數(shù)字系統(tǒng)、隔水管接頭設(shè)計(jì)和井下工具方面的創(chuàng)新正被應(yīng)用于海上鉆井項(xiàng)目中，以減少非生產(chǎn)時(shí)間（NPT）并降低成本 。
 
近年來，數(shù)字化和自動(dòng)化已成為海上鉆井領(lǐng)域的關(guān)鍵發(fā)展方向，因?yàn)樵荚O(shè)備制造商（OEM）正與運(yùn)營商和鉆井公司合作，開發(fā)能夠改善鉆機(jī)作業(yè)的技術(shù)。不過，即便數(shù)字軟件和應(yīng)用程序在技術(shù)領(lǐng)域日益占據(jù)重要地位，先進(jìn)的硬件及其相關(guān)系統(tǒng)也同樣具備節(jié)省時(shí)間、提升性能和增強(qiáng)安全性的潛力。 
圖1 美國油州國際公司（Oil States International）的控壓鉆井 / 隔水管氣體處理（MPD/RGH）系統(tǒng)配備了一體化隔水管接頭（如圖所示），這使得隔水管系統(tǒng)能夠從井口中心位置進(jìn)行全面檢修，無需斷開下部隔水管總成來進(jìn)行維護(hù)，從而避免了這一耗時(shí)的操作。此外，該接頭的長度和重量大約僅為傳統(tǒng)隔水管接頭的一半。
在未來幾年里，有一個(gè)有望成為海上鉆井領(lǐng)域關(guān)鍵特征的方面，那就是控壓鉆井（MPD），這是一種用于精確控制井底壓力的自適應(yīng)鉆井工藝。隨著鉆井人員和運(yùn)營商不斷在壓力窗口狹窄、條件更為復(fù)雜的海上盆地開展作業(yè)，這些控壓鉆井系統(tǒng)在海上鉆機(jī)上的應(yīng)用可能會(huì)持續(xù)增加。就第三方制造商而言，他們已經(jīng)在推出安裝更簡便、運(yùn)行效率更高的控壓鉆井系統(tǒng)了。
例如，隔水管接頭的簡化設(shè)計(jì)是美國油州國際公司（OSI）最近推出的控壓鉆井/ 隔水管氣體處理（RGH）系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。該公司表示，這種接頭有助于在安裝過程中大幅減少非生產(chǎn)時(shí)間（NPT），從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)其簡化控壓鉆井技術(shù)應(yīng)用流程的目標(biāo)。 
油州國際公司英國及亞洲區(qū)副總裁加里?斯蒂芬表示：“我們認(rèn)為，對(duì)于那些開采難度更大的油井而言，控壓鉆井（MPD）技術(shù)的應(yīng)用需求正日益增長。對(duì)于我們所接觸的客戶來說，這在很大程度上已經(jīng)成為了一種標(biāo)準(zhǔn)做法。他們計(jì)劃在其所有的鉆井船、半潛式鉆井平臺(tái)和鉆井船上都安裝控壓鉆井系統(tǒng)。因此，我們一直專注于開發(fā)一種能夠提高這一安裝過程效率的系統(tǒng)。”
