數(shù)字化技術(shù)助力 定向鉆井提高精度
時(shí)間：2018-09-28 16:04
來源：
作者:胡大梁
受近幾年世界范圍內(nèi)油價(jià)低迷的影響，全球定 向 井 服 務(wù) 市 場 呈逐 年 下 降 趨 勢， 據(jù)Mordor 智庫的分析師 RajashekarLokam 統(tǒng)計(jì)，定向井年均工作量從2014 年的 165.5 億美元降至 2015年 的 109.5 億 美 元， 到 2016 年 觸底，降至 67.1 億美元。經(jīng)過連續(xù)三年下降之后，隨著全球油氣行業(yè)回暖，深水鉆井、大斜度井鉆井?dāng)?shù)量增加，定向井市場逐漸復(fù)蘇，2017年恢復(fù)到 96 億美元，見圖 1。然而，無論這些市場動(dòng)態(tài)如何變化，或者也許是因?yàn)檫@樣的市場動(dòng)態(tài)，定向鉆井技術(shù)似乎正以前所未有的速度快速發(fā)展，因?yàn)樵谕顿Y縮減的情況下，提高鉆井精度和井眼質(zhì)量就顯得更加重要。另一方面，自動(dòng)化和數(shù)字化技術(shù)的進(jìn)步，鉆井難度的增加，促使技術(shù)公司加大力度研發(fā)與先進(jìn)軟件平臺(tái)完全兼容的定向鉆井系統(tǒng)，因?yàn)橄到y(tǒng)的互聯(lián)性和持續(xù)優(yōu)化可以為定向井技術(shù)人員提供更加高效準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)，有利于提高決策效率。
PowerDrive Xcel
慣性控制旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)隨著油氣勘探開發(fā)的不斷深入，新油田的發(fā)現(xiàn)日益困難，老區(qū)剩余油、邊際油藏開發(fā)成為增儲(chǔ)上產(chǎn)的重要途徑，加密叢式井組、老井側(cè)鉆等日益增多。針對(duì)復(fù)雜多變的地質(zhì)條件， 為了提高導(dǎo)向精度和效率，斯倫貝謝公司研發(fā)推出了用于密集叢式井組定向鉆井的 PowerDriveXcel 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，它通過在其方向上引入速率陀螺儀、三軸磁力計(jì)和加速度計(jì)組成的傾斜包來實(shí)現(xiàn)慣性控制，不易受到外界干擾，利用下行鏈路實(shí)現(xiàn)與常規(guī)控制模式的切換，能夠在強(qiáng)磁性環(huán)境下正常工作而不受影響，有利于做好叢式井組各井之間的防碰工作。另外 Xcel 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)能夠以較大造斜率進(jìn)行造斜，同時(shí)保持井眼軌道的平滑過渡，滿足老井側(cè)鉆短半徑水平井的定向施工要求。
巴西石油公司部署的一口側(cè)鉆井，目的層是濁積巖儲(chǔ)層，面臨的主要難點(diǎn)是鄰井 244.5mm 套管的磁性干擾，常規(guī)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)需要15m 以上的距離來避免磁干擾，但是偏離過遠(yuǎn)的話有鉆至砂巖的風(fēng)險(xiǎn)。使用 Xcel 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，側(cè)鉆軌跡距離原井眼僅 1m，以 5.33°/30 的造斜率定向鉆進(jìn)，克服了原井眼的強(qiáng)烈自干擾，軌跡數(shù)據(jù)傳輸正常，鉆進(jìn) 16m 后井斜由 82° 增至 85° ，側(cè)鉆成功，見圖 2 圖 3 所示。
Sperry 推靠式
精細(xì)調(diào)整旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)哈里伯頓 Serry 鉆井公司計(jì)劃2018 年三季度發(fā)布公司的首款推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，見圖 4。該系統(tǒng)能提高鉆頭處的鉆壓、扭矩和鉆速控制能力，具有可靠耐用的特點(diǎn)，適用于非常規(guī)油氣、深水鉆井等多種工況。與其它推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是在比例控制方面的細(xì)化，能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)方向軌跡的精細(xì)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)一套工具完成直井段和水平段施工的目標(biāo)。該系統(tǒng)使用先進(jìn)性在于可計(jì)算鉆頭位置前 1,000 英尺處的井眼位置， 并且具有高級(jí)診斷和預(yù)測功能，可以根據(jù)系統(tǒng)的工作振動(dòng)幅度和頻率預(yù)測工作壽命，從而提前做出預(yù)防性措施，提高工具可靠性。然而，該系統(tǒng)真正的優(yōu)勢在于鉆井咨詢系統(tǒng)提供的智能化和自主決策能力，通過井下數(shù)據(jù)整合集成到鉆井自動(dòng)化平臺(tái)中。2018 年 3 月，該系統(tǒng)在德克薩斯州應(yīng)用 8 口井，軟件實(shí)時(shí)不間斷提供距設(shè)計(jì)目標(biāo)不超過 3 英尺的井眼位置，工具自帶的傳感器每秒收集 1,000 組數(shù)據(jù)，包括振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)，收集的數(shù)據(jù)傳輸存儲(chǔ)在全球數(shù)據(jù)中，為后續(xù)施工提供關(guān)鍵決策參考依據(jù)。系統(tǒng)可自動(dòng)根據(jù)井下振動(dòng)狀態(tài)改變工作模式，從而避免振動(dòng)引發(fā)的疲勞失效。
