鉆井優(yōu)化新技術提高如何鉆井效率

劉瑞江

摘 要：通過以多種井下和地面?zhèn)鞲衅鳛榛A的關鍵數(shù)據(jù)解釋，優(yōu)化鉆井設計，從而減少鉆井復雜事故時間，提高鉆井效率。墨西哥灣淺海鉆探的最新研究表明，鉆井事故復雜時間占鉆井時間的25%，以美元計算，單井的損失在1500，000$。因此，降低井下復雜事故發(fā)生的概率，可以極大地節(jié)約鉆井成本。通常來說，全面的鉆井技術優(yōu)化應包括以下幾方面的解決方案：鉆柱完整性，水力參數(shù)的管理，井眼完整性。在過去的幾年中，新技術已經(jīng)取得了顯著的進步，使鉆井更加高效，提別是在提高實時決策方面。鉆井優(yōu)化技術是先建立實時模型，然后實行實時模型和數(shù)據(jù)的一體化，最終傳到實時一體化控制中心。

關鍵詞：鉆井；新技術；優(yōu)化

中圖分類號：TD353 文獻標識碼：A

本文以振動預防為例，闡述了新技術的發(fā)展及其對鉆井行業(yè)的影響。

一、為什么要進行鉆井技術優(yōu)化

鉆井成本控制是決定石油和天然氣投資的關鍵因素。在鉆井成本高和鉆井事故可能發(fā)生的情況下，鉆井成本控制尤其重要。鉆井技術優(yōu)化的關鍵在于減少非作業(yè)時間，諸如卡鉆、MWD/BHA失效、漏失、循環(huán)處理井眼、井壁坍塌等等。非生產(chǎn)時間占鉆機時間的20%，在復雜地區(qū)所占比例更高。在最近的一個關于墨西哥灣淺海鉆井非生產(chǎn)時間的研究顯示，非生產(chǎn)停工時間達到25%。以美元計算單井損失在1500，000$。因此，降低井下復雜事故發(fā)生的概率，可以極大地節(jié)約鉆井成本。除了降低成本外，鉆井優(yōu)化也是提高鉆井效率、安全性和環(huán)境保護的關鍵因素。在一些極具挑戰(zhàn)性的鉆探環(huán)境中（例如在孔隙壓力和壓裂梯度接近），如果不進行鉆井技術優(yōu)化就無法進行鉆探。

出于對以上原因的考慮，鉆井行業(yè)在過去的20多年中，采取了許多的新技術強化鉆井技術優(yōu)化以提高鉆井效率。特別是以計算機為基礎的鉆井儀器儀表和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、鉆井現(xiàn)場一體化以及MWD/LWD的應用。

二、什么是鉆井技術優(yōu)化

鉆井技術優(yōu)化就是通過井下和地面?zhèn)鞲衅?、計算機軟件、MWD和有經(jīng)驗的專業(yè)人士來一起致力于降低井下事故發(fā)生率和提高鉆井效率。傳統(tǒng)的鉆井技術優(yōu)化包括以下幾點：①鉆前運行表；②實時數(shù)據(jù)處理與監(jiān)控；③鉆后分析及技術總結。在這個過程中，有經(jīng)驗的技術專家是中心，他們可以提出建議來避免復雜事故的發(fā)生，從來提高鉆井效率。通常來說，全面的鉆井技術優(yōu)化應包括以下三方面的解決方案：鉆柱完整性，水力參數(shù)的管理，井眼完整性。

三、新鉆井優(yōu)化技術

新的鉆井優(yōu)化技術強調(diào)信息管理和實時決策。傳統(tǒng)的3步優(yōu)化過程將不能滿足實時工藝過程，必須進行革新。首先，鉆前運行表應該轉(zhuǎn)變?yōu)閷崟r建模。這種革新是必須的，因為鉆前運行表的數(shù)據(jù)通常情況下都是過時的和不正確的。因此。這些數(shù)據(jù)對實時決策的制定是沒有多大用處的。其次，一體化的實時建模和數(shù)據(jù)是必要的，以對井下環(huán)境進行詳細診斷。最后，井場-辦公室的一體化的好處在于，一個信息團隊可以24h不間斷的監(jiān)控優(yōu)化過程。這3個新技術可以概括為：（1）實時建模；（2）一體化實時建模和數(shù)據(jù)；（3）實時控制中心（RTOC）。

