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HESS+NOV自動化鉆井系統 千錘百煉方成大器(一)

HESS+NOV自動化鉆井系統 千錘百煉方成大器

自動化鉆井是現代鉆井的最高水平,是一個多世紀以來全世界石油鉆井界一直追求與奮斗的目標。實現鉆井自動化要涉及很多方面,它是一個學科門類多、技術復雜的系統工程,目前人們所做的工作和完成的各項研究成果正在朝著實現鉆井自動化的目標靠近。赫斯公司和NOV為進一步完善提升其自動鉆井系統在現場進行了大量試驗。

來自 | SPE
編譯 | 周詩雨

2014年11月,運營商批準進行自動化鉆井試點測試,隨后北達科他州Bakken鉆井項目啟動了17臺鉆機,目標是在2015年交付178口井。

這種規模的鉆井意味著周圍已有用于對比的優質鄰近井。Sakakawea湖附近地區的鉆井難度較大,地層隨深度變化的趨勢和巖石性質都不相同,這意味著需要在小范圍內進行對比。該項目分別在兩個不同區域的四個區塊進行。圖1顯示了本次試驗的井位。

HESS+NOV自動化鉆井系統 千錘百煉方成大器

圖1 A區塊、B區塊、C區塊及D區塊分布圖

之前石油圈介紹了NOV推出的有線鉆桿技術(點擊閱讀),該技術不僅能夠提高鉆井效率,還能實現數據高速傳輸,對于實現鉆井操作的高重復性具有非常重要的意義。本期石油圈將介紹該有線鉆桿集成在井下自動化系統中的現場應用情況。

運營商選擇了帶有5in有線鉆桿的井下自動化系統(DHAS),他們認為實時高速的數據輸送將加速整個經驗學習進程。在DHAS系統的幫助下,現場作業人員實現了井下鉆井環境的實時可視化并對井下環境有了一個新的認識,作業人員還可將這些認識重新應用到自動化系統中,優化鉆井作業。同樣運營商還認為,DHAS系統搜集來的大量數據能夠反哺PDCA(策劃-實施-檢查-改進)循環,總結出來的經驗可使整個鉆井大隊受益,提高作業質量。實現上述目標的方法是:指導某一鉆井隊作業,然后通過該隊得到的經驗提高整個鉆井大隊的作業質量。項目的主要目的是縮短作業周期,同時平衡掉在附加技術成本。

但是,各井的作業周期差異很大,鉆井裝備也不盡相同。為了評估DHAS改善鉆井質量的速度和潛力,運營商選擇了一隊表現略差的鉆井隊進行測試。

由于只有一部分井使用了DHAS和5in有線鉆桿,因此選擇的時間間隔僅限于基準時間間隔?;鶞蕰r間間隔包括的作業主要有:

1.回收垂直井段井下鉆具組合(BHA);
2.鉆穿表層套管鞋,進行地層完整性測試;
3.鉆進8-3/4in垂直井段,鉆至造斜點;
4.斜井段起下鉆,更換BHA;
5.鉆進8-3/4in斜井段;
6.起出造斜BHA。

自動化鉆井系統

鉆井平臺由各種算法控制,利用有線鉆桿將高速數據傳輸給各種算法,進而實現對井下鉆井環境的完全控制。在正常的鉆井條件下,司鉆可以根據鉆井認知做出判斷,改善鉆井的質量。人機交互界面的反應時間對于控制鉆井環境特別是減緩鉆井振動至關重要。當鉆井人員參與其中時,DHAS可以與鉆井絞車自動司鉆控制系統交互,進而實現全面控制。該系統也可用于定向鉆井的滑動鉆進。

DHAS系統使用有線鉆桿將數據通過動態測量工具以高速傳輸到地面。在地面,數據的接收和使用速度為0.4Hz,同時,無論是在現場還是在遠程辦公室都可以查看數據。其中測量的一些井下參數包括:①井下鉆壓;②井下扭矩;③轉速;④測斜;⑤徑向振動;⑥軸向振動;⑦環空壓力。