Sperry 公司與 Baroid 鉆井液和鉆頭公司聯(lián)合攻關(guān)，針對(duì)性的研發(fā)與工具匹配的鉆頭和鉆井液體系，提高鉆頭的定向控制能力和鉆井液防塌抑制性，保持井筒穩(wěn)定，有利于充分發(fā)揮工具的定向性能。Abbl 鉆井作業(yè)咨詢服務(wù)軟件斯倫貝謝公司北美陸地鉆井操作經(jīng)理 Ginger Hildebrand 表示，鉆井技術(shù)的目標(biāo)是要盡可能打快、減少起下鉆趟數(shù)，降低復(fù)雜時(shí)效。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，公司在前期發(fā)布了 abbl 鉆井作業(yè)咨詢服務(wù)軟件，見圖 5。它可以根據(jù)軌道設(shè)計(jì)方案提出定向操作優(yōu)化措施，包括滑動(dòng)鉆進(jìn)進(jìn)尺、工具面擺放控制、馬達(dá)轉(zhuǎn)速等參數(shù)。截止 2017 年 11 月，該軟件已在北美俄克拉荷馬、特拉華等地應(yīng)用超過 420 萬英尺，通過現(xiàn)場應(yīng)用數(shù)據(jù)的反饋不斷優(yōu)化軟件，精度與前期相比大幅提高。目前該軟件擁有滑動(dòng)趨勢學(xué)習(xí)和預(yù)測能力，在下一階段，將增加旋轉(zhuǎn)趨勢監(jiān)測和預(yù)測功能，其他改進(jìn)還體現(xiàn)在提高軟件對(duì)深度或地層變化造成的數(shù)據(jù)缺失和間歇性傳輸?shù)哪芰ι稀?/span>
Nabors自動(dòng)化控制軟件平臺(tái)Nabors 鉆井公司自 2017 年二季度開始，根據(jù)美國巴肯、鷹灘等頁巖氣田 100 多口水平井的鉆井施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì) RigWatch Navigator軟件進(jìn)行了升級(jí)改進(jìn)，可以自動(dòng)對(duì)慮井斜、方位、漂移趨勢等多項(xiàng)因素進(jìn)行計(jì)算分析，并自動(dòng)與前期的施工數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，制定最優(yōu)化的技術(shù)方案，消除了軟件里多項(xiàng)需要人為操作的模式，如電話接聽、在線信息錄入等，每鉆進(jìn) 90ft 就可以圖 4 Sperry 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具圖 5 abbl 咨詢服務(wù)軟件界面圖 6 Nabors 公司自動(dòng)化控制軟件接收到自動(dòng)化定向系統(tǒng)的指令反饋，實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)導(dǎo)向與定向鉆井的無縫銜接。軟件能夠與地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，如果目標(biāo)靶點(diǎn)發(fā)生變化，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)根據(jù)最新靶點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)原方案進(jìn)行優(yōu)化更新，確保方案的準(zhǔn)確性和可執(zhí)行性。
在自動(dòng)化鉆井積累經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上， 公 司 研 發(fā) 了 ROCKIT 導(dǎo) 向 鉆井軟件見圖 6，計(jì)劃于 2018 年三季度發(fā)行，軟件整合了工具面定位控制和自動(dòng)送鉆功能，它利用井下數(shù)據(jù)對(duì)頂驅(qū)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)控制，驅(qū)動(dòng)鉆具組合進(jìn)行滑動(dòng)導(dǎo)向或復(fù)合鉆進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)井下鉆具組合的自動(dòng) 化 控 制。 在 Permian 盆 地 8 口井的現(xiàn)場試驗(yàn)表明，ROCKIT 導(dǎo)向鉆井軟件的現(xiàn)場表現(xiàn)優(yōu)于或等于具有豐富經(jīng)驗(yàn)的司鉆。ROCKIT 導(dǎo)向和 and Navigator 軟 件 都 可 以 與Rigtelligent 鉆井控制系統(tǒng)兼容，無需添加額外的硬件，可以直接在現(xiàn)有鉆井系統(tǒng)上使用。正如工業(yè)革命曾經(jīng)對(duì)制造業(yè)產(chǎn)生的巨大影響一樣，數(shù)字化正在重塑制造業(yè)，工業(yè)制造商們也正將視線投入數(shù)字化領(lǐng)域。與之相似，自動(dòng)化和數(shù)字化的發(fā)展正在改變傳統(tǒng)油氣行業(yè)，持續(xù)推動(dòng)鉆井技術(shù)和工具領(lǐng)域的革命性進(jìn)步，朝著自動(dòng)化和智能化鉆井不斷前進(jìn)。
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