В нефтегазовой отрасли «буровой робот» относится не просто к одному роботизированному манипулятору или концептуальной интеллектуальной машине; скорее, он обозначает интегрированный блок автоматизации, охватывающий операции на буровой площадке, выполнение работ в скважине, обработку бурильной колонны и управление в реальном времени. Поскольку требования к сокращению численности персонала, дистанционному управлению и повышению безопасности продолжают расти, буровые роботы эволюционируют от вспомогательного оборудования до критически важных компонентов автоматизированных буровых систем, напрямую влияя на протоколы интерфейса между буровым долотом, скважинным оборудованием и наземной системой управления.
Рисунок 1. Схематическая диаграмма состава бурового робота и автоматизированной буровой системы
Рисунок 2. Рабочий процесс автоматизированных операций с участием бурового робота
Рисунок 3. Схема многоуровневых сценариев совместной работы на беспилотной буровой площадке
I. Буровые роботы — это «операционные системы», а не отдельные единицы оборудования.
С функциональной точки зрения, буровые роботы включают как минимум три категории компонентов: во-первых, наземное автоматизированное оборудование, такое как автоматические системы подачи бурового долота, автоматические узлы сборки и разборки, автоматизированные системы обработки и модули работы устьевого оборудования; во-вторых, исполнительные механизмы в скважине, включая управляемые по ориентации инструменты, модули инспекции и вмешательства в скважине, а также роботизированное оборудование для операций с гибкой трубой; и в-третьих, общие системы управления, блокировки безопасности и мониторинга состояния, которые интегрируют эти две категории. Только когда эти три категории работают в скоординированной конфигурации с обратной связью, автоматизированные возможности робота действительно приносят пользу на буровой площадке.
Это определение имеет первостепенное значение для производителей буровых долот. В прошлом буровые долота в основном рассматривались как пассивные инструменты — достаточные до тех пор, пока они соответствовали спецификациям по форме резьбы, размерам и механическим интерфейсам. Однако в сценариях автоматизированного бурения данные о состоянии долота, его рабочий диапазон и характеристики его соединения с компоновкой низа бурильной колонны напрямую влияют на логику принятия решений главной системы управления. Другими словами, будущие буровые долота должны быть не только «функциональными», но и «легко интегрируемыми, легко идентифицируемыми и способными к беспрепятственному взаимодействию».
II. Основная ценность автоматизированных буровых систем заключается в снижении рисков для человека.
Многие критически важные операции на буровой площадке долгое время требовали интенсивного человеческого контроля и управления, такие как обработка отдельных труб, работа устьевого оборудования, непрерывный мониторинг параметров и выявление аномальных условий эксплуатации. Когда эти задачи выполняются в условиях высокого давления, высокой нагрузки и одновременного выполнения нескольких процессов, они легко приводят к рискам для безопасности. Основная ценность буровых роботов и систем автоматизации заключается не в демонстрации технологических возможностей, а в делегировании высокорисковых, высокоповторяющихся и критически важных по времени задач стандартизированному оборудованию, тем самым перенося роль операторов на авторизацию, надзор и обработку исключений.
Именно поэтому международные нефтесервисные компании постоянно укрепляют автоматизированное направленное бурение, дистанционные операции и блокировочное управление. Система автоматизации, которая повышает только эффективность без укрепления границ безопасности, будет с трудом достигать широкого распространения в долгосрочной перспективе; наоборот, если она сможет одновременно сократить незапланированные простои, снизить риски воздействия и повысить операционную согласованность, она быстро станет ключевым фактором цифровой трансформации нефтегазовых месторождений.
III. Ключевые проблемы в области подземной робототехники заключаются в миниатюризации, высокой надежности и восстанавливаемости.
Наиболее существенное отличие подземных роботов от наземных заключается в том, что первые работают в ограниченном пространстве скважины и подвергаются гораздо более суровым условиям окружающей среды, чем обычные промышленные роботы. Высокая температура и давление, загрязнение буровым раствором, интенсивная вибрация, крайние пространственные ограничения и трудность извлечения требуют, чтобы надежность была главным приоритетом для подземной робототехники. Любая излишняя сложность быстро увеличит вероятность отказа; поэтому при проектировании следует отдавать приоритет модульности, резервированию и принципам отказоустойчивости.
На основе опубликованных исследований и научной литературы, подземные роботы имеют больше шансов сначала добиться прорывов в локализованных высокоценных приложениях — таких как операции по ответвлениям, точные измерения, локализованное управление и помощь в сложных участках скважин — вместо того, чтобы с самого начала брать на себя полное принятие решений по бурению. Только путем постепенного укрепления возможностей в области восприятия, приведения в действие, электропитания, связи и извлечения подземные роботы смогут перейти от экспериментальных платформ к развертываемому полевому оборудованию.
