計劃外的停工困擾著石油和天然氣行業(yè)。2016年的一份報告發(fā)現(xiàn)，油氣行業(yè)平均每年的停工時間超過27天，導(dǎo)致每家公司平均經(jīng)濟(jì)損失3800萬美元。某些公司的停工損失超過8800萬美元。造成災(zāi)難性經(jīng)濟(jì)損失的原因多種多樣。設(shè)備老化、有經(jīng)驗的員工退休，以及低油價導(dǎo)致的利潤下降和有限的資金投入，這些都是該行業(yè)計劃外停工停產(chǎn)的主要因素。
服務(wù)環(huán)是油氣開發(fā)現(xiàn)場鉆機的核心，但服務(wù)環(huán)也需要頻繁維護(hù)，找出容易出現(xiàn)故障的部位。一種新的、由igus公司開發(fā)的鉆機技術(shù)提高了服務(wù)環(huán)的可靠性，大大減少了停工時間。與其它產(chǎn)品相比，見圖1（一個創(chuàng)新的電環(huán)示意圖，每個環(huán)都加裝了220mm的動態(tài)橫桿，可用作傳統(tǒng)服務(wù)環(huán)的替代品），igus公司的電環(huán)是專門設(shè)計用于更模塊化和更堅固的系統(tǒng)。通過本地化的裝配團(tuán)隊，運動塑性專家可在世界各地對鉆機進(jìn)行快速組裝并交付改裝后的裝置，包括德克薩斯州、新墨西哥州、墨西哥灣或北美任何地方的鉆機。德克薩斯州負(fù)責(zé)油氣開發(fā)的經(jīng)理Jason Freed說：“事實上，任何油氣鉆探的鉆機都會看到電環(huán)的巨大價值。Igus公司的電環(huán)除了能減少停工外，在現(xiàn)場還更易維護(hù)，提高了鉆機的整體安全”。
傳統(tǒng)的服務(wù)環(huán)常常會引起電纜破裂或斷裂。新品設(shè)計的目的是提供一種解決兩個問題的產(chǎn)品。電環(huán)產(chǎn)品設(shè)計的領(lǐng)頭羊Tim Schneebeck說：“電環(huán)的設(shè)計理念是出自易于維護(hù)的背景”，他在德國科隆的igus總部監(jiān)管著公司的油氣產(chǎn)品部門。“這就是為什么模塊化和產(chǎn)品堅固性是電環(huán)產(chǎn)品關(guān)鍵的優(yōu)先事項。其它是安全性、耐用性、簡單性和成本效益”。
Igus公司第一批電環(huán)的其中一項應(yīng)用是在加拿大的一個鉀礦開采場，由于大風(fēng)和嚴(yán)寒，工人們經(jīng)常遭遇停工。8小時的改裝修復(fù)了這個問題，見圖2（加拿大一部用于開采鉀礦的鉆機，在極端惡劣的天氣狀況下也能正常作業(yè)，它采用了一種igus公司的能量鏈進(jìn)行改裝，幫助解決了與天氣有關(guān)的問題，提高了鉆機的作業(yè)效率。）。第二天，一場暴風(fēng)雪席卷了加拿大薩斯喀徹溫省的貝休恩，鉆機就位于此地，改裝前原本需要暫時停工。而這次沒有停工，也沒出現(xiàn)安全及鉆機線纜損壞的問題。Igus公司加拿大負(fù)責(zé)設(shè)計能量鏈改裝的Alan Kwoo說：“持續(xù)的作業(yè)時間和防止停工對鉆井施工至關(guān)重要。生產(chǎn)時間的損失就意味著收入的損失”。
圖2
初步分析
服務(wù)環(huán)是鉆機的能量來源。服務(wù)環(huán)為安裝在井架中的一部大型頂驅(qū)電機提供電力，該電機為鉆具提供旋轉(zhuǎn)扭矩。該系統(tǒng)能使鉆機鉆深達(dá)10km，服務(wù)環(huán)為鉆機的主電機供電，為其它設(shè)施如照明、潤滑油加熱器和冷卻風(fēng)扇等提供輔助電力。還為控制、數(shù)據(jù)傳輸和儀器的運用提供電能。
