钻井优化新技术提高如何钻井效率

    刘瑞江

    摘 要：通过以多种井下和地面传感器为基础的关键数据解释，优化钻井设计，从而减少钻井复杂事故时间，提高钻井效率。墨西哥湾浅海钻探的最新研究表明，钻井事故复杂时间占钻井时间的25%，以美元计算，单井的损失在1500，000$。因此，降低井下复杂事故发生的概率，可以极大地节约钻井成本。通常来说，全面的钻井技术优化应包括以下几方面的解决方案：钻柱完整性，水力参数的管理，井眼完整性。在过去的几年中，新技术已经取得了显著的进步，使钻井更加高效，提别是在提高实时决策方面。钻井优化技术是先建立实时模型，然后实行实时模型和数据的一体化，最终传到实时一体化控制中心。

    关键词：钻井；新技术；优化

    中图分类号：TD353 文献标识码：A

    本文以振动预防为例，阐述了新技术的发展及其对钻井行业的影响。

    一、为什么要进行钻井技术优化

    钻井成本控制是决定石油和天然气投资的关键因素。在钻井成本高和钻井事故可能发生的情况下，钻井成本控制尤其重要。钻井技术优化的关键在于减少非作业时间，诸如卡钻、MWD/BHA失效、漏失、循环处理井眼、井壁坍塌等等。非生产时间占钻机时间的20%，在复杂地区所占比例更高。在最近的一个关于墨西哥湾浅海钻井非生产时间的研究显示，非生产停工时间达到25%。以美元计算单井损失在1500，000$。因此，降低井下复杂事故发生的概率，可以极大地节约钻井成本。除了降低成本外，钻井优化也是提高钻井效率、安全性和环境保护的关键因素。在一些极具挑战性的钻探环境中（例如在孔隙压力和压裂梯度接近），如果不进行钻井技术优化就无法进行钻探。

    出于对以上原因的考虑，钻井行业在过去的20多年中，采取了许多的新技术强化钻井技术优化以提高钻井效率。特别是以计算机为基础的钻井仪器仪表和数据采集系统、钻井现场一体化以及MWD/LWD的应用。

    二、什么是钻井技术优化

    钻井技术优化就是通过井下和地面传感器、计算机软件、MWD和有经验的专业人士来一起致力于降低井下事故发生率和提高钻井效率。传统的钻井技术优化包括以下几点：①钻前运行表；②实时数据处理与监控；③钻后分析及技术总结。在这个过程中，有经验的技术专家是中心，他们可以提出建议来避免复杂事故的发生，从来提高钻井效率。通常来说，全面的钻井技术优化应包括以下三方面的解决方案：钻柱完整性，水力参数的管理，井眼完整性。

    三、新钻井优化技术

    新的钻井优化技术强调信息管理和实时决策。传统的3步优化过程将不能满足实时工艺过程，必须进行革新。首先，钻前运行表应该转变为实时建模。这种革新是必须的，因为钻前运行表的数据通常情况下都是过时的和不正确的。因此。这些数据对实时决策的制定是没有多大用处的。其次，一体化的实时建模和数据是必要的，以对井下环境进行详细诊断。最后，井场-办公室的一体化的好处在于，一个信息团队可以24h不间断的监控优化过程。这3个新技术可以概括为：（1）实时建模；（2）一体化实时建模和数据；（3）实时控制中心（RTOC）。

    （1）实时建模

    传统的建模通常是在钻井期间运行，提供一组可预测的数据。随着钻井过程的进行，输入的参数会随时改变。因此，传统的计算机软件需要不断地手动更新数据，以产生相关的结果。然而，这样的一个程序，已被证明是不切实际的。与之相比，实时建模是自动更新，使用“合适”的输入数据，毫无疑问更准确。此外，实时建模始终在线，允许连续监测，以防止钻井事故。实时建模还允许实时数据的集成，以实现实时决策（见下一节）。

    到目前为止，哈里伯顿已经开发出一些实时建模，或者正在开发的建模如下：

    ① 底部钻井动力学

    ② 扭矩和阻力

    ③ 孔隙压力/破裂压力预测

    ④ 水力学

    ⑤ 井眼清洁（现场测试）

    ⑥ 井眼稳定性（现场测试）

    （2）一体化实时建模和数据

    虽然实时建模比传统的独立建模取得更好的结果，在“有用”模式下的“有用”信息的传送，以及问题的诊断也需要井下数据建模与集成。例如，以下建模和数据的集成总是有益的：

    ① 井下钻具振动数据的动力学模型

    ② PWD和FTWD数据的孔隙压力模型

    ③ PWD数据的水力模型

    ④ PWD和固相含量的井眼清洁模型

    ⑤ LWD成像数据的井眼稳定性模型

    （3）实时控制中心（RTOC）

    首个实时控制中心是由壳牌石油能源公司于2002年初在新奥尔良建立。此后，根据不同操作者的使用，几个其他的RTOC被开发出来专门用于海上平台。

    有许多理由来成立实时控制中心。第一，海上钻井成本比较高，很显然需要最优秀的人员。第二，关键决策通常需要多部门决定，但是来进行决策的多部门专家被安排在一个平台是不现实的。第三，计划的执行需要固定的人员和办公场所，实时控制中心可以满足这一点。最后，24h不间断实时钻井优化监测和信息管理可以避免危险，24h不间断的对关键人员监测最好在实时控制中心。

