自动化技术提高定向钻井滑动质量与速度(下)

时间:2021-06-21 09:31 来源:《石油与装备》6月 作者:中石油渤海钻探第

在利用这些滑动的KPI指标进行井与井之间的对比时,重要的是要知道这可能会带来数据变异的操作特性。例如,为了适应平台钻井,垂直井段常被钻成切线或斜线井眼,因为钻一口大斜度的切线井眼需要更多的滑动钻进,KPI指标可能会受到影响,而且,数据分析必须考虑这一因素,以便在井与井之间进行精确的比较。同样,在执行滑动井段范围内的深度可能会显著改变KPI指标,例如,在接近目标井深一个较浅的深度,当所进行的大部分滑动处于水平段时,所有的滑动速度指标都要快很多。
 
测量驱动开发
    以细腻详尽的方式计算和跟踪KPI指标的好处从现场绩效优化延伸至产品的开发决策。由于资源的限制常常会促使新特性开发优先顺序的诞生,因此,拥有一个允许量化影响新特性的数据集是非常有价值的。例如,这些KPI指标可被用来在减少废进尺的新逻辑与加速对准工具面的操作步骤的新逻辑之间制定一个开发决策。废进尺的减少可以做到更精准的滑动,而一个改进的对准工具面的操作步骤可使滑动作业加快。通过系统地计算和跟踪这些KPI指标,开发团队可以选择性地针对现场的滑动表现,优先处理更重要的事项。
 
    一个正在开发的区块利用精细滑动钻进的KPI指标来自动控制多个钻井参数的设定点,如钻压、压差和ROP。如前所述,目前的方法仍保留了司钻或定向司钻、自动滑动系统对人工滑动的参数变化的响应和自动送钻参数各自的所有权。为了提高滑动速度和滑动精度,分析滑动钻进的KPI对于开发一个自动操作设定点控制的滑动系统至关重要。
 
现场应用效果
    过去的12个月里,自动滑动技术在美国几个陆上非传统油气盆地的多部钻机上进行了试用,为了提高滑动导向控制的一致性和可靠性,在这段时间里,该技术在不断地取得进展。
 
效果总结
    根据前面讨论的KPI指标,对美国陆上盆地44口井滑动精度与滑动速度的钻进表现进行了评价。2018年,4部地理位置接近的钻机在几个月的时间里对这些井实施了钻井施工。23口井至少在一个钻进井段使用了本文所述的自动滑动方法,其中的21口井按惯例进行了钻井作业,其数据集包括了超过21000ft所有垂直段、造斜段/曲线段和水平段的自动滑动钻进作业,如图3自动滑动控制的进尺划分。
 
图3
    23口采用自动滑动控制的井进行了垂直段和水平段的滑动钻进,现场由司钻进行管控和执行,远程由定向司钻监管滑动指令和执行。在需要人工干预时,由一名现场监管的定向司钻利用自动系统进行造斜段/曲线段钻进。作业绩效按垂直段、造斜段/曲线段和水平段进行评价。
 
垂直段的滑动表现
    根据先前讨论的KPIs,滑动自动控制系统在垂直井段打出的滑动速度与滑动精度两项指标与邻井人工操控的表现基本一致。对44个垂直段的数据进行了分析与评价,其中23个自动控制的垂直段和21个人工控制的垂直段。在现场没有定向司钻的情况下进行了垂直段钻进的自动控制,重要发现如下:
Ÿ 自动滑动控制的井平均滑动速度为34.2ft/hr.,而人工滑动控制的井平均为29.8ft/hr.;
Ÿ 自动滑动控制的井平均在底滑动的ROP为58.4ft/hr.,而人工滑动控制的井平均为52.2ft/hr.,自动滑动控制的ROP高于人工滑动控制12%。见图4垂直段滑动速度的KPI指标;
Ÿ 自动滑动控制的井预滑动时长平均为4.9min,工具面设定时长平均为1.7min;而相对于人工滑动控制的井上述指标分别为5.0min和2.4min,表明自动滑动控制钻头离底的时长略有缩短。见图4;
Ÿ 当以滑动评分和工具面分布来评判时,自动与人工滑动控制的井之间,滑动精度在功能上是一致的。见图5垂直段滑动精度的KPI指标。
 