Schneebeck說：“電環(huán)是通過分析頂驅(qū)系統(tǒng)的服務(wù)環(huán)演變而來的。我們在這些服務(wù)環(huán)中看到的主要問題就是封裝，封裝使保護(hù)軟管和電纜整個系統(tǒng)變得僵硬和彎曲性差。如果你發(fā)現(xiàn)這些環(huán)中的其中一個環(huán)有問題，那么整個軟管和電纜系統(tǒng)就需要更換”。Schneebeck還說到：“在美國，許多鉆機都有簡單的服務(wù)環(huán)，電纜和軟管周圍沒有封裝。一個簡單的袋子合攏保護(hù)著所有的電纜和軟管。鉆機越自動化，服務(wù)環(huán)就越先進(jìn)——直到一個完整的封裝版本。
封裝是用一種類似膠粘物的物質(zhì)涂抹在電纜的保護(hù)軟管中。膠粘物用作應(yīng)變緩解，保護(hù)系統(tǒng)免受水侵。如果只有一根電纜出現(xiàn)問題，非模塊化系統(tǒng)需要工人們更換整個環(huán)體。Schneebeck說：“我們看到這些服務(wù)環(huán)的主要問題是破裂或斷裂，封裝的其中一個主要問題是僵硬和彎曲性或柔軟性差”。
Igus公司的目標(biāo)是設(shè)計一個模塊化系統(tǒng)，使其既能減少系統(tǒng)維護(hù)和降低成本，還能承受斷裂損壞，斷裂是服務(wù)環(huán)最常見的問題。Freed說：“斷裂導(dǎo)致電纜損壞，而在鉆機搬遷或移動期間處理電環(huán)也是導(dǎo)致其損壞的一個因素。更換電環(huán)、保險杠、鏈路和電纜的諸多部件，使其具有堅固的電纜保護(hù)作用，可能是處治電環(huán)的最獨特的事項”。大多數(shù)服務(wù)環(huán)需要不斷的維護(hù)。此外，因強風(fēng)造成的服務(wù)環(huán)斷裂讓工人們處于危險境地，因為他們要試圖處治高壓電纜。電環(huán)的設(shè)計還要考慮確保安全的要求。設(shè)備或部件掉落是鉆井作業(yè)中最忌諱問題和最大的安全隱患。Freed說：“安全性是電環(huán)最主要的優(yōu)先事項”。
高昂的腐蝕成本
腐蝕也會導(dǎo)致石油行業(yè)代價高昂的停工。石油天然氣工業(yè)每年在腐蝕方面總的成本支出達(dá)13億美元、油氣勘探中使用的材料有一些暴露在最惡劣的工業(yè)環(huán)境中，導(dǎo)致材料老化，因而可能會損害環(huán)境和威脅工人的安全。大多數(shù)服務(wù)環(huán)由鋼材料制成，因此，容易受到腐蝕。
Igus公司的電環(huán)采用技術(shù)創(chuàng)新和低成本組件解決了腐蝕問題，可在任何氣象如海水、嚴(yán)寒、強風(fēng)、灰塵和高溫等環(huán)境下可靠的使用。見圖3（能量鏈取代了在暴風(fēng)雪環(huán)境下經(jīng)常出現(xiàn)損壞、導(dǎo)致作業(yè)中斷的服務(wù)環(huán)）。igus公司加拿大電鏈產(chǎn)業(yè)經(jīng)理Scott Parker 說：“電環(huán)的核心由聚合物部件制成，其核心繩索不是金屬，因此不會被腐蝕。為了避免緊固件的腐蝕，硬件由不銹鋼制成。由于采用了聚合物材料，因此無需潤滑，而且，在腐蝕性環(huán)境下也不會出現(xiàn)電環(huán)卡住的情形”。
圖3
