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HESS+NOV自动化钻井系统 千锤百炼方成大器(一)

HESS+NOV自动化钻井系统 千锤百炼方成大器

自动化钻井是现代钻井的最高水平,是一个多世纪以来全世界石油钻井界一直追求与奋斗的目标。实现钻井自动化要涉及很多方面,它是一个学科门类多、技术复杂的系统工程,目前人们所做的工作和完成的各项研究成果正在朝着实现钻井自动化的目标靠近。赫斯公司和NOV为进一步完善提升其自动钻井系统在现场进行了大量试验。

来自 | SPE
编译 | 周诗雨

2014年11月,运营商批准进行自动化钻井试点测试,随后北达科他州Bakken钻井项目启动了17台钻机,目标是在2015年交付178口井。

这种规模的钻井意味着周围已有用于对比的优质邻近井。Sakakawea湖附近地区的钻井难度较大,地层随深度变化的趋势和岩石性质都不相同,这意味着需要在小范围内进行对比。该项目分别在两个不同区域的四个区块进行。图1显示了本次试验的井位。

HESS+NOV自动化钻井系统 千锤百炼方成大器

图1 A区块、B区块、C区块及D区块分布图

之前石油圈介绍了NOV推出的有线钻杆技术(点击阅读),该技术不仅能够提高钻井效率,还能实现数据高速传输,对于实现钻井操作的高重复性具有非常重要的意义。本期石油圈将介绍该有线钻杆集成在井下自动化系统中的现场应用情况。

运营商选择了带有5in有线钻杆的井下自动化系统(DHAS),他们认为实时高速的数据输送将加速整个经验学习进程。在DHAS系统的帮助下,现场作业人员实现了井下钻井环境的实时可视化并对井下环境有了一个新的认识,作业人员还可将这些认识重新应用到自动化系统中,优化钻井作业。同样运营商还认为,DHAS系统搜集来的大量数据能够反哺PDCA(策划-实施-检查-改进)循环,总结出来的经验可使整个钻井大队受益,提高作业质量。实现上述目标的方法是:指导某一钻井队作业,然后通过该队得到的经验提高整个钻井大队的作业质量。项目的主要目的是缩短作业周期,同时平衡掉在附加技术成本。

但是,各井的作业周期差异很大,钻井装备也不尽相同。为了评估DHAS改善钻井质量的速度和潜力,运营商选择了一队表现略差的钻井队进行测试。

由于只有一部分井使用了DHAS和5in有线钻杆,因此选择的时间间隔仅限于基准时间间隔。基准时间间隔包括的作业主要有:

1.回收垂直井段井下钻具组合(BHA);
2.钻穿表层套管鞋,进行地层完整性测试;
3.钻进8-3/4in垂直井段,钻至造斜点;
4.斜井段起下钻,更换BHA;
5.钻进8-3/4in斜井段;
6.起出造斜BHA。

自动化钻井系统

钻井平台由各种算法控制,利用有线钻杆将高速数据传输给各种算法,进而实现对井下钻井环境的完全控制。在正常的钻井条件下,司钻可以根据钻井认知做出判断,改善钻井的质量。人机交互界面的反应时间对于控制钻井环境特别是减缓钻井振动至关重要。当钻井人员参与其中时,DHAS可以与钻井绞车自动司钻控制系统交互,进而实现全面控制。该系统也可用于定向钻井的滑动钻进。

DHAS系统使用有线钻杆将数据通过动态测量工具以高速传输到地面。在地面,数据的接收和使用速度为0.4Hz,同时,无论是在现场还是在远程办公室都可以查看数据。其中测量的一些井下参数包括:①井下钻压;②井下扭矩;③转速;④测斜;⑤径向振动;⑥轴向振动;⑦环空压力。

当高速可视化数据流以0.4Hz的速度传输到地面时,选择频道以80Hz的速度发送回地面,帮助自动司钻实现闭环控制。该系统允许用户输入井下钻压预测值,然后向自动司钻发送命令,以期达到该值。这是通过将地面的钻压命令发送到自动司钻和监测动态测量工具所得到的井下钻压值来实现的。
DHAS可与其它成熟的系统结合使用,例如粘卡/滑动缓解系统,以实现钻井过程的稳定控制。

DHAS系统的执行团队包括钻机承包商、定向钻井供应商、自动化供应商和运营商。此外,现场还配有两个专职优化工程师,负责实时反馈数据解释,并提供参数调整建议,以改善该系统在钻井过程中的表现。同时,一个管理数据分析和项目规划的办公室团队还会为钻井现场团队提供技术支持。

改善钻井进程

通过学习能源公司采用的制造工艺,作业团队能够不断提高钻井质量和钻后油井产能。钻井团体使用了基本的PDCA流程,通过寻找和解决限制作业质量的限制因素,实现更佳的作业效果,创造更多的价值。连续改进周期包括4个关键的步骤。

1.策划:设计系统,改善功能,制定实施方案;
2.实施:落实实施方案,通过矫正措施认识和解决问题;
3.检查:对结果进行分析和扼要重述,吸取经验,进行改进;
4.改进:识别和消除限制因素,寻找和解决价值壁垒。

限制因素可能来自工艺、材料、工具或其它可能会限制油井产值的作业。决定着价值界限的限制因素是始终存在的。限制因素通常是作业方案的一部分,建立价值限制因素的概念有助于识别那些控制着标准作业进度的系统约束因子。ROP就是一种类型的价值限制因素,同时也是钻井自动化试点项目关注的重点。在自动化项目中,有三个关键的PDCA改进循环:

