Sự tiến hóa của giàn khoan đất liền

Trong 75 năm qua, các thợ khoan đã đi từ thời kỳ đồ đá đến thời đại vũ trụ khi nói đến những cải tiến công nghệ trong các phương pháp xây dựng giếng. Các kỹ thuật khoan gỗ và sắt thô ngày hôm qua đã nhường chỗ cho các điều khiển lấy cảm hứng từ trò chơi điện tử ngày nay và hỗ trợ robot - phần lớn trong số đó được di chuyển từ các ứng dụng ngoài khơi. Những tiến bộ này đã làm giảm chi phí, hiệu quả tăng lên và các nhà khai thác ngày càng sâu hơn trong việc tìm kiếm dầu khí.

Một giàn khoan H&P FlexRig tại vị trí trong đá phiến Bakken. Nguồn: H&P.

Các giàn khoan đất liền đầu tiên sử dụng các vật liệu như tre và sắt và được cung cấp năng lượng bởi động vật như ngựa hoặc bò. Những giàn khoan này đã sử dụng khoan bộ gõ để tạo ra lỗ khoan, liên tục nâng và thả các mũi sắt nặng - hiệu quả nhưng chậm. Vào thời điểm Edwin Drake đang khoan giếng Titusville vào năm 1859, động cơ hơi nước đã được giới thiệu để giúp cung cấp năng lượng cho ống kim loại xuống vỏ Trái đất. Đến những năm 1950, các giàn khoan chạy bằng hơi nước đã nhường chỗ cho động cơ diesel. Những năm 1960 sẽ chứng kiến sự ra đời của các giàn khoan tự nâng - sự chuyển đổi từ derricks sang cột buồm. Trong những năm 1970, năng lượng điện sử dụng máy phát điện tại chỗ đã được giới thiệu để điều khiển các hệ thống trên giàn khoan, và sự ra đời của các công cụ downhole mới sẽ cho phép các thợ khoan khoan định hướng trong khi vẫn duy trì quay. Vào giữa những năm 1980, hệ thống khoan có thể điều khiển đầu tiên đã được giới thiệu.

Chẳng mấy chốc, sự tiến hóa sẽ di chuyển từ sàn khoan và xuống hố vào chuồng chó (cabin của thợ khoan). Đã qua rồi hệ thống phanh tay cơ và bàn đạp chân, được thay thế bằng màn hình cảm ứng và cần điều khiển. Giàn khoan đất liền đã đi một chặng đường dài.

Khả năng nâng và yêu cầu lắp đặt là những động lực chính trong thiết kế của các đơn vị cũ hơn là khả năng lưu trữ vật liệu và di chuyển. Cấu hình sàn giàn khoan cũ hơn đã được sửa đổi để phù hợp với thiết bị xử lý đường ống thay vì được thiết kế để tích hợp thiết bị xử lý đường ống. Các đơn vị này không được điều khiển bởi kích thước vị trí cũng như khả năng đệm đa giếng.

Hầu hết điều này sẽ thay đổi với sự xuất hiện của thiên niên kỷ mới, và đến năm 2010, có vẻ như những cải tiến mới sẽ được tích hợp vào thiết kế giàn khoan đất liền hàng năm - từ các hệ thống trượt biến đổi lớn hơn cho phép khoan pad và hàng loạt đến tự động hóa dựa trên ứng dụng thúc đẩy hiệu quả và hồ sơ an toàn.

Ổ đĩa hàng đầu? Trên bờ?

Hầu hết những gì thúc đẩy sự đổi mới trong giàn khoan đất liền có thể được bắt nguồn từ sự phát triển trong khu vực ngoài khơi. Phần lớn những gì sẽ trở thành công nghệ tiêu chuẩn trên đất liền có nguồn gốc từ ngoài khơi, bắt đầu với một trong những chuyển giao công nghệ quan trọng nhất của những năm 1990 - topdrives.