當高速可視化數據流以0.4Hz的速度傳輸到地面時,選擇頻道以80Hz的速度發送回地面,幫助自動司鉆實現閉環控制。該系統允許用戶輸入井下鉆壓預測值,然后向自動司鉆發送命令,以期達到該值。這是通過將地面的鉆壓命令發送到自動司鉆和監測動態測量工具所得到的井下鉆壓值來實現的。
DHAS可與其它成熟的系統結合使用,例如粘卡/滑動緩解系統,以實現鉆井過程的穩定控制。

DHAS系統的執行團隊包括鉆機承包商、定向鉆井供應商、自動化供應商和運營商。此外,現場還配有兩個專職優化工程師,負責實時反饋數據解釋,并提供參數調整建議,以改善該系統在鉆井過程中的表現。同時,一個管理數據分析和項目規劃的辦公室團隊還會為鉆井現場團隊提供技術支持。

改善鉆井進程

通過學習能源公司采用的制造工藝,作業團隊能夠不斷提高鉆井質量和鉆后油井產能。鉆井團體使用了基本的PDCA流程,通過尋找和解決限制作業質量的限制因素,實現更佳的作業效果,創造更多的價值。連續改進周期包括4個關鍵的步驟。

1.策劃:設計系統,改善功能,制定實施方案;
2.實施:落實實施方案,通過矯正措施認識和解決問題;
3.檢查:對結果進行分析和扼要重述,吸取經驗,進行改進;
4.改進:識別和消除限制因素,尋找和解決價值壁壘。

限制因素可能來自工藝、材料、工具或其它可能會限制油井產值的作業。決定著價值界限的限制因素是始終存在的。限制因素通常是作業方案的一部分,建立價值限制因素的概念有助于識別那些控制著標準作業進度的系統約束因子。ROP就是一種類型的價值限制因素,同時也是鉆井自動化試點項目關注的重點。在自動化項目中,有三個關鍵的PDCA改進循環:

1、實時循環:提高系統的井下作業性能。這個循環主要涉及井場團隊以及辦公室支撐團隊的一部分數據支持。
2、鉆進循環:從備選方案中選擇出最佳的系統配置,在井下實施。該循環同時涉及到井場團隊和辦公室支撐隊伍。
3、井間循環:解決限制ROP的根本原因,重新設計系統,并將組件運送至井場。該循環主要涉及辦公室支撐隊伍和從井場返回的數據。

循環管理和大量數據分析同時進行,這本身就是一個重要的限制因素。觀測和分析有時并不一致,這就需要更多的分析來評估鉆井系統。反饋回來的可視化數據不同,解讀井下信息的方式也不同,這都會導致井場和分析團隊之間產生不同的觀點。得到的信息和經驗會盡可能的在起下鉆之后和作業審查之前傳輸出/進每個循環。鉆前會議應盡可能地整合來自三個循環的相關信息,保證現場的作業效果。

案例分析

鉆井隊在四個區域都進行了作業。以下是取得一些認識和改進成果。

A區塊

A區塊共有六口井,鉆井隊采用了常規技術在A區塊鉆取了一口井,以此作為基準井。A區塊采用批次作業,即先依次鉆進六個8-3/4in的垂直/斜井段,然后再鉆進全部5-7/8in的水平段。對于一口典型油井,鉆進8-3/4in的垂直/切線段時通常需要起下鉆兩次,鉆進8-3/4in斜井段時需要起下鉆一次。過去垂直/切線段一趟鉆即可完成,但經驗顯示,對于Kibbey儲層來說,有計劃的起下鉆能夠提高ROP,補償換鉆頭的時間。

前三口井中鉆頭、馬達和BHA參數保持一致,以便觀察應用新技術后給第二和第三口井帶來的改善效果。BHA采用的該地區常用的類型,其中包括6-3/4in的光鉆鋌、1.5°馬達、隨鉆測井工具和10根加重鉆桿。鉆頭也是該地區常用的帶有備用刀翼的6翼PDC鉆頭。鉆完最初三口井后,鉆進循環或井間PDCA循環就可指導停鉆期間的鉆頭或BHA調整工作。圖2顯示了6口井以及各自測量作業的周期。

