In passato, la concorrenza sul mercato delle prese per la perforazione del petrolio e del gas era spesso ridotta a una semplice domanda: chi può ruotare più velocemente e ottenere una durata più lunga?Come le operazioni di perforazione si sono spostate in pozzi orizzontali complessi, formazioni profonde di gas di scisto e sezioni di pozzo ad alta temperatura e alta pressione,non è più sufficiente basarsi esclusivamente sulla resistenza del materiale o sull'ottimizzazione di una singola prova per mantenere miglioramenti costanti della velocità di penetrazioneIl vero valore delle trappole intelligenti risiede nella loro trasformazione da semplici strumenti di frantumazione in nodi di rilevamento, punti di ingresso di dati,e gli attuatori di controllo localizzati che consentono loro di partecipare al monitoraggio delle condizioni del pozzo, regolazione dei parametri in tempo reale e avviso di rischio proattivo.
Figura 1: collegamento a ciclo chiuso in tempo reale dalla risposta alla formazione all'esecuzione del controllo per il trapano intelligente
Figura 2: Struttura gerarchica e confini funzionali della trivella intelligente
Figura 3: Schema di scenari di applicazione per i fori intelligenti in sezioni di pozzo complesse
I. Una trivella intelligente non è semplicemente aggiunta di sensori; essa rappresenta una ridefinizione delle capacità del sistema di trivella.
In un contesto di ingegneria, una trivella intelligente comprende almeno tre strati gerarchici: il primo strato è in grado di acquisire carico, vibrazioni, temperatura, orientamento,e dati di formazione quasi-bitIl secondo strato è in grado di monitorare in tempo reale la condizione e rilevare anomalie nel pozzo o vicino alla testa del pozzo, come ad esempio l'identificazione dello scivolamento, del rimbalzo, del vortice, del sacco di fango,e tagliare disallineamento; e il terzo strato può alimentare i risultati di rilevamento nella logica di controllo di livello superiore per regolare il peso sul bit, la velocità di rotazione, la velocità di pompa, l'orientamento del tagliaio o i comandi di traiettoria.Solo quando tutte e tre le funzioniIn questo modo, la capacità di progettazione, di processo decisionale e di regolazione sono integrate, in modo che una trivella intelligente abbia un vero valore ingegneristico.
Per questo motivo una trivella intelligente non può essere considerata semplicemente una trivella PDC convenzionale dotata di componenti elettronici.ma nell'integrare il rilevamento, confezionamento, alimentazione, comunicazione, elaborazione del segnale e geometria di taglio in un sistema downhole che può funzionare in modo affidabile a lungo termine.L'intelligenza implica l'ampliamento della frontiera della R & S dai materiali e dalla progettazione strutturale alla meccatronica, sistemi di controllo, software e operazioni sul campo.
II. Struttura adattabile: primo passo verso l'applicazione ingegneristica di trapano intelligenti
L'essenza di una struttura adattabile non sta nella mobilità meccanica.ma nella capacità del trapano di mantenere un orientamento di taglio e una distribuzione del carico relativamente stabili tra diverse formazioni e finestre di parametri di perforazionePer i bit PDC, questa adattabilità può essere realizzata attraverso l'ottimizzazione della disposizione del taglio, il carico della piastra di taglio, la progettazione che preserva il gauge, i percorsi di flusso idraulici e la rigidità locale;per sistemi a controllo attivo, si manifesta ulteriormente come correzione dell'atteggiamento, controllo dello spostamento o capacità di sterzo localizzata.
