計劃外的停工困擾著石油和天然氣行業(yè)。2016年的一份報告發(fā)現(xiàn)，油氣行業(yè)平均每年的停工時間超過27天，導致每家公司平均經(jīng)濟損失3800萬美元。某些公司的停工損失超過8800萬美元。造成災難性經(jīng)濟損失的原因多種多樣。設(shè)備老化、有經(jīng)驗的員工退休，以及低油價導致的利潤下降和有限的資金投入，這些都是該行業(yè)計劃外停工停產(chǎn)的主要因素。
服務環(huán)是油氣開發(fā)現(xiàn)場鉆機的核心，但服務環(huán)也需要頻繁維護，找出容易出現(xiàn)故障的部位。一種新的、由igus公司開發(fā)的鉆機技術(shù)提高了服務環(huán)的可靠性，大大減少了停工時間。與其它產(chǎn)品相比，見圖1（一個創(chuàng)新的電環(huán)示意圖，每個環(huán)都加裝了220mm的動態(tài)橫桿，可用作傳統(tǒng)服務環(huán)的替代品），igus公司的電環(huán)是專門設(shè)計用于更模塊化和更堅固的系統(tǒng)。通過本地化的裝配團隊，運動塑性專家可在世界各地對鉆機進行快速組裝并交付改裝后的裝置，包括德克薩斯州、新墨西哥州、墨西哥灣或北美任何地方的鉆機。德克薩斯州負責油氣開發(fā)的經(jīng)理Jason Freed說：“事實上，任何油氣鉆探的鉆機都會看到電環(huán)的巨大價值。Igus公司的電環(huán)除了能減少停工外，在現(xiàn)場還更易維護，提高了鉆機的整體安全”。
傳統(tǒng)的服務環(huán)常常會引起電纜破裂或斷裂。新品設(shè)計的目的是提供一種解決兩個問題的產(chǎn)品。電環(huán)產(chǎn)品設(shè)計的領(lǐng)頭羊Tim Schneebeck說：“電環(huán)的設(shè)計理念是出自易于維護的背景”，他在德國科隆的igus總部監(jiān)管著公司的油氣產(chǎn)品部門。“這就是為什么模塊化和產(chǎn)品堅固性是電環(huán)產(chǎn)品關(guān)鍵的優(yōu)先事項。其它是安全性、耐用性、簡單性和成本效益”。
Igus公司第一批電環(huán)的其中一項應用是在加拿大的一個鉀礦開采場，由于大風和嚴寒，工人們經(jīng)常遭遇停工。8小時的改裝修復了這個問題，見圖2（加拿大一部用于開采鉀礦的鉆機，在極端惡劣的天氣狀況下也能正常作業(yè)，它采用了一種igus公司的能量鏈進行改裝，幫助解決了與天氣有關(guān)的問題，提高了鉆機的作業(yè)效率。）。第二天，一場暴風雪席卷了加拿大薩斯喀徹溫省的貝休恩，鉆機就位于此地，改裝前原本需要暫時停工。而這次沒有停工，也沒出現(xiàn)安全及鉆機線纜損壞的問題。Igus公司加拿大負責設(shè)計能量鏈改裝的Alan Kwoo說：“持續(xù)的作業(yè)時間和防止停工對鉆井施工至關(guān)重要。生產(chǎn)時間的損失就意味著收入的損失”。
圖2
初步分析
服務環(huán)是鉆機的能量來源。服務環(huán)為安裝在井架中的一部大型頂驅(qū)電機提供電力，該電機為鉆具提供旋轉(zhuǎn)扭矩。該系統(tǒng)能使鉆機鉆深達10km，服務環(huán)為鉆機的主電機供電，為其它設(shè)施如照明、潤滑油加熱器和冷卻風扇等提供輔助電力。還為控制、數(shù)據(jù)傳輸和儀器的運用提供電能。
Schneebeck說：“電環(huán)是通過分析頂驅(qū)系統(tǒng)的服務環(huán)演變而來的。我們在這些服務環(huán)中看到的主要問題就是封裝，封裝使保護軟管和電纜整個系統(tǒng)變得僵硬和彎曲性差。如果你發(fā)現(xiàn)這些環(huán)中的其中一個環(huán)有問題，那么整個軟管和電纜系統(tǒng)就需要更換”。Schneebeck還說到：“在美國，許多鉆機都有簡單的服務環(huán)，電纜和軟管周圍沒有封裝。一個簡單的袋子合攏保護著所有的電纜和軟管。鉆機越自動化，服務環(huán)就越先進——直到一個完整的封裝版本。
封裝是用一種類似膠粘物的物質(zhì)涂抹在電纜的保護軟管中。膠粘物用作應變緩解，保護系統(tǒng)免受水侵。如果只有一根電纜出現(xiàn)問題，非模塊化系統(tǒng)需要工人們更換整個環(huán)體。Schneebeck說：“我們看到這些服務環(huán)的主要問題是破裂或斷裂，封裝的其中一個主要問題是僵硬和彎曲性或柔軟性差”。