Igus公司的材料的自潤滑性還能大大降低維護(hù)時間和成本支出，擴(kuò)展了鉆機運轉(zhuǎn)的能力范圍。這項技術(shù)將聚合物能量鏈的優(yōu)勢與具有高拉伸強度的復(fù)合繩結(jié)合在一起。拉伸力被繩索吸收，通過安裝臂架支持著支撐結(jié)構(gòu)。這種設(shè)計減輕了電纜的各種應(yīng)力，確保了一個限定的電纜彎曲半徑。模塊化電環(huán)設(shè)計還可承受振動和沖擊。Parker說：“igus公司在海上鉆探市場有著悠久的作業(yè)經(jīng)歷，包括在海上應(yīng)用中首次采用了DNV GL額定的連續(xù)彎曲（柔性）電纜。由于igus公司能量鏈系統(tǒng)是聚合物材料，因此，已成功運用于許多海上作業(yè)。在這個市場中，任何耐鹽且無需維護(hù)或頻繁更換的產(chǎn)品都會延長生產(chǎn)時間，同時還能降低作業(yè)成本”。
安全問題
服務(wù)環(huán)還涉及許多安全問題。鉆機的維修工作相當(dāng)危險，有許多移動部件和組件。也有易燃的化學(xué)品以及從井中溢出油氣的可能性。最致命的鉆井平臺事故發(fā)生在1988年，當(dāng)時北海的Piper Alpha石油鉆井平臺導(dǎo)致了167名工人遇難。只有61名工人在這場悲劇中幸存了下來。
在加拿大的應(yīng)用中，大風(fēng)常常讓工人們受挫，迫使作業(yè)停工。鉆井承包商AKITA鉆井公司的現(xiàn)場負(fù)責(zé)任人Justin Amyotte說：“我們嘗試了多種方法來應(yīng)對大風(fēng)對服務(wù)環(huán)的擾亂。我們甚至在迎著風(fēng)的方向安裝鉆機。在大風(fēng)來臨期間，我們讓一名工人一直在鉆臺上觀察服務(wù)環(huán)。如果情況非常糟糕，我們就停止施工。改裝前的鉆機電纜包裹的很好，但當(dāng)電纜靠近鉆機鋼架時容易裹出皺紋和變形，由此產(chǎn)生阻礙，造成電纜拉扯甚至斷裂。裹有電纜和軟管的包裝更換成本很高。有時，大風(fēng)猛刮和侵襲服務(wù)環(huán)，將其吹進(jìn)鉆機的桅桿梁。希望司鉆能看到并叫停這種情況，修復(fù)這一困擾。如果司鉆未發(fā)現(xiàn)這種情形，電纜就會損壞。其結(jié)果就會導(dǎo)致更長時間的停工”。
解決含有高壓電線的電纜斷裂問題是一項危險的工作。加拿大K+S 鉀礦開采公司高級經(jīng)理Darren Hrynkiw說：“不止一次地，服務(wù)環(huán)在頂驅(qū)上被拉扯或斷裂，導(dǎo)致高壓電纜發(fā)生危險架空的安全事故。施工者們探索了多種工程安全解決方案，但多數(shù)情況下，提出的方案大都涉及其它方面的維護(hù)，有時甚至?xí)硇碌陌踩珕栴}”。
加拿大的應(yīng)用
AKITA公司的鉆機在正常情況下工作良好，但因強風(fēng)造成服務(wù)線路阻斷時常常會導(dǎo)致停工，該公司考慮了改裝方案。Amyotte說：“唯一的解決方案是采用堅固的鏈路和軌道類系統(tǒng)。但這種系統(tǒng)可能會因管材或鉆機移動而彎曲和損壞。也會因結(jié)冰而無法正常工作。一旦出現(xiàn)損壞，鉆機就要停下來等待維修”。Amyotte是在德克薩斯州一個來自德國科隆的igus公司的工業(yè)貿(mào)易展會上了解到有關(guān)電環(huán)的技術(shù)。
