Trong ngành dầu khí, “robot khoan” không chỉ đơn giản là một cánh tay robot hay một cỗ máy thông minh mang tính khái niệm; đúng hơn, nó biểu thị một đơn vị tự động hóa tích hợp bao gồm các hoạt động tại giếng, thực hiện hạ cấp, xử lý chuỗi khoan và kiểm soát thời gian thực. Khi nhu cầu giảm nhân lực, vận hành từ xa và tăng cường an toàn tiếp tục tăng, rô-bốt khoan đang phát triển từ thiết bị phụ trợ thành các bộ phận quan trọng của hệ thống khoan tự động, ảnh hưởng trực tiếp đến các giao thức giao diện giữa mũi khoan, dụng cụ khoan lỗ và nền tảng điều khiển bề mặt.
Hình 1 Sơ đồ cấu tạo của Robot khoan và hệ thống khoan tự động
Hình 2: Quy trình vận hành tự động liên quan đến robot khoan
Hình 3: Sơ đồ các kịch bản hợp tác đa cấp trong khu vực giếng không người lái
I. Robot khoan là “hệ thống vận hành”, không phải là thiết bị độc lập.
Từ góc độ chức năng, robot khoan bao gồm ít nhất ba loại thành phần: thứ nhất, thiết bị tự động hóa bề mặt, chẳng hạn như hệ thống tiếp liệu máy khoan tự động, bộ phận bổ sung và đột phá tự động, hệ thống xử lý tự động và mô-đun vận hành đầu giếng; thứ hai, bộ truyền động hạ cấp, bao gồm các công cụ định hướng có thể điều khiển được, mô-đun can thiệp và kiểm tra hạ cấp, và thiết bị robot cho các hoạt động ống cuộn; và thứ ba, hệ thống kiểm soát tổng thể, khóa liên động an toàn và giám sát tình trạng tích hợp hai loại này. Chỉ khi ba loại này hoạt động theo cấu hình vòng kín phối hợp thì khả năng tự động hóa của robot mới thực sự mang lại giá trị trên sàn giàn khoan.
Định nghĩa này có tầm quan trọng tối cao đối với các nhà sản xuất mũi khoan. Trước đây, mũi khoan phần lớn được xem là công cụ thụ động—đủ miễn là chúng đáp ứng các thông số kỹ thuật về dạng ren, kích thước và giao diện cơ học. Tuy nhiên, trong các tình huống khoan tự động, dữ liệu tình trạng của mũi khoan, đường bao hoạt động và đặc điểm khớp nối của nó với cụm lỗ đáy đều ảnh hưởng trực tiếp đến logic ra quyết định của hệ thống điều khiển chính. Nói cách khác, các mũi khoan trong tương lai không chỉ phải có “chức năng” mà còn phải “dễ tích hợp, dễ nhận dạng và có khả năng cộng tác liền mạch”.
II. Giá trị cốt lõi của hệ thống khoan tự động nằm ở việc giảm thiểu rủi ro cao cho con người.
Nhiều hoạt động quan trọng tại khu vực giếng từ lâu đã dựa vào sự giám sát và kiểm soát chuyên sâu, sử dụng nhiều con người, chẳng hạn như xử lý một đường ống, vận hành đầu giếng, giám sát thông số liên tục và xác định các điều kiện vận hành bất thường. Khi các nhiệm vụ này được thực hiện trong môi trường đồng thời áp suất cao, tải trọng cao và đa quy trình, chúng dễ dàng làm phát sinh các rủi ro về an toàn. Giá trị chính của robot khoan và hệ thống tự động hóa không nằm ở trình độ công nghệ mà ở việc giao các nhiệm vụ có rủi ro cao, lặp đi lặp lại và quan trọng về thời gian cho các thiết bị được tiêu chuẩn hóa, từ đó chuyển vai trò của người vận hành con người sang ủy quyền, giám sát và xử lý ngoại lệ.
