海上高難度井作業(yè)風(fēng)險的實時動態(tài)跟蹤與管理

魏剛，袁洪水，林志強，和鵬飛，袁則名

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司（天津300452）

海上高難度井作業(yè)風(fēng)險的實時動態(tài)跟蹤與管理

魏剛，袁洪水，林志強，和鵬飛，袁則名

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司（天津300452）

為了實現(xiàn)對高難度井的實時跟蹤，引進(jìn)了包括設(shè)計模擬、水力參數(shù)、摩阻扭矩及地層壓力實時模擬計算等功能的各類軟件，形成了針對高難度井實時跟蹤的輔助決策系統(tǒng)。該系統(tǒng)可在高難度井作業(yè)前進(jìn)行設(shè)計預(yù)演以優(yōu)化設(shè)計。在作業(yè)過程中實時模擬計算，分析了作業(yè)風(fēng)險并提出解決措施，制定實時動態(tài)跟蹤及管理作業(yè)方案。目前已經(jīng)在中海油10多口高難度井作業(yè)中進(jìn)行了實時動態(tài)跟蹤及管理，取得了良好效果，降低了現(xiàn)場作業(yè)風(fēng)險。

高難度井；設(shè)計模擬；水力參數(shù)；摩阻扭矩；作業(yè)風(fēng)險

高難度井的鉆完井作業(yè)風(fēng)險控制一直是海上油氣田鉆完井作業(yè)關(guān)注的重要領(lǐng)域。以前海上鉆完井作業(yè)通常做法是加強前期研究，現(xiàn)場任用經(jīng)驗豐富的鉆完井總監(jiān)，作業(yè)發(fā)生事故時，陸地召集專家集中會診。但隨著鉆完井實時數(shù)據(jù)傳輸及軟件技術(shù)的發(fā)展，可以實現(xiàn)利用實時數(shù)據(jù)對作業(yè)情況進(jìn)行實時模擬計算，以便確定風(fēng)險大小，及時提示陸地管理人員和現(xiàn)場監(jiān)督人員[1-5]。在目前低油價時代，海上鉆完井作業(yè)成本比陸地高，因此必須有效降低高難度井的井下作業(yè)風(fēng)險，才能實現(xiàn)降本增效的最終目的。根據(jù)高難度井鉆完井的作業(yè)特點[6-8]，中海油鉆井支持中心（以下簡稱鉆井支持中心）引進(jìn)了實時模擬計算功能軟件，建立了實時動態(tài)跟蹤支持隊伍及工作制度，形成24 h陸地支持服務(wù)，有效地減少了現(xiàn)場作業(yè)風(fēng)險。

1 鉆井實時在線動態(tài)系統(tǒng)的建立

鉆井實時動態(tài)跟蹤系統(tǒng)建立在eDrilling子系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，是一個創(chuàng)新的實時動態(tài)模擬、三維可視化、鉆井遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。這套系統(tǒng)使用了所有地面和井下可以獲得的實時數(shù)據(jù)，通過實時模擬對鉆井過程進(jìn)行監(jiān)控和優(yōu)化，并且直接將實時數(shù)據(jù)及模擬數(shù)據(jù)通過三維虛擬井筒顯示，便于專家進(jìn)行決策。

1.1 系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能

該系統(tǒng)可在高難度井作業(yè)前，先將作業(yè)程序輸入到設(shè)計模擬軟件中進(jìn)行設(shè)計預(yù)演工作，預(yù)演過程中如果出現(xiàn)模擬計算的水力參數(shù)或摩阻扭矩等異常的情況，則需要對設(shè)計進(jìn)一步優(yōu)化以滿足實際作業(yè)。在作業(yè)過程中實時對水力參數(shù)及摩阻扭矩進(jìn)行模擬計算，由專業(yè)人員分析井眼清潔程度、卡鉆及井漏等作業(yè)風(fēng)險，提出解決措施，對于地層壓力異常的井，則根據(jù)實時測井?dāng)?shù)據(jù)分析及預(yù)測地層壓力變化情況。鉆井實時動態(tài)跟蹤系統(tǒng)目前應(yīng)用于深水、高溫高壓、大位移等高難度井，主要進(jìn)行鉆井井下作業(yè)風(fēng)險的監(jiān)測及評估，鉆具組合、作業(yè)工序和復(fù)雜情況的分析及優(yōu)化。