Igus公司的目標是設(shè)計一個模塊化系統(tǒng)，使其既能減少系統(tǒng)維護和降低成本，還能承受斷裂損壞，斷裂是服務環(huán)最常見的問題。Freed說：“斷裂導致電纜損壞，而在鉆機搬遷或移動期間處理電環(huán)也是導致其損壞的一個因素。更換電環(huán)、保險杠、鏈路和電纜的諸多部件，使其具有堅固的電纜保護作用，可能是處治電環(huán)的最獨特的事項”。大多數(shù)服務環(huán)需要不斷的維護。此外，因強風造成的服務環(huán)斷裂讓工人們處于危險境地，因為他們要試圖處治高壓電纜。電環(huán)的設(shè)計還要考慮確保安全的要求。設(shè)備或部件掉落是鉆井作業(yè)中最忌諱問題和最大的安全隱患。Freed說：“安全性是電環(huán)最主要的優(yōu)先事項”。
高昂的腐蝕成本
腐蝕也會導致石油行業(yè)代價高昂的停工。石油天然氣工業(yè)每年在腐蝕方面總的成本支出達13億美元、油氣勘探中使用的材料有一些暴露在最惡劣的工業(yè)環(huán)境中，導致材料老化，因而可能會損害環(huán)境和威脅工人的安全。大多數(shù)服務環(huán)由鋼材料制成，因此，容易受到腐蝕。
Igus公司的電環(huán)采用技術(shù)創(chuàng)新和低成本組件解決了腐蝕問題，可在任何氣象如海水、嚴寒、強風、灰塵和高溫等環(huán)境下可靠的使用。見圖3（能量鏈取代了在暴風雪環(huán)境下經(jīng)常出現(xiàn)損壞、導致作業(yè)中斷的服務環(huán)）。igus公司加拿大電鏈產(chǎn)業(yè)經(jīng)理Scott Parker 說：“電環(huán)的核心由聚合物部件制成，其核心繩索不是金屬，因此不會被腐蝕。為了避免緊固件的腐蝕，硬件由不銹鋼制成。由于采用了聚合物材料，因此無需潤滑，而且，在腐蝕性環(huán)境下也不會出現(xiàn)電環(huán)卡住的情形”。
圖3
Igus公司的材料的自潤滑性還能大大降低維護時間和成本支出，擴展了鉆機運轉(zhuǎn)的能力范圍。這項技術(shù)將聚合物能量鏈的優(yōu)勢與具有高拉伸強度的復合繩結(jié)合在一起。拉伸力被繩索吸收，通過安裝臂架支持著支撐結(jié)構(gòu)。這種設(shè)計減輕了電纜的各種應力，確保了一個限定的電纜彎曲半徑。模塊化電環(huán)設(shè)計還可承受振動和沖擊。Parker說：“igus公司在海上鉆探市場有著悠久的作業(yè)經(jīng)歷，包括在海上應用中首次采用了DNV GL額定的連續(xù)彎曲（柔性）電纜。由于igus公司能量鏈系統(tǒng)是聚合物材料，因此，已成功運用于許多海上作業(yè)。在這個市場中，任何耐鹽且無需維護或頻繁更換的產(chǎn)品都會延長生產(chǎn)時間，同時還能降低作業(yè)成本”。
安全問題
服務環(huán)還涉及許多安全問題。鉆機的維修工作相當危險，有許多移動部件和組件。也有易燃的化學品以及從井中溢出油氣的可能性。最致命的鉆井平臺事故發(fā)生在1988年，當時北海的Piper Alpha石油鉆井平臺導致了167名工人遇難。只有61名工人在這場悲劇中幸存了下來。
在加拿大的應用中，大風常常讓工人們受挫，迫使作業(yè)停工。鉆井承包商AKITA鉆井公司的現(xiàn)場負責任人Justin Amyotte說：“我們嘗試了多種方法來應對大風對服務環(huán)的擾亂。我們甚至在迎著風的方向安裝鉆機。在大風來臨期間，我們讓一名工人一直在鉆臺上觀察服務環(huán)。如果情況非常糟糕，我們就停止施工。改裝前的鉆機電纜包裹的很好，但當電纜靠近鉆機鋼架時容易裹出皺紋和變形，由此產(chǎn)生阻礙，造成電纜拉扯甚至斷裂。裹有電纜和軟管的包裝更換成本很高。有時，大風猛刮和侵襲服務環(huán)，將其吹進鉆機的桅桿梁。希望司鉆能看到并叫停這種情況，修復這一困擾。如果司鉆未發(fā)現(xiàn)這種情形，電纜就會損壞。其結(jié)果就會導致更長時間的停工”。
