Ein Roboter übernimmt die Bohrstelle

Die Arbeit auf dem Bohrboden des PaceR801-Bohrgeräts dreht sich darum, dass ein robuster Roboter systematisch Rohrabschnitte aufnimmt und sie präzise über das Bohrzentrum bewegt, um die Rohre schnell zu verbinden.

Während es sich um einen von vielen technologischen Fortschritten auf der Bohrinsel handelt, die Nabors als „die erste vollautomatische Landplattform der Welt“ bezeichnet, ist der Roboter derjenige, „der das Interesse und die Begeisterung der meisten Menschen weckt“, sagte Travis Purvis, Senior Vice President, Global Operations für Nabors Industries Ltd.

Am 18. Oktober hatte der PaceR801 das erste Bohrloch auf einem ExxonMobil-Bohrloch fertiggestellt und bohrte die Seitenwand des zweiten Bohrlochs des Drei-Bohrloch-Bohrlochs. Nachdem der dritte Test abgeschlossen ist, geht der erweiterte Test zum nächsten Pad über.

Es ist riskant zu verkünden, wer in einem Wettkampf in einem geheimen Unternehmen den ersten Platz belegt hat. Nabors zeichnet sich jedoch dadurch aus, dass der PaceR801 über einen automatisierten Bohrboden und eine Reihe weiterer automatisierter Funktionen über und unter der Erde verfügt und, was am wichtigsten ist, er der einzige ist, der sein Bohrgerät zum Bohren von Förderbrunnen für einen Kunden einsetzt.

Jason Gahr, Betriebsleiter für unkonventionelle Bohrungen bei ExxonMobil, sagte, die Forschungskooperation „demonstriert die Fähigkeit, Bohrungen mithilfe der kombinierten Leistungsfähigkeit von Robotik, Automatisierung, Computer und Daten zu optimieren.“

Seit der Ankündigung hat Nabors von anderen Ölunternehmen gehört. „In vielen Märkten besteht großes Interesse an der Anlage“, sagte Purvis.

Die Interessen der Unternehmen reichen von der Automatisierung weiterer Bohrfunktionen durch die Nachrüstung von Bohrgeräten bis hin zum Wunsch, das Bohrgerät zu mieten, dessen Name in Gesprächen häufig auf R801 abgekürzt wird.

Es gibt nur einen PaceR801 und dieser wird für eine Weile blockiert sein. „Wir gehen davon aus, mehrere Testbohrungen auf mehreren Bohrinseln zu bohren und weiter an der Technologie zu arbeiten“, sagte Purvis mit ExxonMobil.

Es wurde geschaffen, um die Früchte einer fünfjährigen Arbeit zur Entwicklung einer vollständig automatisierten Version seines hochspezialisierten Pace-Rigs zu präsentieren. Nabors vergleicht es mit den Konzeptautos, die Autohersteller bauen, um ihre Zukunftsvision zu demonstrieren und Innovationen im Unternehmen zu fördern.

In diesem Fall handelt es sich um eine Vision der nahen Zukunft. Während der automatisierte Bohrboden neu ist, handelt es sich beim Großteil des Rests um kürzlich bewährte Technologie. Zwei der verwendeten Bohrautomatisierungsprogramme – SmartSLIDE und SmartNAV von Nabors – sind bereits bei 30 % der Nabors-Flotte im Einsatz, sagte Austin Groover, Betriebsleiter für intelligente Produkte bei Nabors. Diese Anwendungen, die das Bohren der Kurve und das Richtungsbohren verwalten, sowie eine dritte, die das Bohren eines Rohrstrangs automatisiert, SmartDRILL, werden von ExxonMobil seit zwei Jahren verwendet.

Um die Leistung eines Bohrgeräts mit mehreren bewährten Technologien und einer neuen Technologie wie einem Roboter-Bohrboden zu maximieren, musste ein System entwickelt werden, das die Bewegungen dieser Apps und der Bohrgerät-Hardware während des Bohrens koordiniert.

Wenn Nabors-Experten diesen Prozess beschreiben, stützen sie sich auf musikalische Metaphern, vom Roboter, der seinen kleinen Tanz aufführt, bis zum Dirigenten, der eine Symphonie dirigiert.

„In der Kabine des Bohrers ist ein Mensch, der das System einschaltet und auf „Play“ drückt. Von diesem Zeitpunkt an übernimmt das System die gesamte Orchestrierung“, sagte Groover. Diese mechanische Symphonie wird von einem Programm namens „Sequencing Engine“ geleitet.

