数字化技术助力 定向钻井提高精度
时间：2018-09-28 16:04
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受近几年世界范围内油价低迷的影响，全球定 向 井 服 务 市 场 呈逐 年 下 降 趋 势， 据Mordor 智库的分析师 RajashekarLokam 统计，定向井年均工作量从2014 年的 165.5 亿美元降至 2015年 的 109.5 亿 美 元， 到 2016 年 触底，降至 67.1 亿美元。经过连续三年下降之后，随着全球油气行业回暖，深水钻井、大斜度井钻井数量增加，定向井市场逐渐复苏，2017年恢复到 96 亿美元，见图 1。然而，无论这些市场动态如何变化，或者也许是因为这样的市场动态，定向钻井技术似乎正以前所未有的速度快速发展，因为在投资缩减的情况下，提高钻井精度和井眼质量就显得更加重要。另一方面，自动化和数字化技术的进步，钻井难度的增加，促使技术公司加大力度研发与先进软件平台完全兼容的定向钻井系统，因为系统的互联性和持续优化可以为定向井技术人员提供更加高效准确的测量数据，有利于提高决策效率。
PowerDrive Xcel
惯性控制旋转导向系统随着油气勘探开发的不断深入，新油田的发现日益困难，老区剩余油、边际油藏开发成为增储上产的重要途径，加密丛式井组、老井侧钻等日益增多。针对复杂多变的地质条件， 为了提高导向精度和效率，斯伦贝谢公司研发推出了用于密集丛式井组定向钻井的 PowerDriveXcel 旋转导向系统，它通过在其方向上引入速率陀螺仪、三轴磁力计和加速度计组成的倾斜包来实现惯性控制，不易受到外界干扰，利用下行链路实现与常规控制模式的切换，能够在强磁性环境下正常工作而不受影响，有利于做好丛式井组各井之间的防碰工作。另外 Xcel 旋转导向系统能够以较大造斜率进行造斜，同时保持井眼轨道的平滑过渡，满足老井侧钻短半径水平井的定向施工要求。
巴西石油公司部署的一口侧钻井，目的层是浊积岩储层，面临的主要难点是邻井 244.5mm 套管的磁性干扰，常规的旋转导向系统需要15m 以上的距离来避免磁干扰，但是偏离过远的话有钻至砂岩的风险。使用 Xcel 旋转导向系统，侧钻轨迹距离原井眼仅 1m，以 5.33°/30 的造斜率定向钻进，克服了原井眼的强烈自干扰，轨迹数据传输正常，钻进 16m 后井斜由 82° 增至 85° ，侧钻成功，见图 2 图 3 所示。
Sperry 推靠式
精细调整旋转导向系统哈里伯顿 Serry 钻井公司计划2018 年三季度发布公司的首款推靠式旋转导向系统，见图 4。该系统能提高钻头处的钻压、扭矩和钻速控制能力，具有可靠耐用的特点，适用于非常规油气、深水钻井等多种工况。与其它推靠式旋转导向系统相比，该系统最大的特点是在比例控制方面的细化，能够实现各个方向轨迹的精细调整，实现一套工具完成直井段和水平段施工的目标。该系统使用先进性在于可计算钻头位置前 1,000 英尺处的井眼位置， 并且具有高级诊断和预测功能，可以根据系统的工作振动幅度和频率预测工作寿命，从而提前做出预防性措施，提高工具可靠性。然而，该系统真正的优势在于钻井咨询系统提供的智能化和自主决策能力，通过井下数据整合集成到钻井自动化平台中。2018 年 3 月，该系统在德克萨斯州应用 8 口井，软件实时不间断提供距设计目标不超过 3 英尺的井眼位置，工具自带的传感器每秒收集 1,000 组数据，包括振动、旋转，收集的数据传输存储在全球数据中，为后续施工提供关键决策参考依据。系统可自动根据井下振动状态改变工作模式，从而避免振动引发的疲劳失效。
Sperry 公司与 Baroid 钻井液和钻头公司联合攻关，针对性的研发与工具匹配的钻头和钻井液体系，提高钻头的定向控制能力和钻井液防塌抑制性，保持井筒稳定，有利于充分发挥工具的定向性能。Abbl 钻井作业咨询服务软件斯伦贝谢公司北美陆地钻井操作经理 Ginger Hildebrand 表示，钻井技术的目标是要尽可能打快、减少起下钻趟数，降低复杂时效。为实现这个目标，公司在前期发布了 abbl 钻井作业咨询服务软件，见图 5。它可以根据轨道设计方案提出定向操作优化措施，包括滑动钻进进尺、工具面摆放控制、马达转速等参数。截止 2017 年 11 月，该软件已在北美俄克拉荷马、特拉华等地应用超过 420 万英尺，通过现场应用数据的反馈不断优化软件，精度与前期相比大幅提高。目前该软件拥有滑动趋势学习和预测能力，在下一阶段，将增加旋转趋势监测和预测功能，其他改进还体现在提高软件对深度或地层变化造成的数据缺失和间歇性传输的能力上。
Nabors自动化控制软件平台Nabors 钻井公司自 2017 年二季度开始，根据美国巴肯、鹰滩等页岩气田 100 多口水平井的钻井施工经验，对 RigWatch Navigator软件进行了升级改进，可以自动对虑井斜、方位、漂移趋势等多项因素进行计算分析，并自动与前期的施工数据进行对比，制定最优化的技术方案，消除了软件里多项需要人为操作的模式，如电话接听、在线信息录入等，每钻进 90ft 就可以图 4 Sperry 旋转导向工具图 5 abbl 咨询服务软件界面图 6 Nabors 公司自动化控制软件接收到自动化定向系统的指令反馈，实现了地质导向与定向钻井的无缝衔接。软件能够与地质导向系统实现数据共享，如果目标靶点发生变化，系统会自动根据最新靶点数据对原方案进行优化更新，确保方案的准确性和可执行性。
在自动化钻井积累经验的基础上， 公 司 研 发 了 ROCKIT 导 向 钻井软件见图 6，计划于 2018 年三季度发行，软件整合了工具面定位控制和自动送钻功能，它利用井下数据对顶驱进行旋转钻进控制，驱动钻具组合进行滑动导向或复合钻进，从而实现对井下钻具组合的自动 化 控 制。 在 Permian 盆 地 8 口井的现场试验表明，ROCKIT 导向钻井软件的现场表现优于或等于具有丰富经验的司钻。ROCKIT 导向和 and Navigator 软 件 都 可 以 与Rigtelligent 钻井控制系统兼容，无需添加额外的硬件，可以直接在现有钻井系统上使用。正如工业革命曾经对制造业产生的巨大影响一样，数字化正在重塑制造业，工业制造商们也正将视线投入数字化领域。与之相似，自动化和数字化的发展正在改变传统油气行业，持续推动钻井技术和工具领域的革命性进步，朝着自动化和智能化钻井不断前进。
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