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圖2 A區塊鉆井時間與全區平均值對比

基準井:該井沒有采用自動鉆井,循環時間比該地區的平均值少6小時。

井1:該井的主要目的是安裝和測試有線鉆桿以及加深團隊間的熟悉度。鉆井團隊很快適應新技術,因此井1的鉆井時間比平均值少14.5小時。

井2:安裝了粘滑減緩系統。鉆井隊很快適應該工具,由實時數據可知,井下粘卡現象立即得到減輕,鉆井性能大幅提升,節約了45小時。

井3:為了減少振動并保護鉆頭的切削結構,DHAS加強了對鉆井參數的管理,原設計鉆進8-3/4in垂直/切線段時需進行起下鉆作業,但使用該系統后可取消這項作業。8-3/4in段的平均鉆井時間減少了48小時。

井4:該井8-3/4in直井段的鉆進速度更快,總共節約42個小時。在BHA中增加了鉆鋌,緩解了振動,并有助于保護鉆頭的切削結構。

井5:第三次一趟鉆完8-3/4in的垂直井段。但是,斜井段的鉆井速率較慢,浪費了一些時間,因此共節約了14小時。

圖3紅色框中為司鉆處顯示的附加井下測量頻道。從該圖可以看出,地面參數反映出的鉆井過程較為穩定,只有輕微的振動發生。但是井下頻道,特別是橫向振動(標有Global Lat Mag Max 的一欄)顯示最大旋轉幅度達到了50g。施加更大鉆壓后,才變得平穩。

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圖3 井下測量附加信息示例

圖4為DHAS的功能。它可以通過提高地面鉆壓使井下鉆壓達到預定值。這樣可以將鉆速提高27.5%。同時,根據井下數據可以看到,即使參數加大,鉆井環境仍然十分安全。

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圖4 DHAS示例

每次起鉆后,辦公室優化團隊都對鉆頭的磨損情況進行了檢查,確定磨損的原因,做出改進,并對改進后的使用效果進行評估。

辦公室優化團隊還進行了后期分析,分析安裝鉆鋌后的效果。分析結果表明,扭轉振動、橫向振動和軸向振動均有一定程度的緩解,而其中扭轉振動的改善效果最為明顯。圖5給出了井2、井4和井5的振動水平。井2和井4只使用了加重鉆桿,而井5還增加了12根鉆鋌。從圖中可以看出,鉆進直井段時,井5的振動明顯減小,并且一趟鉆完。

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圖5 井2、4、5中的扭矩振動、橫向振動和軸向振動

鉆頭提離井底時的振動趨勢也是垂直和造斜井段都有的另一個關鍵限制因素。目前,鉆井現場采用的標準鉆頭接底流程是啟動自動司鉆,然后提高鉆速直到鉆頭接觸井底。進行這一操作時,垂直井段內常有振動發生。振動發生在連接管柱后重新接觸井底的時候,如圖6所示。如果只接一次管柱,這種類型的振動可能對鉆頭壽命的影響很小。但是,如果出現80~90次這樣的振動,則會大大增加鉆頭的磨損程度,最終導致鉆速降低或鉆頭壽命縮短。

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圖6 鉆頭在井底上方預備鉆進時的橫向和軸向振動情況

同樣是在直井段鉆進時,當鉆頭從滑動鉆進變為旋轉鉆進時也會產生振動,如圖7所示。這種振動的幅度比連接時產生的振動幅度要大,因此鉆頭的磨損會更快,鉆進速度也會變慢。

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圖7 由滑動鉆進變為旋轉鉆進時的橫向和軸向振動

DHAS系統在該地區的A、B、C、D區塊進行了試驗,并根據試驗結果做出了改進,本期石油圈先介紹了該系統在A區塊的試驗改進情況,下期石油圈將繼續介紹DHAS系統在C、D區塊的試驗及改進情況,敬請期待。

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白礬
石油圈認證作者
畢業于中國石油大學(華東),油氣井工程碩士,長期聚焦國內外石油行業前沿技術裝備信息,具有數十萬字技術文獻翻譯經驗。
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