Um das Versprechen eines schnelleren und besseren Bohrens einzulösen, sind eine Reihe präzise ausgeführter Schritte mit minimalem Zeitverlust zwischen den Bewegungen erforderlich.

Ein Video vom Boden der Bohranlage würde zeigen, wie der Roboter nach dem nächsten Stück Hardware greift – normalerweise einem 45-Fuß-Rohrsegment, das zuvor vom System vermessen und dessen Gewinde dotiert worden waren. Der Arm bewegt es dann über die Bohrlochmitte und hält es vertikal an Ort und Stelle, während andere Maschinen das Gewindemuster erkennen und das Rohr drehen, um es mit dem richtigen Drehmoment zu verbinden. Dann übernimmt eine andere Anwendung das Absenken des Bohrgestänges auf den Boden und das Wiederaufnehmen des Bohrens gemäß den Spezifikationen von ExxonMobil.

Die Anzahl der tatsächlich erforderlichen Schritte ist weitaus größer, als ein wortreicher, stark vereinfachter Absatz ausdrücken kann. ExxonMobil arbeitet nun mit Nabors zusammen, um herauszufinden, ob sich die Innovation in einer verbesserten Leistung niederschlägt.

Die Zukunft der Automatisierung hängt davon ab, wie die Kunden die Bohrleistung bewerten.

Geschwindigkeit ist ein offensichtliches, erforderliches Maß für die Leistung. Besser ausgeführte Bohrpläne sind ebenfalls ein Ziel, aber das ist viel schwieriger zu messen, ebenso wie die Auswirkung der Bohrlochqualität auf die zukünftige Produktion.

Das Ziel von Occidental Petroleum bei der Automatisierung bestehe darin, „Wissen zu erfassen“, sagte John Willis, Vizepräsident für Bohrungen und Fertigstellungen für Onshore- und Kohlenstoffsequestrierung bei Occidental, in seiner Grundsatzrede auf der jüngsten IADC Advanced Rig Technology Conference (ART), die von der IADC abgedeckt wird Bohrunternehmer.

Willis bezog sich auf die Erfassung der effizientesten Art und Weise, eine Aufgabe im Steuerungssystem zu erledigen, sodass ein Bohrer mit geringerer Qualifikation die gleiche Leistung erbringen kann wie ein Bohrer mit höherer Qualifikation, indem er sich auf die Automatisierung verlässt, um die gewonnenen Erkenntnisse schneller anzuwenden und ein Bohrloch schneller zu bohren und besser.

Bisher habe man kein System gefunden, das diesem Standard entspreche, sagte er.

Der R801 ist ein Zeichen für einen bedeutenden Fortschritt auf dem Weg zum vollautomatischen Bohren, ist aber noch lange nicht am Endpunkt angelangt.

Die Automatisierung hat sich in kritische Bohrfunktionen eingeschlichen, vom Bohren von Kurven bis hin zur Minimierung von Stick/Slip und Stolpern beim Anschließen von Rohren.

Die Branche arbeitet seit mehr als einem Jahrzehnt auf diesen Punkt hin. Die Arbeiten am Bohrbodenroboter von Nabors gehen auf das Jahr 2008 zurück, als Equinor zunächst ein norwegisches Startup, Robotic Drilling Systems AS, finanzierte. Nabors erwarb es im Jahr 2017, nachdem die Ausrüstung auf einem norwegischen Prüfstand evaluiert worden war.

Der Firmengründer Lars Raunholt beschrieb das Ziel als „ein nahtloses System, in dem die Maschinen zusammenarbeiten“. Da die Sensoren das räumliche Wahrnehmungsprogramm kontinuierlich aktualisieren, „müssen wir nicht anhalten und prüfen, ob es an der richtigen Stelle ist.“

„Der Roboter und die Automatisierung können das identifizieren, was wir ‚seltsame Objekte‘ nennen, etwa eine Bohrlochbaugruppe, und sie bei Bedarf abrufen“, sagte Josh Price, West-Texas-Gebietsmanager für Nabors, während einer Präsentation auf einem kürzlichen Treffen der IADC Advanced Rig Technology Ausschuss.

Der von der Canrig-Einheit von Nabors hergestellte Roboter kann seine Fähigkeiten erweitern, indem er aus einer Reihe von Werkzeugen wählt, darunter eines, das einen Rohrstrang greifen und drehen kann. Es kann auch mit Gehäusen umgehen und die Tür öffnen, um auch die Fertigstellung zu automatisieren.

