隨著模塊化工業機械臂在Precision和H&P鉆井平臺上的安裝，陸地鉆井自動化邁出重要一步
圖1 NOV公司ATOM RTX（如圖所示安裝于H&P618號鉆井平臺）是兩套工業機器人套裝的核心組件，這兩套套裝要么已在北美陸地鉆井平臺投入運行，要么即將部署——分別是Precision Drilling公司的AlphaARMS和H&P公司的FlexRobotics。這些機械臂可裝配一系列可定制的末端執行器，使其能夠模擬鉆井平臺上的各類作業活動。它們還與鉆井平臺的過程控制系統及自動化應用相集成，從而無需司鉆進行手動操作。
過去幾十年里，行業始終在努力將人員從鉆臺“紅色危險區域”撤離，這一工作已取得不同程度的成效。盡管鉆臺上的部分作業流程仍需人工操作——畢竟人類難以被完全替代，但自動化與機器人技術的融合，已大幅降低了鉆臺人工操作的不確定性，同時將工作人員調至更安全的崗位，使其遠離危險區域。
國民油井華高公司（NOV）于 2022年推出的ATOM RTX系統便是如此。該系統以一系列機械臂為核心，充當流程自動化與鉆臺作業執行之間的機械化連接橋梁，可完成起下鉆、在鉆臺及高架管架上扶持鉆桿等任務。盡管此前已有一些機械化解決方案，但ATOM RTX是首款專為鉆井平臺研發的機械臂系統。事實證明，它能替代人工完成多種作業，這對那些希望擴大自動化應用范圍的鉆井承包商來說頗具價值。
行業內一直有這樣的討論：在紅色危險區域周邊作業，有沒有更優的方法？在鉆井平臺上操作重型設備，有沒有更好的方式？NOV公司鉆機技術部門產品管理副總裁格雷厄姆?戴伊表示：“我們有能提供幫助的技術。這類技術在其他行業已應用多年，而我們讓它在鉆井作業環境中落地成為了可能。隨著對該技術的認知度提升和使用熟練度增加，行業相關方逐漸達成共識。他們看到了技術的實際成效，也有足夠信心部署這項技術，進而提高團隊的安全性和作業效率。”
該系統在現場應用中成效顯著。去年，它首次部署于加拿大蒙特尼頁巖區Precision Drilling陸地鉆井平臺。在這個項目中，NOV機械臂與Precision公司AlphaAutomation軟件應用相集成，形成AlphaARMS解決方案。
AlphaARMS系統實現95%的鉆臺作業自動化，通過減少7萬多個人工操作環節，降低鉆井作業的風險。
“說到機器人技術，我們面臨不少挑戰。比如鉆具連接、起下鉆、下套管作業，如何把員工過去幾十年里打磨完善的作業流程，轉化為機器人也能完成的操作？”Precision Drilling公司美國鉆井業務副總裁羅布?休斯頓說：“我們確實想涉足這一領域，而我們在加拿大的客戶也有同樣的想法。這樣一套系統能為我們提供許多以往沒有的額外數據點，這讓我們能夠提升效率，在鉆臺作業及整個井眼建造過程中實現更高的一致性。”
NOV機器人系統也是H&P公司FlexRobotics系統的核心組件，該系統最近已安裝在618號 FlexRig鉆井平臺上。該平臺計劃于9月部署至美國二疊紀盆地，并在當月月底開鉆，它是H&P 公司船隊中首個商業部署FlexRobotics系統的鉆井平臺。據H&P介紹，這也將是美國本土48州中首個配備工業機器人套裝的鉆井平臺。
該公司表示，這套設備的目的是將作業人員從紅色危險區域撤離，同時保持甚至提升同等水平的運營效率。公司期望，該技術在現場的成功應用能進一步引發運營商的關注與采用。
H&P公司產品管理總監托德?福克斯解釋道：“通過這一鉆井平臺，我們致力于證明，配備機器人系統的鉆井平臺能夠達到與非機器人鉆井平臺同等的鉆井效率。至少，在實現更穩定作業執行的前提下，其性能不應下降——這本身就成為一項優勢。此外，我們還致力于擴大該技術的應用規模。應用規模擴大后，經濟性與優化效果將隨之提升；而要擴大技術應用，就必須實現可預測且高效的作業表現。”
機械臂的研發背景
盡管如今陸地和海上鉆井平臺已在商業應用中采用了一些自動化管柱處理系統，但這類系統多是通過重新設計無人作業流程定制開發的，專門用于完成鉆臺任務。多數情況下，這會迫使鉆臺布局做出相應調整，導致企業需要時難以恢復人工操作流程。這也使得部分系統推廣受限——不僅企業要為新技術投入大量資源，鉆井平臺還會被限制為只能使用自動化管柱處理及鉆臺設備。