图4
 
图5
    相比人工滑动控制,自动滑动控制的井在底ROP和滑动速度的KPI指标要略高一些;离底的KPI指标(预滑动时长)自动与人工滑动控制的井大致是相同的(人工5.0min,自动4.9min),表明自动滑动速度较快主要是由于在底钻进速度的加快所致。如前所述,本文介绍的自动化方法保持了司钻操控在底滑动钻进的绩效表现。
 
    每次滑动测量的RtR/StR数据可用来计算自动滑动与人工滑动控制的井之间平均滑动钻进时长的差异。用垂直井段执行的平均滑动次数乘以每次滑动的RtR/StR可得出平均总的滑动时长。自动滑动执行的速度略快于人工滑动,这也是节省约1.3hr.的原因,见表2。
表2:每次滑动的RtR与总的滑动时长
  自动   人工
每次滑动的RtR/StR(hrs) 0.32   0.37
平均滑动次数   26  
总的滑动时长(hrs) 8.3   9.6
 
这些结果清楚地表明,倘若一个自动滑动系统能够达到或超越一名经验丰富的定向司钻所能操控的滑动速度和滑动精度,那么使用这样的系统是可行或可能的。在底ROP的提高表明,滑动钻进速度可由司钻来操控,而现场不需要定向司钻在场。此外,随着自动滑动系统的引入,精细的KPI计算与跟踪可为石油公司和服务商提供可用来确定后续井具体行动的数据,以提高钻井作业的速度和操控的一致性。
 
造斜段/曲线段的滑动表现
    与垂直段一样,造斜段自动滑动的速度与精度大致与邻井人工滑动控制的井基本一致,对43个造斜段的数据进行了评价:其中12个自动滑动控制的造斜段,31个人工滑动控制的造斜段。与垂直段和水平段不同的是,由于作业处于关键节点,现场有一名定向司钻在场,实施自动滑动控制造斜段钻进。由于井底钻具(BHA)和其它操作的考虑,自动滑动控制造斜段钻进的进尺较少,因此,得到的数据也较少。
 
请注意,由于钻井工况的变化,例如频繁地进行测量(测斜),测量会使作业中断,而且会给精确计算绩效指标带来困难,因此,造斜段钻进期间,无法对RtR/StR时长和滑动速度进行计算。此外,由于造斜段较短以及更注重滑动质量,以获得期望的造斜率,因此,造斜段数据的分析会侧重于滑动精度的KPI指标,而不包括RtR/StR的KPI指标。重要发现如下:
Ÿ 自动滑动控制的井平均在底滑动的ROP为90.1ft/hr.,人工滑动控制的井为103.6ft/hr.,自动比人工滑动控制的ROP低13%,见图6造斜段滑动速度的KPI指标;
Ÿ 自动滑动控制的井平均预滑动时长为9.8min,工具面设定时长为2.2min;人工滑动控制的井相应的数据分别是12.7min和4.3min;这表明自动滑动控制系统通过过程优化能够有效缩短离底时长,见图6;
Ÿ 在衡量滑动评分和工具面分布时,自动与人工滑动控制所打的井滑动精度在功能上是相同的,见图7造斜段滑动精度的KPI指标。
 
图6
 
图7
    从造斜段/曲线段数据集中观察到预滑动离底时长一个23%的缩短(自动9.8min,人工12.7min)通常是因离底活动的优化所实现的。例如,在对齐工具面的操作步骤中有一些子功能,如果确定该功能是不必要的,则可以简化或去除该功能。
 
造斜段/曲线段自动滑动控制面临的最大挑战是在保持精准工具面控制的同时使在底ROP最大化。所观察到的较低的ROP可能是由于定向司钻为确保获得期望的滑动质量而限制钻井参数所导致的。因为,在此无需进行RtR/StR的度量,所以无法确定离底时长的改善是否会对滑动速度有影响。
 