"Hầu hết chúng tôi đến từ ngoài khơi, và vì vậy chúng tôi không có định kiến về giàn khoan trên đất liền là gì", Chris Major, giám đốc hỗ trợ kỹ thuật toàn cầu tại Helmerich &; Payne (H&P) cho biết. "Ngay cả trước khi H&P ra ngoài và chuyển đổi các giàn khoan tàu ngoài khơi cũ kỹ sang giàn khoan topdrive, tôi đã đưa Varco TD-4 hoặc Maritime Hydraulics DDM 650 lên các giàn khoan ngoài khơi. Nhưng topdrive ngoài khơi là tiêu chuẩn. Trên thực tế, nếu giàn khoan ngoài khơi của bạn không có topdrive, nó không thể nhận được hợp đồng. Sau đó, chúng tôi bắt đầu làm việc với các siêu công ty quốc tế, và điều đó đã trở thành tiêu chuẩn hợp đồng cho các giàn khoan sâu, trên đất liền quốc tế — cùng một topdrive ngoài khơi trên các giàn khoan đất lớn này. Điều đó khiến chúng tôi suy nghĩ về tương lai".

Tương lai đã có các giám đốc điều hành tại H&P đưa ra một số quyết định quan trọng về hướng đi của công ty. Khi năm 2000 đến gần, ban lãnh đạo tin tức rằng H&P sẽ trở thành một công ty giàn khoan hàng đầu. Trong vài năm tiếp theo, các ổ đĩa AC đã được lắp đặt trên các giàn khoan kiểu SCR. Chẳng bao lâu sau, mục đích là chuyển đổi toàn bộ hạm đội.

"Mọi người đá và la hét," Thiếu tá nhớ lại. "Rất nhiều người trong đội của chúng tôi không muốn những điều này. Ngay cả các nhà khai thác cũng không muốn những thứ này. Chúng tôi đã cố gắng thương lượng một chút với họ, chỉ để xem liệu chúng tôi có thể chi trả cho việc mua hàng hay không, và cuối cùng, chúng tôi đã thuyết phục được họ. Nhưng sau đó, những người hoạt động của chúng tôi thậm chí không muốn những thứ đó. Họ thấy chi phí cao, thời gian chết, đường cong học tập, nhưng chúng tôi có một ban lãnh đạo cam kết giải quyết những vấn đề đó và tìm giải pháp.

Mọi người đều đặt câu hỏi về động thái này. Vào giữa những năm 1990, suy nghĩ phổ biến vào giữa những năm 1990 là không có cách nào để thực hiện việc di cư từ biển sang đất liền vì bản thân các cấu trúc giàn khoan trên đất liền không thể thực hiện được.

"Đó là lý do tại sao bạn nhìn thấy chùm tia lớn màu vàng ở giữa tất cả các topdrive", David Reid, giám đốc công nghệ / giám đốc tiếp thị của NOV cho biết. "Chúng tôi đã phải mang tất cả tải trọng và mô-men xoắn đến chân giàn khoan. Một khi chúng tôi tìm ra điều đó, bởi vì đơn vị Bowen cũ - nó là một dây chuyền nội tuyến, vì vậy đường bùn đi qua động cơ - là gói rất chặt chẽ này. Cho đến khi chúng tôi bắt đầu nghĩ về nó, bởi vì chúng tôi đã đặt chúng trên cột buồm trên các giàn khoan ngoài khơi. Cùng một vấn đề, cột buồm không tốt cho việc lấy mô-men xoắn. Một khi nó xảy ra, chúng tôi thực sự không nghĩ rằng nó sẽ là một vấn đề lớn như vậy. Ý tôi là, chúng tôi đã làm một vài khi chúng tôi có động cơ Reliance nhỏ hơn, bởi vì chúng tôi không chạy qua hộp số chính, rất giống thiết kế kiểu Varco-IDS ở đây. Những động cơ này đang ngồi ở phía sau. Nhưng một khi bạn có động cơ cảm ứng gói nhỏ hơn, nó thực sự thay đổi mọi thứ."

Topdrives đã mang lại một số hiệu quả cho việc khoan đất.

Đầu tiên, khoan với "giá đỡ" trở nên khả thi. Giá đỡ là nhiều khớp nối của ống khoan được kết nối có thể được thêm vào dây khoan cùng một lúc, thay vì thêm một ống duy nhất tại một thời điểm.

