در گذشته، رقابت در بازار قطعات حفاری نفت و گاز اغلب به یک سوال ساده کاهش می یافت:به عنوان عملیات حفاری به چاه های افقی پیچیده منتقل شده است، تشکیلات عمیق گاز شیل و بخش های چاه با دمای بالا و فشار بالا،تنها به قدرت مواد یا بهینه سازی یک آزمایش دیگر کافی نیست تا بهبود ثابت در میزان نفوذ را حفظ کند.ارزش واقعی حفاری های هوشمند در تبدیل آنها از ابزار شکستن سنگ به گره های سنجش سوراخ پایین، نقاط ورودی داده،و دستگاه های کنترل محلی که به آنها امکان می دهد در نظارت بر وضعیت حفره پایین شرکت کنند، تنظیم پارامتر در زمان واقعی و هشدار ریسک فعال.
شکل ۱: پیوند بسته در زمان واقعی از واکنش تشکیل به اجرای کنترل برای قطعه حفاری هوشمند
شکل 2: ساختار سلسله مراتبی و مرزهای عملکردی حفاری هوشمند
شکل ۳: طرح سناریوهای کاربرد قطعات حفاری هوشمند در بخش های پیچیده چاه
I. یک برگر هوشمند فقط " اضافه کردن حسگرها " نیست بلکه نشان دهنده تعریف مجدد قابلیت های سیستم برگر است.
در زمینه مهندسی، یک سوراخ هوشمند شامل حداقل سه لایه سلسله مراتبی است: لایه اول قادر به دریافت بار پایین سوراخ، ارتعاش، درجه حرارت، جهت گیری،و داده های شکل گیری نزدیک به بیتلایه دوم می تواند نظارت بر وضعیت و تشخیص ناهنجاری در زمان واقعی در چاه یا نزدیک سر چاه انجام دهد، مانند شناسایی لغزش چوبی، پرتاب کمی، گرد و غبار، بسته گل،و قطع عدم تطابق; و لایه سوم می تواند نتایج تشخیص را به منطق کنترل سطح بالاتر برای تنظیم وزن بر روی بیت، سرعت چرخش، سرعت پمپ، جهت گیری برش، یا دستورات مسیر تغذیه کند.تنها زمانی که هر سه تابع حسگر، تصمیم گیری و تنظیم یکپارچه می شوند، یک سوراخ هوشمند دارای ارزش مهندسی واقعی است.
به همین دلیل یک سوراخ هوشمند نمی تواند به سادگی به عنوان یک قطعه PDC معمولی مجهز به اجزای الکترونیکی در نظر گرفته شود.اما در ادغام حسگر، بسته بندی، منبع برق، ارتباطات، پردازش سیگنال، و تراش هندسه به یک سیستم سوراخ پایین که می تواند به طور قابل اعتماد در دراز مدت کار می کند.هوش شامل گسترش مرزهای تحقیق و توسعه از مواد و طراحی ساختاری به مکانیک است، سیستم های کنترل، نرم افزار، و عملیات میدان.
II. ساختار سازگاری: اولین گام به سمت کاربرد مهندسی قطعات هوشمند
جوهر ساختار سازگاری در تحرک مکانیکی نیست،اما در حفاری قدرت برای حفظ یک جهت گیری برش نسبتا پایدار و توزیع بار در میان تشکیلات مختلف و پنجره های پارامتر حفاریبرای بیت های PDC، این قابلیت سازگاری را می توان از طریق بهینه سازی ترتیب برش، بارگذاری صفحه برش، طراحی حفظ اندازه، مسیرهای جریان هیدرولیکی و سفتی محلی تحقق بخشید.برای سیستم های کنترل شده فعال، آن را به عنوان تصحیح حالت، کنترل آفست، یا توانایی هدایت محلی نشان می دهد.
در تشکیلات پیچیده متقابل یا بخش های افقی طولانی، هدف اصلی قطعات حفاری دیگر به سادگی به حداکثر رساندن سرعت نفوذ در یک نقطه واحد نیست؛ بلکهبرای رسیدن به تعادل مطلوب بین کنترل مسیر، کنترل ارتعاش و زندگی کمیاهمیت طراحی ساختاری سازگاری در این است که حفاری را از یک قطعه پارامتر ثابت به یک واحد کاری تبدیل کند که می تواند به طور پویا به شرایط عملیاتی مختلف سازگار شودتحقیقات منتشر شده در داخل و خارج از کشور نشان می دهد که اگر ساختار برش و توزیع استرس در ابتدا پایدار طراحی نشود،هر ادغام بعدی از فناوری های سنجش و الگوریتم های پیشرفته فقط باعث تقویت سر و صدا و ناهنجاری ها خواهد شد.