Ein automatisierter Rohrhandhabungsroboter ist ein bemerkenswerter Fortschritt, da die Industrie bei der Mechanisierung der Rohrverbindungen nur langsam vorankommt. Diese Arbeit wird weiterhin größtenteils von Besatzungsmitgliedern erledigt, die immer ausgefeiltere Werkzeuge verwenden. (Dies ist auf Offshore-Bohrinselböden nicht der Fall, wo das Bohrrohr mit größerem Durchmesser schwerer und riskanter zu handhaben ist; die Bohrinselböden sind größer und bieten den Platz, der für die traditionelle maschinelle Rohrhandhabung benötigt wird.)

Es gab kaum eine Nachfrage nach mechanischen Rohrhandhabungssystemen für Landbohrinseln, weil „Menschen sich sehr schnell bewegen können“, sagte Paul Pastusek, Bohrmechanikberater bei ExxonMobil, während seiner Rede auf der Sitzung des ART-Ausschusses.

Dies stellte ein Hindernis für die Automatisierung der Rohrbearbeitung auf Bohrinseln dar, da ein mechanisierter Prozess erforderlich ist, damit die Automatisierung die Kontrolle übernimmt. Pastusek sagte, der Anreiz für die Mechanisierung an Land sei gering gewesen, weil „es wirklich schwierig ist, es so schnell zu machen“.

Dennoch sagte Purvis von Nabors, dass das automatisierte System den Status quo in zwei entscheidenden Punkten übertreffen werde, die Anthony Petrello, CEO von Nabors, dazu motiviert hätten, die Entwicklung des R801 zu genehmigen.

„Wir mussten die Leute unbedingt aus der roten Zone herausholen. Er war zu diesem Zeitpunkt total motiviert und glaubte an die Fähigkeit von Automaten und Robotik, jedes Mal konstant Spitzenleistungen zu erbringen“, sagte Purvis.

Die beiden Ziele sind miteinander verbunden. Durch das Verlassen der Bohrinsel werden Menschen aus einem Gefahrenbereich gebracht. Und die Geschwindigkeit der Rohrhandhabung durch Roboter erfordert einen Arbeitsbereich ohne Menschen. Eine leistungsstarke Maschine, die darauf programmiert ist, Menschen nicht zu verletzen, wird durch eine Software verlangsamt, die dafür sorgt, dass sie stoppt, bevor sie Menschen in der Nähe trifft, die zu unvorhersehbaren Bewegungen neigen.

Auch wenn sich keine Personen auf dem Bohrboden befinden, wird die dortige Mannschaft weiterhin an der Bohranlage arbeiten, um Inspektionen, Wartungsarbeiten, Reparaturen und Bohranlagenbewegungen durchzuführen.

Da Bohrinseln zunehmend automatisiert werden, sind Schulungen erforderlich. In der Erklärung von Nabors heißt es, dass die Automatisierung „Umschulungsmöglichkeiten für die Mitarbeiter von Nabors und die breitere Belegschaft der Branche bieten wird“.

Wie schnell kann das automatisierte Bohrgerät von Nabors Rohre verbinden? Die kurze Antwort lautet: Sie sagen es nicht. In der Pressemitteilung zu dem Test hieß es: „Im Einklang mit den Praktiken von Bohrern und Betreibern auf Testflächen planen Nabors und ExxonMobil nicht, Leistungsdaten und Ergebnisse zu veröffentlichen.“

In einer Beschreibung des Roboters auf der Nabors-Website heißt es, er sei in der Lage, Rohrverbindungszeiten – von Slip zu Slip – von weniger als einer Minute zu erreichen. Es fügte den Zusatz „basierend auf frühen Studien“ hinzu.

Die Geschwindigkeitsschätzungen stimmen mit denen von Huisman überein, das für Sirius Well Manufacturing Services, ein Bohrdienst-Joint-Venture zwischen Shell und der China National Petroleum Co., eine Landbohrinsel mit automatisierter Rohrhandhabung gebaut hat.

Huisman berichtete, dass das automatische Auslösesystem der Bohranlage eine Verrohrung mit einer Geschwindigkeit von 1.800 Fuß/h bewältigen kann, nachdem der Bediener den Startknopf gedrückt hat, basierend auf Leistungsdaten einer Testbohrung auf einem Firmengelände in den Niederlanden, sagte Arthur de Mul, Produktmanager von modularen Anlagen für Huisman (SPE 199597).

Nabors und ExxonMobil sind noch einen Schritt weiter gegangen und haben den R801 zum Bohren von Förderbrunnen eingesetzt.

Laut Purvis bohrt der R801 vor fünf Jahren schneller als Hochleistungsbohrgeräte. Seitdem ist das Bohren schneller geworden, daher müssen sie irgendwann besser werden. Doch das systematische Testprogramm klingt nicht danach, als sei es darauf ausgelegt, frühzeitig Geschwindigkeitsrekorde aufzustellen.

