自动检测提高钻井 效率减少停机时间

时间:2022-10-21 15:40 来源:《石油与装备》 作者:编译 周颉
一种自动检测应用程序帮助北海一个成熟油田的作业者在钻多分支井时早期识别细脉,这些井穿过含有分散在低无侧限抗压强度砂岩地层中的硬方解石细脉的储层段。该应用程序指导钻井决策,最大限度地减少不可见的损失时间,并缩短到达目标深度的时间。水平钻井经过几十年 的 发 展, 已 成为成熟产油区一种值得信赖的建井技术。然而,在复杂的钻井地质环境中仍存在许多挑战。当钻头在砂岩等较软地层中遇到硬夹层时,就会出现一个具有挑战性的钻井场景。在从地层移动到长柱的过程中,岩石力学的突然变化通常会导致钻头偏转和井眼轨迹的偏移 ( 称为狗腿 )。狗腿导致的快速定向变化会使钻井组合偏离计划路径,有时甚至会偏离目标储层,从而降低钻井效率。狗腿产生的静载荷会损坏底部钻具组合 (BHA),导致钻头过早磨损,缩短钻头使用寿命,提高维护成本,并增加下钻次数。弯曲的轨迹也增加了套管或完井管柱卡钻的风险,这可能会妨碍完井到计划目标深度。

北海某成熟油田的作业者在钻多分支井时遇到了这样的挑战,该井在含硬方解石的储层段中进行钻井作业,这些储层中含有较低无侧限抗压强度的砂层。该公司的目标是通过提高这些段的总钻速 (ROP) 来降低举升成本。但是,每个斜井段的狗腿通常需要回拉,进行成本高、耗时长的扩眼作业,以平顺井眼轨迹,并允许钻井继续至井深。平均而言,每钻 3300 英尺 (1000 米 ),作业公司在扩眼过程中积累了 2.7小时的无形损失时间 (ILT),并显著降低了总机械钻速 (rop),这两项措施都使作业公司每口井的举升成本高于计划。与作业公司合作,贝克休斯开发了一种自动长管柱检测服务,该服务可以比以前更早地识别出长管柱,以减少局部狗腿,减少扩眼时间,并有效地按照计划交付井眼。开发预警 Stringer检测服务通 过 操 作 员 的 输 入, 服 务提供商开发了一种自动化服务,该服务提供可靠、一致和早期的Stringer 检测,以指导快速的纠正措施。该服务包括在先进的随 钻测量 (MWD) 传感器短节中嵌 入一个自动纵柱探测模块。该短 节包含多个动态传感器,可收集 一系列振动和载荷测量数据。

检 测模块使用基于物理的算法,结 合了两种随钻测量数据——切向 加速度和钻头处的动态扭矩—— 来计算底部钻具组合中的高频扭 转振荡 (HFTO) 值。 HFTOs 是一种频率在 50hz 到 450hz 之间的扭转振动,这种 振动只在坚硬地层中钻头与岩石 相互作用时发生。在软地层向硬 地层过渡过程中,HFTO 响应的 显著变化使其成为钻井过程中实 时探测夹层的领先指标。 传统上用于钻压检测的其他 指标,包括钻压 (WOB) 和井下 弯矩,都受到井眼轨迹和地面钻 井参数变化的影响。因此,这些 参数在地层和长管柱之间的数据 分布经常存在重叠 ( 图 1)。影响 HFTO 的主要参数切向加速度和 动态扭矩不受这些变化的影响。从 图 1 中可以看出,切向加速度分布 在软硬地层之间有明显的区分。 该 算 法 自 动 计 算 HFTO 振 幅,并与 HFTO 振幅最大阈值进 行比较。

如果计算出的振幅超过 这个阈值,检测服务就会在比特 处识别出一个字符串。该服务自动将 HFTO 振幅聚合为 1 位 ( 字 符串 / 无字符串 ),通过低带宽泥 浆脉冲遥测传输到地面。这些 1 位数据以最佳的时间间隔发送到 地面,在那里,它们与其他测量 数据一起聚合到钻井平台上的专 有自动化钻井优化系统中,以便 进行进一步的解释和决策。司钻 几乎瞬间就能看到这些相同的串 扰检测值。 自动化服务更快的检测响应 是设计与传统检测方法的主要区 别。例如,如果仅仅通过地面参 数或弯矩来检测纵梁,则需要几 分钟的时间才能将响应记录到传 感器短节中,然后必须将信号发 送到地面并进行分析,然后将通 知发送给钻井人员,这将增加更 多的时间 ( 图 2)。在此期间, 轻 微的偏斜可能会变成更严重的狗 腿,需要进行扩眼操作。 自动 stringer 检测服务的响 应时间远远早于传统诊断信号, 并发送一个简单的、单一的信号 指示字符串。