一些海上作業(yè)的運(yùn)營商還發(fā)現(xiàn)，采用那些此前主要應(yīng)用于陸上油井的技術(shù)頗具價(jià)值。舉例來說，尼奧石油工具公司（Neo Oiltools）的尼奧托克（Neotork）減震工具，在過去三年間，于多個(gè)陸上盆地的使用頻率不斷攀升，而近期，它被應(yīng)用于一家在泰國近海作業(yè)的運(yùn)營商項(xiàng)目中；該項(xiàng)目中，機(jī)械鉆速（ROP）實(shí)現(xiàn)了顯著提升。 
尼奧石油工具公司首席執(zhí)行官羅伯特?博恩表示：“如果尼奧扭矩振動(dòng)緩解工具能夠最大程度地減少振動(dòng)，那么運(yùn)營商就不必因?yàn)榭赡艹霈F(xiàn)的故障而將鉆具提出地面。如果因?yàn)闆]有出現(xiàn)故障，我們能夠一直留在井下作業(yè)，那我們就可以加快鉆井速度，而時(shí)間就是金錢。這為運(yùn)營商提供了多種選擇：是想更快地鉆出同樣數(shù)量的油井，還是在當(dāng)前預(yù)算或時(shí)間分配下，有可能鉆出更多的油井呢？做任何事情都存在機(jī)會(huì)成本。”
即便實(shí)體工具正在重新塑造海上鉆井領(lǐng)域的格局，數(shù)字領(lǐng)域也在不斷開拓新的疆界。去年，哈里伯頓公司以及為鉆井作業(yè)提供數(shù)字系統(tǒng)的塞卡爾公司（Sekal），與挪威國家石油公司展開合作，部署了首個(gè)集成了LOGIX自動(dòng)化技術(shù)與遠(yuǎn)程操作功能的自動(dòng)化近底鉆井系統(tǒng)，該系統(tǒng)整合了塞卡爾公司的鉆井電子控制系統(tǒng)以及北海某鉆機(jī)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。
隨著運(yùn)營商和鉆井人員在鉆機(jī)上更多地使用第三方數(shù)字系統(tǒng)，確保所有系統(tǒng)能夠有效地相互通信變得愈發(fā)重要。哈里伯頓公司與塞卡爾公司合作的一個(gè)關(guān)鍵要素是使用了一個(gè)業(yè)務(wù)流程編排平臺(tái)，該平臺(tái)能確保鉆機(jī)上的各種系統(tǒng)在獲取井下數(shù)據(jù)的情況下，能夠輕松協(xié)同工作，從而做出最優(yōu)決策。
哈里伯頓公司數(shù)字油井建設(shè)鉆機(jī)系統(tǒng)與自動(dòng)化部門總監(jiān)莫里?萊恩表示：“互操作性極其重要。但是，如果你只提供互操作性而沒有業(yè)務(wù)流程編排，那么由哪個(gè)系統(tǒng)來負(fù)責(zé)主導(dǎo)呢？要是每個(gè)人都有操控船只的能力，那到底該由誰來駕駛這艘船呢？你需要一個(gè)業(yè)務(wù)流程編排系統(tǒng)來解決這個(gè)問題。它有助于我們就從不同系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)達(dá)成共識(shí)，這樣我們就能有明確的定義和既定的決策機(jī)制。”
 

