Un robot prend le contrôle du plancher de forage

Le travail sur le sol de forage de la plate-forme PaceR801 s'articule autour d'un robot robuste qui saisit méthodiquement des sections de tuyau et les déplace avec précision au-dessus du centre de forage pour connecter rapidement le tuyau.

Bien qu'il s'agisse de l'une des nombreuses avancées technologiques sur la plate-forme que Nabors présente comme "la première plate-forme terrestre entièrement automatisée au monde", le robot est celui "qui suscite l'intérêt et l'enthousiasme de la plupart des gens", a déclaré Travis Purvis, vice-président senior des opérations mondiales pour Nabors Industries Ltd.

Au 18 octobre, le PaceR801 avait terminé le premier puits sur un pad ExxonMobil et forait le latéral sur le deuxième puits du pad à trois puits. Une fois le troisième terminé, le test étendu passera au pad suivant.

Il est risqué d'annoncer qui est arrivé premier dans une course compétitive dans une entreprise secrète. Mais Nabors se démarque car le PaceR801 dispose d'un plancher de forage automatisé, d'une gamme d'autres fonctions automatisées au-dessus et au-dessous du sol, et surtout, il est le seul à utiliser sa plate-forme pour forer des puits de production pour un client.

Jason Gahr, responsable des opérations de forage non conventionnel chez ExxonMobil, a déclaré que la collaboration de recherche "démontre la capacité d'optimiser le forage en utilisant la puissance combinée de la robotique, de l'automatisation, de l'informatique et des données".

Depuis l'annonce, Nabors a eu des nouvelles d'autres compagnies pétrolières. "Il y a un fort intérêt pour la plate-forme sur de nombreux marchés", a déclaré Purvis.

Les intérêts des entreprises vont de l'automatisation d'un plus grand nombre de fonctions de forage en modernisant les plates-formes à la location de la plate-forme, dont le nom est fréquemment abrégé dans les conversations en R801.

Il n'y a qu'un seul PaceR801 et il va être bloqué pendant un certain temps. "Nous prévoyons de forer plusieurs puits d'essai sur plusieurs plateformes et de continuer à travailler sur la technologie" avec ExxonMobil, a déclaré Purvis.

Il a été créé pour montrer les fruits d'un effort de 5 ans pour créer une version totalement automatisée de sa plate-forme de haute spécification Pace. Nabors le compare aux concept-cars construits par les constructeurs automobiles pour montrer leur vision de l'avenir et promouvoir l'innovation au sein de l'entreprise.

Dans ce cas, il s'agit d'une vision du futur proche. Alors que le plancher de forage automatisé est nouveau, une grande partie du reste est une technologie récemment éprouvée. Deux des programmes d'automatisation de forage utilisés, SmartSLIDE et SmartNAV de Nabors, équipent déjà 30 % de la flotte de Nabors, a déclaré Austin Groover, directeur des opérations pour les produits intelligents chez Nabors. Ces applications, qui gèrent le forage de la courbe et le forage directionnel, plus une troisième qui automatise le forage d'une colonne de conduite, SmartDRILL, sont utilisées par ExxonMobil depuis 2 ans.

Maximiser les performances d'une plate-forme avec plusieurs technologies éprouvées plus une nouvelle telle qu'un sol de forage robotisé a nécessité le développement d'un système qui coordonne les mouvements de ces applications et du matériel de forage pendant le forage.

Lorsque les experts de Nabors décrivent ce processus, ils s'appuient sur des métaphores musicales, du robot faisant sa petite danse au chef d'orchestre menant une symphonie.

"Il y a un humain dans la cabine du foreur qui allume le système et appuie sur "jouer". À partir de ce moment, le système fait toute l'orchestration", a déclaré Groover. Cette symphonie mécanique est dirigée par un programme appelé « moteur de séquencement ».

Tenir la promesse d'un forage plus rapide et meilleur nécessite une série d'étapes exécutées avec précision avec un minimum de temps perdu entre les mouvements.

Une vidéo au sol de la plate-forme montrerait le robot tendant la main pour ramasser le prochain morceau de matériel, normalement un segment de tuyau de 45 pieds qui avait été mesuré et dont les filetages avaient été préalablement dopés par le système. Le bras le déplace ensuite au-dessus du centre du puits et le maintient verticalement en place tandis que d'autres machines reconnaissent le motif de filetage et font tourner le tuyau pour le connecter avec le bon niveau de couple. Puis une autre application prend le relais pour abaisser le train de tiges au fond et reprendre le forage selon les spécifications d'ExxonMobil.

Le nombre d'étapes réellement requises est bien supérieur à ce qu'un paragraphe verbeux et trop simplifié peut exprimer. ExxonMobil travaille actuellement avec Nabors pour voir si l'innovation se traduira par une amélioration des performances.

