石油圈
利用來自美國宇航局（NASA）的技術可以節省定向鉆井作業的費用。
編譯 | 大安
自20世紀30年代以來，定向鉆井一直被用于石油和天然氣作業，當時陸上鉆井工人使用該技術來開采海上油藏。多年來，已經引入了一些技術來提高鉆井精度和對井軌跡的控制程度，同時允許通過一口井生產多個油藏，從而降低了鉆井成本，并將鉆井過程對環境的影響降至最低。在設計鉆井計劃時，運營商在決定是采用傳統的旋轉鉆柱工藝來控制井軌跡還是使用更精確的定向鉆井技術時考慮了經濟性，但非此即彼的方法并不總是最好的。分析鉆井條件并確定最合適鉆井解決方案的軟件的引入改變了現狀，簡化了鉆井過程，改變了司鉆的競爭環境。
石油圈原創，石油圈公眾號：oilsns
01. 定向鉆井的發展
為了最大限度提高油田開發效率，最大限度減少地理足跡，廣泛采用從集中式平臺位置上的窄間距槽進行水平井鉆井，導致井筒幾何結構復雜。對精確執行復雜井軌跡的的需求日益增長，增加了對定向鉆井專業知識的需求。使用帶有彎曲外殼的泥漿馬達組成的可轉向井底鉆具組合（BHA），經驗豐富的定向司鉆可以按照鉆井計劃中規定的方向調整馬達的彎曲方向，從而在滑動過程中，將井導向預定軌跡。當井軌跡想保持相對平直時，整個鉆柱從地面旋轉，這一過程稱為旋轉。
然而，經驗和研究表明，由于旋轉趨勢、BHA設計、鉆井參數和地質地層特征系統性和隨機性影響的結合，在旋轉期間井軌跡很少是直的，這可能導致實鉆軌跡與計劃軌跡存在顯著差異。旋轉趨勢以及設計的鉆井計劃偏差通常需要滑動，以確保實鉆軌跡與計劃軌跡保持一致。
在其他條件相同的情況下，滑動似乎應該全面應用，但有兩個原因表明滑動不是默認的解決方案。
?滑動產生的穿透率通常比旋轉低得多。
?滑動百分比升高會導致過度彎曲和/或局部狗腿。
滑動通常被視為一種成本高昂的操作，應盡量減少。從歷史上看，定向鉆機的任務是根據預測估計和鉆井經驗確定何時需要滑動、進尺持續長度和方向。這種決策方法有助于降低成本，但它不是一種科學的方法。決策的準確性取決于定向司鉆的經驗，決策的負擔直接落在了一個人的肩上。
定向鉆井咨詢（DDA）軟件的引入改變了這種情況，它將數據納入決策過程，并提供了一種方法來讓每口鉆井的司鉆性能達到最佳。借助DDA軟件系統，定向司鉆可以專注于更高優先級的任務，同時該軟件可以做出更明智的決策，從而改善水平鉆井過程，并顯著降低給定井的整體滑動百分比。
02. 定向鉆井咨詢（DDA）軟件的發展
DDA軟件設計固有的是基本的算法原理。目前市場上為數不多的DDA軟件系統從不同的優勢角度解決滑動問題，從而出現不同程度的可靠性和成功率。
一種方法是通過讓DDA軟件模擬定向鉆機通常做出的決策來設計算法。這種設計可以被描述為“盒子里的定向鉆機”。雖然這種設計可以加快計算速度，減輕定向司鉆的負擔，但它不會導致滑動百分比降低或性能提高。
第二種方法是使用蒙特卡羅類型的模擬，在每個新的測量點“嘗試”數百或數千種可能的解決方案，以從眾多嘗試中找到最佳的滑動和旋轉指令集。這種方法通常會避開總體策略，只關注下一環節，從井的整個水平段的滑動效率這一更大背景進行分析，該方法通常會做出次優決策。它也是計算密集型的，這可能導致工作流程的滯后和以及的昂貴的停工時間。
第三種方法由Superior QC的前NASA制導、導航和控制工程師從航空航天行業改編，用于設計高保真制導DDA軟件系統（圖1）。
圖1——戰略航向修正圖，使用航天器火箭燃燒軌跡優化（上圖）和使用高保真制導優化（下圖）
在計劃一項任務時，NASA 的科學家和工程師會為航天器繪制一個計劃軌跡，該軌跡與石油和天然氣運營商和服務公司設計的井軌跡相似。在這兩種應用中，一小部分軌跡需要有計劃的轉向，而大部分軌跡是不轉向的。然而，眾所周知，在現實中，外力和不可預見的情況往往導致需要比原計劃更多的轉向。
