更好地理解数据、物理是优化钻具组合的关键

时间:2021-04-19 15:47 来源:《石油与装备》4月 作者:斯蒂芬·弗雷斯特

在一个持续面临金融逆风的行业,钻井的成本效益比以往任何时候都更加重要。在过去的十年中,解决方案在每英尺钻井成本方面取得了一定的成功,但这些解决方案往往集中在优化特定井下钻具组合(BHA)中的单个项目上,例如,采用更强大的马达或更精确的旋转导向系统(RSS)。
 
尽管将这些设备和技术单独集成到底部钻具组合中可以改善某些性能指标,但当前的市场环境要求对底部钻具组合进行更全面的优化以获得更好的效果。通过更严格地审视BHA,公司可以提高作业效率,减少设备损坏和相关维护成本,并减少钻井所需的资金。
 
 
了解钻井动态
 
对于NOV来说,BHA优化涉及到现代系统方法,服务公司和运营商都需要更严格地检查设计和配置。NOV井眼技术部门首席技术官Tony Pink认为,他看到了井下钻具组合设计正在发生转变。他说:“实时数据由地面钻机采集并分析,并由系统使用该数据集确定答案。这使得钻井控制系统能够实现全闭环自动化,该系统与旋转导向系统通信,发送一个设置,以实现地质导向,并提供精确的油藏位置。””
 
随着油气行业向远程作业的转变,NOV的目标是设计BHAs,在将人员从井场转移到实时操作中心的同时,能够最佳地发挥作用。
 
该公司还认为,钻井马达的进步将从根本上改变定向钻井。马达将由数字软件驱动,可以自动与钻机的控制系统对话,实现定向和转向。该公司正在开发嵌入式人工智能和机器学习软件,使软件能够不断学习和优化钻井参数,而不是基于简单的查找表。
 
挑战在于,在实现精确定向控制的同时,ROP也需要优化。
 
Pink先生遗憾地指出,油气行业已经失去了对钻井动力学基础的理解,如稳定器的放置和设计、钻柱中克服地层剪切模量的适当惯性量等。大部分的损失来自于巨大的人员变动,以及反复的经济衰退和不稳定的商业周期。
 
他说:“这导致了一些不好的做法,人们开发的剪切-粘贴式BHAs没有基于物理和工程,也没有基于井下所有条件的实际交互作用。糟糕的底部钻具组合设计会导致钻井性能下降,这就需要对底部钻具组合进行昂贵的重新设计。因此,如果采用滑动/旋转方式,在马达上安装了一个大弯曲外壳的加长水平段钻井,最终由于井口阻力过大而无法到达井深。作业公司通过使用旋转导向系统解决了这个问题,但他们本可以减少马达的弯曲度,并更熟练地滑动/旋转井眼,以减少弯曲度,达到合适的井眼条件。”
 
他认为,依赖于这些技术创可贴公司,在不需要的情况下,将成本推高至保守派AFEs的水平。
 
NOV应对这一挑战的方法之一是SelectShift井下可调节马达,该马达于2018年首次进行现场试验,目前已在超过20万英尺的井眼中投入使用。西半球钻井优化和自动化技术销售总监Steve Pink解释道:“当水平入井后,可以将电机置于更温和的弯曲设置中,从而实现更高的表面转速、更好的井眼状况和清洁,降低螺旋弯曲度和更高的机械钻速。这是一种没有昂贵复杂电子设备的机械马达,减少了系统中的故障点。””
 
图说:SelectShift是一种没有昂贵、复杂电子元件的机械马达。NOV开发的马达能够提高表面转速、更好的井眼状况和清洁能力、降低螺旋弯曲度和更高的机械钻速。(图1)
 
在2019年Permian盆地的一个项目中,SelectShift电机用于钻到起始点(KOP)的整个垂直/切线段,同时有效保持斜度并提高钻头寿命。由于砂岩、粉砂岩和石灰岩的混合具有挑战性,之前的钻头在到达KOP之前就被拉出,损坏无法修复。在将电机设置为1.83°至0°弯曲后,作业者无需起下钻就达到KOP,在电机设置为0°的情况下钻了2719英尺。与邻井相比,该工具在直井模式下更容易保持井斜,滑动次数减少了57%,而且1-3-BT-S-X-I-CT-KOP钻头钝化等级明显优于之前的钻头。
 