L'avenir de l'automatisation dépend de la façon dont les clients évaluent les performances de forage.

La vitesse est une mesure de performance évidente et nécessaire. Des plans de puits mieux exécutés sont également un objectif, mais cela est beaucoup plus difficile à mesurer, tout comme l'impact de la qualité du trou sur la production future.

L'objectif d'Occidental Petroleum en matière d'automatisation est de "capturer les connaissances", a déclaré John Willis, vice-président du forage et des complétions pour la séquestration terrestre et du carbone pour Occidental, dans son discours d'ouverture lors de la récente conférence IADC Advanced Rig Technology (ART) couverte par l'IADC Drilling Contractor.

Willis faisait référence à la capture de la manière la plus efficace d'effectuer une tâche dans le système de contrôle afin qu'un foreur moins qualifié puisse effectuer au même niveau qu'un foreur plus qualifié en s'appuyant sur l'automatisation pour appliquer les leçons apprises pour forer un puits plus rapidement et mieux.

Jusqu'à présent, a-t-il dit, ils n'ont pas trouvé de système qui réponde à cette norme.

Le R801 est un signe de progrès significatif sur le chemin vers un forage entièrement automatisé, mais reste loin du point final.

L'automatisation s'est glissée dans les fonctions de forage critiques, des courbes de forage à la minimisation du stick/slip et du trébuchement lors du raccordement des tuyaux.

L'industrie travaille dans ce sens depuis plus d'une décennie. Les travaux sur le robot de plancher de forage de Nabors remontent à 2008, lorsque Equinor a initialement financé une startup norvégienne, Robotic Drilling Systems AS. Nabors l'a acquis en 2017 après que l'équipement a été évalué sur un banc d'essai norvégien.

Le fondateur de l'entreprise, Lars Raunholt, a décrit l'objectif comme "un système homogène où les machines fonctionnent ensemble". Comme les capteurs mettent continuellement à jour le programme de sensibilisation spatiale, "nous n'avons pas à nous arrêter et à vérifier s'il est au bon endroit".

"Le robot et l'automatisation peuvent identifier ce que nous appelons des" objets étranges "", comme un assemblage de fond de trou et l'obtenir en cas de besoin, a déclaré Josh Price, responsable régional de l'ouest du Texas pour Nabors, lors d'une présentation lors d'une récente réunion du comité IADC Advanced Rig Technology.

Le robot fabriqué par l'unité Canrig de Nabors peut étendre ses capacités en choisissant parmi une gamme d'outils, dont un qui peut saisir et faire tourner un support de tuyau. Il peut également gérer le boîtier, ouvrant également la porte pour automatiser les finitions.

Un robot automatisé de manipulation des tuyaux est une avancée remarquable car l'industrie a mis du temps à mécaniser le raccordement des tuyaux. Ce travail continue d'être en grande partie effectué par des membres d'équipage utilisant des outils de plus en plus sophistiqués. (Ce n'est pas le cas sur les planchers des plates-formes offshore, où les tiges de forage de plus grand diamètre sont plus lourdes et plus risquées à manipuler ; les planchers des plates-formes sont plus grands, offrant l'espace nécessaire à la manutention mécanisée traditionnelle des tuyaux).

Il y a eu peu de demande de systèmes mécaniques de manutention de tuyaux pour les plates-formes terrestres, car "les humains peuvent se déplacer très rapidement", a déclaré Paul Pastusek, conseiller en mécanique de forage pour ExxonMobil, lors de la réunion du comité ART.

Cela a été un obstacle à l'automatisation de la manipulation des tuyaux sur les plates-formes terrestres, car un processus mécanisé est nécessaire pour que l'automatisation prenne le contrôle. Pastusek a déclaré que l'incitation à la mécanisation à terre était faible parce que "le rendre aussi rapide est vraiment difficile".

Néanmoins, Purvis de Nabors a déclaré que le système automatisé surpassera le statu quo sur deux mesures critiques qui ont motivé le PDG de Nabors, Anthony Petrello, à approuver le développement du R801.

"Nous devions absolument faire sortir les gens de la zone rouge. Il était totalement motivé par ce point et croyait en la capacité des automates et de la robotique à fournir constamment des performances de premier décile à chaque fois", a déclaré Purvis.

Les deux objectifs sont liés. Faire descendre les travailleurs du sol de la plate-forme déplacera les personnes hors d'une zone dangereuse. Et la vitesse de manipulation robotique des tuyaux nécessite un espace de travail exempt d'humains. Une machine puissante programmée pour éviter de blesser les gens sera ralentie par un logiciel garantissant qu'elle s'arrête avant de toucher les humains à proximité, qui sont sujets à des mouvements imprévisibles.

Bien qu'il n'y ait personne sur le sol de forage, l'équipe qui s'y trouvait travaillait auparavant sur la plate-forme pour effectuer des inspections, de l'entretien, des réparations et des déplacements de plate-forme.

