新設備自動化的進步讓鉆井工人遠離危險區域，從而提高了操作的安全性、可靠性和作業效率。
 
鉆井作業是必不可少的，但本質上存在著危險性，鉆井工人每天都面臨著各種風險和挑戰。從重型設備和移動部件到不可預測的天氣條件及其環境狀況，鉆井平臺無疑是鉆井作業中最危險的場所。根據IADC（國際鉆井承包商協會）2023 年ISP（互聯網服務提供商）的報告，鉆井作業中損失的時間以及可記錄到的人員受傷事故出現最多的場所就是鉆臺，其中鉆工受傷的比例最大。
 
鉆臺是一個高強度的工作場所，鉆工們必須在該場所的一些危險區域快速安全地執行基本的操作任務，例如安裝和拆卸鉆桿、管具和套管。鉆工們還需相互協作完成起下鉆作業，監控和維護重型設備，包括鉆機和大鉗等設備和工具。然而，鉆臺上的工作環境十分艱苦、條件苛刻且令人筋疲力盡，但一切工作都必須正確完成。
 
當然，通過減少鉆臺上的人機互動，在現場或遠程重新定位和認識這方面的專業知識，鉆井作業可以做到更安全和更高效。鉆井自動化經歷了一個長達數十年的探索過程，它不僅能為石油天然氣工業帶來變革性的環境影響以及運營效率方面的提高，更重要的是，它改變了鉆井工人工作的安全環境。
 
機械化和自動化
 
2024年7月是 Piper Alpha 生產平臺在北海發生爆炸的36周年。這場奪走了167人生命的悲劇促使了全球重新評估安全作業協議。因此，政府機構和行業機構出臺了新的、更嚴格的法律和法規、標準和指南，重點關注的就是安全問題和風險管理。
 
Piper Alpha生產平臺所發生的事故也扮演了一種催化劑的作業，那就是它加速了機械化鉆井設備的進步與發展，包括管具操控和管架存放的系統架構。這些大型的重型機械裝置幫助海上鉆井平臺取代了人工操控管具和工具的作業程序，減少了一些危險區域需要人與設備、管具與工具直接接觸和操作的要求。雖然這些早期的機械化設備是朝著正確方向邁出的一步，但它們依舊是重型機械，通常需要對鉆臺進行大的改造，因此，很難改裝到現有的鉆機上。此外，這些設備的能源密集型特性也給整個鉆機底座和基礎帶來了額外的壓力。
 
隨著石油鉆井行業的不斷發展，NOV（國民油井Varco）公司認識到了需要采取更積極主動的方法來實現鉆井自動化。在 2010 年代，該公司開始專注于過程自動化，開發鉆井和管具處理解決方案，例如 NOVOS™ 操作平臺和多機器控制系統。這些進步通過自動化的重復性動作以及支持多種應用的功能，提高了鉆井作業的可靠性和可預測性，使鉆井工人能夠專注于更關鍵的任務和作業流程，而不是被手工作業或重復性的工作所困擾。
 
NOV的最新進展代表了該公司向著自主操控的自動化操作邁出了重要的一步，將自動化和機器人技術集成到鉆井工藝流程中，創造出一個非手工操作的鉆井平臺。該公司的愿景是開發一種全自動化的鉆井系統，將設備自動化、過程自動化和態勢感知相結合，將當前的設置和設想轉變為未來鉆機的動作。
 
鉆臺設備自動化
 
鉆桿和管具處理是鉆臺上最常見、最耗時且最容易出現危險的一項工作，需要全體作業人員持續的引起注意，嚴格按照安全作業程序進行操作。司鉆的任務是與鉆工們緊密配合，從鉆臺上的各個位置跟蹤鉆桿的位置，安全有效地在自身具有聯鎖裝置的各種設備之間將鉆桿和管具安裝到位、下入井內或拆卸后起出井眼，安放在合適或指定的位置。
 
同時，司鉆還必須注視和查看多個屏幕數據、曲線走勢、警報信息以及各種消息，并對工人的安全和來自井筒的數據擁有態勢感知能力。與此同時，手工操控鉆桿和重型鉆鋌的井架工也被暴露在井架高位的二層臺和各種操作器件中。
 