確保自動(dòng)化系統(tǒng)的互操作性
哈里伯頓公司的數(shù)字油井建設(shè)軟件LOGIX在挪威國家石油公司于北海的一口油井項(xiàng)目中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。LOGIX軟件涵蓋了油井定位、完整性管理、導(dǎo)向控制以及防碰撞功能。它還具備一個(gè)自主鉆井平臺(tái)，并且充當(dāng)所有LOGIX組件的驅(qū)動(dòng)裝置，能夠同時(shí)運(yùn)行這些組件，并通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法實(shí)時(shí)分析井下數(shù)據(jù)。
哈里伯頓公司的LOGIX業(yè)務(wù)流程編排功能是關(guān)鍵組成部分，它使得所有服務(wù)能夠在極少人工干預(yù)的情況下實(shí)時(shí)并行運(yùn)行，并向鉆機(jī)過程自動(dòng)化系統(tǒng)提供一套綜合指令，從而將地下和地面的自動(dòng)化系統(tǒng)閉環(huán)整合為一個(gè)具有統(tǒng)一目標(biāo)的單一系統(tǒng)。

圖2 哈里伯頓公司LOGIX業(yè)務(wù)流程編排平臺(tái)能夠讓不同的系統(tǒng)服務(wù)在極少人工干預(yù)的情況下實(shí)時(shí)并行運(yùn)行。它向鉆機(jī)過程自動(dòng)化系統(tǒng)提供一整套綜合指令，將地下自動(dòng)化系統(tǒng)和地面自動(dòng)化系統(tǒng)的閉環(huán)整合為一個(gè)具有統(tǒng)一目標(biāo)的單一系統(tǒng)。去年，該平臺(tái)與塞卡爾公司的自動(dòng)化程序以及動(dòng)態(tài)防護(hù)措施相結(jié)合，應(yīng)用于一套集成式自主近底鉆井系統(tǒng)中，這套系統(tǒng)是為挪威國家石油公司部署在挪威大陸架上的。（此圖很大，可以拉大）
去年，哈里伯頓公司與塞卡爾公司合作，為挪威國家石油公司在挪威大陸架上的一口油井提供了一套集成式閉環(huán)控制解決方案。該解決方案將自主定向鉆井與自動(dòng)化的井筒水力控制以及動(dòng)態(tài)的地面鉆機(jī)設(shè)備控制進(jìn)行了統(tǒng)籌協(xié)調(diào)。
為挪威國家石油公司開發(fā)的這一解決方案利用LOGIX平臺(tái)，將多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)——油井規(guī)劃指標(biāo)、油井定位要求、振動(dòng)緩解措施以及井眼清潔優(yōu)化方案——與塞卡爾公司的自動(dòng)化程序和動(dòng)態(tài)防護(hù)措施整合在一起。這些系統(tǒng)的集成使挪威國家石油公司能夠?qū)崟r(shí)優(yōu)化鉆井參數(shù)，并通過對(duì)地下、井筒流體和壓力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)先進(jìn)模型來實(shí)現(xiàn)油井的精確就位。
萊恩先生將這種集成描述為在實(shí)時(shí)狀態(tài)下，對(duì)運(yùn)行于不同精確程度的系統(tǒng)之間的一種微妙平衡。有些系統(tǒng)的運(yùn)行間隔不到一秒，而另一些系統(tǒng)可能每15分鐘才批量更新一次數(shù)據(jù)。LOGIX業(yè)務(wù)流程編排軟件所具備的關(guān)鍵能力，就是能夠有效地自動(dòng)管理來自井下和地面系統(tǒng)的這些差異情況。 
這種能力使得 LOGIX成為了系統(tǒng)集成的關(guān)鍵組成部分，因?yàn)樗鼘?shí)現(xiàn)了與工程系統(tǒng)以及鉆井過程控制層之間的互操作性。萊恩先生表示，這種業(yè)務(wù)流程編排軟件能夠確保將所有系統(tǒng)的操作需求有效地整合為一套單一的自動(dòng)化操作指令集。
 
萊恩先生說：“我們不再是讓三位主廚各自烹制不同的晚餐，而是可以讓一位主廚（即業(yè)務(wù)流程編排器）在多位副廚（即各種應(yīng)用程序）的協(xié)助下，將不同的食材組合起來，烹制出一頓晚餐。”
 
對(duì)于北海的那口油井，挪威國家石油公司的目標(biāo)是可靠且穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)井底自動(dòng)化操作，以提高鉆井作業(yè)的效率。在部署過程中，該系統(tǒng)最初以建議模式運(yùn)行，在完成系統(tǒng)與鉆井人員之間的變更管理流程時(shí)，向鉆井人員提出相關(guān)建議。一旦滿足了系統(tǒng)運(yùn)行的所有關(guān)鍵指標(biāo)，鉆井人員便會(huì)激活該系統(tǒng)，使其進(jìn)入主動(dòng)模式，在這種模式下系統(tǒng)將自主運(yùn)行。
事實(shí)證明，該系統(tǒng)成功達(dá)到了所有的初始指標(biāo)，目前已在第三口油井上投入使用，并且還計(jì)劃在其他地區(qū)進(jìn)行更多的部署。哈里伯頓公司計(jì)劃在日后發(fā)布對(duì)這些作業(yè)的性能成果的詳細(xì)分析報(bào)告。
 