III. چالش در سنجش سوراخ پایین نه تنها " اندازه گیری زیاد" بلکه " اندازه گیری دقیق، انتقال قابل اعتماد و مفید بودن عملی است.
هدف های سنجش رایج برای سوراخ های هوشمند شامل بار محوری و چرخش، ارتعاش جانبی، درجه حرارت، فشار، جهت گیری، رابط تشکیل در نزدیکی سوراخ،و شرایط برشاین چالش در این واقعیت است که محیط پایین سوراخ با تاثیرات بالا، ارتعاش فرکانس بالا، دمای بالا و فشار بالا و فرسایش گل مشخص می شود.تنها نصب سنسورها تضمین کننده عملکرد قابل اعتماد نیستفاکتورهای کلیدی تعیین کننده قابلیت مهندسی سیستم عبارتند از چگونگی جدا کردن عناصر حسگر از ارتعاش، چگونگی محصور کردن سیم کشی به صورت هرمتیکی،چگونه تامین برق مداوم را تضمین کنیم؟، و چگونگی انتقال داده های حیاتی در عرض باند محدود در حالی که ارتباطات قوی را حفظ می کند.
بر اساس تحقیقات عمومی و طرح های تجربی، رویکردهای مهندسی واقعا موثر معمولاً از اصل "اولین متغیر کلیدی" پیروی می کنند:ابتدا زنجیره های اندازه گیری پایدار را برای متغیرهای وضعیت که به طور قابل توجهی بر تصمیم گیری تاثیر می گذارند، مانند شدت ارتعاش ایجاد کنید.، نوسانات گشتاور، ناهنجاری های دمایی و تغییرات شکل گیری نزدیک به بیت و سپس انجام مدل سازی ساده در سطح الگوریتمی،به جای تلاش از ابتدا برای پردازش مجموعه داده های کاملبرای تولید کنندگان سوراخ، این رویکرد به ویژه مهم است، زیرا آنچه در این زمینه مورد نیاز است، یک سیستم حداقل قابل تکرار است.نه پیچیده ترین راه اندازی نمایش در آزمایشگاه.
IV. بازخورد در زمان واقعی حلقه بسته تعیین می کند که آیا حفاری هوشمند می تواند ارزش تجاری را به دست آورد
اگر داده ها فقط برای تجزیه و تحلیل پس از ماموریت از اینترنت دانلود شوند، ارزش قطعه حفاری هوشمند محدود به یک ابزار تست پیشرفته است.نقطه تحول تجاری واقعی در ایجاد یک حلقه بازخورد در زمان واقعی است: زمانی که شرایط غیرطبیعی در سوراخ پایین تشخیص داده می شود،سیستم محاسباتی سطح یا لبه به سرعت سطح خطر خود را ارزیابی می کند و سپس پارامترهای بهینه شده یا توصیه های کنترل را به لایه محرک باز می گرداندیک بار این سیستم حلقه بسته در محل قرار گرفته است، پیشنهاد ارزش برای تولید کنندگان حفاری دیگر محدود به فروش یک حفاری واحد نخواهد بود.به جای، تمرکز آن بر ارائه نرخ نفوذ ثابت، کاهش لرزش و صرفه جویی در انرژی و چرخه های کوتاه تر آزمایش و خطا خواهد بود.
به عنوان مثال، لغزش چوبی و لرزش شدید را در نظر بگیرید:رویکردهای سنتی معمولاً به مهندسین زمینی متکی هستند که منحنی های روند را بر اساس تجربه به صورت دستی تفسیر می کنند و تنظیمات پارامتر را با آزمایش و خطا انجام می دهند.، که منجر به تشخیص آهسته و بازتولید ضعیف در میان خدمه حفاری می شود.اگر یک حفاری هوشمند می تواند تشخیص الگوی ارتعاش را به سوراخ پایین یا نزدیک سر چاه منتقل کند و خروجی استاندارد را ارائه دهد، اپراتورها در محل قادر خواهند بود سریعتر تشخیص دهند که آیا مشکل ناشی از عدم تطابق ابزار برش، قدرت هیدرولیک ناکافی، اتصال ضعیف BHA،یا تغییر ناگهانی در شرایط تشکیلاین قابلیت، شناسایی زودهنگام، کاهش آزمایش و خطا،و بهینه سازی سریع حلقه بسته دقیقا ارزش اصلی یک حفاری هوشمند است.