Đây cũng là lý do tại sao các công ty dịch vụ mỏ dầu quốc tế liên tục tăng cường hoạt động khoan định hướng tự động, vận hành từ xa và kiểm soát khóa liên động. Một hệ thống tự động hóa chỉ nâng cao hiệu quả mà không củng cố các ranh giới an toàn sẽ gặp khó khăn trong việc đạt được sự áp dụng rộng rãi trong thời gian dài; ngược lại, nếu nó có thể đồng thời giảm thời gian ngừng hoạt động ngoài kế hoạch, giảm thiểu rủi ro phơi nhiễm và cải thiện tính nhất quán trong hoạt động, thì nó sẽ nhanh chóng trở thành nhân tố chính thúc đẩy chuyển đổi kỹ thuật số ở các mỏ dầu.
III. Những thách thức chính trong chế tạo robot dưới lòng đất nằm ở khả năng thu nhỏ, độ tin cậy cao và khả năng phục hồi.
Sự khác biệt đáng kể nhất giữa robot trong hố khoan và robot bề mặt là robot hoạt động trong không gian hạn chế của giếng khoan và phải đối mặt với các điều kiện môi trường khắc nghiệt hơn nhiều so với robot công nghiệp thông thường. Nhiệt độ và áp suất cao, ô nhiễm bùn, rung động mạnh, hạn chế về không gian cực độ và khó khăn trong việc thu hồi, tất cả đều đòi hỏi độ tin cậy phải là ưu tiên hàng đầu đối với robot hạ cấp. Bất kỳ sự phức tạp không cần thiết nào cũng sẽ làm tăng nhanh khả năng thất bại; do đó, thiết kế nên ưu tiên các nguyên tắc mô đun, dự phòng và an toàn.
Dựa trên nghiên cứu đã công bố và tài liệu học thuật, rô-bốt trong hố khoan có vị trí tốt hơn để đạt được bước đột phá đầu tiên trong các ứng dụng có giá trị cao cục bộ—chẳng hạn như vận hành đường nhánh, đo lường chính xác, kiểm soát cục bộ và hỗ trợ trong các phần giếng phức tạp—thay vì thực hiện toàn bộ việc ra quyết định khoan ngay từ đầu. Chỉ bằng cách củng cố dần dần các khả năng về nhận thức, truyền động, cung cấp điện, liên lạc và truy xuất mới có thể hạ thấp khả năng chuyển đổi của robot từ nền tảng thử nghiệm sang thiết bị hiện trường có thể triển khai.
IV. Xu hướng hướng tới các hoạt động không người lái không có nghĩa là “loại bỏ hoàn toàn sự tham gia của con người” mà là “sử dụng nhân sự tại chỗ tối thiểu kết hợp với việc tiếp quản từ xa”.
Lộ trình thực tế cho các tấm đệm giếng không người lái thường diễn ra theo ba giai đoạn. Giai đoạn đầu tiên là tự động hóa độc lập, trong đó các thiết bị riêng lẻ thực hiện các hoạt động được tiêu chuẩn hóa theo trình tự được lập trình sẵn. Giai đoạn thứ hai là tự động hóa quy trình, trong đó nhiều thiết bị được phối hợp để thực hiện một nhiệm vụ thống nhất. Chỉ giai đoạn thứ ba mới đạt được mức nhân sự tại chỗ tối thiểu ở cấp độ giếng, bằng cách triển khai điều khiển tổng thể tập trung, trung tâm vận hành từ xa và các quy trình tiêu chuẩn hóa để xử lý các điểm bất thường, từ đó giảm nhân sự tại chỗ đến mức tối thiểu. Hiện nay, hầu hết các dự án trong ngành đều đang chuyển từ giai đoạn 2 sang giai đoạn 3.
Đối với các nhà sản xuất mũi khoan và dụng cụ khoan lỗ, điều này có nghĩa là các sản phẩm trong tương lai không chỉ phải đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất cơ học mà còn phải hỗ trợ khả năng nhận dạng và gọi của các hệ thống tự động. Ví dụ: ranh giới tham số sản phẩm phải được xác định rõ ràng, các điều kiện vận hành bất thường phải được chuẩn hóa, hồ sơ vận hành phải có thể theo dõi được và giao diện đề xuất phải có thể đọc được bằng máy. Công ty hoàn thành những nỗ lực tiêu chuẩn hóa này trước tiên sẽ có vị thế tốt hơn để đưa các công cụ của mình được liệt kê vào danh mục công cụ dành cho giàn khoan tự động.
