Петророботика: роботизированные буровые комплексы

Большая часть неосвоенных запасов углеводородов расположена в глубоководных и подледных областях Мирового океана и удаленных районах без развитой инфраструктуры в северных широтах и за Полярным кругом. Освоение этих запасов углеводородов должно базироваться на высокотехнологических, экологически безопасных и безлюдных технологиях бурения. Руководство мировых нефтегазовых и сервисных буровых компаний интенсивно развивает безлюдные технологии бурения, повышающие экологическую безопасность, оптимизацию и интеграцию буровых операций (нефтегазовые технологии блокчейн), сокращающие многократно затраты на бурение [1 – 6]. В последние годы научно-технический прогресс в технологии бурения связан с развитием бурения в подводных, подледных и морских условиях. Автоматизированные системы бурения сменяются автоматическими и роботизированными буровыми системами. Одновременно происходит ужесточение требований к международным и российским стандартам для технических средств, технологий и производственных операций при бурении, как на море, так и на суше.

РОБОТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА BADGER EXPLORER
В 1999 г. инженер Сигмунд Стокк (Sigmund Stokka) из Норвегии задался вопросом, возможно ли создать буровой инструмент без буровой установки для открытия и разведки глубоководных и сверхглубоководных нефтяных залежей. Инновационный буровой инструмент получил название Badger Explorer (Барсук-разведчик) [5, 6].
С точки зрения петророботики, Badger Explorer – это буровой робот, который проводит безлюдное бурение в горных породах без использования буровой установки. Внедрение роботизированного бурового инструмента в практику бурения революционизирует нефтегазовую отрасль, делает поисково-разведочные работы менее трудоемкими и дорогостоящими, снижает уровень риска и уменьшает временные затраты на бурение скважин. Одноразовый буровой инструмент Badger Explorer спускается по забуриваемому стволу на шлангокабеле, который соединен с энергоустановкой. Буровой шлам в процессе бурения не выносится за пространство буримой скважины, а сжимается и утилизируется в специальные контейнеры, расположенные за буровым инструментом. После окончания бурения и проведения геофизических измерений, роботизированная буровая установка Badger Explorer, контейнеры с буровым шламом и шлангокабель на поверхность не поднимаются, а оставляются в скважине навсегда. Многие детали и характеристики данного одноразового бурового инструмента пока остаются конфиденциальными.

РОБОТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА БУРЕНИЯ КОМПАНИИ ROBOTIC DRILLING SYSTEMS (БЫВШАЯ КОМПАНИЯ SEABED RIG)
Конверсия аэрокосмических технологий в неф­тегазовые технологии представляется важной и актуальной задачей для цифровой модернизации нефтегазового производства [7 – 22]. Одним из удачных примеров конверсии аэрокосмических технологий в нефтегазовые технологии является создание роботизированных систем бурения на нефть и газ. Бурение играет значительную роль в аэрокосмической промышленности, в которой были созданы роботизированные системы бурения для обработки титанового сплава, алюминиевого сплава и ламинированных композитов самолетов. Первая роботизированная система автоматического бурения в аэрокосмической промышленности была создана в 2013 – 2014 гг. с целью снижения эксплуатационных затрат и повышения скорости и эффективности бурения. [23] Через год данная система была конвертирована в нефтегазовую систему автоматического бурения компанией Robotic Drilling Systems AS (RDS) из Норвегии. Первая роботизированная буровая система DFR-1500 была запущена компанией Robotic Drilling Systems в опытную эксплуатацию 23 сентября 2015 г. (рис. 1). Компания Robotic Drilling Systems разрабатывает промышленные буровые роботы, предназначенные для автоматического бурения скважин на нефть и газ. Роботизированная система бурения создана для буровой морской платформы. Она состоит из роботизированного оборудования для проведения полностью безлюдных буровых работ. Система способна работать с трубами и инструментами при осуществлении спускоподъемных операций на всех буровых платформах (новых и уже существующих). Система управления обеспечивает быстрые и точные рабочие операции при бурении в режиме реального времени с латентностью в несколько секунд.

Рост потребности в роботизированных буровых системах имеет решающее значение для подводного и подледного бурения нефтегазовых скважин. Роботизированная система компании Robotic Drilling Systems состоит из 4 главных компонентов (рис. 1): бурового робота Drill-floor Robot DFR-1500; мультиразмерного элеватора Multi-size elevator MSE-350 на базе антропоморфного манипулятора FANUC M-2000iA/2300L с грузоподъемностью 2300 кг; трубоукладчика Robotic Pipe Handler RPH-3500 и электрического ключа Robotic Iron Roughneck RIR-270. С помощью этого оборудования предоставляется возможность полной автоматизации работ на буровой площадке морской платформы. Преимуществами системы являются снижение затрат на установку, обслуживание и малолюдная эксплуатация.

В конце 2016 г. международный научно-исследовательский институт в Ставангере запустил проект, в ходе которого буровая установка в испытательном центре Ullrigg будет модернизирована в роботизированный буровой комплекс. Роботизированное оборудование будет интегрировано с существующей системой контроля бурения и программным обеспечением для оптимизации бурения. Ожидается, что проект будет полностью готов выполнять операции роботизированного бурения в 2018 г. (рис. 2)

Буровой робот (Drill-floor Robot) DFR-1500 позволяет в безлюдном режиме осуществлять все производственные операции с трубами и инструментами на буровой площадке. Буровой робот оснащен необходимыми инструментами – захватами, ключами, зажимными инструментами и другими средствами для осуществления полного цикла спускоподъемных работ. Буровой робот проводит смену различных инструментов в течение нескольких секунд. Он имеет следующие характеристики: грузоподъемность – 1500 кг; количество автоматически управляемых осей – 7; точность позиционирования – высокая; система замены инструмента – секунды. Основное преимущество – отсутствие ручных операций.

Роботизированный буровой ключ Robotic iron roughneck RIR-270 – это первый в мире полностью автоматический электрический ключ. Роботизированный буровой ключ – устройство, предназначенное для таких спуско-подъемных операций при бурении нефтяных и газовых скважин, как свинчивание (развинчивание) труб с контролем и автоматическим ограничением крутящего момента, наращивание низа бурильной колонны и других сложных операций.

В передней части роботизированного бурового ключа имеются два трубозажимных устройства – верхнее и нижнее. Верхнее предназначено для захвата и вращения бурильной трубы, а нижнее для захвата колонны труб и удержания ее от проворота. Каретка свободно вращается в верхней части колонны, ее положение фиксируется при работе и может перемещаться вдоль колонны по высоте. Верхняя часть роботизированного ключа имеет высокий крутящий момент – 270 кНм. Основные характеристики: электрический привод; автономный ключ с встроенным управлением; низкая потребность в техническом обслуживании благодаря использованию стандартных компонентов; автоматические буровые операции; тройной зажим с равномерно распределенным крутящим моментом с контролем высокой точности позиционирования; общий оборот верхнего трубозажимного устройства – 120 градусов. Основные преимущества – точные и быстрые операции свинчивания (развинчивания).

Мультиразмерный элеватор Multi-Size Elevator MSE-350 на базе антропоморфного манипулятора FANUC M-2000iA/2300L предназначен для захвата колонны труб и удержания их на весу в процессе спускоподъемных операций, а также для перемещения всех необходимых труб разного диаметра в процессе бурения. Вставки, необходимые для труб различного диаметра, заменяются в автоматическом режиме. Система управления обеспечивает безукоризненное взаимодействие мультиразмерного элеватора с роботизированным манипулятором труб Robotic Pipe Handler RPH-350 для обеспечения быстрой и безопасной передачи труб. В мультиразмерном элеваторе имеется необходимая функция для измерения веса колонны труб и передачи информации роботизированному манипулятору труб. Основные характеристики: дистанционное управление заменой вставок; угол отклонения – до 90 градусов; возможность установки на верхние приводы; автоматическая работа; закрытая конструкция для снижения риска при открытии элеватора; конструкция с предохранительной вставкой. Основное преимущество – устраняет ручные операции при замене вставок.

Роботизированный манипулятор труб Robotic Pipe Handler RPH-3500 представляет собой гибкий робот с девятью степенями свободы, где нижняя стрела-захват может работать как горизонтально так и вертикально. Перемещение из горизонтального в вертикальное состояние осуществляется без применения отдельного HTV (horizontal to vertical) устройства. Верхняя и нижняя стрела-захваты могут работать по самостоятельным программам. Благодаря своим уникальным вращательным стрелам-захватам, роботизированный манипулятор труб может закручивать трубу непосредственно во входное отверстие или выкручивать из нее. После этого роботизированный буровой ключ выполняет операцию свинчивания или развинчивания. Роботизированный трубный манипулятор забирает (возвращает) бурильные трубы из уникальных вертикальных стеллажей-магазинов, радиально расположенных вокруг буровой площадки. Эти вертикальные стеллажи состоят из определенного количества мобильных магазинов для труб различного диаметра. Стрелы-захваты роботизированного трубного манипулятора оснащены двумя зажимами каждая. Этими зажимами роботизированный трубный манипулятор захватывает бурильную трубу из любого магазина и перемещает ее в шурф для наращивания, или, наоборот, в зависимости от последовательности действий программы работ. Основные характеристики: количество автоматически управляемых осей – 9; автономный со встроенным управлением; низкая потребность в техническом обслуживании благодаря использованию стандартных компонентов; возможность горизонтального и вертикального вращения; встроенная функция горизонтально-вертикального устройства; грузоподъемность 3500 кг на каждую стрелу-захват. Основные преимущества: быстрое складирование труб в магазины, включая вращающие операции; быстрые и автоматические горизонтально-вертикальные операции.
Внедрение роботизированных буровых систем идет полным ходом на нескольких пилотных проектах, как на суше, так и на море [1 – 4]. Преимущества использования буровых роботов включают более высокую эффективность (более низкие эксплуатационные затраты), повышенную промышленную безопасность бурения за счет нивелирования ручных операций, точное управление, более легкую интеграцию и более низкое потребление энергии и меньшую эмиссию CO2. Благодаря использованию полностью роботизированного бурового комплекса можно обеспечить быстрое, непрерывное и безлюдное строительство скважин как на море, так и на суше.

Роботизация бурения или буророботика окажет большое влияние на охрану и безопасность труда при бурении, повысит эффективность и снизит общую стоимость операций бурения. Использование робототехники для сокращения производственных издержек часто приводит к увеличению числа сотрудников из-за стремления компаний к высоким производственным показателям. Нефтяные компании будут стремиться бурить больше дешевых скважин для удовлетворения растущей потребности в углеводородах в мире. Увеличение добычи углеводородов будет способствовать росту количества высокотехнологичных рабочих мест в отрасли.