然后,司钻向钻机 控制系统发送命令,以更改钻压和每分钟转数 (RPM) 等参数。这 些变化使得钻通长管柱的效率更 高,同时避免过量的局部狗腿增 加 ILT 并限制总钻速。 早期检测 Stringer 避免数小时的扩眼 ILT 作 业 公 司 在 9 个 8-1/2-in 的钻井中部署了新型的 stringer 自动检测服务。并将结果与之前 使用常规钻柱检测方法钻取的水 平段进行了比较 ( 图 3)。 在第一次未使用该工具的邻 井水平段钻井中,每 1000 米的 水 平 段 扩 眼 ILT 为 5.14 小 时。 为了提高钻井团队对斜井的意识, 作业公司对作业流程进行了一些 调整,这有助于将扩眼时间降低 到平均 2.7 小时 /1000 米。最终, 仅靠工艺改进无法获得进一步的 性能提升,后续水平段的 ILT 值 趋于稳定。 在第一次水平井作业中,自 动化服务提供了可靠的长缝检测, 使钻井团队能够根据预定的钻压 和转速快速实施长缝钻井计划。 早期的串扰检测和纠正措施减少 了狗腿,ILT 显著下降到 1.06 小 时 /1000 米。 使用该自动化服务的其他水 平段在 15~ 25 秒内就实现了连 续的串扰检测,仅为传统指示器 所需时间的一小部分。使用新服 务的平均扩眼 ILT 下降到 50 分 钟 /1000 米,与传统检测方法相 比减少了 63%。

这意味着使用该 服务的多分支钻井平均节省了半 天的时间。 为了进一步验证自动化服务 最小化 ILT 的能力,在没有该服 务的情况下,又钻了 3 个分支井。 这些分支段的 ILT 和扩眼时间显 著提高,这进一步证明了自动化 服务能够持续提高钻井效率。 图 3 还显示了使用自动化服 务钻井的水平段平均长度的增加。 虽然 stringer 自动检测服务并不 是延长水平段的唯一因素,但早 期的 stringer 检测可能有助于延 长 BHA 和钻头的使用寿命。通 过检查使用和不使用该服务钻进 的井段之间的平均水平段长度, 可 以 证 明 这 一 点。 前 9 段 未 使 用自动化服务的平均水平段长度 为 15138 英 尺 (4614 米 ), 但 在 使用自动长柱探测的 9 段,平均 水平段长度增加到 21,129 英尺 (6440 米 )。 向全自动控制迈进 现场试验表明,自动串扰检 测服务始终能够提供即将出现的 串扰的早期预警,并最大限度地 减少了增加 ILT 的昂贵扩眼操作。 这一初步的成功正在推动进一步 的发展,有望实现更快的响应, 提高 ROP 和更低的 ILT。 该服务提供商目前正在开 发和测试将钻杆检测服务与钻 井承包商的钻井自动控制系统 (ADCS) 完全集成的流程。该技 术的发展将使该服务从自动化监 测和报警系统转变为指导司钻作 业的真正咨询服务。该服务将自 动决定 RPM、流量、WOB 或其 他参数的变化,以最大化长管柱 钻井效率,而不是简单地在钻遇 长管柱时通知司钻。

然后,它将 通过直观的用户界面自动向钻井 团队提供这些建议的更改。 在不久的将来,stringer 自 动检测服务将完全控制钻井作业。 目前正在进行的测试是基于该服 务的检测能力,即通过自动计算 最优参数变化集,然后将该信息 直接传输给 adc,以调整地面钻 井参数,优化通过长管柱的钻井。 司钻仍将监督整个过程,并根据 需要检查数据,但更改将通过完 全优化的闭环钻柱服务自动完成, 以最大限度地提高作业效率,同 时最小化任何潜在的延迟。
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