鉆井優化新技術如何提高鉆井效率

本文以振動預防為例，闡述了新技術的發展及其對鉆井行業的影響。

一 為什么要進行鉆井技術優化

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

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

二 什么是鉆井技術優化

鉆井技術優化就是通過井下和地面傳感器、計算機軟件、MWD和有經驗的專業人士來一起致力于降低井下事故發生率和提高鉆井效率。傳統的鉆井技術優化包括以下幾點：①鉆前運行表；②實時數據處理與監控；③鉆后分析及技術總結。在這個過程中，有經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生，從來提高鉆井效率。通常來說，全面的鉆井技術優化應包括以下三方面的解決方案：鉆柱完整性，水力參數的管理，井眼完整性。

三 新鉆井優化技術

新的鉆井優化技術強調信息管理和實時決策。傳統的3步優化過程將不能滿足實時工藝過程，必須進行革新。首先，鉆前運行表應該轉變為實時建模。這種革新是必須的，因為鉆前運行表的數據通常情況下都是過時的和不正確的。因此。這些數據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據是必要的，以對井下環境進行詳細診斷。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不間斷的監控優化過程。 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據；（3）實時控制中心（RTOC）。

（1）實時建模

傳統的建模通常是在鉆井期間運行，提供一組可預測的數據。隨著鉆井過程的進行，輸入的參數會隨時改變。因此，傳統的計算機軟件需要不斷地手動更新數據，以產生相關的結果。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”的輸入數據，毫無疑問更準確。此外，實時建模始終在線，允許連續監測，以防止鉆井事故。實時建模還允許實時數據的集成，以實現實時決策。到目前為止，哈里伯頓已經開發出一些實時建模，或者正在開發的建模如下：

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（現場測試）；
⑥ 井眼穩定性（現場測試）。

（2）一體化實時建模和數據

雖然實時建模比傳統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據建模與集成。例如，以下建模和數據的集成總是有益的：

① 井下鉆具振動數據的動力學模型；
② PWD和FTWD數據的孔隙壓力模型；
③ PWD數據的水力模型；
④ PWD和固相含量的井眼清潔模型；
⑤ LWD成像數據的井眼穩定性模型。

（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，根據不同操作者的使用，幾個其他的RTOC被開發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實的。第三，計劃的執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不間斷實時鉆井優化監測和信息管理可以避免危險，24h不間斷的對關鍵人員監測最好在實時控制中心。

因此，實時控制中心在鉆井優化中扮演著重要的角色。實時MWD數據比如震動、PWD等等在RTOC會實現24h不間斷檢測。鉆井技術優化專家通常是最有經驗的員工，他們可以在預期事件偏離鉆井計劃之前聯系鉆井隊長。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開發了一種BHA動力程序“WHIRL?”，用于預測臨界轉速。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速。

WHIRL軟件通過錄井和（MWD）隨鉆測斜數據已經升級到實時模型。常規錄井在模型中使用的數據是底部鉆井結構、鉆壓、轉速、和泥漿比重。這些數據可以從地面一體化系統通過（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字平臺監控系統獲得。用于建模的MWD（隨鉆測斜）數據，DLS（狗腿嚴重度），井眼尺寸（如果聲波測徑在使用）。

為了調查由于輸入錯誤信息而出現的誤差，已經對不同鉆壓、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定器導向組件。結果表明，相比其他因素的影響，臨界轉速對鉆壓和井斜特別敏感，鉆壓和井斜微小數據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預測中可能產生16%的誤差。

2.實時振動建模與數據一體化

沒有現場信息系統,如INSITE?鉆機現場信息管理系統軟件，實時建模與井下振動數據的整合是不可能的。INSITE軟件用于采集錄井和井下數據，運行工程軟件，并對數據進行實時處理和展示。信息集成是通過“各種數據轉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，地質師和甲方辦公室，實時衛星或網絡鏈接使 得這些數據也可以在基地辦公室進行展示。INSITE系統通過網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，實時振動建模和數據系統，于2002年在墨西哥灣進行了首次測試。自井場成功試驗以來，這套系統在墨西哥灣，加拿大東海岸，挪威和北海已經運行了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的一體化系統一體化

振動建模和數據系統在RTOC和其他系統有了進一步的“整合”，并已成為一個重要 的鉆井優化服務，該服務已得到客戶的好評。自從2003年一體化系統被應用于RTOC，使用該系統的井場客戶反饋中，沒有任何與振動相關的BHA或MWD故障發生。這樣的記錄表明，實 時一體化系統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其他一體化系統發展趨勢進行了探討。

五 結論

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

全面的鉆井優化技術應考慮鉆柱的完整性，水力參數管理和井眼完整性。傳統的鉆井過程包括以下幾點：①鉆前運行表；②實時數據處理與監控；③鉆后分析及技術總結。已開發的新技術使得這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助實時決策來識別不安全的鉆井環境并降低NPT（非生產時間）。

此文中探討的新鉆井優化技術，比如：實時建模、一體化實時模型和數據以及RTOC，將會不斷地發展以滿足充滿挑戰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。

版權聲明|來源：《中國新技術新產品》，作者：劉瑞江，版權歸原作者所有。
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