В прошлом конкуренция на рынке буровых стержней для нефти и газа часто сводилась к простому вопросу: кто может вращаться быстрее и достигать более длительного срока службы инструмента?поскольку бурение перешло в сложные горизонтальные скважины, глубокие сланцевые газовые образования и высокотемпературные скважины под высоким давлением,если полагаться только на прочность материала или на оптимизацию одного испытания уже недостаточно для поддержания постоянного улучшения скорости проникновенияИстинное значение интеллектуальных буровых блоков заключается в их преобразовании из простых инструментов для разрыва пород в узлы для обнаружения глубин, точки ввода данных,и локализованные управляющие устройства, позволяющие им участвовать в мониторинге состояния внизу., корректировка параметров в режиме реального времени и предупреждение о рисках.
Рисунок 1: Соединение в закрытом цикле в режиме реального времени от реакции на формирование до выполнения управления для интеллектуального сверла
Рисунок 2: Иерархическая структура и функциональные границы интеллектуального сверла
Рисунок 3: Схема сценариев применения интеллектуальных буровых блоков в сложных участках скважин
I. Интеллектуальная буровая установка - это не просто "добавление датчиков", это переопределение возможностей системы буровой установки.
В инженерном контексте интеллектуальная сверла состоит, по крайней мере, из трех иерархических слоев: первый слой способен получать нагрузку, вибрацию, температуру, ориентацию,и почти битные данные о формировании; второй слой может выполнять мониторинг состояния в режиме реального времени и обнаружение аномалий в скважине или вблизи скважины, например, выявление скольжения, отскока, вихря, грязи,и несовместимость резки; а третий слой может передавать результаты обнаружения обратно в логику управления более высокого уровня для регулирования веса на бит, скорости вращения, скорости насоса, ориентации резчика или команд траектории.Только когда все три функции, принятие решений и корректировки, интеллектуальная сверла обладает подлинной инженерной ценностью.
Именно поэтому интеллектуальную сверлочку нельзя рассматривать как обычную сверлочку PDC, оснащенную электронными компонентами.но в интеграции чувствительности, упаковки, питания, связи, обработки сигнала и резки геометрии в системе дно отверстия, которая может работать надежно в долгосрочной перспективе.Интеллект предполагает расширение границ НИОКР от материалов и конструктивного проектирования до мехатроники, системы управления, программное обеспечение и полевые операции.
II. Адаптивная структура: первый шаг к инженерному применению интеллектуальных сверлялок
Суть адаптивной конструкции заключается не в механической подвижности,но в буровых кубиках способность поддерживать относительно стабильную ориентацию резки и распределение нагрузки по различным формациям и параметрам буровых оконДля PDC-битов эта адаптивность может быть достигнута за счет оптимизации расположения резчика, нагрузки режущей пластины, сохранения габарита конструкции, гидравлических путей потока и местной жесткости;для систем с активным управлением, он также проявляется как коррекция положения, смещение управления или локализованная управляющая способность.
В сложных пересеченных формациях или длинных горизонтальных сечениях основная цель буровых кусков больше не просто максимизировать скорость проникновения в одной точке; скорее,это достижение оптимального баланса между управлением траекторией, контроль вибрации, и немного жизни.Значение адаптивного конструктивного проектирования заключается в преобразовании бурового кубика из компонента с фиксированными параметрами в рабочую единицу, которая может динамически адаптироваться к различным условиям эксплуатацииКак отечественное, так и международное исследование показывает, что если структура резания и распределение напряжений не будут сначала спроектированы стабильно, то они могут быть изменены.Любая последующая интеграция датчиков и передовых алгоритмов только усилит шум и аномалии..
III. Проблема в обнаружении дновых отверстий заключается не только в том, чтобы "измерить много", но и в том, чтобы "измерить точно, передать информацию надежно и быть практически полезным".
Обычные объекты обнаружения для интеллектуальных сверлаков включают осевые и торсионные нагрузки, боковые вибрации, температуру, давление, ориентацию, интерфейс формирования вблизи сверла,и условия резкиПроблема заключается в том, что среда внизу ямы характеризуется высокими ударами, высокочастотными вибрациями, повышенной температурой и давлением и эрозией грязи;Простое установка датчиков не гарантирует надежной работыКлючевые факторы, определяющие техническую жизнеспособность системы, включают в себя то, как изолировать элементы чувствительности от вибрации, как герметически закрыть проводку,как обеспечить непрерывное питание, и как передавать критические данные через ограниченную пропускную способность при сохранении надежной связи.
Основываясь на общедоступных исследованиях и экспериментальных проектах, по-настоящему эффективные инженерные подходы обычно следуют принципу "сначала ключевая переменная":в первую очередь установить стабильные цепочки измерений для переменных состояния, которые наиболее значительно влияют на принятие решений, таких как интенсивность вибрации, колебания крутящего момента, температурные аномалии и почти битовые изменения формирования и затем выполнять упрощенное моделирование на алгоритмическом уровне,Вместо того, чтобы пытаться с самого начала обрабатывать полный набор данныхДля производителей буровых кусков этот подход особенно важен, поскольку в полевых условиях требуется воспроизводимая минимально жизнеспособная система,Это не самая сложная демонстрация в лаборатории..
