柱时，也能够通过泥浆传递信息。但这项技术还在试验之中。

钻井界公认，将数据迅速传输到地面的最佳方法，是利用钻柱有线通讯。这种方法，也可以将电力和信息返传回井底。但在钻井现场，返传送功能并不常用。事实上，国际上使用有线钻柱进行井下与地面通讯，已经实施15年。自动钻井的钻机，常使用有线钻柱作为快速双向通信的载体。

实施无水泥固井作业可降低成本减少排放

美国俄克拉何马（Oklahoma）大学与成立于1994年的Welltec油井服务公司共同研发油气田无水泥固井作业工艺，可以降低成本减少排放。

从油田开发原理来看，油井作业主要依赖于两个要素，即套管和水泥。作业目的，是达到保持油井整体性目标。首先，作业人员回顾各种固井作业井型，如小井眼、常规井眼、盐下地层常规井与盐下地层水平井，其套管与水泥厚度，与常规井型无法相比，强度要相对薄弱一些。其次，在油田作业现场，当前的新的固井工艺趋势，是包括外部套管在内的各种封隔器解决方案。例如，使用金属进行井眼与地层的封隔的解决方案。

目前，油气井固井作业的普遍趋势，是用“液压金属膨胀封隔器”代替水泥作为固井作业的主要工具。“液压金属膨胀封隔器”分别安装在套管接头上，并可在下井时在井眼内旋转。这种“液压金属膨胀封隔器”可以固定在井眼内某井段，由地面人员控制，进行大直径的膨胀扩张；还可以沿着井眼曲线进行安装，与井眼几何形状相匹配。此外，还可以在封隔层内外保持超过15000psi的压差。

在作业现场，人们使用有限元分析（FEA），进行“液压金属膨胀封隔器”承载能力计算，并且也可以模拟往日不同工艺的作业场景，从而使作业人员可以决定是否使用“液压金属膨胀封隔器”技术，以替代水泥进行固井作业。研发人员选择“液压金属膨胀封隔器”代替水泥进行固井，即实现无水泥固井作业。此外，由于制造水泥过程中产生大量二氧化碳，而“液压金属膨胀封隔器”技术的使用，则可以认为减少每口井的二氧化碳排放总量。

油气田进行固井作业目的，是实现油（气）井的整体性，即防止油井生命周期内发生井控事故。而保障油井整体性最佳时机，是油井建井阶段，即钻井过程中。而油井整体性的定义，则是表示油井生产或注入流体的能力控制方式，同时防止任何不必要的流体在油井系统外运移。

从石油勘探初期，作业者就一直寻找实现地层和井眼之间最佳封隔区间，并寻找保持油井整体性的解决方案。当然最终目的，是延长油井的寿命。油田油井生命周期，与多种现场作业的异常情况有关。例如，钻井过程中的井漏、井眼不稳定、井眼或者井身轨迹偏差。在使用水泥固井过程，即因为泵送和置换，造成水泥浆污染。此外，还有套管座封过程出现的问题，如卡管、套管变形，还有钻杆失效等。

研发人员发现，当代越来越多油井采用斜井类型，目的是为了提高效能及节省成本。但这使固井作业更加困难。因为斜井固井作业时形成的水泥间隙，使得水泥在相同荷载和荷载下承受更高应力。因此，固井作业要承担更高事故发生风险。而解决此问题的唯一方法，是使用“液压金属膨胀封隔器”，即使用金属封隔器，代替水泥进行固井作业。使用该封隔器，可以在长井眼井段内，实现金属对岩石地层的隔离，或者称封隔，从而形成可控性与可靠性均符合要求的油井井身结构。

利用数据挖掘方法CRISP-DM实时预测钻井事故

沙特阿拉伯石油与矿业大学（King Fahd University of Petroleum and Minerals）学者于2020年提出在作业现场进行钻井事故实时预测的新方法，即数据挖掘法。

当前钻井行业的承包商极力利用人工智能（AI）技术进行事故预测，即提前识别事故征兆，并且将事故控制在萌芽状态。然而，作业者尝试了多种方法，效果仍然不太理想。在钻井现场，人们将钻井事故的预测结果与实际钻井数据进行比较时，发现偏差仍然很大。究其原因，可能是人们使用人工智能技术的初始设计方法不当，或者数据处理方式欠佳。

因此，作业者意识到，如果事先能够较为准确地预测钻井事故前兆，就必须寻找动态、充分与对路的人工智能技术，以及选择适当的封装数据处理模型。学者为此提出一种有效的数据挖掘方法，来确定最有效的人工智能智能技术和适用的数据处理技术。这套方法用于识别早期恶性钻井事故。方法为CRISP-DM （cross-industry standard process for data mining）, 即为“跨行业数据挖掘标准流程”。

CRISP-DM方法包括6个阶段：业务理解、数据收集和分析理解、数据准备、建模、评估和部署。在这些阶段，多个数据质量技术被应用于提高实时数据的可靠性。开发模型在提前识别钻井事故方面有了显著改进。与目前做法相比，对钻机的大钩载荷、钻头钻进深度等参数进行了分析。组成CRISP-DM模型的基础数据，来自多个油田钻井现场。

新建立的模型，给予钻井现场作业人员以更便捷的方法和更大的窗口，以解决事故预测问题，防止钻井事故的发生，同时节省钻井时间与成本。此外，CRISP-DM为人工智能专家和钻井领域专家提供了框架。CRISP-DM预测钻井事故方法的创新之处，在于首次引入了数据挖掘CRIPS方法钻井事故预测。这些促成一个成功的人工智能模型的开发优于其他钻井事故预测实践。