 
減少井下振動(dòng)
尼奧托克減震工具已問世近十年，其設(shè)計(jì)之初便適用于陸上和海上的鉆井作業(yè)場(chǎng)景。然而，在過去幾年里它才開始得到更廣泛的應(yīng)用，且大多是在陸上環(huán)境中。隨后在2024年第四季度，該工具在泰國灣的海上作業(yè)中得以部署，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步的應(yīng)用拓展。
在那個(gè)成熟油井項(xiàng)目中，該工具幫助一家運(yùn)營商消除了井下工具故障，并使機(jī)械鉆速（ROP）提高了超過30%。這個(gè)項(xiàng)目已成為該公司構(gòu)建更大規(guī)模海上業(yè)務(wù)組合的一個(gè)跳板。
 
博恩先生表示：“在過去的一年里，我們大力宣傳以證明尼奧托克工具在海上作業(yè)中的可行性及其所能產(chǎn)生的影響。我們與運(yùn)營商進(jìn)行了多次深入交流，了解他們?cè)诳碧骄烷_發(fā)井作業(yè)中面臨的挑戰(zhàn)。我們有信心能夠幫助他們克服這些挑戰(zhàn)，并且預(yù)計(jì)今年尼奧托克工具在海上作業(yè)中的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛。”
 
圖3 尼奧石油工具公司的尼奧托克減震工具利用環(huán)繞在內(nèi)芯軸周圍的纜繩，配合一組彈簧，一旦井下扭矩超過特定限度，就能減小切削深度。通過緩慢釋放系統(tǒng)中儲(chǔ)存的多余扭矩，鉆頭可以持續(xù)與地層保持接觸。
該工具利用環(huán)繞在內(nèi)芯軸周圍的纜繩以及一組彈簧來應(yīng)對(duì)扭矩變化。一旦井下扭矩超過預(yù)設(shè)的限度，碟形彈簧和鋼纜組成的系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)收縮，以減小鉆頭的切削深度。隨著鉆井結(jié)構(gòu)繼續(xù)鉆進(jìn)，儲(chǔ)存在系統(tǒng)中的多余扭矩會(huì)緩慢釋放。鉆頭始終與地層保持接觸，從而使鉆井作業(yè)不會(huì)中斷。
博恩先生說：“我們通過控制切削深度，來緩解井下所有類型的振動(dòng)，包括軸向、水平方向和橫向振動(dòng)。當(dāng)我們減少了振動(dòng)，就能防止鉆頭損壞、變鈍，或者降低鉆井速度。我們幫助保護(hù)井下工具和底部鉆具組合（BHA），避免它們出現(xiàn)故障或?qū)е路巧a(chǎn)時(shí)間，不會(huì)因?yàn)檎駝?dòng)或鉆井異常而損壞，進(jìn)而不得不將工具提出井外。減少振動(dòng)意味著在對(duì)這些工具進(jìn)行必要維護(hù)之前，你可以進(jìn)行更長時(shí)間的鉆井作業(yè)。”
 
泰國灣的項(xiàng)目合作方是一家國際石油公司（IOC），在過去三年里，該公司一直在美國的非常規(guī)油井上使用尼奧托克工具。這家國際石油公司計(jì)劃在泰國灣的一個(gè)成熟盆地內(nèi)鉆四口鄰井。盡管在過去幾十年里，該公司已經(jīng)在這個(gè)盆地成功鉆了數(shù)千口井，但最近他們開始在一個(gè)超高壓油田進(jìn)行鉆井作業(yè)，這導(dǎo)致了嚴(yán)重的振動(dòng)問題，并且造成了多次工具故障。博恩先生估計(jì)，平均而言，在這個(gè)油田上，該運(yùn)營商每口井都要使用一套底部鉆具組合。
 
他解釋道：“泰國灣是一個(gè)壓力非常高的環(huán)境。運(yùn)營商需要保證生產(chǎn)效率和作業(yè)安全，還得想辦法避免因更換損壞的工具而將鉆具提出井外。此外，他們希望在維護(hù)周期之間能夠進(jìn)行更長時(shí)間的鉆井作業(yè)——你可以想象一下，每次把工具裝上船、返回港口、進(jìn)口維修翻新所需的零部件，這得花費(fèi)多少成本。”
 