在太空飛行中，一次轉向事件是通過火箭燃燒進行的，這需要使用昂貴的燃料。航天器只能將有限數量的燃料攜帶到太空中，因此確保其使用妥善對任務和安全都至關重要。因此，在將任何人送入太空之前，NASA科學家花費數年時間生成、分析和模擬復雜的算法，以確保delta-v（通過火箭燃燒實現的總速度變化的總和）盡可能低，以最大限度地減少燃料消耗，同時仍能成功完成使命。
采用類似通過最小化所需的非計劃轉向量的方法來簡化定向鉆井過程。通過真正的軌跡優化方法，實現僅在在戰略上必要時才建議轉向。該建議的基礎是實時地面和井下鉆井數據、BHA和地層之間的相互作用，以及不斷更新的軌跡估計。專有軟件系統使用先進的人工智能（AI）算法，實時優化旋轉趨勢和馬達輸出的計算，以便通過每個井段進行可靠的正向預測和優化滑動計劃。
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03. 量化性能
在兩個平臺上的10口井的橫向剖面上進行了一組現場試驗和分析，以更好地了解應用高保真制導可以實現的效率增益。在實時實施該軟件之前，對目標鉆井線上最近完成的幾口井進行了分析，以建立基線。為了隔離現場試驗結果，讓其只反映軟件制導的影響，有必要考慮所有可能扭曲結果的變量。這些變量可以增加或減少實現目標井目標的難度。例如，在某些盆地和地層中，斷層或間歇性節理更為普遍，這可能導致旋轉趨勢水平升高。另一個例子是BHA設計的變化，它可以產生不同的馬達輸出。直接比較油井之間的原始滑動百分比，總是有利于使用更大彎曲馬達和旋轉趨勢非常低的油井。因此，作為分析的一部分，有必要對馬達輸出和旋轉傾向進行歸一化。歸一化過程產生了一個調整后的滑動百分比，該百分比解釋了井間馬達輸出的差異以及平均旋轉趨勢的差異，以消除其對井間滑動百分比差異的影響。
重要的是，不僅要在油井上使用該軟件，還要分析如何準確執行其建議。對于此任務，使用每個環節的計分系統計算 HiFi 制導遵守分數：
?如果建議旋轉，且未發生滑動——1分
?如果建議并在距離目標工具面+/-25度和長度+/-3 英尺范圍內執行滑動——1分
?未遵循HiFi指導建議——0分
使用這種邏輯，每個環節都會根據是否遵循軟件推薦獲得 1 或 0 評級。對橫向所有環節的評級進行平均，以確定準確執行建議的環節百分比。
04. 分析和結果
案例研究結果表明，依從性得分與調整后的載玻片百分比之間存在明顯的相關性。圖2顯示，六口井的依從性得分低于50。這些井的調整滑動百分比也最高。相反，剩余四口井的依從性得分大于50，得到了四個最低的調整滑動百分比，其中第8口井的依從性得分最高為68，所有10口井的調整滑動百分比最低為6.3%。將平均調整滑動百分比從依從性得分低于50的井的11.1%降低到大于50的井的7.3%，為每個井的操作員節省了大量時間和攤鋪成本。
圖 2 – 調整后的滑動百分比、高保真引導依從性得分與目標窗口中水平段分比的案例研究結果。
從案例研究中可以看出，使用該軟件系統還有一些額外的好處。其中之一是，除了可靠地降低滑動百分比外，當依從性得分大于50時，該軟件還將目標鉆井窗口中的橫向進尺量平均提高了27.8%。使用該軟件還可以減少彎曲程度較低的井，這減少了套管運行時間，增加了可用大鉤載荷，從而更容易將井鉆到總深度。
將太空時代技術引入到定向鉆井中，有可能提高效率，從而節省時間和金錢。該領域的結果證明了這一專有軟件系統的價值，人工智能支持的持續改進將隨著時間的推移增加其價值。
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