自從“Big Foot”在近50年前進入市場以來，鐵鉆工，又被稱作液壓大鉗（以下簡稱液壓大鉗），這種設備使鉆井工人能夠更輕松、更快速、更安全、更穩健地對鉆桿進行上扣和卸扣，將其順利接入鉆具或從鉆具中卸開拆下。這種設備的引入不僅提高了操作效率，減少了鉆臺上的人員傷害，使鉆井工人能夠脫離險境，還改善了作業體驗，減輕了鉆井工人接單根、卸單根或起下鉆作業上、卸扣操作的身體疲勞。液壓大鉗還能替代傳統的、利用貓頭軸對鉆桿、鉆具進行上卸扣的方法，將一根鏈繩或棕繩的一端纏繞在鉆桿接頭上，另一端纏繞在貓頭軸上，通過在貓頭軸一端拉動鏈繩或棕繩使鉆桿或鉆具旋轉，使鉆桿的公母扣上在一起，并使絲扣上緊。
 
該行業對大位移水平井和超深井的追求推動了向更大直徑鉆桿的轉變，例如 5¹/₂ in.和 5⁷/₈ in.直徑的鉆桿。雖然大直徑鉆桿長期以來一直是海上油井的主打產品，但直到最近五年才被引入陸上。這種轉變大大增加了對鉆機和設備的要求。這些直徑更大、井眼更深的井需要能夠應對更高扭矩載荷以及能為整個鉆具提供更好的重量分布的設備。這些較大直徑鉆桿的高質量連接需要更強勁的上扣和卸扣扭矩，以及來自頂驅至鉆頭的增強性扭矩傳遞，如圖1（50多年來，NOV公司不斷對液壓大鉗進行改進，以滿足日益嚴苛的鉆井作業的需求和扭矩要求）所示。

圖1
然而，這種轉變也給鉆井承包商帶來了新的挑戰。扭矩要求的增加會導致接單根、接鉆具、卸單根、卸鉆具上扣和卸扣效率下降，還可能會導致NPT（非生產時間）增加。此外，較大的鉆具需要對鉆機的井架和底座結構進行修正或加強，同時起鉆時還會對鉆桿接頭和鉆鋌轉接頭本體造成磨損，導致潛在的問題出現。
 
在“Big Foot”推出約五十年后，NOV公司開發了新的液壓大鉗的標準。IRX-120的模塊化設計結合了強度、精度和靈活性，可為現代鉆井作業提供安全、可靠和高效的鉆具處理。
 
為了適應當今陸上鉆井作業的鉆機需求，這款可配置的設備占地面積最小，由三部分裝置組成。扭矩鉗施加必要的正向力和切向力，提供接單根、接鉆具上扣卸扣所需的扭矩大小。扭矩鉗能對鉆具施加高達135千牛米的上扣扭力，卸扣扭力可達163千牛米，還能對鉆具提供三點接觸以及60°的來回轉動。
 
旋轉鉗運用旋轉將需要連接的兩根鉆桿或鉆具的一端連接到另一鉆桿或鉆具的一端，將公扣和母扣接在一起。市場上的IRX-120新型旋轉鉗，對于5¹/₂ in.的鉆具、能給出6.78千牛米的最高扭矩。每次接單根或接鉆具可節省3至5秒的時間。最終，裝有軌道的操作裝置將整個鉆具精準一致地擺放在鉆臺上預定的位置。
 
此外，IRX-120型旋轉鉗隨時可以自動化操作；還可進行遠程操控，并能與鉆機的控制系統集成于一體，見圖2（IRX-120型液壓大鉗的模塊化設計和最小占地面積的理念為現代鉆井作業提供了安全、可靠和高效的鉆具處理。這款液壓大鉗隨時可進行自動化操作，使其能在自動化鉆井作業中進行操控和監控）。此功能使該款液壓大鉗成為自動化鉆井進程的一部分來進行操控和監控，從而能使鉆井工人避開鉆臺上的危險區域。
  
