海上高難度井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤與管理

魏剛，袁洪水，林志強(qiáng)，和鵬飛，袁則名

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司（天津300452）

海上高難度井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤與管理

魏剛，袁洪水，林志強(qiáng)，和鵬飛，袁則名

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司（天津300452）

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)高難度井的實(shí)時(shí)跟蹤，引進(jìn)了包括設(shè)計(jì)模擬、水力參數(shù)、摩阻扭矩及地層壓力實(shí)時(shí)模擬計(jì)算等功能的各類軟件，形成了針對(duì)高難度井實(shí)時(shí)跟蹤的輔助決策系統(tǒng)。該系統(tǒng)可在高難度井作業(yè)前進(jìn)行設(shè)計(jì)預(yù)演以優(yōu)化設(shè)計(jì)。在作業(yè)過(guò)程中實(shí)時(shí)模擬計(jì)算，分析了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)并提出解決措施，制定實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤及管理作業(yè)方案。目前已經(jīng)在中海油10多口高難度井作業(yè)中進(jìn)行了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤及管理，取得了良好效果，降低了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

高難度井；設(shè)計(jì)模擬；水力參數(shù)；摩阻扭矩；作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)

高難度井的鉆完井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)控制一直是海上油氣田鉆完井作業(yè)關(guān)注的重要領(lǐng)域。以前海上鉆完井作業(yè)通常做法是加強(qiáng)前期研究，現(xiàn)場(chǎng)任用經(jīng)驗(yàn)豐富的鉆完井總監(jiān)，作業(yè)發(fā)生事故時(shí)，陸地召集專家集中會(huì)診。但隨著鉆完井實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸及軟件技術(shù)的發(fā)展，可以實(shí)現(xiàn)利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)作業(yè)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬計(jì)算，以便確定風(fēng)險(xiǎn)大小，及時(shí)提示陸地管理人員和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督人員[1-5]。在目前低油價(jià)時(shí)代，海上鉆完井作業(yè)成本比陸地高，因此必須有效降低高難度井的井下作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，才能實(shí)現(xiàn)降本增效的最終目的。根據(jù)高難度井鉆完井的作業(yè)特點(diǎn)[6-8]，中海油鉆井支持中心（以下簡(jiǎn)稱鉆井支持中心）引進(jìn)了實(shí)時(shí)模擬計(jì)算功能軟件，建立了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤支持隊(duì)伍及工作制度，形成24 h陸地支持服務(wù)，有效地減少了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

1 鉆井實(shí)時(shí)在線動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建立

鉆井實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤系統(tǒng)建立在eDrilling子系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，是一個(gè)創(chuàng)新的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬、三維可視化、鉆井遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。這套系統(tǒng)使用了所有地面和井下可以獲得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)實(shí)時(shí)模擬對(duì)鉆井過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控和優(yōu)化，并且直接將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及模擬數(shù)據(jù)通過(guò)三維虛擬井筒顯示，便于專家進(jìn)行決策。

1.1 系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能

該系統(tǒng)可在高難度井作業(yè)前，先將作業(yè)程序輸入到設(shè)計(jì)模擬軟件中進(jìn)行設(shè)計(jì)預(yù)演工作，預(yù)演過(guò)程中如果出現(xiàn)模擬計(jì)算的水力參數(shù)或摩阻扭矩等異常的情況，則需要對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化以滿足實(shí)際作業(yè)。在作業(yè)過(guò)程中實(shí)時(shí)對(duì)水力參數(shù)及摩阻扭矩進(jìn)行模擬計(jì)算，由專業(yè)人員分析井眼清潔程度、卡鉆及井漏等作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，提出解決措施，對(duì)于地層壓力異常的井，則根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)分析及預(yù)測(cè)地層壓力變化情況。鉆井實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤系統(tǒng)目前應(yīng)用于深水、高溫高壓、大位移等高難度井，主要進(jìn)行鉆井井下作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)的監(jiān)測(cè)及評(píng)估，鉆具組合、作業(yè)工序和復(fù)雜情況的分析及優(yōu)化。

