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數字計劃與模擬讓側鉆有方可循

數字技術讓側鉆有方可循

側鉆是一種經過現場應用驗證的技術,主要用于開發其他地層段或繞障。目前,側鉆正依靠數字化技術,提高在日益復雜地層和井眼軌跡中的作業效果。

來自 |?JPT
編譯 |?白小明 驚蟄

考慮到側鉆應用場合多種多樣,以及靈活性、精確度和效率的關鍵目標,工作人員將數字化產品與斜向器和磨銑技術的研究相結合,能夠以更大的靈活性、精確度和效率設計執行側鉆操作。當裸眼井發生工作管柱故障時,通常需要下入并坐封斜向器,落井的井底鉆具組合(BHA)之上側鉆,從而恢復鉆井作業。

當套管井儲層壓力枯竭時,可采用斜向器系統進行槽口回收,鉆達儲層的其他位置,并盡可能多的利用老井眼的上部套管結構。側鉆還可用于海上平臺的槽口回收,海上平臺常受到井眼數量的限制。在致密性非常規油藏中,可以坐封斜向器,從直井側鉆并鉆出長分支井眼。分支井通常應用于地面設施受限的地區,其特點是可以從單個主井眼側鉆出多達8個分支井眼。

為了應對當前油氣采收的實際狀況,行業需要一些關鍵技術,包括優化的工具設計,結實耐用的材料,以及使用最新的模擬和可視化軟件進行方案的預設計。最近斯倫貝謝推出的應用于套管開窗作業TrackMaster Select模塊化斜向器側鉆系統,可以提供全尺寸窗戶。

該系統采用一體式磨銑設計,具有優化的切削結構,采用鍛造到工具本體上的切削結構,替代了隨機壓入本體的硬質合金切削齒。該設計將單個圓柱切削齒釬焊到刀翼上。鍛造本體設計省去了焊接過程,工具產生的熱量更少,大約提高了30%的應用壽命。

最終形成了一個更堅實、磨銑速度更快、更可靠的側鉆系統,一趟下鉆即可完成復雜的磨銑作業。該模塊化系統可應用于多種作業場景,包括單層或多層套管開窗、海上裸眼井加長開窗、分支井等,客戶應用該系統在中東某碳酸鹽巖油田成功進行了一趟鉆雙層套管開窗作業。

?數字化設計與模擬方案

斜向器側鉆系統與斯倫貝謝的IDEAS一體化動態設計與分析平臺協作,為客戶提供基于時間的四維模擬,內容涵蓋整個鉆柱和井眼幾何形狀,確保對巖石和磨銑金屬的切削界面進行精確建模。研究人員通過優化鉤槽位置,改進了斜向器的可回收性,新的磨銑設計保留了斜向器頂部的材料厚度,提高了工具的可靠性。

該設計與分析平臺為工作人員提供了可靠的磨銑原理和流程分析,可以在虛擬環境中顯示鉆頭與巖石,以及磨鞋與套管的相互作用,實現實時定制。通過與客戶協作,工作人員確定了基準性能和目標,并在建模過程中引入了多種工具,包括馬達、磨鞋和套管切割器。

在材料力學實驗室,研究人員通過刮削和插入壓痕測試獲得了切削界面數據,并使用理論計算和商業化的有限元軟件包驗證了模型。工作人員使用該平臺進行的工作前設計已經證明,可以實現狗腿度的最小化,并預測連續的井眼軌跡,而且與實際結果相比,準確率達到97-98%。

DrillPlan自帶的建井設計解決方案也支持斜向器側鉆系統,該解決方案能夠優化BHA模型和窗口幾何形狀,并模擬后續的管柱通過情況和磨銑作業,以及彎曲應力和井下動力學分析。

設計解決方案被集成到一個平臺,包含3個軟件服務,即i-DRILL集成動態系統分析服務,該服務使用預測模型來最小化振動和粘滑效應,并優化BHA性能;WhipSim斜向器模擬軟件用于模擬磨銑作業和窗口幾何形狀;以及Runner鉆柱分析程序,該程序提供一個模型,用于分析地面參數、扭矩和摩阻,錨定器的坐封和剪切螺栓的觸發,以及實時分析模擬與實際參數。綜合性服務最大程度優化了井的整體設計,且可在作業期間進行參數調整,以確保窗口利于BHA的通過。

雙層套管開窗

2017年,科威特石油公司(KOC)與斯倫貝謝合作,成功設計、模擬和應用了模塊化斜向器側鉆系統,作為科威特北部Raudhatain碳酸鹽巖油田槽口回收作業的一部分。側鉆常用于油田現場改善老井產量。地層分析、BHA分析、套管和扶正器布局、井斜、狗腿嚴重度和方位對于確保側鉆工作的成功至關重要。

在此次作業中,操作人員需要對一口現有井進行雙層套管開窗,目標井位于復雜的高沖擊碳酸鹽巖地層。碳酸鹽巖地層對磨銑系統具有極大的破壞性,特別是在雙層套管的情況下。作業的主要目標是磨銑出一個高質量的全保徑窗口,并且一趟鉆以最小的沖擊和振動磨穿兩層套管。窗口質量對于保證后續BHA的順利通過,不造成高成本和高風險的起下鉆作業尤為關鍵。

這項工作涉及對現有的9 5/8-in和13 3/8-in套管進行開窗。在設計階段,工作人員使用基于有限元分析(FEA)的建模系統和斜向器模擬軟件對BHA進行了模擬,使用IDEAS平臺對磨銑作業和切削結構進行了模擬,以確定產生最小振動量的參數配置。

在設計階段,工作人員評估了幾個關鍵問題,包括使用雙磨鞋與三磨鞋BHA的可行性。最終選擇了雙磨鞋BHA以在斜向器坐封深度處磨銑兩層套管。工作人員還分析了沿套管長度到造斜點的扶正器和套管節箍的分布,以確保扶正器或套管節箍不會被無意磨銑到,他們還考慮了磨銑作業過程中造斜器軌滑軌尺寸和銑鞋位置。

作業前,工作人員對扭矩和摩阻進行了模擬,以驗證是否有足夠的重量剪斷剪切螺栓。這些分析使工程師們能夠最終確定可靠的作業參數。通過研究領眼磨鞋在每層套管處開始磨銑的確切位置,工作人員確定了斜向器坐封深度。

工作人員使用了斜向器模擬軟件檢查了彎矩,確保完井管柱不會受到斜向器處狗腿度的影響,該模擬軟件用于為尾管或BHA的通過性計算狗腿度,以及計算BHA的應力。工程師們還檢查了磨銑作業產生的總鐵屑量。在整個作業期間,工作人員定期從泥漿槽的磁鐵處收集鐵屑,因此可以通過對比實際磨銑產生的總鐵屑量和使用斜向器模擬軟件模擬的總鐵屑量,來評估窗口的質量。

兩家公司的合作確保了復雜的側鉆工作高效、安全地滿足了作業公司的目標。對于通常需要2次或3次入井才能完成的操作,斜向器側鉆系統通過強化前瞻性設計、建模與仿真技術,單次入井成功完成了復雜的雙層套管側鉆,大大減少了時間和成本。使用設計與分析平臺以及斜向器模擬軟件進行作業設計是減小BHA沖擊載荷的關鍵。該項目增強了KOC對FEA平臺準確識別破壞性振動原理的信心,為后續井實施該方法鋪平了道路。

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