1.2 系統(tǒng)的主要技術(shù)要素

1）系統(tǒng)包含高級的集成瞬態(tài)鉆井模擬器，可以動態(tài)模擬各個不同的鉆井子過程，并通過實時數(shù)據(jù)與模擬器進(jìn)行交互。目前中海油掌握的核心模型為溫度、壓力耦合的鉆井水動力學(xué)模型，擴展模型包括地層壓力預(yù)測模型、機械鉆速優(yōu)化模型、井壁穩(wěn)定模型、鉆柱震動模型、摩阻扭矩模型，地質(zhì)模型、地應(yīng)力模型等，其仍需進(jìn)一步開展相關(guān)工作。瞬態(tài)井筒溫度壓力耦合模型主要用于如下計算內(nèi)容：鉆進(jìn)、循環(huán)過程中，循環(huán)當(dāng)量密度剖面（ECD）、壓力剖面、溫度剖面、泥漿池液面等隨時間的變化關(guān)系。鉆井過程巖屑隨時間的變化與分布，一旦形成的巖屑床超過警戒值，系統(tǒng)進(jìn)行報警，如圖1所示。起下鉆過程中的瞬態(tài)溫度、壓力計算，在接單根、測試過程中靜止當(dāng)量密度（ESD）計算，從靜置到流動的啟動過程中溫度、壓力的瞬態(tài)變化。

圖1 實時ECD瞬態(tài)模擬計算

2）基于實時數(shù)據(jù)與動態(tài)鉆井模擬進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控及安全預(yù)警，如圖2所示。

圖2 遠(yuǎn)程監(jiān)控界面

3）基于動態(tài)機理模型進(jìn)行鉆井狀態(tài)與作業(yè)條件的診斷。

4）遠(yuǎn)程鉆井專家支持與決策系統(tǒng)。實時測量數(shù)據(jù)與模型計算數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并將比較信息展現(xiàn)給鉆井專家。分析實時數(shù)據(jù)與模型間的偏差，提交最可能的解釋結(jié)論，并且力求降低虛假信息的誤報率。

5）高級可視化技術(shù)、井筒狀態(tài)實時模擬的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，如圖3所示。該系統(tǒng)使決策者能清晰看到井及井筒周圍地層情況，從而更快更好地了解當(dāng)前的狀態(tài)并進(jìn)行決策。當(dāng)出現(xiàn)問題或異常情況，系統(tǒng)呼叫提醒鉆井專家，使他們很快能夠掌握當(dāng)前相關(guān)情況，并作出正確的決定。統(tǒng)一的虛擬井筒瀏覽器界面為所有管理者和鉆井專家共同參與決策使用，無論在陸地還是海上鉆井平臺，都不受限制。

6）基于數(shù)據(jù)流和工作流的軟件系統(tǒng)架構(gòu)，如圖4所示。

2 運作模式與實現(xiàn)內(nèi)容

為了有效降低現(xiàn)場風(fēng)險，鉆井支持中心制定了一系列實時動態(tài)跟蹤制度，監(jiān)控并分析每個作業(yè)節(jié)點的作業(yè)風(fēng)險。

圖3 虛擬井筒顯示

圖4 eDrilling系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計

2.1 鉆進(jìn)作業(yè)前

1）與項目組人員溝通，明確項目組聯(lián)系人，獲取基本設(shè)計、施工設(shè)計、鄰井測井資料等。

2）區(qū)塊數(shù)據(jù)統(tǒng)計。對監(jiān)測井區(qū)塊鄰井井史、鉆井參數(shù)、事故復(fù)雜情況、施工難點進(jìn)行統(tǒng)計歸納，供監(jiān)測人員掌握。

3）根據(jù)施工設(shè)計，在模擬軟件中編寫基礎(chǔ)配置文件，并在軟件中建立各工況的模型，進(jìn)行各種工況模擬，分析是否存在風(fēng)險，對于在模擬中出現(xiàn)異常的井，提出優(yōu)化建議。

4）根據(jù)鄰井測井資料，使用壓力預(yù)測軟件預(yù)測三壓力曲線；并與設(shè)計中的預(yù)測進(jìn)行對比，如有異常，及時提出優(yōu)化建議。

5）根據(jù)施工設(shè)計，計算每趟鉆具組合的臨界轉(zhuǎn)速，計算不同轉(zhuǎn)速下的鉆具受力情況，提供最佳轉(zhuǎn)速推薦。

6）對于不同類型的井，對鄰井作業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的反演，以指導(dǎo)該井鉆井作業(yè)。

2.2 正常鉆進(jìn)期間

1）首先與項目組聯(lián)系人現(xiàn)場溝通，確認(rèn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并對現(xiàn)場傳回的懸重、泵壓、扭矩、排量、鉆井液性能等數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗證。