In complesse formazioni interconnesse o lunghe sezioni orizzontali, l'obiettivo primario delle trappole non è più semplicemente quello di massimizzare la velocità di penetrazione in un singolo punto;è quello di raggiungere un equilibrio ottimale tra il controllo della traiettoriaControllo delle vibrazioni e vita.L'importanza della progettazione strutturale adattiva risiede nel trasformare il trapano da un componente a parametri fissi in un'unità di lavoro che può essere adattata dinamicamente a diverse condizioni di funzionamentoLa ricerca pubblicata sia a livello nazionale che internazionale dimostra che, se la struttura di taglio e la distribuzione delle sollecitazioni non sono prima progettate in modo stabile, la struttura di taglio e la distribuzione delle sollecitazioni non sono più stabili.Qualsiasi successiva integrazione di tecnologie di rilevamento e algoritmi avanzati amplificherà solo rumore e anomalie.
III. La sfida del rilevamento dei fori non è semplicemente misurare molto, ma piuttosto misurare con precisione, trasmettere in modo affidabile ed essere praticamente utili.
Gli obiettivi comuni di rilevamento per le trappole intelligenti includono carichi assiali e torsionali, vibrazioni laterali, temperatura, pressione, orientamento, l'interfaccia di formazione vicino alla trappola,e condizioni di taglioLa sfida risiede nel fatto che l'ambiente del pozzo è caratterizzato da un forte impatto, vibrazioni ad alta frequenza, temperature e pressioni elevate e erosione del fango;La semplice installazione di sensori non garantisce un funzionamento affidabileI fattori chiave che determinano la fattibilità tecnica del sistema sono: come isolare gli elementi di rilevamento dalle vibrazioni, come incapsulare ermeticamente il cablaggio,come garantire un'alimentazione continua, e come trasmettere dati critici su larghezza di banda limitata mantenendo una comunicazione robusta.
Sulla base di ricerche e progetti sperimentali accessibili al pubblico, gli approcci di ingegneria veramente efficaci seguono in genere il principio "chiave-variabile-primo":In primo luogo, stabilire catene di misurazione stabili per le variabili di stato che influenzano maggiormente il processo decisionale, come l'intensità delle vibrazioni., fluttuazioni di coppia, anomalie di temperatura e variazioni di formazione quasi bit e quindi eseguire una modellazione semplificata a livello algoritmico,Invece di cercare fin dall'inizio di elaborare l'intero set di datiPer i costruttori di trapano, questo approccio è particolarmente importante, perché ciò di cui si ha bisogno sul campo è un sistema minimo riproducibile,non è la più complessa configurazione di dimostrazione in laboratorio.
IV. Il ciclo chiuso di feedback in tempo reale determina se la trivella intelligente può raggiungere un valore commerciale
Se i dati vengono semplicemente scaricati offline per l'analisi post-missione, il valore della trivella intelligente rimane limitato a essere uno strumento di prova di fascia alta.Il vero punto di svolta commerciale sta nell'istituzione di un ciclo di feedback in tempo reale: quando sono rilevate condizioni anormali in fondo al foro,il sistema di calcolo di superficie o di bordo valuta rapidamente il loro livello di rischio e quindi restituisce parametri ottimizzati o raccomandazioni di controllo al livello di azionamentoUna volta che questo sistema a circuito chiuso sarà in atto, la proposta di valore per i produttori di trapano non sarà più limitata alla vendita di un singolo trapano;invece, si concentrerà sulla consegna di tassi di penetrazione costanti, riduzione delle vibrazioni e risparmio energetico, e cicli di prova ed errore più brevi.
Prendiamo ad esempio lo slittamento da bastone e le forti vibrazioni:gli approcci tradizionali si basano in genere su ingegneri sul campo che interpretano manualmente le curve di tendenza sulla base dell'esperienza e conducono aggiustamenti di parametri di prova ed errore, il che comporta una diagnosi lenta e una scarsa riproducibilità tra le squadre di perforazione.Se una trivella intelligente può spostare il riconoscimento dei modelli di vibrazione verso il pozzo o vicino alla testa del pozzo e fornire un output standardizzato, gli operatori sul posto saranno in grado di individuare più rapidamente se il problema deriva da una disadattamento tra utensili da taglio, da una potenza idraulica insufficiente, da un cattivo accoppiamento BHA,o un improvviso cambiamento delle condizioni di formazione, consentendo loro di selezionare una finestra di funzionamento più appropriata o di passare a un'assemblaggio di attrezzi diverso.e la rapida ottimizzazione a circuito chiuso è proprio il valore fondamentale di una trivella intelligente.