IV. Обратная связь в режиме реального времени в замкнутом цикле определяет, может ли интеллектуальная сверла достичь коммерческой ценности
Если данные просто загружаются в автономном режиме для послеоперационного анализа, то ценность интеллектуального бурового устройства остается ограничена тем, что он является высокопроизводительным инструментом тестирования.Настоящая коммерческая переломная точка заключается в создании обратной связи в реальном времени: когда обнаруживаются аномальные условия внизу,поверхностная или краевая вычислительная система быстро оценивает уровень риска, а затем передает оптимизированные параметры или рекомендации управления на уровень управленияПосле того, как эта система с закрытым циклом будет внедрена, предложение стоимости для производителей сверла больше не будет ограничиваться продажей одного сверла;Вместо этого, он будет сосредоточен на обеспечении постоянных показателей проникновения, снижении вибрации и экономии энергии, а также более коротких циклов проб и ошибок.
Взять, к примеру, скольжение с помощью палочек и сильные вибрации:традиционные подходы обычно полагаются на полевых инженеров, которые вручную интерпретируют кривые тренда на основе опыта и проводят корректировки параметров с использованием проб и ошибок, что приводит к медленной диагностике и плохой воспроизводимости среди буровых бригад.Если интеллектуальная сверла может переключить распознавание вибрационных моделей на дно отверстия или вблизи скважины и обеспечить стандартизированный выход, операторы на месте смогут быстрее определить, является ли проблема вызвана несоответствием режущего инструмента, недостаточной гидравлической мощностью, плохой сцепкой BHA,или внезапное изменение условий формирования, что позволяет им выбрать более подходящее рабочее окно или переключиться на другой набор инструментов.и быстрая оптимизация в замкнутом цикле это именно основное значение интеллектуальной бури.
V. Engineering Challenges Center по высокотемпературной электронике, надежности упаковки и реинженерии процессов на месте
В настоящее время интеллектуальные сверла все еще сталкиваются с несколькими значительными барьерами, прежде чем они могут быть развернуты в большом масштабе.срок службы электронных компонентов и соединителей при высоких температурахВо-вторых, пропускная способность данных внизу отверстия по своей сути ограничена.без соответствующего сжатия данных и логики запуска событий, система датчиков может легко стать способной к измерениям, но не способной передавать.внедрение одних только интеллектуальных буровых устройств не автоматически приведет к повышению эффективности эксплуатации; необходимо одновременно устанавливать стандартизированные параметры, схемы классификации аномалий, механизмы послеоперационного обзора и четкие межведомственные рамки подотчетности.
Это означает, что интеллектуальная сверла не является изолированным продуктом, а скорее долгосрочным инженерным проектом, который требует скоординированного участия НИОКР, испытаний, производства,проповедническое служениеЕсли рассматривать его просто как маркетинговую особенность, он часто застрял на стадии доказательства концепции; но если он рассматривается как платформа для буровых инструментов следующего поколения, он может быть использован в качестве инструмента.это требует одновременной разработки испытательных участков скважин, базы данных сбоев, процедуры калибровки датчиков и спецификации интерфейсов для интеграции с инструментами BHA.
VI. Последствия для Xingtong: сначала создать маленькие системы с замкнутым циклом, затем разработать полную платформу в большом масштабе".
Для производителей нефтедобывающих битов наиболее прагматичным подходом является не сразу разработка полностью функционального умного бита за один раз, а скорее создание, вокруг их существующей линейки продуктов PDC,Маленькая система с закрытым циклом, которая включает в себя оптимизацию структурыПервый шаг может сосредоточиться на высококачественных сигналах, таких как вибрация и крутящий момент, используя морфологию износа, фотографии сбоев,и данные истории скважин для установления правил идентификации эксплуатационных условий, которые могут быть использованы повторно; второй шаг затем постепенно расширяется до характеристики формирования почти битов, контроля положения и координации направления.
В то же время, определение продукта должно перейти от "одной сверла" к "платформе сверла".Одно и то же основополагающее устройство может быть адаптировано в разные версии для решения проблемы повышения ставки, направленные и стабильные отклонения бурения, длинные горизонтальные сечения и высокоабразивные образования,с интеллектуальными функциями, постепенно вкладываемыми в основе конкретных сценариев примененияЭтот подход обеспечивает непрерывность инвестиций в НИОКР и одновременно предотвращает неоправданный всплеск сложности системы.Эта стратегия, скорее всего, даст надежную дорожную карту для продукта, чем просто насквозь абстрактные концепции.
Ссылки
- Liu Qingyou et al.: Прогресс исследований и тенденции развития в области интеллектуальных сверлялок.
- Лю Цинью: "Текущее состояние и прогресс в исследованиях интеллектуальных буровых блоков".
- Halliburton: Общедоступная информация о буровых блоках с фиксированным резателем Hedron и Cerebro in-bit sensing.
- SLB: Общедоступная информация о ближайших изображениях и автоматическом управлении.