Une formation sera nécessaire à mesure que les plates-formes seront de plus en plus automatisées. La déclaration de Nabors indique que l'automatisation "offrira des opportunités de reconversion aux employés de Nabors et à l'ensemble de la main-d'œuvre de l'industrie".

Alors, à quelle vitesse la plate-forme automatisée de Nabors peut-elle connecter le tuyau ? La réponse courte est : Ils ne disent rien. Le communiqué de presse sur le test indiquait: "Conformément aux pratiques des foreurs et des opérateurs sur les bancs d'essai, Nabors et ExxonMobil ne prévoient pas de publier les données de performance et les résultats."

Une description du robot sur le site Web de Nabors indique qu'il est capable d'effectuer des temps de connexion de tuyaux - de glissement en glissement - de moins d'une minute. Il a ajouté le qualificatif "basé sur les premières études".

Les estimations de vitesse sont conformes à celles faites par Huisman, qui a construit une plate-forme terrestre avec une manipulation automatisée des tuyaux pour Sirius Well Manufacturing Services, une coentreprise de services de forage entre Shell et la China National Petroleum Co.

Huisman a indiqué que le système de déclenchement automatisé de la plate-forme peut gérer le tubage à une vitesse de 1 800 pieds/h après que l'opérateur a appuyé sur le bouton de démarrage, sur la base des données de performance d'un puits d'essai dans un chantier de l'entreprise aux Pays-Bas, a déclaré Arthur de Mul, chef de produit des plates-formes modulaires pour Huisman (SPE 199597).

Nabors et ExxonMobil sont allés plus loin en utilisant le R801 pour forer des puits producteurs.

Purvis a déclaré que le R801 forait plus rapidement que les plates-formes hautes performances d'il y a 5 ans. Depuis lors, le forage est devenu plus rapide, ils devront donc faire mieux éventuellement. Mais le programme de tests systématiques ne semble pas être conçu pour établir des records de vitesse dès le début.

Lorsque l'on compare le forage automatisé aux équipes traditionnelles, il est utile de rappeler la fable de la tortue et du lièvre, où un effort constant a battu le coureur le plus rapide.

Lorsque des records de forage sur 1 jour sont annoncés, aucune mention n'est faite des performances de la plate-forme le jour suivant. Il y a de fortes chances qu'ils ne soient pas aussi rapides d'après les données de temps de connexion recueillies par les programmes de surveillance. Ils constatent que la vitesse des travaux varie d'une équipe à l'autre et d'un jour à l'autre pour chaque équipe.

Les foreurs aux commandes ressentent une forme différente de pression sur les performances : un nombre croissant de routines requises par les évaluations des clients sur la meilleure façon de gérer le forage. Quoi qu'il en soit, il est difficile pour les travailleurs d'exécuter systématiquement des routines spécifiques sur de longs quarts de travail, jour après jour.

"Il y a une variable d'élément humain dans le résultat de la performance", a déclaré Purvis. Grâce à l'automatisation, "nous pouvons amener notre plate-forme au meilleur niveau de sa catégorie et presque garantir cette répétabilité".

Dans le forage automatisé, les entrées humaines comprennent le plan de forage et le logiciel du système. Les entreprises analysent les performances de forage au fur et à mesure et apportent des modifications en fonction de leurs observations.

"En termes de logiciel, nous avons également appris", a déclaré Groover. Il a dit qu'ils avaient supprimé une certaine "suringénierie" dans le logiciel de contrôle pour améliorer les performances.

La définition de la plate-forme entièrement automatisée évoluera au fil du temps. Ce qui est considéré comme entièrement automatisé maintenant est la version des capacités de cette année. Les plates-formes du futur varieront en fonction des progrès technologiques, de l'évolution du secteur pétrolier et de la manière dont une liste de problèmes d'automatisation est résolue.

En haut de la liste figurent les logiciels et équipements de codage et de connexion exclusifs qui font de la création d'un système automatisé utilisant des composants de plusieurs fournisseurs un défi de taille. L'interopérabilité est nécessaire pour créer du matériel et des logiciels qui peuvent être intégrés comme les composants d'un ordinateur personnel.

Ce n'est certainement pas le cas maintenant.

ExxonMobil travaille avec quatre sociétés qui sont les principaux fournisseurs de systèmes d'automatisation et trois autres grandes sociétés de services qui fournissent des composants clés, a déclaré Pastusek lors de la réunion du comité ART. "Avec plusieurs systèmes et plusieurs utilisateurs, l'opérateur doit être l'intégrateur du système."