Theo truyền thống, các đội khoan sẽ cần thêm một khớp nối (một chiều dài ống) vào dây khoan tại một thời điểm, điều này rất tốn thời gian. Bằng cách kết nối hai hoặc ba đường ống vào một giá đỡ trước, giàn khoan có thể thêm nhiều ống hơn vào dây khoan trong một thao tác duy nhất, tăng tốc độ khoan bằng cách giảm tần suất dừng để thêm ống.

Sự tiến bộ này cho phép khả năng quay trở lại khán đài và khoan bằng cách sử dụng các giá đỡ được lắp ráp sẵn được xây dựng ngoại tuyến. Ngoài ra, các thợ khoan bây giờ có thể back-ream để làm sạch và làm mịn lỗ khoan.

Thứ hai là khoan định hướng - một sự chuyển giao đổi mới khác từ ngoài khơi. Việc bổ sung topdrive vào đơn vị đất đai đã làm cho việc khoan định hướng trở nên khả thi, điều này sẽ ngày càng trở nên quan trọng trong những năm 2000 khi sự bùng nổ đá phiến đến.

Đó là khoảng thời gian mà ngành công nghiệp đầu máy bắt đầu áp dụng công nghệ truyền động AC trong đầu máy diesel-điện - một ứng dụng dẫn đến sự ra đời của giàn khoan AC. Tạo ra một giàn khoan với một topdrive tích hợp vào một hệ thống ổ đĩa AC và triển khai theo cách có thể mở rộng cũng đã trở thành một cuộc cách mạng cho ngành công nghiệp khoan. Ban đầu nó không phổ biến; Tuy nhiên, nếu không có nó, ngành công nghiệp sẽ không thể khoan các giếng hiện đại ngày nay.

"Tôi nhớ đã ở trên máy bay với lãnh đạo của chúng tôi, và sếp của tôi vào thời điểm đó đã chuyển thông tin về một số tiến bộ mới trong công nghệ truyền động AC được sử dụng trên đầu máy diesel", Thiếu tá nhớ lại. "Chúng tôi bắt đầu xem xét điều này, và những gì chúng tôi đang nghĩ đến là ý tưởng về một cỗ máy có thể có mô-men xoắn 100% và tốc độ bằng không. Đột nhiên chúng tôi giống như, 'Này, nghe giống như một cái tời. Nghe có vẻ như là một tác phẩm vẽ".

Reid nói thêm, "Chúng tôi đã chậm hơn tàu hỏa khoảng 10 năm. Tất cả những gì chúng tôi đã làm khi chúng tôi đến DC, chúng tôi chỉ nhặt động cơ kéo ra khỏi ngành công nghiệp xe lửa. Ý nghĩ ban đầu là nếu họ loại bỏ những động cơ cũ này, chúng ta có thể đưa chúng vào. GE 752 cũ có trên tất cả mọi thứ - bản vẽ của bạn, bàn quay, ổ đĩa trên cùng của bạn - và ý tưởng là khả năng hoán đổi cho nhau. Đó là logic đã đưa họ vào đó. Ý tưởng rằng chúng tôi có thể mua động cơ cũ, được tân trang lại đã thúc đẩy chiếc topdriver ban đầu, nhưng không ai nghĩ rằng chúng sẽ hoạt động trên đất liền.

Nguồn AC mở ra mọi thứ

Khi giàn khoan AC được phát triển, nó là giàn khoan được xây dựng có mục đích đầu tiên để khoan pad. Khoan tấm đệm là một giải pháp cho nhu cầu hoạt động chính: xây dựng nhiều giếng từ một vị trí duy nhất.

Vào thời điểm đó, các giếng đơn lẻ sẽ được khoan liên tiếp, nhưng khoan đệm chưa trở nên phổ biến. Một thiết kế giàn khoan H&P đã được thiết kế và kết hợp với khả năng sản xuất dẫn đến việc xây dựng hàng trăm giàn khoan trong một khoảng thời gian tương đối ngắn. Sự thay đổi nhu cầu khoan đệm này kết hợp với thiết kế giàn khoan AC mới cuối cùng đã cho phép cuộc cách mạng đá phiến của Mỹ.