尼奧托克工具最初在該油田的四口淺水鄰井上進(jìn)行了試用；這家國際石油公司想看看能否在不更換底部鉆具組合的情況下鉆多口井，而在此之前，每次作業(yè)都要更換底部鉆具組合已成為慣例。
 
該工具投入使用后，運(yùn)營商成功地用一套底部鉆具組合完成了四口鄰井的鉆探，而且沒有起下鉆頭。博恩先生指出：“當(dāng)你消除了工具故障和鉆頭故障，并且能夠在維護(hù)周期的限度和參數(shù)范圍內(nèi)多次重復(fù)使用工具時(shí)，這就是一個(gè)巨大的成功。”
 
此外，與在同一油田以往所鉆油井的歷史平均機(jī)械鉆速相比，這四口鄰井的平均機(jī)械鉆速提高了39%。
 
博恩先生補(bǔ)充道：“機(jī)械鉆速的提高對(duì)我們來說并不意外，因?yàn)槲覀冎溃绻軌驅(qū)⒄駝?dòng)降至最低，就可以鉆出更平滑的井眼，并且能讓鉆頭保持更多的能量。如果你對(duì)切削深度進(jìn)行了合理的管理，鉆井速度就會(huì)加快，機(jī)械鉆速的大幅提升就證明了這一點(diǎn)。”
 
自2024年末試用結(jié)束以來，該運(yùn)營商已同意在其計(jì)劃于同一油田鉆探的其余120口油井上都部署尼奧托克工具。
 
 
集成式控壓鉆井（MPD）系統(tǒng)
 
隨著控壓鉆井系統(tǒng)在海上作業(yè)中日益普及，第三方技術(shù)開發(fā)商和原始設(shè)備制造商（OEM）正在關(guān)注那些能夠幫助簡化安裝和維護(hù)這些系統(tǒng)時(shí)所出現(xiàn)的一些棘手問題的工具。這些工具能夠幫助節(jié)省成本、減少非生產(chǎn)時(shí)間（NPT）并提高安全性。
 
其中一項(xiàng)成果是在2022年推出的，當(dāng)時(shí)OSI推出了一種集成式控壓鉆井（MPD）/ 旋轉(zhuǎn)地質(zhì)導(dǎo)向（RGH）系統(tǒng)，目前該系統(tǒng)已在全球多個(gè)海上市場(chǎng)投入使用，包括澳大利亞、巴西，并且很快也將在美國墨西哥灣和挪威北海投入使用。
 
斯蒂芬先生表示，控壓鉆井（MPD）/旋轉(zhuǎn)地質(zhì)導(dǎo)向（RGH）系統(tǒng)與傳統(tǒng)的控壓鉆井系統(tǒng)設(shè)計(jì)有所不同。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，必須斷開下部隔水管總成（LMRP）才能進(jìn)行維護(hù)。這就需要將隔水管接頭提至水面，從而產(chǎn)生大量的非生產(chǎn)時(shí)間。海洋系統(tǒng)國際公司的系統(tǒng)配備了一個(gè)集成隔水管接頭，該接頭裝有雙可回收的防噴盒和軸承組件。
 
這使得它成為首個(gè)可從井中心進(jìn)行全面維修的隔水管系統(tǒng)。防噴盒由鉆桿工具下入和起出，無需從管柱中提出隔水管接頭，也無需返回岸上更換環(huán)形密封件。此外，海洋系統(tǒng)國際公司的隔水管接頭長度和重量大約僅為傳統(tǒng)隔水管接頭的一半，這也縮短了設(shè)備安裝所需的時(shí)間。
 