V. Engineering Challenges Center on High-Temperature Electronics, Package Reliability, and On-Site Process Reengineering (Centro per le sfide ingegneristiche sull'elettronica ad alta temperatura, l'affidabilità del pacchetto e la reingegneria dei processi in loco)
Attualmente, le perforazioni intelligenti devono ancora affrontare numerose barriere significative prima di poter essere implementate su larga scala.la durata di vita dei componenti elettronici e dei connettori a alta temperaturaIn secondo luogo, la larghezza di banda dei dati del downhole è intrinsecamente limitata.senza adeguata compressione dei dati e logica di attivazione degli eventi, il sistema di rilevamento può facilmente diventare capace di misurare ma incapace di trasmettere.l'introduzione di trapano intelligenti da sola non porterà automaticamente ad un aumento dell'efficienza operativaÈ essenziale stabilire contemporaneamente parametri standardizzati, sistemi di classificazione delle anomalie, meccanismi di revisione post-operazione e chiari quadri di responsabilità interdipartimentale.
Ciò significa che la trivella intelligente non è un prodotto isolato, ma piuttosto un'impresa di ingegneria a lungo termine che richiede la partecipazione coordinata di R & S, test, produzione,servizio di campo, e analisi dei dati. Se viene trattato semplicemente come un punto saliente del marketing, spesso rimane bloccato nella fase di prova di concetto; ma se è concepito come la piattaforma di perforazione di nuova generazione,è necessario lo sviluppo simultaneo di sezioni di pozzo di prova, database di errori, procedure di taratura dei sensori e specifiche di interfaccia per l'integrazione con gli strumenti BHA.
VI. Implicazioni per Xingtong: prima costruire piccoli sistemi a circuito chiuso, poi sviluppare una piattaforma completa e su larga scala".
Per i produttori di bit di perforazione petrolifera, l'approccio più pragmatico non è quello di sviluppare immediatamente un bit intelligente completamente funzionale in una sola volta, ma piuttosto di costruire, intorno alla loro linea di prodotti PDC esistente,un piccolo sistema a circuito chiuso che integra l'ottimizzazione strutturaleLa prima fase può concentrarsi su segnali di alto valore come vibrazioni e coppia, sfruttando la morfologia dell'usura, le fotografie di guasto,e dati relativi alla cronologia dei pozzi per stabilire regole di identificazione delle condizioni di esercizio riutilizzabiliIl secondo passo si estende poi gradualmente alla caratterizzazione della formazione di quasi-bit, al controllo dell'atteggiamento e al coordinamento della guida.
Allo stesso tempo, la definizione del prodotto dovrebbe passare da un singolo trapano a una piattaforma di trapano.¢ La stessa piattaforma fondamentale può essere adattata in diverse versioni per affrontare il miglioramento dei tassi, perforazioni direzionali e a deviazione stabile, operazioni di sezione orizzontale lunga e formazioni altamente abrasive,con caratteristiche intelligenti stratificate progressivamente in base a scenari di applicazione specificiQuesto approccio garantisce la continuità degli investimenti in R & S evitando allo stesso tempo un aumento ingiustificato della complessità del sistema.Questa strategia ha maggiori probabilità di produrre una tabella di marcia del prodotto credibile piuttosto che basarsi su concetti astratti.
Riferimenti
- Liu Qingyou et al.: Progressi della ricerca e tendenze di sviluppo di trapano intelligente.
- Liu Qingyou: "Stato attuale e progresso della ricerca sui trapano intelligenti".
- Halliburton: Informazioni disponibili al pubblico sulle trivelle a taglio fisso di Hedron e sul sensore in-bit di Cerebro.
- SLB: Informazioni disponibili al pubblico in materia di immagini near-bit e di sterzo automatico.