"AC đã gây rối," Thiếu tá nói. "Chúng tôi đã nghĩ về việc kiểm soát khối thực sự, nơi chúng tôi có quyền kiểm soát chính xác. Vào thời điểm đó, chúng tôi không nghĩ về các ứng dụng khoan và một số thứ khác mà chúng tôi đã tiếp xúc như FinTech hoặc mô-men xoắn mềm trên các giàn khoan loại SCR. Chúng tôi chỉ nghĩ đến việc kiểm soát khối và phản hồi, điều khiển máy khoan chính xác và cabin máy lạnh với màn hình cảm ứng thay vì tay phanh cũ trên sàn giàn khoan.

Mặc dù quan trọng đối với sự bùng nổ đá phiến của Mỹ, nhưng sự thúc đẩy ban đầu đằng sau việc đưa giàn khoan AC ra thị trường là suy nghĩ lại về việc một giàn khoan hiện đại sẽ trông như thế nào hơn là bởi bất kỳ nhu cầu hoặc ứng dụng cụ thể nào.

H&P sẽ giới thiệu thiết kế giàn khoan chạy bằng AC trong giàn khoan Flex3 cho đội tàu FlexRig của mình - một giàn khoan mà không khách hàng nào yêu cầu nhà thầu xây dựng. Đó là về việc đưa công nghệ thay đổi trò chơi lên hàng đầu hơn là đáp ứng nhu cầu. Công ty đã chấp nhận rủi ro và các giàn khoan Flex3 đầu tiên bắt đầu lăn bánh ra khỏi xưởng vào năm 2002.

"Họ rất tập trung vào hiệu suất, bán hiệu suất tốt hơn", Reid nói. "Mọi thứ trước đó đều là giá cả. Họ bắt đầu tách ra đắt hơn và đáng giá hơn và sau đó huấn luyện với phi hành đoàn để đảm bảo an toàn. Họ đã bắt đầu phù hợp với nơi ngành công nghiệp đang đi. Vì vậy, sau AC, cabin của máy khoan biến thành một trò chơi arcade so với phanh tay. Đó thực sự là máy khoan điện tử, và một lần nữa, H&P đã lái nó."

Các đội tàu FlexRig, bao gồm cả những chiếc Flex4 và Flex5 sau này, đã thành công rực rỡ cho H&P trong những năm sau đó, giúp công ty tăng từ chỉ 3% thị phần năm 2001 lên khoảng 20% thị phần tại Mỹ vào giữa những năm 2010.

Đi bộ

Việc đưa giàn khoan đi bộ vào đội tàu toàn cầu đã góp phần giảm hơn 35% thời gian chu kỳ tốt từ năm 2016 đến năm 2022. Những gì đã từng là một cú trượt 3 đến 5 giờ để spud, bây giờ chỉ còn 1 tiếng rưỡi sử dụng công nghệ đi bộ. Được kết nối với nguồn điện từ sân sau và tăng tự do quay, đảm bảo hầu hết các giàn đi bộ sẽ không bao giờ phải tắt nguồn trong khi chuyển từ giếng sang giếng.

"Nếu bạn nghĩ về nó, chúng tôi đã làm các hệ thống có bánh xe từ rất sớm ở Alaska, và đó là bởi vì bạn chỉ cố gắng khoan và di chuyển cấu trúc giàn khoan khổng lồ này được thiết kế để giữ ấm cho tất cả chúng tôi", Reid nói. "Chúng tôi sẽ sống dựa trên những điều này. Chúng gần giống như những nền tảng trên đất liền. Khi bạn ở trong môi trường lạnh, tốt hơn là đi bộ trên giàn khoan."

Các giàn khoan đi bộ ngày nay sử dụng "chân" thủy lực để di chuyển lên đến 500 ft qua vị trí khoan mà không cần thêm thiết bị vận chuyển hạng nặng, loại bỏ nhu cầu lắp ráp và tháo rời một số thành phần nhất định. Chân đi bộ cũng có thể thích nghi với các địa hình khác nhau, bao gồm bề mặt không bằng phẳng và độ nghiêng gây khó khăn cho việc tiếp cận các khu vực dễ tiếp cận hơn.