水平段的滑动表现
水平段的分析清楚地说明了自动滑动控制是如何通过优化在底作业来有效提高滑动钻进ROP的。对43个水平段的数据进行了评价:其中23个自动滑动的水平段,20个人工滑动的水平段。所执行的自动滑动控制的水平段没有定向司钻在场。重要发现如下:
 
Ÿ 自动滑动控制的井,离底预滑动作业明显加快了,平均工具面设定时长为2.3min,平均预滑动作业时长为10.5min;而人工滑动控制的井,两个时长分别为5.1min和13.0min。见图8水平段滑动速度KPI指标。这可以归因于滑动处方所做的调整,这种调整优化了一些离底活动,去除了一些不必要的步骤;
Ÿ 而人工滑动控制的井在底ROP要高一些,自动滑动控制的井预滑动作业要快一些,这使得自动滑动控制的滑动速度要高一些,即自动滑动操作的滑动速度为29.9ft/hr.,人工滑动操作的滑动速度则为27.3ft/hr.,见图8。这清楚地表明,离底活动所需时长的缩短可对整个作业产生显著的积极影响。
Ÿ 通过滑动评分和工具面分布得出,在所分析的井中,滑动精度略有改善,见图9水平段滑动精度KPI指标。而水平段作业自动与人工滑动控制之间的差异最大,这些自动滑动精度指标足以实现定向目标;
 
图8
 
图9
从水平段获得的结果可以清楚地捕捉到,离底预滑动作业对滑动执行速度的影响可能要比在底的钻进表现要大得多。尽管在底滑动的ROP减少了15%,但由于预滑动时长的缩短,所完成的自动滑动要比人工滑动的成本更低一些,相对而言,滑动速度更高了。对每次滑动和总滑动时长的RtR/StR小时数的评价量化了这一效益:自动滑动控制的井执行滑动的速度要比人工滑动控制的井平均快了大约4小时。
表3:每次滑动的RtR和总的滑动时长
  自动   人工
每次滑动的RtR/StR(hrs) 0.58   0.68
平均滑动次数   39  
总的滑动时长(hrs) 22.6   26.5
 
    如同造斜段或曲线段,对于自动滑动系统来说,最大的剩余挑战是:在保持工具面控制足够精准的同时提高在底滑动钻进的ROP。
 
结论
    本文介绍了一种自动滑动钻井方法,该方法目前已在美国多个陆上盆地部署使用,主要结论如下:
1. 该自动滑动系统是一项在不牺牲钻井绩效指标前提下可远程执行、可缩减员工和无人工操控定向钻井作业的关键技术;
2. 滑动速度KPI指标:在与在底ROP相比较时,每次滑动的RtR/StR时长和滑动速度KPI指标提供了一种更加全面的评价一次滑动真实“成本”的方法。这些指标的衡量可对那些受自动化影响更直接的活动或作业进行评判,可用来评价自动滑动和人工滑动的真实绩效;
3. 滑动精度KPI指标:从滑动评分、工具面分布和废进尺这三个方面描述了如何以期望的工具面方向有效执行一次滑动。这些指标可用来促进该系统现场作业的优化与配置,以及新功能的开发与实践;
4. 23口自动滑动控制和21口人工滑动控制的井对比结果表明,该自动滑动系统能以与人工滑动KPI指标保持基本一致的水平执行或完成滑动作业;
5. 滑动速度:该自动滑动系统在垂直段和水平段能提供更高的滑动速度。造斜段/曲线段的滑动速度不进行计算,但相比人工滑动控制,自动滑动系统造斜段在底滑动钻进的ROP略低一些;
6. 滑动精度:该自动滑动系统在垂直段和造斜段可提供与人工滑动相当的工具面控制,而水平段的滑动精度略差于人工滑动控制。
 
(文章选自2019年4月美国钻井工程师协会)
战略合作
战略合作 全球石油化工网 世伟洛克 北京石油展 API 斯伦贝谢