 
圖4 國際石油州公司（Oil States International，簡稱 OSI）于2022年推出的集成式控壓鉆井（MPD）/ 旋轉(zhuǎn)地質(zhì)導(dǎo)向（RGH）系統(tǒng)，已在澳大利亞和巴西的海上區(qū)域部署使用。在研發(fā)該系統(tǒng)時(shí)，該公司針對(duì)的是傳統(tǒng)控壓鉆井系統(tǒng)常面臨的安裝和維護(hù)難題——尤其是控壓鉆井接頭方面的問題。OSI公司稱，憑借其集成系統(tǒng)，他們能夠在不到7小時(shí)的時(shí)間內(nèi)安裝好一個(gè)接頭。
斯蒂芬先生解釋說：“傳統(tǒng)控壓鉆井（MPD）系統(tǒng)的問題一直在于控壓鉆井接頭本身的安裝。我們過去采用的是用于地面油井的現(xiàn)有設(shè)計(jì)，那些設(shè)計(jì)有著大型法蘭盤和重型設(shè)備，而我們還要嘗試在鉆臺(tái)下方的月池區(qū)域安裝這些設(shè)備。這是非常困難的，安裝這些設(shè)備可能需要長達(dá)兩天的時(shí)間。這就是為什么我們專注于打造一個(gè)易于操作的系統(tǒng)——現(xiàn)在我們能夠在不到7個(gè)小時(shí)的時(shí)間內(nèi)安裝好一個(gè)接頭。”
 
該隔水管接頭的儀表系統(tǒng)也與隔水管的各項(xiàng)功能集成在一起，以便將信息傳遞到地面。其電液控制系統(tǒng)通過一種免手動(dòng)操作的拉入式系索系統(tǒng)與接頭相連，無需人工干預(yù)即可實(shí)現(xiàn)接頭的遠(yuǎn)程插入。這一功能對(duì)于減少非生產(chǎn)時(shí)間（NPT）和提高安全性有著重大影響。
 
斯蒂芬先生說：“有了這種拉入式系索，所有的連接都已經(jīng)預(yù)先裝配好了。實(shí)際上，我們只需拉動(dòng)一根纜線，就能將所有已裝配好的連接件拉到接頭處。在月池區(qū)域那些可能出現(xiàn)操作瓶頸的地方，就不需要安排人員去進(jìn)行連接操作了。我們也不需要一堆復(fù)雜的機(jī)器人來完成這個(gè)過程。這種設(shè)計(jì)使得整個(gè)過程更加簡單、安全。”
 
雖然OSI的控壓鉆井（MPD）系統(tǒng)可以與現(xiàn)有的隔水管集成使用，但它也能與該公司的自動(dòng)化 “梅林”海上鉆井隔水管相結(jié)合。這種隔水管的特點(diǎn)是配備了一個(gè)由兩部分組成的連接器，該連接器沒有活動(dòng)部件，采用了一系列非螺旋形的齒。由于是非螺旋形的，這種連接器在使用過程中不會(huì)松動(dòng)脫落。
 
該隔水管系統(tǒng)還包括一個(gè)自動(dòng)化卡盤，它可確保在插入隔水管接頭之前接頭能正確對(duì)齊，從而降低輔助管線受損的可能性。一旦接頭連接完成，卡盤會(huì)以預(yù)設(shè)的載荷反向推壓，以此確認(rèn)接頭已正確裝配。據(jù)OSI稱，卡盤的自動(dòng)化使得隔水管的下入/起出速度達(dá)到每小時(shí)10至12根接頭。對(duì) “梅林”連接器進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試表明，其平均連接裝配時(shí)間為42秒，而傳統(tǒng)隔水管連接器的連接裝配時(shí)間則在5至10分鐘之間。
 
斯蒂芬先生說：“‘梅林’系統(tǒng)的特點(diǎn)是沒有螺栓。它采用的只是公母接頭的設(shè)計(jì)，而不是像我們?cè)诤芏喔羲苌峡吹降哪欠N螺紋設(shè)計(jì)。我們?cè)诠宇^和母接頭之間施加壓力，這就能有效地將接頭連接在一起。這就是我們能夠?qū)崿F(xiàn)快速連接的原因。”