2）每隔6h，根據(jù)當(dāng)前作業(yè)狀況，對當(dāng)前作業(yè)井段的懸重、泵壓、扭矩進(jìn)行總結(jié)、分析。對未來6h內(nèi)的作業(yè)參數(shù)（懸重、泵壓、扭矩及循環(huán)當(dāng)量密度等）進(jìn)行預(yù)測，如存在風(fēng)險，及時預(yù)警。

3）計算正常鉆進(jìn)時巖屑堆積的最大機械鉆速。

4）根據(jù)鄰井和本井隨鉆（實測）測井?dāng)?shù)據(jù)，及時用壓力預(yù)測軟件修正地層3個壓力的預(yù)測結(jié)果。

5）如存在易漏層位，根據(jù)易漏層的承壓能力，計算出該處的最大循環(huán)排量、最大起下鉆速度。

6）如存在易溢流層位，根據(jù)易溢流層位孔隙壓力情況，計算出該位置處的最小鉆井液密度、最大起下鉆速度。

7）如鉆井液密度選擇窗口狹窄，根據(jù)地層3個壓力的預(yù)測及實測結(jié)果，預(yù)測不同工況、不同排量下的循環(huán)當(dāng)量比重。

2.3 起下鉆期間

1）根據(jù)上層套管內(nèi)、裸眼內(nèi)起下鉆時的懸重數(shù)據(jù)，推算摩阻系數(shù)。

2）根據(jù)摩阻系數(shù)，計算下一趟鉆具或管柱懸重是否能夠下到位（第一趟鉆具在作業(yè)前計算）；如果鉆具無法正常下入，提出鉆具組合優(yōu)化建議。

3）根據(jù)地層情況，計算抽吸激動壓力（確定最大起下鉆速度）。

2.4 劃眼和倒劃眼期間

1）通過分析懸重、扭矩變化趨勢，計算摩阻系數(shù)、井眼清潔度等確定卡鉆風(fēng)險等級。

2）對比井底循環(huán)當(dāng)量、密度與地層3個壓力的關(guān)系，根據(jù)實時監(jiān)測的泵排量、泵壓和泥漿池體積變化情況，確定溢流、井漏風(fēng)險等級。

3）風(fēng)險級別在中、高級時，提出相應(yīng)技術(shù)措施；風(fēng)險較低時，提出相應(yīng)的處置方法，主要包括循環(huán)排屑、替稠漿、控制（倒）劃眼速度、改變（倒）劃眼參數(shù)等。

2.5 下套管及固井期間

1）根據(jù)地層三壓力預(yù)測及實測結(jié)果，計算最大下套管速度和套管到位后的最大循環(huán)排量。

2）下套管前對設(shè)計的管柱進(jìn)行敏感性分析，優(yōu)化管柱組合，結(jié)合通井情況，通過分析下套管時的懸重變化趨勢和摩阻系數(shù)，確定卡套管風(fēng)險等級。

3）下套管前完成水力計算和最大下套管速度計算，下套管時監(jiān)測灌漿量、排替量和鉆井液池體積變化，結(jié)合鉆井液性能、下套管速度，計算的激動壓力，確定井漏風(fēng)險等級。

4）風(fēng)險級別在中、高級時，提出相應(yīng)技術(shù)措施；風(fēng)險較低時，提出相應(yīng)的處置方法，主要包括下套管前的水力和敏感性分析、管柱組合和扶正器位置、井眼清潔、鉆井液性能調(diào)整、控制下套管速度、監(jiān)測套管下入到底循環(huán)情況等。

5）根據(jù)固井設(shè)計，使用軟件動態(tài)模擬固井全過程，如存在問題，及時進(jìn)行提醒。

6）通過設(shè)計模擬軟件模擬固井過程中井底及套管鞋處的循環(huán)當(dāng)量密度變化，進(jìn)行實時對比，監(jiān)控井漏風(fēng)險。

2.6 事故及復(fù)雜情況發(fā)生時

1）發(fā)生卡鉆時卡點計算、最大扭矩計算。

2）發(fā)生溢流、井涌時關(guān)井后的壓井計算、井涌余量計算。

3）協(xié)助組織中海油專家、總監(jiān)進(jìn)行視頻會議，利用回放功能查看歷史曲線、分析異常數(shù)據(jù)，確定事故原因。

4）協(xié)助項目組論證處置方案可行性，運用軟件進(jìn)行反演驗證。

5）通過軟件實時顯示處理過程，進(jìn)行全程監(jiān)控，實時指導(dǎo)直至事故及復(fù)雜情況處理完畢。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 A油田A8井循環(huán)當(dāng)量密度模擬分析