1.2 系統(tǒng)的主要技術(shù)要素

1）系統(tǒng)包含高級(jí)的集成瞬態(tài)鉆井模擬器，可以動(dòng)態(tài)模擬各個(gè)不同的鉆井子過(guò)程，并通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與模擬器進(jìn)行交互。目前中海油掌握的核心模型為溫度、壓力耦合的鉆井水動(dòng)力學(xué)模型，擴(kuò)展模型包括地層壓力預(yù)測(cè)模型、機(jī)械鉆速優(yōu)化模型、井壁穩(wěn)定模型、鉆柱震動(dòng)模型、摩阻扭矩模型，地質(zhì)模型、地應(yīng)力模型等，其仍需進(jìn)一步開(kāi)展相關(guān)工作。瞬態(tài)井筒溫度壓力耦合模型主要用于如下計(jì)算內(nèi)容：鉆進(jìn)、循環(huán)過(guò)程中，循環(huán)當(dāng)量密度剖面（ECD）、壓力剖面、溫度剖面、泥漿池液面等隨時(shí)間的變化關(guān)系。鉆井過(guò)程巖屑隨時(shí)間的變化與分布，一旦形成的巖屑床超過(guò)警戒值，系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警，如圖1所示。起下鉆過(guò)程中的瞬態(tài)溫度、壓力計(jì)算，在接單根、測(cè)試過(guò)程中靜止當(dāng)量密度（ESD）計(jì)算，從靜置到流動(dòng)的啟動(dòng)過(guò)程中溫度、壓力的瞬態(tài)變化。

圖1 實(shí)時(shí)ECD瞬態(tài)模擬計(jì)算

2）基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與動(dòng)態(tài)鉆井模擬進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控及安全預(yù)警，如圖2所示。

圖2 遠(yuǎn)程監(jiān)控界面

3）基于動(dòng)態(tài)機(jī)理模型進(jìn)行鉆井狀態(tài)與作業(yè)條件的診斷。

4）遠(yuǎn)程鉆井專家支持與決策系統(tǒng)。實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)與模型計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并將比較信息展現(xiàn)給鉆井專家。分析實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與模型間的偏差，提交最可能的解釋結(jié)論，并且力求降低虛假信息的誤報(bào)率。

5）高級(jí)可視化技術(shù)、井筒狀態(tài)實(shí)時(shí)模擬的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，如圖3所示。該系統(tǒng)使決策者能清晰看到井及井筒周圍地層情況，從而更快更好地了解當(dāng)前的狀態(tài)并進(jìn)行決策。當(dāng)出現(xiàn)問(wèn)題或異常情況，系統(tǒng)呼叫提醒鉆井專家，使他們很快能夠掌握當(dāng)前相關(guān)情況，并作出正確的決定。統(tǒng)一的虛擬井筒瀏覽器界面為所有管理者和鉆井專家共同參與決策使用，無(wú)論在陸地還是海上鉆井平臺(tái)，都不受限制。

6）基于數(shù)據(jù)流和工作流的軟件系統(tǒng)架構(gòu)，如圖4所示。

2 運(yùn)作模式與實(shí)現(xiàn)內(nèi)容

為了有效降低現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)，鉆井支持中心制定了一系列實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤制度，監(jiān)控并分析每個(gè)作業(yè)節(jié)點(diǎn)的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 虛擬井筒顯示

圖4 eDrilling系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 鉆進(jìn)作業(yè)前

1）與項(xiàng)目組人員溝通，明確項(xiàng)目組聯(lián)系人，獲取基本設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)、鄰井測(cè)井資料等。

2）區(qū)塊數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。對(duì)監(jiān)測(cè)井區(qū)塊鄰井井史、鉆井參數(shù)、事故復(fù)雜情況、施工難點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)歸納，供監(jiān)測(cè)人員掌握。

3）根據(jù)施工設(shè)計(jì)，在模擬軟件中編寫(xiě)基礎(chǔ)配置文件，并在軟件中建立各工況的模型，進(jìn)行各種工況模擬，分析是否存在風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于在模擬中出現(xiàn)異常的井，提出優(yōu)化建議。

4）根據(jù)鄰井測(cè)井資料，使用壓力預(yù)測(cè)軟件預(yù)測(cè)三壓力曲線；并與設(shè)計(jì)中的預(yù)測(cè)進(jìn)行對(duì)比，如有異常，及時(shí)提出優(yōu)化建議。