相比之下，利用機器人技術復刻人工任務，可基本保持原有作業流程不變。這對技術應用而言是顯著優勢，因為大多數鉆井平臺現有的作業流程已成熟可控，且通過傳統設備得到了充分驗證。
“我們研發工具，尤其是機器人技術時，必須確保這些工具對鉆井團隊有用。”NOV公司自動化與機器人產品線經理布蘭特?蘭澤特表示，這套系統并非要取代人類，而是能在紅色危險區域承擔多項人工可完成的工作，發揮與人類同等的作用。NOV更傾向于將其視為改善作業環境的工具，讓工作人員能脫身處理其他任務。
圖2 NOV的陸地機器人系統包含兩臺安裝在鉆臺軌道上的六軸機械臂（分別稱為“L1”和“L2”），以及一臺位于二層臺的六軸機械臂（“U1”）。其中，U1負責井架工的所有鉆桿搬運任務，L1承擔扶管和對扣作業，L2則負責涂絲扣油、泥漿控制及對扣導向工作。
該系統的機械臂源自專業研發工業機器人系統的第三方制造商。為適配油田作業場景，NOV研發并加裝了多種末端執行器——即連接在機器人“手腕”處的外圍設備。這些執行器相當于機器人的“手”，能使其與周圍環境交互，且專為模擬鉆井平臺的各類作業活動設計。
“這套機器人系統本身具備豐富功能，鉆臺扶管是其固有功能之一，集成泥漿桶功能也是其一。我們還對系統進行了配置，使其能完成涂絲扣油和對扣作業，這同樣是其固有功能。但這些功能的另一特點是讓系統具備了可配置性。比如我們與Precision公司合作時，他們希望增加扶套管功能，我們便設計了相應組件來實現。這就像iPhone，設備內置諸多應用程序作為固有功能，同時也支持定制化使用。” 戴伊解釋道。
機械臂與末端執行器結合后，會集成到鉆井平臺的過程控制系統和自動化應用中，無需司鉆手動操作機器人。司鉆只需監督作業，并啟動機器人需要執行的流程即可。設備的作業路徑已預先規劃，覆蓋鉆桿和套管處理的每個操作環節。
此外，該系統會持續監測鉆柱stump高度（即鉆柱在井口以下的殘留高度）和井口中心位置，同時配備閘門安全系統，一旦檢測到有人進入危險區域，會立即停止所有機器人的運動。
“我們的機器人并不實際搬運鉆桿，因此無需配備能承受全部負載的重型設備。”蘭澤特說：“我們借助鉆井平臺現有的吊卡和絞車來起吊鉆桿，機器人僅作為導向機構使用。這和人工操作方式完全一致——就像井架工和鉆臺工負責扶管那樣，我們讓機器人做的是同樣的工作。正因無需實際起吊設備，這套系統的占地面積得以控制在較小范圍，且實現了模塊化設計。”
盡管這套設備也可用于海上鉆井平臺，但最初是為復刻陸地鉆井平臺的作業流程研發的。在北美典型的陸地鉆井作業中，為節省時間和成本，在一個井場批量鉆探多口井是常見做法。因此，負責連接作業時操作鉆桿和設備的工人（通常是一名井架工和兩名鉆臺工），除了完成連接作業，還常需同時處理其他任務，比如丈量套管、采集泥漿或巖屑樣本、進行設備維護等。每當需要進行連接作業時，他們就得回到鉆臺，這會打斷手頭的其他工作。
而通過ATOM RTX套裝與自動化系統的協同，鉆井團隊成員無需再為這些高頻連接作業往返鉆臺，得以專注于手頭的其他任務而不受干擾。這有助于改善設備狀況，從而增加鉆井平臺的有效作業時間，減少停機時間。
此外，由于這套機器人系統省去了人工連接環節，工作人員能有更多時間完成新作業前的各項準備工作，進而縮短非生產時間。
戴伊強調了機器人技術在改善鉆臺作業流程中的重要性：“對我們而言，想通過這套系統傳遞的核心是，鉆井團隊是作業順利開展的關鍵。這一點必須得到重視——鉆井團隊是我們的最終用戶。如果我們研發的技術能獲得他們認可，且能為工作帶來便利，他們自然會愿意使用。”
目前，這套機器人設備已在全球4臺陸地鉆井平臺投入使用或簽訂交付合同；在海上鉆井領域，已在1座自升式鉆井平臺和9艘鉆井船上運行或簽訂交付合同。
不過，海上作業不會用到其管柱處理功能。這些機械臂會搭載用于涂絲扣油和泥漿控制的末端執行器，另有多項功能正處于不同研發階段。