Wenn man automatisiertes Bohren mit herkömmlichen Bohrteams vergleicht, ist es nützlich, sich an die Fabel von der Schildkröte und dem Hasen zu erinnern, in der eine stetige Anstrengung den schnelleren Läufer besiegt.

Wenn Bohraufzeichnungen für einen Tag bekannt gegeben werden, wird die Leistung der Bohranlage am nächsten Tag nicht erwähnt. Basierend auf den von Überwachungsprogrammen gesammelten Verbindungszeitdaten sind sie wahrscheinlich nicht so schnell. Sie stellen fest, dass die Arbeitsgeschwindigkeit von Team zu Team und von Tag zu Tag für jedes Team unterschiedlich ist.

Bohrer an den Bedienelementen verspüren eine andere Form des Leistungsdrucks – eine wachsende Anzahl von Routinen, die aufgrund der Kundenbewertungen zur besten Art und Weise des Bohrmanagements erforderlich sind. So oder so ist es für Arbeitnehmer schwierig, bestimmte Routinen über lange Schichten hinweg Tag für Tag konsequent auszuführen.

„Beim Leistungsergebnis spielt der Mensch eine Rolle“, sagte Purvis. Mit der Automatisierung „können wir unsere Anlage auf ein erstklassiges Niveau bringen und diese Wiederholbarkeit nahezu garantieren.“

Beim automatisierten Bohren umfassen die menschlichen Eingaben den Bohrplan und die Systemsoftware. Die Unternehmen analysieren fortlaufend die Bohrleistung und nehmen aufgrund ihrer Beobachtungen Änderungen vor.

„Auch in Bezug auf die Software haben wir gelernt“, sagte Groover. Er sagte, sie hätten einige „Overengineering“-Maßnahmen in der Steuerungssoftware entfernt, um die Leistung zu verbessern.

Die Definition des vollautomatischen Bohrgeräts wird sich im Laufe der Zeit weiterentwickeln. Was jetzt als vollständig automatisiert gilt, ist die diesjährige Version der Funktionen. Die Bohrinseln der Zukunft werden je nach technologischem Fortschritt, der Entwicklung des Ölgeschäfts und der Art und Weise, wie eine Reihe von Automatisierungsproblemen angegangen werden, variieren.

Ganz oben auf der Liste stehen die proprietäre Codierungs- und Verbindungssoftware und -geräte, die die Erstellung eines automatisierten Systems mit Komponenten mehrerer Lieferanten zu einer gewaltigen Herausforderung machen. Interoperabilität ist erforderlich, um Hardware und Software herzustellen, die wie die Komponenten eines Personalcomputers integriert werden können.

Das ist jetzt sicherlich nicht der Fall.

ExxonMobil arbeite mit vier Unternehmen zusammen, die Hauptlieferanten von Automatisierungssystemen sind, und drei weiteren großen Dienstleistungsunternehmen, die Schlüsselkomponenten liefern, sagte Pastusek auf der Sitzung des ART-Ausschusses. „Bei mehreren Systemen und mehreren Benutzern muss der Betreiber der Systemintegrator sein.“

In seiner Keynote-Rede auf der ART beschrieb Willis die Probleme, mit denen man konfrontiert ist, wenn man versucht, Geräte zu verbinden, die auf unterschiedlichen proprietären Designs basieren. „Wenn wir versuchen, Automatisierung zu kaufen, ist es wirklich schwer, sie zu bekommen“, sagte Willis. „Wir sind größtenteils auf das beschränkt, was von einzelnen Bohrunternehmen erhältlich ist. Es ist sehr schwierig, wenn nicht unmöglich, etwas von einem anderen Dritten zu übernehmen und hinzuzufügen.“ das zu einer Bohrinsel. Und keine unserer Bohrinseln verfügt über das, was wir heute als vollständiges Automatisierungssystem bezeichnen würden“, sagte er.

Was die Verwirrung noch verstärkt, ist, dass Bohrinseln mit verschiedenen Kombinationen aus Software und Hardware ausgestattet sind. Das alles bedeutet, dass die Einrichtung und Inbetriebnahme eines Automatisierungssystems einige Zeit in Anspruch nimmt, bevor man lernen kann, wie man es am effektivsten nutzt. „Es dauert neun Monate bis ein Jahr, ein Automatisierungssystem einzurichten“, sagte Pastusek. Bis dahin ist der Vertrag für diese Landplattform ausgelaufen oder läuft bald ab, wodurch die Zeit, die für die Lösung des Problems aufgewendet wurde, verschwendet wird.