Tony Pink认为,优化底部钻具组合的下一个前沿将是地热应用。“如果我们要钻出大量的热岩石,我们需要能够在极端温度下生存的工具,能够处理高能硬岩环境的BHA,能够实现足够高ROP的切割结构,使油井具有经济效益;还需要新的冷却系统和高温电子设备。”
 
NOV最近创建了一个地热小组,致力于改进现有技术,使其在地热应用中具有可行性。他表示,通过将油气行业的技术动力转移到这个新领域,大规模的商业地热钻探并不像一些人想象的那么遥不可及。
 
 
钻井性能分析
 
对于斯伦贝谢来说,BHA优化的重点在于了解井下事件和钻井性能限制因素,这些因素会导致作业者不必要的起下钻。该公司开发了一系列技术,能够快速分析钻井后的数据,并对钻井参数进行后续调整,从而优化钻井性能和效率。
 
此外,该工具旨在通过评估特定BHA设计的性能和工具放置位置,减少工具过早失效和维护。
 
 
图说:OptiDrill实时钻井智能服务可以监测地面和井下数据,实现事件检测和定制报告。斯伦贝谢开发了该系统,可以降低作业公司的风险,提高井下钻井效率。图2
 
 
该公司在优化钻具组合设计和性能方面有两项关键服务。首先,Synapse性能洞察和优化服务采用位内记忆模式冲击和振动测井设备,分析工具性能,评估给定BHA设计下的最佳布局。斯伦贝谢建井钻井组合的产品冠军Gerard Johnson解释说:“该服务允许运营商在BHA中创建一个传感器和反馈的智能网络,监测井下环境,在不同应用中持续优化BHA,无论是在钻井效率方面,还是在整体设备可靠性方面。”
 
service使用自动化的、基于云的数据工作流进行运行后数据分析,使作业者能够快速识别出性能限制因素,并为未来井的BHA改进提出建议。Johnson表示:“井下、地面和地层评估数据都被上传到云端,算法将输入数据合并并同步到报告中,然后可用于生成钻井性能路线图,以优化BHA工具的布局。”
 
斯伦贝谢还可以对这些数据进行实时可视化和检查。此外,操作员人员可以放大每个报告中感兴趣的区域,使他们能够从微观角度观察底部钻具组合(BHA)的性能和钻井参数,从而能够根据油井设计和预期的井下现象进行可扩展的改进。
 
在2020年的一个项目中,运营商试图减少Marcellus页岩中高度互层地层的起下钻次数。通过Synapse服务,斯伦贝谢可以更好地了解可能影响BHA性能的井下条件和钻井功能障碍,并为作业者生成了钻井参数路线图,使他们只需使用一个钻头而不是两个钻头就可以完成该井段,这是该地区类似钻井场景通常需要的。
 
Johnson先生指出:“这不仅为运营商节省了两个钻头的运行费用和潜在的破坏性,而且还将钻井时间减少了12小时,节约了约5万美元。”
 
斯伦贝谢BHA优化工具箱中的另一个关键工具是OptiDrill实时钻井智能服务,该服务可以监测地面和井下数据,实现事件检测和定制报告。Rigsite显示器集成了井下和地面数据,提供可操作的信息,使作业者降低风险,提高井下钻井效率。
 
 
图说:Synapse是斯伦贝谢公司的一项服务,该服务使用了位内记忆模式冲击和振动测井设备来分析工具性能,并在给定的BHA设计中评估最佳布局。该服务使用基于云计算的自动数据流程进行完井后数据分析,使作业者能够快速识别出性能限制因素,并为未来井的BHA改进提出建议。 图3
 
斯伦贝谢的远程专家对实时数据进行解读,并与现场钻井工程师合作提高性能。地面数据与井径仪和随钻测井图像相结合,以评估在整个钻井过程中井筒稳定性;结合螺旋弯矩数据的检测,这些信息可以帮助作业者更平稳地钻下套管。
 