    因此，实时控制中心在钻井优化中扮演着重要的角色。实时MWD数据比如震动、PWD等等在RTOC会实现24h不间断检测。钻井技术优化专家通常是最有经验的员工，他们可以在预期事件偏离钻井计划之前联系钻井队长。RTOC的干预已被证明是最重要的价值之一。

    四、案例研究-振动预防

    1.实时振动建模

    Sperry-Sun开发了一种BHA动力程序“WHIRL?”，用于预测临界转速。该程序由三部分组成：（1）BHA静力分析采用半解析法预测上临界点；（2）以有限元程序为基础计算自热频率；（3）專用方法计算临界转速。

    WHIRL软件通过录井和（MWD）随钻测斜数据已经升级到实时模型。常规录井在模型中使用的数据是底部钻井结构、钻压、转速、和泥浆比重。这些数据可以从地面一体化系统通过（井场信息传输标准）从第三方录井或通过由钻井承包商租赁的其他数字平台监控系统获得。用于建模的MWD（随钻测斜）数据，DLS（狗腿严重度），井眼尺寸（如果声波测径在使用）。

    为了调查由于输入错误信息而出现的误差，已经对不同钻压、井斜以及井眼尺寸进行了敏感性研究。该研究所用钻具是一个近钻头稳定器导向组件。结果表明，相比其他因素的影响，临界转速对钻压和井斜特别敏感，钻压和井斜微小数据的变化可能会导致在相当大的误差。例如，模型中井斜从1°变成3°，在关键的RPM（机械钻速）可能产生18%的误差；而钻压从8klbs（千镑）变成10klbs在关键RPM预测中可能产生16%的误差。

    2.实时振动建模与数据一体化

    没有现场信息系统，如INSITE?钻机现场信息管理系统软件，实时建模与井下振动数据的整合是不可能的。INSITE软件用于采集录井和井下数据，运行工程软件，并对数据进行实时处理和展示。信息集成是通过“各种数据转化为可用的信息智能”组合，并以信息的方式展示出来。此信息可以通过网络上的任何工作站查看，这些工作站可能包括：钻井办公室，钻台，地质师和甲方办公室，实时卫星或网络链接使得这些数据也可以在基地办公室进行展示。INSITE系统通过网络使得平台信息可以在世界的任何角落进行共享。

    本文讨论的一体化，实时振动建模和数据系统，于2002年在墨西哥湾进行了首次测试。自井场成功试验以来，这套系统在墨西哥湾，加拿大东海岸，挪威和北海已经运行了20多口井。从客户收到的积极反馈之一是，实时完整性系统提供了清晰、有针对性的信息，极大地促进了实时决策。

    3.RTOC的一体化系统

    一体化振动建模和数据系统在RTOC和其他系统有了进一步的“整合”，并已成为一个重要的钻井优化服务，该服务已得到客户的好评。自从2003年一体化系统被应用于RTOC，使用该系统的井场客户反馈中，没有任何与振动相关的BHA或MWD故障发生。这样的记录表明，实时一体化系统可以显着提高钻井性能和效率。由于其巨大的成功，人们也对RTOC其他一体化系统发展趋势进行了探讨。

    结论

    统计表明，NPT（非生产时间）如卡钻、MWD/BHA失效、漏失、清洁井眼、井壁稳定等，约占钻机时间的25%，在复杂地区钻进的占比更高。钻井优化技术的出现是降低石油工业钻探成本的关键。

    全面的钻井优化技术应考虑钻柱的完整性，水力参数管理和井眼完整性。传统的钻井过程包括以下几点：①钻前运行表；②实时数据处理与监控；③钻后分析及技术总结。已开发的新技术使得这3个工艺流程在实时的基础上融合在成为一个。实时一体化的目的是通过协助实时决策来识别不安全的钻井环境并降低NPT（非生产时间）。

    此文中探讨的新钻井优化技术，比如：实时建模、一体化实时模型和数据以及RTOC，将会不断地发展以满足充满挑战性的可钻性差的硬岩石、深水、深井、高温高压以及孔隙压力和破裂压力特别接近的地层钻井条件。

    参考文献

    [1]汪海阁，王灵碧，等.國内外钻完井技术新进展[J].石油钻采工艺，2013（5） ：1-12.

    [2]刘春明，李侃曹.浅议钻井新技术的应用[J].陕西煤炭，2013（4）：122-123.