“海上鉆井平臺已配備大量機械化設備，能完成管柱導向等任務，也有實現流程自動化的系統。” 蘭澤特說：“但仍有工作人員需要進入紅色危險區域，從事涂絲扣油、操作鉆桿吊卡的鎖定環或套管接箍等工作，而這套系統非常適合完成這些任務。目前海上紅色危險區域仍有多項人工操作，我們正針對這些場景研發可供機器人使用的工具。”
Precision公司在加拿大的應用案例
休斯頓表示，Precision公司之所以能參與這套機器人設備的應用，關鍵在于各方在恰當的時間處于了恰當的位置。2021年，他剛擔任Precision公司鉆機技術總監不久，關于在加拿大蒙特尼頁巖區部署該技術的討論就已啟動。
他回憶道，在與NOV公司的初次交流中，機械臂的模塊化設計就吸引了他。“目前行業內沒有新建鉆機的計劃，所以模塊化方案很有實際意義。”
在得克薩斯州納瓦索塔的NOV試驗鉆機上開展的測試顯示，這套機械臂系統既能保持模塊化特性，又能充分融入鉆機設計，將對鉆機遷移的影響降至最低——僅使安裝和拆卸時間增加約兩小時。此外，若有需要，經過適當改造后，該系統還可移至船隊中的其他鉆機使用。而且，即便機械臂出現故障，所有管柱處理作業仍可手動完成，因為Precision公司仍有一級鉆井平臺資產可用，這為作業提供了額外的冗余保障。
“如果我在一臺鉆機上投入了資金，而合同發生變化，相比那些圍繞機器人技術建造的鉆機，我能更輕松地將這套設備轉移到另一臺鉆機上。” 休斯頓說：“如果設備是固定安裝的，會帶來大量成本和風險。此外，我們不希望失去自主決策能力。如果客戶想要更換鉆桿柱，就需要一個足夠靈活的系統，確保這種情況不會導致作業中斷。”
Precision公司和運營商都認識到該技術在安全方面的價值，機器人技術有助于降低鉆井過程中的風險。“我們希望實現閉環鉆井。”休斯頓表示，自動化可以處理井下的所有工作，但鉆臺上仍然存在各種變量。這套系統的功能特性至關重要，他們需要一個能夠復刻當前作業流程、而非另起爐灶的系統——就讓機器人去做人類正在做的工作。
2023年初，這套系統首次安裝在Precision公司的鉆機上，進行部署前的測試。期間發現了若干問題，且都已針對性解決。例如，結合當前鉆機設計和硬件布局，Precision公司發現存在電氣干擾問題：當鉆臺上其他設備運行時，會導致機器人出現故障。原因在于NOV試驗鉆機與Precision鉆機在布局上存在差異，主要是機械臂與現場設備間的距離不同。為解決該問題，公司安裝了諧波濾波系統，以降低鉆臺周圍的電氣噪聲。
另一個問題與鉆柱設計和使用的標準化需求相關。如果運營商想根據井眼軌跡更改鉆柱設計或調整鉆柱中加重鉆桿的數量，這類變更無法再臨時進行，需要額外的預先規劃，明確機器人如何排列和處理管柱。鑒于此，Precision公司在系統中融入了靈活性，使其能夠適配多種鉆柱設計，且調整過程幾乎無需耗時。
研究還發現，極端天氣會導致液壓驅動設備（如吊卡和鐵鉆工）運行速度減慢。機械臂為電動，由伺服電機驅動，在寒冷天氣（低于零下15華氏度）中也會出現運行減速的情況。通過在低溫環境下使用不同的潤滑脂，這一問題得到了緩解。
AlphaAutomation軟件也進行了更新，新增“寒冷天氣模式”：該模式會使機械臂持續進行小幅運動，以降低潤滑脂的黏稠度。必要時，鉆井平臺還可啟用電動加熱套為機械臂保溫。到調試階段結束時，機器人技術支持團隊已找到新穎且富有創意的方法，不僅改善了新設備在寒冷天氣下的性能，也對現有設備進行了優化。
鉆井團隊在熟練掌握機械臂操作及與機械臂協同作業方面，也經歷了一個學習過程。出于安全考慮，所有機器人操作序列都必須由司鉆啟動并確認后，才能進入流程的下一個序列。起初，所有司鉆都是一次啟動并監督一個序列直至完成；當他們對機械臂的運動方式及每個序列所需時間更加熟悉后，便可以利用多機控制功能將部分序列重疊進行。
例如，熟練操作后，司鉆可以在鉆臺機器人完成當前任務的同時，啟動游車上升，并觸發井架工機器人程序，使其開始從指梁抓取鉆桿立柱。由于不同司鉆的連接作業時間存在差異，顯然司鉆個人對系統的熟練程度是通過機器人技術實現省時的關鍵因素。這些經驗被收集起來分享給研發團隊，隨后被編寫進操作程序中，以持續提升效率。