圖2
自動控制不僅能通過降低人員傷害或人為錯誤的風險來提高安全性，而且還能確保接單根、卸單根操作的可靠性和可重復性。液壓大鉗還被設計用于捕獲輸入給鉆機控制系統的操作數據，這些數據可用來優化接單根作業的操作過程、性能指標跟蹤，最終能使鉆井隊實現預測性維護。這種數據驅動的方法進一步提高了作業效率和可靠性，同時還能減少昂貴的 NPT。
 
NOV公司正在采用ATOM RTX創建一個非人工鉆臺，ATOM™ RTX 是一個先進的、全自動化的機器人系統，可執行各種任務，以提高鉆機性能，如圖3（NOV的機器人系統 ATOM RTX 可自動執行重復性作業，讓鉆井工人遠離易受到傷害的危險區域）所示。這個機器人系統自動執行重復性任務，讓鉆井工人遠離危險區域，從而提高鉆井作業的整體安全。
 
圖3
該系統的可靠性和可預測性的操作性能可顯著提高作業效率。ATOM RTX及其可互換的末端執行系統能夠以高精度和可重復的操作特性執行各種任務，例如：對扣時可導向對準、擺尾、自動立柱擺放、可以高精度和可重復的動作抑制泥漿泄露，如圖4（ATOM RTX可靠且可預測的性能有助于實現鉆井效果的一致性）所示。這也消除了與人工操作相關的可變性，無論疲勞、天氣或經驗如何，ATOM RTX都能應變自如，從而減少了代價高昂的作業延誤和停工時間，實現了更可靠和更一致的鉆井效果。
 
圖4
該系統的模塊化和可擴展的性能使鉆井承包商能夠根據他們特定的需求和現有設備來定制技術，優化潛能以應對鉆井作業的獨特挑戰，無論是陸上應用還是海上應用。在加拿大的首次陸上商業運用中，ATOM RTX執行了一致的手動任務，實現了NPT零的操作和無形的時間損失。
 
未來的鉆機
 
NOV積極主動的鉆井自動化方法使公司能夠開發滿足當今和未來要求的集成技術和產品。隨著該行業不斷面臨的成本壓力、技能短缺和對更可持續實踐的需求等挑戰，自動化和機器人技術的日益普及對于推動創新和保持競爭力至關重要。
 
將自動化和機器人技術集成到鉆井過程中不僅僅是提高運營效率的問題，也是保護鉆井平臺工作人員福祉的問題，以及最大限度地減少行業對環境影響的關鍵一步。隨著該行業不斷突破建井周期的極限天數，對更先進、更可靠的鉆井技術的需求只會變得更加迫切。
 
通過利用工業機器人和先進的控制系統，NOV公司開發了如IRX-120液壓大鉗這樣的工具產品，該產品可更輕松地改裝到現有的鉆機上，無需對鉆機進行重大修改。這種方法使鉆井承包商能夠利用其現有的設備，將其轉變為未來的鉆機，從而提高鉆井作業的安全性、可靠性、高效性和生產力。
 
結論
    實現全自動鉆井作業的努力已經進行了數十年的實踐，還將在這個不斷變化的行業中繼續嘗試下去。盡管如此，通過將自動化和機器人技術集成到鉆井工藝中，該行業已經在提高安全性和效率方面取得了重大進展。
 
    隨著該行業面臨越來越多的挑戰，采用這些尖端技術對于推動創新、保持競爭力和確保該行業長期生存下去至關重要。NOV公司專注于開發易于集成到現有鉆機和現代化工藝流程中的自動化技術和機器人解決方案，這證明了該公司致力于支持鉆井承包商向未來鉆機過渡的承諾。
 
    鉆井自動化的好處不僅僅局限于安全和效率。通過讓鉆井工人從危險區域和易傷害區域的作業環境中脫離，重新定位專業知識，最大限度地降低人為錯誤導致的風險，這些技術還可以促進更可靠和更可預測的鉆井效果。反過來講，這也能改進施工決策、更好地分配各類資源，提高整體鉆井績效。