一套井下钻井力学和动力学短节使服务能够识别BHA运动的类型和严重程度,计算连续的井眼摩擦和导致钻柱失效、设备损坏和卡钻等问题的因素。该服务旨在用于短期参数优化以提高ROP,以及长期趋势分析、性能限制因素、未来井的风险和工艺改进。
 
 
墨西哥湾一家运营商在2018年开展了盐钻井活动,希望优化普通钻机活动,加强钻井作业并提高基准性能,同时确保在钻井施工期间遵守严格的HSE指导方针。Johnson先生解释说:“通过使用OptiDrill服务,运营商通过实时优化钻井参数,积极管理冲击和振动,使井底平均ROP从73英尺/小时提高到141英尺/小时。”
 
斯伦贝谢还在开发新的技术,可以使用有线钻杆进行超高速数据传输。BHAs在新能源应用方面的进步,如地热,也是公司正在进行的研究和开发工作的一部分。
 
 
优化设计程序
 
Corva认为,软件不仅可以帮助选择更好的井下设备来组成BHA,还可以通过应用程序获得的知识来优化钻井参数和性能。该公司的BHA优化应用可以通过网络平台访问,提供基于现场实时数据并确定最佳参数的定制监控和分析工具。
 
高级客户成功经理Darhan Sydykov指出,钻具组合优化应用的核心问题是:“到底什么才是好的钻具组合?“随着井下条件、井眼几何形状、井位、可用资源、地质和岩性等因素的变化,BHA的设计变化很大,因此没有一个明确的答案。
 
 
图说:Corva的BHA优化应用让技术专家更容易地获取数据,因此他们不必花费80%的时间来查看数据。如果把这些时间花在实际利用数据做出更有效的决策上,效果会好得多。该应用具有一组用户定义的图表和BHA列表,并带有彩色编码的原理图,可以深入了解BHA的整体设计。图4
 
在过去,钻井工程师可能会查看井下钻具组合的性能数据(通常以单独的报告形式提交),汇总数据,分析数据,并对今后任何变化提出建议。
 
这种重复的、耗时的过程使得技术专家们成为了Sydykov先生所说的“数据牧人”,许多人花费80%左右的时间查看数据,只有20%的人利用数据做出更有效的决策。
 
Corva认为,这一比例应该是相反的,数据应该以一种清晰易懂的方式呈现,为钻井团队提供更多的时间来分析数据并制定合适的计划。用户可以对数据进行过滤,以便进行更相关的比较。
 
这个过程首先要确保应用程序得到了良好的数据。Sydykov指出:“首先,井眼示意图和定向图被上传到Corva的云系统中,根据这些静态信息自动生成井的模板。然后,我们通过WITSML流将实时钻井数据绑定在一起,这样用户就可以接收到井下钻具组合的实时数据。通过专有算法实现的实时钻机状态检测,可以实现详细的可视化,使用户始终了解BHA条件和钻井参数。BHA和泥浆报告也可以输入,从而实现实时扭矩和阻力建模、水力建模和其他更高级的功能。”
 
BHA优化应用程序具有一组用户自定义图表和BHA列表,并带有彩色编码的原理图,可以深入了解BHA的整体设计。在每个BHA的钻井性能分类中,一个参数上的绿色或红色标识分别表示该参数是最优的或不符合规格的,这使得Corva能够与客户在每个BHA的基础上不断优化设计,作为迭代过程的一部分。了解单个钻井参数的影响,可以为钻井队更好地了解井下钻具组合在特定井下环境下的整体功能提供重要的好处。
 
钻井优化工程师Chris Schneider表示,在一项研究中,Corva的应用程序在钻五个生产直井段时发现了一口表现不佳的井。对比该井与邻井的BHA性能,然后分析单个BHA设计和钻井参数,让客户能够清楚地了解问题所在。
 
尽管井眼几何形状相似,但在钻进速度较慢的井眼时,采用了不同的BHA设计。通过观察其他四口井的性能,客户确定了最优基准井,作为该井BHA设计的模板。
 
Schneider先生总结道:“我们通过改变BHA设计,使其与使用类似钻井参数的最佳邻井相匹配,帮助客户确定了1.42天的潜在运营节约。”
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