V. Khớp nối trực tiếp giữa hệ thống tự động hóa và thiết kế mũi khoan
Nhiều người coi robot khoan là một vấn đề điều khiển cấp cao, nhưng trên thực tế, hiệu suất của chúng gắn chặt với thiết kế mũi khoan. Hệ thống điều khiển định hướng trong khi khoan và hạ lỗ tự động rất nhạy cảm với độ ổn định của phản ứng dụng cụ; nếu mũi khoan, trong một số điều kiện vận hành nhất định, có xu hướng bị dính-trượt, xoáy ngang hoặc độ trễ lái nghiêm trọng, thì hệ thống tự động hóa phải tăng tần suất can thiệp bảo vệ và điều chỉnh khắc phục. Kết quả là không chỉ hiệu quả giảm mà độ ổn định của hệ thống cũng bị ảnh hưởng.
Do đó, thiết kế mũi khoan để khoan tự động phải chú trọng hơn so với các ứng dụng truyền thống về phản ứng nhất quán, cửa sổ vận hành ổn định và các chế độ hỏng hóc có thể dự đoán được. Một công cụ vẫn “gần như không hoạt động” khi vận hành thủ công có thể bị từ chối hoàn toàn trong hệ thống tự động do phản hồi quá thất thường. Nói cách khác, xu hướng vận hành không người lái đang thúc đẩy các sản phẩm mũi khoan chuyển từ “dựa trên kinh nghiệm” sang “dựa trên tiêu chuẩn”.
VI. Đề xuất dành cho Xingtong: Xác định lại đề xuất giá trị của sản phẩm công cụ xung quanh khả năng cộng tác tự động.
Đối với Xingtong, robot khoan và khoan tự động không phải là những khái niệm xa vời—chúng đại diện cho ranh giới quan trọng để xác định các sản phẩm công cụ trong tương lai. Chúng tôi khuyên bạn nên áp dụng cách tiếp cận theo ba hướng: thứ nhất, phát triển danh sách toàn diện các giao diện sản phẩm tương thích với khoan tự động, chỉ định rõ ràng khả năng tương thích BHA, giới hạn tham số và cửa sổ vận hành để xử lý các điểm bất thường; thứ hai, tăng cường nghiên cứu về phản ứng nhất quán của dao bằng cách định lượng mức giảm rung, ổn định quỹ đạo và đánh giá tuổi thọ của dao thành các số liệu mà hệ thống có thể truy cập được; và thứ ba, xây dựng các trường hợp sử dụng khoan tự động-robot hợp tác xung quanh các phần giếng điển hình, nâng cấp nội dung trực tuyến của công ty từ “giới thiệu sản phẩm” lên “các giải pháp dựa trên kịch bản”.
Chỉ khi một công ty có thể chứng minh rõ ràng cách các mũi khoan của họ hỗ trợ các địa điểm giếng có số lượng nhân viên giảm, hệ thống khoan định hướng tự động và vận hành từ xa thì thông điệp kỹ thuật của công ty trên trang web của công ty mới thực sự phù hợp với xu hướng tiên tiến của ngành. Nếu không, ngay cả khi bản thân sản phẩm có xuất sắc, chúng cũng sẽ mất đi tiếng nói trước xu hướng hoạt động không người lái trong tương lai.
Tài liệu tham khảo
- Liu Qingyou: “Tiến độ nghiên cứu và triển vọng ứng dụng của Robot ngầm.”
- Nhóm của Liu Qingyou: Tài liệu nghiên cứu theo từng giai đoạn về khoan và hoàn thiện thông minh bằng robot hạ cấp.
- Baker Hughes: Thông tin có sẵn công khai về các công nghệ khoan tự động như khoan định hướng tự động i-Trak.
- SLB: Thông tin công khai về hướng dẫn tự động và hệ thống khoan thông minh.