（1）實時建模

傳統(tǒng)的建模通常是在鉆井期間運行，提供一組可預測的數(shù)據(jù)。隨著鉆井過程的進行，輸入的參數(shù)會隨時改變。因此，傳統(tǒng)的計算機軟件需要不斷地手動更新數(shù)據(jù)，以產(chǎn)生相關的結果。然而，這樣的一個程序，已被證明是不切實際的。與之相比，實時建模是自動更新，使用“合適”的輸入數(shù)據(jù)，毫無疑問更準確。此外，實時建模始終在線，允許連續(xù)監(jiān)測，以防止鉆井事故。實時建模還允許實時數(shù)據(jù)的集成，以實現(xiàn)實時決策（見下一節(jié)）。

到目前為止，哈里伯頓已經(jīng)開發(fā)出一些實時建模，或者正在開發(fā)的建模如下：

① 底部鉆井動力學

② 扭矩和阻力

③ 孔隙壓力/破裂壓力預測

④ 水力學

⑤ 井眼清潔（現(xiàn)場測試）

⑥ 井眼穩(wěn)定性（現(xiàn)場測試）

（2）一體化實時建模和數(shù)據(jù)

雖然實時建模比傳統(tǒng)的獨立建模取得更好的結果，在“有用”模式下的“有用”信息的傳送，以及問題的診斷也需要井下數(shù)據(jù)建模與集成。例如，以下建模和數(shù)據(jù)的集成總是有益的：

① 井下鉆具振動數(shù)據(jù)的動力學模型

② PWD和FTWD數(shù)據(jù)的孔隙壓力模型

③ PWD數(shù)據(jù)的水力模型

④ PWD和固相含量的井眼清潔模型

⑤ LWD成像數(shù)據(jù)的井眼穩(wěn)定性模型

（3）實時控制中心（RTOC）

首個實時控制中心是由殼牌石油能源公司于2002年初在新奧爾良建立。此后，根據(jù)不同操作者的使用，幾個其他的RTOC被開發(fā)出來專門用于海上平臺。

有許多理由來成立實時控制中心。第一，海上鉆井成本比較高，很顯然需要最優(yōu)秀的人員。第二，關鍵決策通常需要多部門決定，但是來進行決策的多部門專家被安排在一個平臺是不現(xiàn)實的。第三，計劃的執(zhí)行需要固定的人員和辦公場所，實時控制中心可以滿足這一點。最后，24h不間斷實時鉆井優(yōu)化監(jiān)測和信息管理可以避免危險，24h不間斷的對關鍵人員監(jiān)測最好在實時控制中心。

因此，實時控制中心在鉆井優(yōu)化中扮演著重要的角色。實時MWD數(shù)據(jù)比如震動、PWD等等在RTOC會實現(xiàn)24h不間斷檢測。鉆井技術優(yōu)化專家通常是最有經(jīng)驗的員工，他們可以在預期事件偏離鉆井計劃之前聯(lián)系鉆井隊長。RTOC的干預已被證明是最重要的價值之一。

四、案例研究-振動預防

1.實時振動建模

Sperry-Sun開發(fā)了一種BHA動力程序“WHIRL?”，用于預測臨界轉(zhuǎn)速。該程序由三部分組成：（1）BHA靜力分析采用半解析法預測上臨界點；（2）以有限元程序為基礎計算自熱頻率；（3）專用方法計算臨界轉(zhuǎn)速。

WHIRL軟件通過錄井和（MWD）隨鉆測斜數(shù)據(jù)已經(jīng)升級到實時模型。常規(guī)錄井在模型中使用的數(shù)據(jù)是底部鉆井結構、鉆壓、轉(zhuǎn)速、和泥漿比重。這些數(shù)據(jù)可以從地面一體化系統(tǒng)通過（井場信息傳輸標準）從第三方錄井或通過由鉆井承包商租賃的其他數(shù)字平臺監(jiān)控系統(tǒng)獲得。用于建模的MWD（隨鉆測斜）數(shù)據(jù)，DLS（狗腿嚴重度），井眼尺寸（如果聲波測徑在使用）。