Ein Bohrunternehmer würde antworten, dass dieser neue Bohransatz neue Vertragsbedingungen erfordert. Diese Vereinbarungen würden die traditionellen Beziehungen neu überdenken, mit längerfristigen Verträgen, deren Preise so gestaltet sind, dass sie Bohrarbeiter für Investitionen in Bohrinseln belohnen, die die für das Bohren eines Bohrlochs benötigten Tage verkürzen und die Qualität des Bohrlochs verbessern.

Es hat sich herausgestellt, dass die Belohnung von Produktivität ein schwieriger zu beschreibendes als zu lösendes Problem ist. Es liegt auf der Hand, dass die Bezahlung nach Tagessätzen dazu führt, dass diejenigen, die schneller arbeiten, schlechter bezahlt werden, aber nachdem jahrelang über das Problem gesprochen wurde, gibt es kein weit verbreitetes leistungsorientiertes Zahlungssystem als Alternative zu Tagessätzen.

Zukünftige Anlagen müssen so konzipiert sein, dass sie eine fortschrittliche digitale Datenanalyse ermöglichen, einschließlich Anpassungen auf der Grundlage von Analysen mithilfe von Anwendungen, die von Kunden bereitgestellt werden.

„Wir haben bestimmte Apps, die wir auf allen unseren Bohrinseln anwenden möchten. Das ist uns also sehr wichtig und wird in Zukunft ein Faktor bei der Auswahl unserer Bohrinseln sein“, sagte Willis.

Basierend auf seiner Analyse listet ExxonMobil 150 Parameter auf, die in Bohrinseln programmiert werden müssen, die für das Unternehmen arbeiten, und deckt alles ab, vom Gewicht auf der Bohrkrone während des Bohrens bis hin zur Rate für den Bohrbeginn, sagte Pastusek.

Er freut sich auf eine Zukunft, in der die Systeme die Sollwerte auf der Grundlage von Bohrdaten anpassen können, die unerwartete Änderungen offenbaren. „Anstatt diese vorzuprogrammieren, werden wir sie anpassungsfähig machen“, sagte Pastusek. Das ist etwas, was Groover auch gerne sehen würde. „Es besteht eine weitere Möglichkeit, mehr Bohrlochdaten in die Oberflächenautomatisierung einzubinden, was die nächste Stufe der Automatisierung darstellen würde“, sagte er.

Die Zahl der Sensoren auf Bohrinseln und Bohrgeräten nimmt weiter zu und Zulieferer wie Halliburton arbeiten daran, die beim Bohren gesammelten Daten zu verbessern. Seine neue Generation von Messgeräten zur Messung während des Bohrens (MWD) übernimmt die Verarbeitung der gesammelten Daten im Bohrloch und ermöglicht deren direkte Einspeisung in ein automatisiertes Steuerungssystem.

Während die Menge und Qualität der Daten zunimmt, ist die Menge, die in Echtzeit an die Oberfläche geliefert werden kann, im Allgemeinen auf die Menge beschränkt, die mithilfe von Schlammimpulsen gesendet werden kann, die eine begrenzte Datenmenge liefern und nur funktionieren, wenn die Schlammpumpen eingeschaltet sind An.

Das neue MWD-System von Halliburton ermöglicht schnellere Downloads, wenn der Bohrstrang gezogen wird, aber das ist noch lange nicht in Echtzeit möglich. Der schnellste Weg, Daten an die Oberfläche zu bringen, wäre eine verkabelte Leitung, die auch Strom und Befehle zurück ins Bohrloch transportieren könnte, aber nicht oft verwendet wird.

„Wir haben gehört, dass verkabelte Rohre der heilige Gral für schnelle Zwei-Wege-Kommunikation sind. Die Realität ist, dass verkabelte Rohre schon seit über 15 Jahren auf dem Markt sind“, sagte Paul Cooper, Produktmanager bei Halliburton Sperry Drilling, während eines Interviews über das neue MWD System namens iStar.

Das Serviceunternehmen befasst sich mit einer weiteren Automatisierungsoption – dem Einbau ins Bohrloch. Halliburton war an einem Test beteiligt, bei dem die im Bohrloch gesammelten und verarbeiteten Daten von einem rotierenden Steuersystem zur Verwaltung seiner Kurskorrekturen verwendet werden.

„Das passiert heute; sie betreiben es in der östlichen Hemisphäre in einigen Ländern“, sagte Neila Kadri Bebaud, strategische Geschäftsleiterin von Halliburton Sperry Drilling. Sie sagte, es habe „70 automatisierte, rotierend steuerbare Fahrten ohne menschliches Zutun gegeben.“