Dans son discours d'ouverture à l'ART, Willis a décrit les problèmes rencontrés lors de la tentative d'interconnexion d'équipements basés sur différentes conceptions propriétaires. "Lorsque nous essayons d'acheter l'automatisation, c'est vraiment difficile à obtenir", a déclaré Willis. "Nous sommes largement limités à ce qui est disponible auprès d'entrepreneurs de forage individuels. Il est très difficile, voire impossible, de prendre quelque chose d'un autre tiers et l'ajouter à une plate-forme. Et aucune de nos plates-formes n'a ce que nous considérerions comme un système complet d'automatisation aujourd'hui ", a-t-il déclaré.

Ajoutant à la confusion, les plates-formes sont équipées de diverses combinaisons de logiciels et de matériel. Cela signifie que la mise en place d'un système d'automatisation prend du temps avant qu'il ne devienne possible de commencer à apprendre à l'utiliser le plus efficacement possible. "Il faut de 9 mois à un an pour mettre en place un système d'automatisation", a déclaré Pastusek. À ce moment-là, le contrat sur cette plate-forme terrestre est épuisé ou le sera bientôt, ce qui fait perdre le temps passé à résoudre le problème.

Un entrepreneur en forage répondrait que cette nouvelle approche du forage nécessite de nouvelles conditions contractuelles. Ces accords repenseraient les relations traditionnelles, avec des contrats à plus long terme dont le prix récompenserait les foreurs pour avoir investi dans des plates-formes qui réduiraient le nombre de jours nécessaires pour forer un puits et améliorer la qualité du trou.

Récompenser la productivité s'est avéré être un problème plus difficile à décrire qu'à résoudre. Il est évident que payer à la journée signifie que ceux qui travaillent plus vite sont moins payés, mais après des années à parler du problème, il n'existe pas de système de paiement basé sur la performance largement utilisé pour remplacer les taux journaliers.

Les plates-formes du futur devront être conçues pour permettre une analyse avancée des données numériques, y compris des ajustements basés sur l'analyse à l'aide d'applications fournies par les clients.

"Nous avons certaines applications que nous voulons appliquer sur toutes nos plates-formes, c'est donc une chose très importante pour nous et c'est quelque chose qui sera un facteur dans notre sélection de plates-formes à l'avenir", a déclaré Willis.

Sur la base de son analyse, ExxonMobil répertorie 150 paramètres à programmer dans les plates-formes travaillant pour l'entreprise, couvrant tout, du poids sur le trépan pendant le forage au taux de démarrage du forage, a déclaré Pastusek.

Il attend avec impatience un avenir où les systèmes pourront ajuster les points de consigne en fonction des données de forage révélant des changements inattendus. "Plutôt que de les préprogrammer, nous leur permettrons d'être adaptatifs", a déclaré Pastusek. C'est quelque chose que Groover aimerait aussi voir. "Il existe une autre opportunité de lier davantage de données de fond de trou à l'automatisation de surface, ce qui serait la prochaine itération de l'automatisation", a-t-il déclaré.

Le nombre de capteurs sur les plates-formes et les équipements de forage continue de monter en flèche, et des fournisseurs comme Halliburton travaillent à l'amélioration des données recueillies lors du forage. Sa nouvelle génération d'outils de mesure en cours de forage (MWD) gérera le traitement en fond de trou des données recueillies, leur permettant d'être directement introduites dans un système de contrôle automatisé.

Alors que le volume et la qualité des données augmentent, la quantité qui peut être livrée en temps réel à la surface est généralement limitée à ce qui peut être envoyé à l'aide d'impulsions de boue, qui fournissent une quantité limitée de données et ne fonctionnent que lorsque les pompes à boue sont allumées.

Le nouveau système MWD d'Halliburton permettra des téléchargements plus rapides lorsque le train de tiges est tiré, mais cela reste loin du temps réel. Le moyen le plus rapide de faire remonter les données à la surface serait un tuyau câblé, qui pourrait également transporter l'alimentation et les commandes vers le fond du trou, mais il n'est pas souvent utilisé.

"Nous entendons dire que les tuyaux câblés sont le Saint Graal avec une communication bidirectionnelle rapide. La réalité est que les tuyaux câblés existent depuis plus de 15 ans", a déclaré Paul Cooper, chef de produit, Halliburton Sperry Drilling, lors d'une interview sur le nouveau système MWD appelé iStar.

La société de services est impliquée dans une autre option d'automatisation : l'amener au fond du puits. Halliburton a été impliqué dans un test où les données recueillies et traitées en fond de trou sont utilisées par un système orientable rotatif pour gérer ses corrections de trajectoire.

"Cela se produit aujourd'hui ; ils l'exploitent dans l'hémisphère oriental dans quelques pays", a déclaré Neila Kadri Bebaud, directrice commerciale stratégique, Halliburton Sperry Drilling. Elle a déclaré qu'il "y a eu 70 passages orientables rotatifs automatisés sans aucune intervention humaine".