為了調(diào)查由于輸入錯誤信息而出現(xiàn)的誤差，已經(jīng)對不同鉆壓、井斜以及井眼尺寸進行了敏感性研究。該研究所用鉆具是一個近鉆頭穩(wěn)定器導向組件。結果表明，相比其他因素的影響，臨界轉(zhuǎn)速對鉆壓和井斜特別敏感，鉆壓和井斜微小數(shù)據(jù)的變化可能會導致在相當大的誤差。例如，模型中井斜從1°變成3°，在關鍵的RPM（機械鉆速）可能產(chǎn)生18%的誤差；而鉆壓從8klbs（千鎊）變成10klbs在關鍵RPM預測中可能產(chǎn)生16%的誤差。

2.實時振動建模與數(shù)據(jù)一體化

沒有現(xiàn)場信息系統(tǒng)，如INSITE?鉆機現(xiàn)場信息管理系統(tǒng)軟件，實時建模與井下振動數(shù)據(jù)的整合是不可能的。INSITE軟件用于采集錄井和井下數(shù)據(jù)，運行工程軟件，并對數(shù)據(jù)進行實時處理和展示。信息集成是通過“各種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可用的信息智能”組合，并以信息的方式展示出來。此信息可以通過網(wǎng)絡上的任何工作站查看，這些工作站可能包括：鉆井辦公室，鉆臺，地質(zhì)師和甲方辦公室，實時衛(wèi)星或網(wǎng)絡鏈接使得這些數(shù)據(jù)也可以在基地辦公室進行展示。INSITE系統(tǒng)通過網(wǎng)絡使得平臺信息可以在世界的任何角落進行共享。

本文討論的一體化，實時振動建模和數(shù)據(jù)系統(tǒng)，于2002年在墨西哥灣進行了首次測試。自井場成功試驗以來，這套系統(tǒng)在墨西哥灣，加拿大東海岸，挪威和北海已經(jīng)運行了20多口井。從客戶收到的積極反饋之一是，實時完整性系統(tǒng)提供了清晰、有針對性的信息，極大地促進了實時決策。

3.RTOC的一體化系統(tǒng)

一體化振動建模和數(shù)據(jù)系統(tǒng)在RTOC和其他系統(tǒng)有了進一步的“整合”，并已成為一個重要的鉆井優(yōu)化服務，該服務已得到客戶的好評。自從2003年一體化系統(tǒng)被應用于RTOC，使用該系統(tǒng)的井場客戶反饋中，沒有任何與振動相關的BHA或MWD故障發(fā)生。這樣的記錄表明，實時一體化系統(tǒng)可以顯著提高鉆井性能和效率。由于其巨大的成功，人們也對RTOC其他一體化系統(tǒng)發(fā)展趨勢進行了探討。

結論

統(tǒng)計表明，NPT（非生產(chǎn)時間）如卡鉆、MWD/BHA失效、漏失、清潔井眼、井壁穩(wěn)定等，約占鉆機時間的25%，在復雜地區(qū)鉆進的占比更高。鉆井優(yōu)化技術的出現(xiàn)是降低石油工業(yè)鉆探成本的關鍵。

全面的鉆井優(yōu)化技術應考慮鉆柱的完整性，水力參數(shù)管理和井眼完整性。傳統(tǒng)的鉆井過程包括以下幾點：①鉆前運行表；②實時數(shù)據(jù)處理與監(jiān)控；③鉆后分析及技術總結。已開發(fā)的新技術使得這3個工藝流程在實時的基礎上融合在成為一個。實時一體化的目的是通過協(xié)助實時決策來識別不安全的鉆井環(huán)境并降低NPT（非生產(chǎn)時間）。

此文中探討的新鉆井優(yōu)化技術，比如：實時建模、一體化實時模型和數(shù)據(jù)以及RTOC，將會不斷地發(fā)展以滿足充滿挑戰(zhàn)性的可鉆性差的硬巖石、深水、深井、高溫高壓以及孔隙壓力和破裂壓力特別接近的地層鉆井條件。

參考文獻

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