IV. Тенденция к беспилотным операциям не означает «полное исключение человеческого участия», а скорее «минимальный персонал на месте в сочетании с дистанционным управлением».
Практическая дорожная карта для беспилотных буровых площадок обычно разворачивается в три этапа. Первый этап — автономная автоматизация, когда отдельные единицы оборудования выполняют стандартизированные операции в соответствии с предварительно запрограммированными последовательностями. Второй этап — автоматизация процессов, в ходе которой несколько устройств координируются для выполнения единой задачи. Только третий этап достигает минимального количества персонала на месте на уровне буровой площадки, путем внедрения централизованного главного управления, центров дистанционного управления и стандартизированных процедур для обработки аномалий, тем самым сокращая персонал на месте до абсолютного минимума. В настоящее время большинство проектов в отрасли переходят со второго на третий этап.
Для производителей буровых долот и скважинного оборудования это означает, что будущие продукты должны не только соответствовать требованиям к механическим характеристикам, но и поддерживать возможности идентификации и вызова автоматизированных систем. Например, границы параметров продукта должны быть четко определены, аномальные условия эксплуатации должны быть стандартизированы, операционные записи должны быть отслеживаемыми, а интерфейсы рекомендаций должны быть машиночитаемыми. Компания, которая первой завершит эти стандартизированные усилия, будет лучше позиционирована для включения своих инструментов в инвентарь для автоматизированных буровых установок.
V. Прямая связь между системой автоматизации и конструкцией бурового долота
Многие люди рассматривают буровые роботы как проблему высокоуровневого управления, но на самом деле их производительность тесно связана с конструкцией бурового долота. Автоматизированные системы направленного бурения и управления в скважине очень чувствительны к стабильности отклика инструмента; если буровое долото при определенных условиях эксплуатации склонно к сильному залипанию-проскальзыванию, боковому вращению или задержке рулевого управления, система автоматизации должна увеличивать частоту защитных вмешательств и корректирующих настроек. В результате снижается не только эффективность, но и стабильность системы.
Поэтому при проектировании буровых долот для автоматизированного бурения необходимо уделять больше внимания, чем в традиционных применениях, стабильному отклику, стабильному рабочему окну и предсказуемым режимам отказа. Инструмент, который все еще может «едва работать» при ручном управлении, может быть полностью отвергнут в автоматизированной системе из-за чрезмерно непредсказуемого отклика. Другими словами, тенденция к беспилотным операциям заставляет буровые долота смещаться от «основанных на опыте» к «основанным на стандартах».
VI. Рекомендации для Xingtong: Переопределить ценностное предложение продуктового инструмента вокруг возможностей автоматизированного взаимодействия.
Для Xingtong буровые роботы и автоматизированное бурение — это не далекие концепции — они представляют собой критическую границу для определения будущих продуктовых инструментов. Мы рекомендуем применить трехсторонний подход: во-первых, разработать полный список интерфейсов продуктов, совместимых с автоматизированным бурением, четко указывая совместимость с компоновкой низа бурильной колонны, пределы параметров и рабочие окна для обработки аномалий; во-вторых, усилить исследования по стабильному отклику инструмента, количественно оценивая снижение вибрации, стабилизацию траектории и оценку срока службы инструмента в метриках, доступных для системы; и в-третьих, создавать сценарии использования совместной работы робота и автоматизированного бурения вокруг типичных участков скважин, обновляя онлайн-контент компании с «введения продуктов» до «решений, основанных на сценариях».
Только когда компания сможет четко продемонстрировать, как ее буровые долота поддерживают буровые площадки с сокращенным персоналом, автоматизированное направленное бурение и системы дистанционного управления, ее технические сообщения на корпоративном веб-сайте будут действительно соответствовать передовым достижениям отрасли. В противном случае, даже если сами продукты будут превосходными, они потеряют свой голос перед лицом будущей тенденции к беспилотным операциям.
Ссылки
- Лю Цинъю: «Исследовательский прогресс и перспективы применения подземных роботов».
- Команда Лю Цинъю: Материалы исследований по этапам интеллектуального бурения и заканчивания с использованием подземных роботов.
- Baker Hughes: Общедоступная информация об автоматизированных технологиях бурения, таких как автоматизированное направленное бурение i-Trak.
- SLB: Общедоступная информация об автоматизированном наведении и интеллектуальных буровых системах.