A8井設(shè)計216 mm井段鉆進(jìn)至潛山地層完鉆，潛山地層漏失風(fēng)險較高。實際216 mm井段鉆進(jìn)期間，鉆井液密度逐步提高至1.55 g/cm3，輔助決策軟件模擬套管鞋處循環(huán)當(dāng)量密度為1.707 g/cm3，井底循環(huán)當(dāng)量密度為1.711 g/cm3，已經(jīng)達(dá)到了后續(xù)潛山井段地層破裂壓力，如果繼續(xù)利用216 mm井段完成潛山地層鉆井作業(yè)，則存在極大的潛山井漏風(fēng)險。同時已鉆開裸眼井段孔隙壓力較高，發(fā)生井漏后極易發(fā)生上噴下漏的情況，漏失、溢流及井壁失穩(wěn)風(fēng)險高。輔助決策人員通過實時動態(tài)跟蹤系統(tǒng)，建議啟用備用井身結(jié)構(gòu)方案，在潛山地層頂部中完，利用152.4 mm井段及合適密度的鉆井液鉆進(jìn)潛山。后續(xù)152.4 mm井段鉆井順利，無復(fù)雜情況發(fā)生。

3.2 B油田B2H井井筒壓力監(jiān)控

B油田B2H井在311 mm井段鉆進(jìn)至4 800 m（垂深4 003 m）時，通過作業(yè)參數(shù)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)前期地層壓力預(yù)測與實際偏差較大，輔助決策人員通過實時動態(tài)跟蹤系統(tǒng)，根據(jù)鄰井以及本井的測井?dāng)?shù)據(jù)，預(yù)測及更正地層三壓力的變化趨勢線，發(fā)現(xiàn)目前鉆井液密度偏低，建議現(xiàn)場及時提高鉆井液密度，最終成功避免了溢流發(fā)生，順利地完成了該井段的作業(yè)。

3.3 C油田A1井固井模擬

244.5 mm套管固井設(shè)計前33 m3頂替泵速為1.3 m3/min，后29 m3頂替泵速為0.65 m3/min。輔助決策人員通過輔助決策軟件模擬反演固井設(shè)計，計算頂替過程中井底最大循環(huán)當(dāng)量密度為1.97 g/cm3，該計算結(jié)果已經(jīng)超過薄弱地層的漏失壓力，也高于地漏試驗壓力值，漏失風(fēng)險高，建議對固井設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。項目組優(yōu)化設(shè)計，實際固井過程上層套管管鞋處循環(huán)當(dāng)量密度為1.92 g/cm3，固井作業(yè)順利進(jìn)行，無漏失發(fā)生。

通過實時動態(tài)跟蹤系統(tǒng)的跟蹤管理，重點跟蹤井的復(fù)雜情況處理時間大大減少[9-10]。鉆井支持中心2015年相繼跟蹤了10多口井，均取得了較好的應(yīng)用效果。以A油田A8井為例，311 mm井段復(fù)雜情況處理時間相比鄰井減少71%，216 mm井段復(fù)雜情況處理時間相比鄰井減少78%。

4 結(jié)論與建議

1）高難度井的應(yīng)用實例表明，實時動態(tài)跟蹤管理制度的建立對鉆完井作業(yè)風(fēng)險的實時控制起到了良好的保障作用。

2）通過對實時數(shù)據(jù)的分析進(jìn)行風(fēng)險跟蹤管理，模擬計算結(jié)果與實際情況吻合很好，能夠給予現(xiàn)場作業(yè)較為準(zhǔn)確的預(yù)測結(jié)果，可對大多數(shù)鉆井井下作業(yè)風(fēng)險提前預(yù)防。

3）通過實時動態(tài)跟蹤系統(tǒng)的應(yīng)用，有效地減少了高難度井的鉆完井作業(yè)風(fēng)險控制，重點跟蹤井的復(fù)雜情況處理時間大大減少。

4）隨著石油勘探向深水鉆井、復(fù)雜地質(zhì)條件下的深井超深井鉆井方向發(fā)展，實時動態(tài)跟蹤系統(tǒng)的應(yīng)用前景越來越廣闊。

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In order to real-time track high-difficulty well,various types of software for design simulation and the real-time simulation calculation of hydraulic parameters,friction torque and formation pressure are introduced to form a assistant decision system for realtime tracking of high difficulty well.The system can be used for the design preview of high-difficulty well operation so as to optimize the design.In the operation process,real-time simulation calculation is carried out in order to analyze operational risk,to propose solution measures and to develop the real-time tracking and management programs of operation.The system has been used in more than 10 high difficulty well operations of CNOOC,good results are achieved,and the operating risk of high difficulty well is reduced.

high-difficulty well;design simulation;hydraulic parameter;friction torque;operational risk

王梅

2017-03-08

魏剛（1978-），男，高級工程師，主要從事海上鉆井信息化研究與實踐工作。