1、实时循环:提高系统的井下作业性能。这个循环主要涉及井场团队以及办公室支撑团队的一部分数据支持。
2、钻进循环:从备选方案中选择出最佳的系统配置,在井下实施。该循环同时涉及到井场团队和办公室支撑队伍。
3、井间循环:解决限制ROP的根本原因,重新设计系统,并将组件运送至井场。该循环主要涉及办公室支撑队伍和从井场返回的数据。

循环管理和大量数据分析同时进行,这本身就是一个重要的限制因素。观测和分析有时并不一致,这就需要更多的分析来评估钻井系统。反馈回来的可视化数据不同,解读井下信息的方式也不同,这都会导致井场和分析团队之间产生不同的观点。得到的信息和经验会尽可能的在起下钻之后和作业审查之前传输出/进每个循环。钻前会议应尽可能地整合来自三个循环的相关信息,保证现场的作业效果。

案例分析

钻井队在四个区域都进行了作业。以下是取得一些认识和改进成果。

A区块

A区块共有六口井,钻井队采用了常规技术在A区块钻取了一口井,以此作为基准井。A区块采用批次作业,即先依次钻进六个8-3/4in的垂直/斜井段,然后再钻进全部5-7/8in的水平段。对于一口典型油井,钻进8-3/4in的垂直/切线段时通常需要起下钻两次,钻进8-3/4in斜井段时需要起下钻一次。过去垂直/切线段一趟钻即可完成,但经验显示,对于Kibbey储层来说,有计划的起下钻能够提高ROP,补偿换钻头的时间。

前三口井中钻头、马达和BHA参数保持一致,以便观察应用新技术后给第二和第三口井带来的改善效果。BHA采用的该地区常用的类型,其中包括6-3/4in的光钻铤、1.5°马达、随钻测井工具和10根加重钻杆。钻头也是该地区常用的带有备用刀翼的6翼PDC钻头。钻完最初三口井后,钻进循环或井间PDCA循环就可指导停钻期间的钻头或BHA调整工作。图2显示了6口井以及各自测量作业的周期。

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图2 A区块钻井时间与全区平均值对比

基准井:该井没有采用自动钻井,循环时间比该地区的平均值少6小时。

井1:该井的主要目的是安装和测试有线钻杆以及加深团队间的熟悉度。钻井团队很快适应新技术,因此井1的钻井时间比平均值少14.5小时。

井2:安装了粘滑减缓系统。钻井队很快适应该工具,由实时数据可知,井下粘卡现象立即得到减轻,钻井性能大幅提升,节约了45小时。

井3:为了减少振动并保护钻头的切削结构,DHAS加强了对钻井参数的管理,原设计钻进8-3/4in垂直/切线段时需进行起下钻作业,但使用该系统后可取消这项作业。8-3/4in段的平均钻井时间减少了48小时。

井4:该井8-3/4in直井段的钻进速度更快,总共节约42个小时。在BHA中增加了钻铤,缓解了振动,并有助于保护钻头的切削结构。

井5:第三次一趟钻完8-3/4in的垂直井段。但是,斜井段的钻井速率较慢,浪费了一些时间,因此共节约了14小时。

图3红色框中为司钻处显示的附加井下测量频道。从该图可以看出,地面参数反映出的钻井过程较为稳定,只有轻微的振动发生。但是井下频道,特别是横向振动(标有Global Lat Mag Max 的一栏)显示最大旋转幅度达到了50g。施加更大钻压后,才变得平稳。

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图3 井下测量附加信息示例

图4为DHAS的功能。它可以通过提高地面钻压使井下钻压达到预定值。这样可以将钻速提高27.5%。同时,根据井下数据可以看到,即使参数加大,钻井环境仍然十分安全。

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图4 DHAS示例

每次起钻后,办公室优化团队都对钻头的磨损情况进行了检查,确定磨损的原因,做出改进,并对改进后的使用效果进行评估。

办公室优化团队还进行了后期分析,分析安装钻铤后的效果。分析结果表明,扭转振动、横向振动和轴向振动均有一定程度的缓解,而其中扭转振动的改善效果最为明显。图5给出了井2、井4和井5的振动水平。井2和井4只使用了加重钻杆,而井5还增加了12根钻铤。从图中可以看出,钻进直井段时,井5的振动明显减小,并且一趟钻完。

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图5 井2、4、5中的扭矩振动、横向振动和轴向振动

钻头提离井底时的振动趋势也是垂直和造斜井段都有的另一个关键限制因素。目前,钻井现场采用的标准钻头接底流程是启动自动司钻,然后提高钻速直到钻头接触井底。进行这一操作时,垂直井段内常有振动发生。振动发生在连接管柱后重新接触井底的时候,如图6所示。如果只接一次管柱,这种类型的振动可能对钻头寿命的影响很小。但是,如果出现80~90次这样的振动,则会大大增加钻头的磨损程度,最终导致钻速降低或钻头寿命缩短。

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图6 钻头在井底上方预备钻进时的横向和轴向振动情况

同样是在直井段钻进时,当钻头从滑动钻进变为旋转钻进时也会产生振动,如图7所示。这种振动的幅度比连接时产生的振动幅度要大,因此钻头的磨损会更快,钻进速度也会变慢。

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图7 由滑动钻进变为旋转钻进时的横向和轴向振动

DHAS系统在该地区的A、B、C、D区块进行了试验,并根据试验结果做出了改进,本期石油圈先介绍了该系统在A区块的试验改进情况,下期石油圈将继续介绍DHAS系统在C、D区块的试验及改进情况,敬请期待。

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白矾
石油圈认证作者
毕业于中国石油大学(华东),油气井工程硕士,长期聚焦国内外石油行业前沿技术装备信息,具有数十万字技术文献翻译经验。

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