鉆機的電環(huán)約為21m，彎曲半徑為500mm。電環(huán)安裝在桅桿式鉆機的中央。可在41m高的鉆機的中心點上下或來回移動，見圖4（在此次應(yīng)用中，能量鏈被安裝在一部用于開采鉀礦的鉆機上。而這種方法也可用在鉆探油氣井的鉆機上）。AKITA公司的鉆機建造于2015年。K+S 鉀礦開采公司已經(jīng)營了125年，為的是開采鉀礦，從而進(jìn)一步加工成氯化鉀。礦場位于Bethune，AKITA鉆機是40多年來首次在薩斯喀徹溫省對未開發(fā)的鉀礦進(jìn)行開采。AKITA公司計劃1月中旬用igus公司的能量鏈對鉆機進(jìn)行改造。該礦場原定于2月份暫時關(guān)閉，然后在夏季再次啟動。各團(tuán)隊希望在冬季剩余時間暫停之前對新的能量鏈進(jìn)行現(xiàn)場測試。
圖4
改裝僅用了8小時，而新安裝的能源鏈第一次測試用了24小時。一場暴風(fēng)雪席卷了該地區(qū)，風(fēng)速高達(dá)每小時88英里，伴隨著降雪和凍雨。暴風(fēng)雪摧毀了電纜，積雪厚度超過150mm，造成了大范圍停電。今年1月的風(fēng)力是Regina地區(qū)有史以來最強的。氣溫降至接近零下40°F。暴風(fēng)雪在Bethune地區(qū)并不罕見，而這場特殊的暴風(fēng)雪對該地區(qū)造成了巨大的打擊。
不管怎樣，新的安裝了電環(huán)的AKITA鉆機啟動了。沒有出現(xiàn)施工中斷和停工，也沒有工人們站在地上觀察可能出現(xiàn)的不幸事件。Hrynkiw說：“即使遇到極端的天氣情況，電環(huán)也能正常工作。當(dāng)能找到一種工程方法消除安全隱患時，我總是非常高興，因為這比程序化的保障措施更為有效。鑒于這樣的設(shè)計，我們預(yù)計維護(hù)會變得很少或根本沒有，而這種保護(hù)系統(tǒng)的安裝不會對生產(chǎn)率造成影響”。雖然該技術(shù)的此次應(yīng)用是用在開采鉀礦的鉆機上，但Amyotte說，任何鉆探油氣的鉆機都能從使用igus技術(shù)中獲得巨大收益。
利潤豐厚的鉀礦市場
雖然鉀礦不像石油和天然氣那么受人關(guān)注，但它也是世界上最廣泛使用的礦物之一。K+S鉀礦開采特別值得關(guān)注，它包括了世界十大最深的鉀礦中的兩個。2017年6月，該公司生產(chǎn)了第一批可銷售的鉀礦。該礦物的開采預(yù)計可超過55年，建設(shè)成本超過40多億美元，每年將生產(chǎn)近200萬噸碳酸鉀。
大幅減少停工時間
任何生產(chǎn)設(shè)施的目標(biāo)，無論是鉆探石油或是開發(fā)其它礦物，都需消除或減少停工時間。Amyotte說：“減少停工時間就等于提高生產(chǎn)率。減少損失就等于節(jié)省成本”。當(dāng)igus公司的工程師們在設(shè)計電環(huán)時，減少停工是他們的首要目標(biāo)。對于igus公司來說，最具挑戰(zhàn)性的工作之一是測試確保電環(huán)能在最惡劣環(huán)境下的持續(xù)工作。
電環(huán)無疑解決了AKITA鉆機和K+S鉀礦開采公司關(guān)注的問題。Amyotte說：“該方法的效果好于預(yù)期，是解決他們多年來所面臨問題的最佳方案。電環(huán)能讓頂驅(qū)電纜移動自如，同時也限定了彎曲半徑。還能更好的保護(hù)電纜，不會因為需要維護(hù)和修理而導(dǎo)致作業(yè)停工。這對我們來說非常具有吸引力，大大提高了生產(chǎn)效率”。
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