Các gói đi bộ được phát triển với một số kịch bản trong tâm trí nhưng rất quan trọng trong việc giải quyết nhiều nhu cầu của thế hệ khoan độc đáo tiếp theo. Các giàn khoan đi bộ cho phép khoảng cách hàng giếng rộng hơn và đặt nhiều hàng hơn trong một khu vực khoan duy nhất.

"Những gì thực sự kiểm soát khoảng cách mà chúng tôi có thể dịch liên quan đến độ dốc trên dòng chảy và phản hồi trọng lực đến các hệ thống bùn," Major giải thích. "Vì vậy, chúng tôi bắt đầu suy nghĩ - Làm thế nào để chúng ta đi bộ? Làm thế nào để chúng tôi sử dụng tất cả các bản nhạc này? Làm thế nào để chúng ta giảm thời gian núm vú (thời gian cần thiết để lắp ráp hoặc kết nối các thành phần khác nhau của giàn khoan)? Làm thế nào để chúng tôi bao phủ hầu hết các địa điểm?

"Chúng tôi vẫn đang xử lý các đầu giếng hiện có và cố gắng dọn sạch chúng. Bạn phải đối phó với điều đó. Sau đó, điều khác là, bạn đang trên một miếng khoan. Làm thế nào để chúng ta tìm ra điều này khi chúng ta dịch và xử lý đường ống trên các giếng chúng ta vừa ở? Đi bộ nó, yên bên cạnh và xây dựng trong khoảng trống đầu giếng là những điều linh hoạt nhất chúng ta có thể làm. Sau đó, chúng tôi bắt đầu đối phó với việc liệu chúng tôi có muốn bị giam cầm trong dòng chảy hay không. Đó là lý do tại sao chúng tôi bắt đầu trên các phiên bản của chúng tôi. Chúng tôi có hệ thống bơm ngược. Chúng tôi đã cố gắng tạo ra một thiết kế có thể hoạt động cho gần như bất kỳ vị trí khoan pad nào ở Mỹ. Đó là điều đã thúc đẩy nó", Major nói.

Giàn khoan đất liền ngày mai

Robotics. Trí tuệ nhân tạo. Khoan tự động. Phần lớn những gì tương lai nắm giữ cho các trung tâm khoan đất liền về khả năng của ngành công nghiệp để khai thác và áp dụng các công nghệ mới và hiện có theo những cách sẽ một lần nữa thúc đẩy hiệu quả và an toàn. Đã có robot trên các giàn khoan đang thực hiện các kết nối đường ống trên các giếng lưu vực Permian. Ngoài việc cung cấp tính nhất quán và hiệu quả trong các nhiệm vụ khoan, các giải pháp tự động mới cho phép loại bỏ nhân viên khỏi các khu vực màu đỏ trên sàn khoan.

Một lĩnh vực khác đang được xem xét là tính bền vững, điều này có thể dẫn đến nhiều đơn vị chạy bằng hybrid hơn với khả năng lưu trữ năng lượng.

Sự tiến hóa sẽ tiếp tục khi trọng tâm chuyển từ brawn sang bộ não và từ nhiệm vụ này sang quy trình khác. Các chương trình giếng ngày nay không phải là một kích thước phù hợp với tất cả; Chúng tính đến nhiều yếu tố, bao gồm quy mô công ty, vị trí địa lý và các đặc điểm cụ thể như khoảng cách tốt, khoảng cách gãy xương và kích thước miếng đệm tối ưu. Những cân nhắc mới đang được bổ sung mọi lúc.

Dựa trên sự phát triển liên tục, bối cảnh năng lượng trong tương lai có thể sẽ đòi hỏi những cách bổ sung để chuyển đổi giàn khoan đất hiện đại thành giàn khoan của tương lai. Khi các nhà khai thác tăng cường tham gia vào quá trình chuyển đổi năng lượng, khả năng khoan phải phát triển hơn nữa để khoan giếng địa nhiệt và khám phá các cơ hội bổ sung.

Để đọc thêm

IPTC 23554 Tăng tốc hiệu quả và tính nhất quán của khoan: Cách tiếp cận dựa trên giàn khoan để cải tiến chương trình khoan theo cấp số nhân của C. Major, T. Hall, W. Stogner và S. Kern, Helmerich &; Payne.

Mời đối tác theo dõi hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt