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          新型钻机设备减少停工时间

          时间:2022-02-15 16:35 来源:《石油与装备》 作者:编译 李智鹏 点击:


           计划外的停工困扰着石油和天然气行业。2016年的一份报告发现,油气行业平均每年的停工时间超过27天,导致每家公司平均经济损失3800万美元。某些公司的停工损失超过8800万美元。造成灾难性经济损失的原因多种多样。设备老化、有经验的员工退休,以及低油价导致的利润下降和有限的资金投入,这些都是该行业计划外停工停产的主要因素。

          服务环是油气开发现场钻机的核心,但服务环也需要频繁维护,找出容易出现故障的部位。一种新的、由igus公司开发的钻机技术提高了服务环的可靠性,大大减少了停工时间。与其它产品相比,见图1(一个创新的电环示意图,每个环都加装了220mm的动态横杆,可用作传统服务环的替代品),igus公司的电环是专门设计用于更模块化和更坚固的系统。通过本地化的装配团队,运动塑性专家可在世界各地对钻机进行快速组装并交付改装后的装置,包括德克萨斯州、新墨西哥州、墨西哥湾或北美任何地方的钻机。德克萨斯州负责油气开发的经理Jason Freed说:“事实上,任何油气钻探的钻机都会看到电环的巨大价值。Igus公司的电环除了能减少停工外,在现场还更易维护,提高了钻机的整体安全”。

          传统的服务环常常会引起电缆破裂或断裂。新品设计的目的是提供一种解决两个问题的产品。电环产品设计的领头羊Tim Schneebeck说:“电环的设计理念是出自易于维护的背景”,他在德国科隆的igus总部监管着公司的油气产品部门。“这就是为什么模块化和产品坚固性是电环产品关键的优先事项。其它是安全性、耐用性、简单性和成本效益”。

          Igus公司第一批电环的其中一项应用是在加拿大的一个钾矿开采场,由于大风和严寒,工人们经常遭遇停工。8小时的改装修复了这个问题,见图2(加拿大一部用于开采钾矿的钻机,在极端恶劣的天气状况下也能正常作业,它采用了一种igus公司的能量链进行改装,帮助解决了与天气有关的问题,提高了钻机的作业效率。)。第二天,一场暴风雪席卷了加拿大萨斯喀彻温省的贝休恩,钻机就位于此地,改装前原本需要暂时停工。而这次没有停工,也没出现安全及钻机线缆损坏的问题。Igus公司加拿大负责设计能量链改装的Alan Kwoo说:“持续的作业时间和防止停工对钻井施工至关重要。生产时间的损失就意味着收入的损失”。
           
          图2
          初步分析
          服务环是钻机的能量来源。服务环为安装在井架中的一部大型顶驱电机提供电力,该电机为钻具提供旋转扭矩。该系统能使钻机钻深达10km,服务环为钻机的主电机供电,为其它设施如照明、润滑油加热器和冷却风扇等提供辅助电力。还为控制、数据传输和仪器的运用提供电能。

           Schneebeck说:“电环是通过分析顶驱系统的服务环演变而来的。我们在这些服务环中看到的主要问题就是封装,封装使保护软管和电缆整个系统变得僵硬和弯曲性差。如果你发现这些环中的其中一个环有问题,那么整个软管和电缆系统就需要更换”。Schneebeck还说到:“在美国,许多钻机都有简单的服务环,电缆和软管周围没有封装。一个简单的袋子合拢保护着所有的电缆和软管。钻机越自动化,服务环就越先进——直到一个完整的封装版本。

           封装是用一种类似胶粘物的物质涂抹在电缆的保护软管中。胶粘物用作应变缓解,保护系统免受水侵。如果只有一根电缆出现问题,非模块化系统需要工人们更换整个环体。Schneebeck说:“我们看到这些服务环的主要问题是破裂或断裂,封装的其中一个主要问题是僵硬和弯曲性或柔软性差”。

          Igus公司的目标是设计一个模块化系统,使其既能减少系统维护和降低成本,还能承受断裂损坏,断裂是服务环最常见的问题。Freed说:“断裂导致电缆损坏,而在钻机搬迁或移动期间处理电环也是导致其损坏的一个因素。更换电环、保险杠、链路和电缆的诸多部件,使其具有坚固的电缆保护作用,可能是处治电环的最独特的事项”。大多数服务环需要不断的维护。此外,因强风造成的服务环断裂让工人们处于危险境地,因为他们要试图处治高压电缆。电环的设计还要考虑确保安全的要求。设备或部件掉落是钻井作业中最忌讳问题和最大的安全隐患。Freed说:“安全性是电环最主要的优先事项”。

          高昂的腐蚀成本
          腐蚀也会导致石油行业代价高昂的停工。石油天然气工业每年在腐蚀方面总的成本支出达13亿美元、油气勘探中使用的材料有一些暴露在最恶劣的工业环境中,导致材料老化,因而可能会损害环境和威胁工人的安全。大多数服务环由钢材料制成,因此,容易受到腐蚀。

          Igus公司的电环采用技术创新和低成本组件解决了腐蚀问题,可在任何气象如海水、严寒、强风、灰尘和高温等环境下可靠的使用。见图3(能量链取代了在暴风雪环境下经常出现损坏、导致作业中断的服务环)。igus公司加拿大电链产业经理Scott Parker 说:“电环的核心由聚合物部件制成,其核心绳索不是金属,因此不会被腐蚀。为了避免紧固件的腐蚀,硬件由不锈钢制成。由于采用了聚合物材料,因此无需润滑,而且,在腐蚀性环境下也不会出现电环卡住的情形”。
           
          图3

           Igus公司的材料的自润滑性还能大大降低维护时间和成本支出,扩展了钻机运转的能力范围。这项技术将聚合物能量链的优势与具有高拉伸强度的复合绳结合在一起。拉伸力被绳索吸收,通过安装臂架支持着支撑结构。这种设计减轻了电缆的各种应力,确保了一个限定的电缆弯曲半径。模块化电环设计还可承受振动和冲击。Parker说:“igus公司在海上钻探市场有着悠久的作业经历,包括在海上应用中首次采用了DNV GL额定的连续弯曲(柔性)电缆。由于igus公司能量链系统是聚合物材料,因此,已成功运用于许多海上作业。在这个市场中,任何耐盐且无需维护或频繁更换的产品都会延长生产时间,同时还能降低作业成本”。

          安全问题
          服务环还涉及许多安全问题。钻机的维修工作相当危险,有许多移动部件和组件。也有易燃的化学品以及从井中溢出油气的可能性。最致命的钻井平台事故发生在1988年,当时北海的Piper Alpha石油钻井平台导致了167名工人遇难。只有61名工人在这场悲剧中幸存了下来。
           
          在加拿大的应用中,大风常常让工人们受挫,迫使作业停工。钻井承包商AKITA钻井公司的现场负责任人Justin Amyotte说:“我们尝试了多种方法来应对大风对服务环的扰乱。我们甚至在迎着风的方向安装钻机。在大风来临期间,我们让一名工人一直在钻台上观察服务环。如果情况非常糟糕,我们就停止施工。改装前的钻机电缆包裹的很好,但当电缆靠近钻机钢架时容易裹出皱纹和变形,由此产生阻碍,造成电缆拉扯甚至断裂。裹有电缆和软管的包装更换成本很高。有时,大风猛刮和侵袭服务环,将其吹进钻机的桅杆梁。希望司钻能看到并叫停这种情况,修复这一困扰。如果司钻未发现这种情形,电缆就会损坏。其结果就会导致更长时间的停工”。

          解决含有高压电线的电缆断裂问题是一项危险的工作。加拿大K+S 钾矿开采公司高级经理Darren Hrynkiw说:“不止一次地,服务环在顶驱上被拉扯或断裂,导致高压电缆发生危险架空的安全事故。施工者们探索了多种工程安全解决方案,但多数情况下,提出的方案大都涉及其它方面的维护,有时甚至会带来新的安全问题”。

          加拿大的应用
          AKITA公司的钻机在正常情况下工作良好,但因强风造成服务线路阻断时常常会导致停工,该公司考虑了改装方案。Amyotte说:“唯一的解决方案是采用坚固的链路和轨道类系统。但这种系统可能会因管材或钻机移动而弯曲和损坏。也会因结冰而无法正常工作。一旦出现损坏,钻机就要停下来等待维修”。Amyotte是在德克萨斯州一个来自德国科隆的igus公司的工业贸易展会上了解到有关电环的技术。

          钻机的电环约为21m,弯曲半径为500mm。电环安装在桅杆式钻机的中央。可在41m高的钻机的中心点上下或来回移动,见图4(在此次应用中,能量链被安装在一部用于开采钾矿的钻机上。而这种方法也可用在钻探油气井的钻机上)。AKITA公司的钻机建造于2015年。K+S 钾矿开采公司已经营了125年,为的是开采钾矿,从而进一步加工成氯化钾。矿场位于Bethune,AKITA钻机是40多年来首次在萨斯喀彻温省对未开发的钾矿进行开采。AKITA公司计划1月中旬用igus公司的能量链对钻机进行改造。该矿场原定于2月份暂时关闭,然后在夏季再次启动。各团队希望在冬季剩余时间暂停之前对新的能量链进行现场测试。
           
          图4

          改装仅用了8小时,而新安装的能源链第一次测试用了24小时。一场暴风雪席卷了该地区,风速高达每小时88英里,伴随着降雪和冻雨。暴风雪摧毁了电缆,积雪厚度超过150mm,造成了大范围停电。今年1月的风力是Regina地区有史以来最强的。气温降至接近零下40°F。暴风雪在Bethune地区并不罕见,而这场特殊的暴风雪对该地区造成了巨大的打击。

          不管怎样,新的安装了电环的AKITA钻机启动了。没有出现施工中断和停工,也没有工人们站在地上观察可能出现的不幸事件。Hrynkiw说:“即使遇到极端的天气情况,电环也能正常工作。当能找到一种工程方法消除安全隐患时,我总是非常高兴,因为这比程序化的保障措施更为有效。鉴于这样的设计,我们预计维护会变得很少或根本没有,而这种保护系统的安装不会对生产率造成影响”。虽然该技术的此次应用是用在开采钾矿的钻机上,但Amyotte说,任何钻探油气的钻机都能从使用igus技术中获得巨大收益。

          利润丰厚的钾矿市场
          虽然钾矿不像石油和天然气那么受人关注,但它也是世界上最广泛使用的矿物之一。K+S钾矿开采特别值得关注,它包括了世界十大最深的钾矿中的两个。2017年6月,该公司生产了第一批可销售的钾矿。该矿物的开采预计可超过55年,建设成本超过40多亿美元,每年将生产近200万吨碳酸钾。

          大幅减少停工时间
          任何生产设施的目标,无论是钻探石油或是开发其它矿物,都需消除或减少停工时间。Amyotte说:“减少停工时间就等于提高生产率。减少损失就等于节省成本”。当igus公司的工程师们在设计电环时,减少停工是他们的首要目标。对于igus公司来说,最具挑战性的工作之一是测试确保电环能在最恶劣环境下的持续工作。

          电环无疑解决了AKITA钻机和K+S钾矿开采公司关注的问题。Amyotte说:“该方法的效果好于预期,是解决他们多年来所面临问题的最佳方案。电环能让顶驱电缆移动自如,同时也限定了弯曲半径。还能更好的保护电缆,不会因为需要维护和修理而导致作业停工。这对我们来说非常具有吸引力,大大提高了生产效率”。
          战略合作
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