休斯頓指出，Precision公司及運營商此前在NOV訓練鉆機上進行的系統培訓，以及虛擬模擬器培訓，極大地縮短了鉆井團隊的學習周期。“我們讓客戶和司鉆一起學習這套系統，這非常有助于讓所有人都具備靈活應對的能力——運營商了解我們的技術能力，司鉆也清楚運營商的需求。”
休斯頓表示，自2024年第一季度投入實際使用以來，這套設備在現場的表現 “超出了預期”。Precision最初計劃實現僅80%的鉆臺作業自動化，這意味著鉆井平臺在20%的運行時間里，仍需要人員在鉆臺上親自操作設備。
然而，該公司目前已實現95%的鉆臺作業自動化，大幅減少了主要負責連接作業的團隊成員暴露在危險環境中的時間，超出預期。
與一臺規格相同的傳統姊妹鉆機相比，在使用機器人處理重復性手動鉆臺任務的情況下，配備機器人的鉆機上的工人每兩周在鉆臺上的工作時間減少了約2.7天。這意味著他們在鉆臺上的累計工作時長減少了36%，而節省出的時間可用于鉆機維護以及專注于縮短非生產時間。
這套機器人設備還帶來了效率提升：與傳統姊妹鉆機相比，配備機器人的鉆機在起鉆作業的一致性方面提升了36%，下鉆作業的一致性提升了21%。此處的“一致性”以每小時起下鉆立柱數量的標準差來衡量。
休斯頓表示，Precision公司目前對該系統的主要關注點是將其推廣到其他鉆機，并吸引更多運營商參與，關于未來項目的相關洽談正在推進中。
“我認為在推廣這項技術的過程中，我們各方都肩負著責任。作為鉆井承包商，我們可以做出戰略性決策，實現鉆臺環境的標準化，這會讓推廣工作更易開展——因為我們會有許多風格極為相似、功能相同的鉆機。客戶必須成為合作伙伴，為我們提供這項技術能夠成功的理由；我們還需要套管公司等支持服務方與我們合作，以便隨時為下一步工作做好準備。要實現這一目標，需要眾多相關方協同合作。”
H&P公司在二疊紀盆地鉆機上的技術部署
NOV為H&P公司的FlexRobotics設備套件提供了ATOM機械臂。該套件近期已安裝在休斯頓的 618號FlexRig鉆機上，計劃于9月轉移至二疊紀盆地。
此次安裝與NOV公司機械臂的原始設計并無明顯差異—— 一個機械臂位于鉆臺的絞車前方，另一個部署在司鉆房附近的鉆臺上，第三個則安裝在二層臺，負責鉆桿操作任務。
此外，NOV公司還在鉆臺上配備了stump高度檢測系統和危險區域管理系統，并對機械臂的代碼進行了更新，以實現與H&P公司自動化應用程序的無縫集成。
圖3 H&P公司618號鉆井平臺已安裝閘門安全系統，用于保障作業人員安全——一旦檢測到有人進入危險區域，系統會立即終止所有機器人的運動。
福克斯表示：“NOV的代碼與H&P的代碼協同運行。我們的獨特優勢在于，能在鉆機上自主開發并實施所有控制代碼，因此無需完全依賴原始設備制造商（OEM），就能獨立確保所有系統正常運轉。作業交接給機械臂時，由NOV的操作代碼控制其運行；而當機械臂將作業交還給我們的設備時，我們的代碼會繼續執行操作。鉆臺上多項作業同步進行——絞車在運轉，鉆具包在移動，卡瓦在安放。”
H&P公司于2022年首次與NOV及一家作業公司就該機器人套件展開洽談，同年9月下達了該系統的首批訂單。2024年5月，NOV在位于俄克拉荷馬州塔爾薩市的H&P研發中心918號FlexRig 鉆機上安裝了機械臂原型機，啟動初步測試。此次測試相對簡單，主要目的是確保系統按預期運行、達到預設關鍵績效指標（KPIs）、保證鉆機操作人員的學習曲線不過于陡峭，以及驗證該系統與鉆機操作代碼及設備區域管理系統的兼容性。
福克斯表示：“設計階段，我們就希望盡可能減少司鉆的額外工作量。將該技術安裝到618號FlexRig鉆機前，我們已在研發用鉆機上對其進行了數年評估，因此能與司鉆們密切合作，將他們的反饋融入系統中。這里的作業交接與非自動化鉆機上的方式類似，區別僅在于，他們是把鉆桿交給機械臂，而非團隊成員。”
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