解決含有高壓電線的電纜斷裂問題是一項危險的工作。加拿大K+S 鉀礦開采公司高級經(jīng)理Darren Hrynkiw說：“不止一次地，服務環(huán)在頂驅(qū)上被拉扯或斷裂，導致高壓電纜發(fā)生危險架空的安全事故。施工者們探索了多種工程安全解決方案，但多數(shù)情況下，提出的方案大都涉及其它方面的維護，有時甚至會帶來新的安全問題”。
加拿大的應用
AKITA公司的鉆機在正常情況下工作良好，但因強風造成服務線路阻斷時常常會導致停工，該公司考慮了改裝方案。Amyotte說：“唯一的解決方案是采用堅固的鏈路和軌道類系統(tǒng)。但這種系統(tǒng)可能會因管材或鉆機移動而彎曲和損壞。也會因結(jié)冰而無法正常工作。一旦出現(xiàn)損壞，鉆機就要停下來等待維修”。Amyotte是在德克薩斯州一個來自德國科隆的igus公司的工業(yè)貿(mào)易展會上了解到有關(guān)電環(huán)的技術(shù)。
鉆機的電環(huán)約為21m，彎曲半徑為500mm。電環(huán)安裝在桅桿式鉆機的中央。可在41m高的鉆機的中心點上下或來回移動，見圖4（在此次應用中，能量鏈被安裝在一部用于開采鉀礦的鉆機上。而這種方法也可用在鉆探油氣井的鉆機上）。AKITA公司的鉆機建造于2015年。K+S 鉀礦開采公司已經(jīng)營了125年，為的是開采鉀礦，從而進一步加工成氯化鉀。礦場位于Bethune，AKITA鉆機是40多年來首次在薩斯喀徹溫省對未開發(fā)的鉀礦進行開采。AKITA公司計劃1月中旬用igus公司的能量鏈對鉆機進行改造。該礦場原定于2月份暫時關(guān)閉，然后在夏季再次啟動。各團隊希望在冬季剩余時間暫停之前對新的能量鏈進行現(xiàn)場測試。
圖4
改裝僅用了8小時，而新安裝的能源鏈第一次測試用了24小時。一場暴風雪席卷了該地區(qū)，風速高達每小時88英里，伴隨著降雪和凍雨。暴風雪摧毀了電纜，積雪厚度超過150mm，造成了大范圍停電。今年1月的風力是Regina地區(qū)有史以來最強的。氣溫降至接近零下40°F。暴風雪在Bethune地區(qū)并不罕見，而這場特殊的暴風雪對該地區(qū)造成了巨大的打擊。
不管怎樣，新的安裝了電環(huán)的AKITA鉆機啟動了。沒有出現(xiàn)施工中斷和停工，也沒有工人們站在地上觀察可能出現(xiàn)的不幸事件。Hrynkiw說：“即使遇到極端的天氣情況，電環(huán)也能正常工作。當能找到一種工程方法消除安全隱患時，我總是非常高興，因為這比程序化的保障措施更為有效。鑒于這樣的設(shè)計，我們預計維護會變得很少或根本沒有，而這種保護系統(tǒng)的安裝不會對生產(chǎn)率造成影響”。雖然該技術(shù)的此次應用是用在開采鉀礦的鉆機上，但Amyotte說，任何鉆探油氣的鉆機都能從使用igus技術(shù)中獲得巨大收益。
利潤豐厚的鉀礦市場
雖然鉀礦不像石油和天然氣那么受人關(guān)注，但它也是世界上最廣泛使用的礦物之一。K+S鉀礦開采特別值得關(guān)注，它包括了世界十大最深的鉀礦中的兩個。2017年6月，該公司生產(chǎn)了第一批可銷售的鉀礦。該礦物的開采預計可超過55年，建設(shè)成本超過40多億美元，每年將生產(chǎn)近200萬噸碳酸鉀。
大幅減少停工時間
任何生產(chǎn)設(shè)施的目標，無論是鉆探石油或是開發(fā)其它礦物，都需消除或減少停工時間。Amyotte說：“減少停工時間就等于提高生產(chǎn)率。減少損失就等于節(jié)省成本”。當igus公司的工程師們在設(shè)計電環(huán)時，減少停工是他們的首要目標。對于igus公司來說，最具挑戰(zhàn)性的工作之一是測試確保電環(huán)能在最惡劣環(huán)境下的持續(xù)工作。
電環(huán)無疑解決了AKITA鉆機和K+S鉀礦開采公司關(guān)注的問題。Amyotte說：“該方法的效果好于預期，是解決他們多年來所面臨問題的最佳方案。電環(huán)能讓頂驅(qū)電纜移動自如，同時也限定了彎曲半徑。還能更好的保護電纜，不會因為需要維護和修理而導致作業(yè)停工。這對我們來說非常具有吸引力，大大提高了生產(chǎn)效率”。
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