V. مرکز چالش های مهندسی در مورد الکترونیک درجه حرارت بالا، قابلیت اطمینان بسته و مهندسی مجدد فرآیند در محل
در حال حاضر، حفاری های هوشمند هنوز با چندین مانع مهم روبرو هستند تا بتوانند در مقیاس بزرگ استفاده شوند.مدت عمر اجزای الکترونیکی و کانکتورها در دمای بالا، شرایط با تاثیر زیاد همچنان یک چالش حیاتی است؛ بسیاری از نمونه های اولیه آزمایشگاهی برای تحمل سختی های عملیات در زمینه تلاش می کنند. دوم، پهنای باند داده های پایین در طبیعت محدود است.بدون فشرده سازی مناسب داده ها و منطق تحریک رویداد، سیستم سنجش می تواند به راحتی ممکنی برای اندازه گیری باشد اما قادر به انتقال نباشد.معرفی قطعات حفر هوشمند به تنهایی به طور خودکار منجر به افزایش بهره وری عملیاتی نخواهد شد· ضروری است که همزمان پارامترهای استاندارد، طرح های طبقه بندی ناهنجاری، مکانیسم های بررسی پس از عملیات و چارچوب های شفاف پاسخگویی بین بخش ها ایجاد شود.
این بدان معناست که حفاری هوشمند یک محصول جداگانه نیست، بلکه یک تلاش مهندسی طولانی مدت است که نیاز به مشارکت هماهنگ تحقیق و توسعه، آزمایش، تولید،خدمت در عرصه، و تجزیه و تحلیل داده ها. اگر فقط به عنوان یک برجسته بازاریابی مورد توجه قرار گیرد، اغلب در مرحله اثبات مفهوم گیر می کند؛ اما اگر به عنوان پلت فرم ابزار حفاری نسل بعدی تصور شود،لازم است که بخش های چاه آزمایش به طور همزمان توسعه یابند.، پایگاه داده های خرابی، روش های کالیبراسیون سنسور و مشخصات رابط برای ادغام با ابزارهای BHA.
VI. پیامدها برای Xingtong: ابتدا سیستم های کوچک و بسته را بسازید، سپس یک پلت فرم گسترده و کامل را توسعه دهید.
برای تولید کنندگان قطعات حفاری نفت، عملی ترین رویکرد این نیست که بلافاصله یک قطعه هوشمند کاملا کاربردی را در یک بار توسعه دهند، بلکه در اطراف خط تولید PDC موجود خود،یک سیستم بسته کوچک که بهینه سازی ساختاری را ادغام می کنددر مرحله اول می توان بر سیگنال های با ارزش بالا مانند لرزش و گشتاور تمرکز کرد، از مورفولوژی فرسایش، عکس های خرابی،داده های تاریخچه چاه برای ایجاد قوانین قابل استفاده مجدد برای شناسایی شرایط عملیاتیمرحله دوم سپس به تدریج به توصیف شکل گیری نزدیک به بیت، کنترل حالت و هماهنگی هدایت گسترش می یابد.
در عین حال، تعریف محصول باید از یک بُر تک به یک پلتفرم بُر تک تغییر کند.️ یک بستر پایه ای می تواند به نسخه های مختلف برای رفع نرخ مستقیم سازگار شود، حفاری جهت و انحراف پایدار، عملیات برش افقی طولانی و تشکیلات بسیار خیس کننده،با ویژگی های هوشمند که به صورت افزایشی بر اساس سناریوهای کاربردی خاص طبقه بندی شده انداین رویکرد تداوم سرمایه گذاری در تحقیق و توسعه را تضمین می کند و در عین حال از افزایش غیرمنطقی پیچیدگی سیستم در یک زمان جلوگیری می کند.این استراتژی به احتمال زیاد یک نقشه راه محصول معتبر را به وجود می آورد تا اینکه فقط بر روی مفاهیم انتزاعی جمع شود..
مرجع
- Liu Qingyou et al.: پیشرفت تحقیق و روند توسعه در قطعات سوراخ هوشمند.
- لیو قینگیو: وضعیت فعلی و پیشرفت در تحقیقات بر روی قطعات هوشمند.
- هالیبرتون: اطلاعات عمومی در مورد حفاری های قطعات ثابت هدرون و Cerebro in-bit sensing
- SLB: اطلاعات عمومی در مورد تصویربرداری نزدیک و هدایت خودکار.