5）根據(jù)施工設(shè)計(jì)，計(jì)算每趟鉆具組合的臨界轉(zhuǎn)速，計(jì)算不同轉(zhuǎn)速下的鉆具受力情況，提供最佳轉(zhuǎn)速推薦。

6）對(duì)于不同類型的井，對(duì)鄰井作業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的反演，以指導(dǎo)該井鉆井作業(yè)。

2.2 正常鉆進(jìn)期間

1）首先與項(xiàng)目組聯(lián)系人現(xiàn)場(chǎng)溝通，確認(rèn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)傳回的懸重、泵壓、扭矩、排量、鉆井液性能等數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。

2）每隔6h，根據(jù)當(dāng)前作業(yè)狀況，對(duì)當(dāng)前作業(yè)井段的懸重、泵壓、扭矩進(jìn)行總結(jié)、分析。對(duì)未來(lái)6h內(nèi)的作業(yè)參數(shù)（懸重、泵壓、扭矩及循環(huán)當(dāng)量密度等）進(jìn)行預(yù)測(cè)，如存在風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)預(yù)警。

3）計(jì)算正常鉆進(jìn)時(shí)巖屑堆積的最大機(jī)械鉆速。

4）根據(jù)鄰井和本井隨鉆（實(shí)測(cè)）測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，及時(shí)用壓力預(yù)測(cè)軟件修正地層3個(gè)壓力的預(yù)測(cè)結(jié)果。

5）如存在易漏層位，根據(jù)易漏層的承壓能力，計(jì)算出該處的最大循環(huán)排量、最大起下鉆速度。

6）如存在易溢流層位，根據(jù)易溢流層位孔隙壓力情況，計(jì)算出該位置處的最小鉆井液密度、最大起下鉆速度。

7）如鉆井液密度選擇窗口狹窄，根據(jù)地層3個(gè)壓力的預(yù)測(cè)及實(shí)測(cè)結(jié)果，預(yù)測(cè)不同工況、不同排量下的循環(huán)當(dāng)量比重。

2.3 起下鉆期間

1）根據(jù)上層套管內(nèi)、裸眼內(nèi)起下鉆時(shí)的懸重?cái)?shù)據(jù)，推算摩阻系數(shù)。

2）根據(jù)摩阻系數(shù)，計(jì)算下一趟鉆具或管柱懸重是否能夠下到位（第一趟鉆具在作業(yè)前計(jì)算）；如果鉆具無(wú)法正常下入，提出鉆具組合優(yōu)化建議。

3）根據(jù)地層情況，計(jì)算抽吸激動(dòng)壓力（確定最大起下鉆速度）。

2.4 劃眼和倒劃眼期間

1）通過(guò)分析懸重、扭矩變化趨勢(shì)，計(jì)算摩阻系數(shù)、井眼清潔度等確定卡鉆風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

2）對(duì)比井底循環(huán)當(dāng)量、密度與地層3個(gè)壓力的關(guān)系，根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的泵排量、泵壓和泥漿池體積變化情況，確定溢流、井漏風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

3）風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別在中、高級(jí)時(shí)，提出相應(yīng)技術(shù)措施；風(fēng)險(xiǎn)較低時(shí)，提出相應(yīng)的處置方法，主要包括循環(huán)排屑、替稠漿、控制（倒）劃眼速度、改變（倒）劃眼參數(shù)等。

2.5 下套管及固井期間

1）根據(jù)地層三壓力預(yù)測(cè)及實(shí)測(cè)結(jié)果，計(jì)算最大下套管速度和套管到位后的最大循環(huán)排量。

2）下套管前對(duì)設(shè)計(jì)的管柱進(jìn)行敏感性分析，優(yōu)化管柱組合，結(jié)合通井情況，通過(guò)分析下套管時(shí)的懸重變化趨勢(shì)和摩阻系數(shù)，確定卡套管風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

3）下套管前完成水力計(jì)算和最大下套管速度計(jì)算，下套管時(shí)監(jiān)測(cè)灌漿量、排替量和鉆井液池體積變化，結(jié)合鉆井液性能、下套管速度，計(jì)算的激動(dòng)壓力，確定井漏風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

4）風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別在中、高級(jí)時(shí)，提出相應(yīng)技術(shù)措施；風(fēng)險(xiǎn)較低時(shí)，提出相應(yīng)的處置方法，主要包括下套管前的水力和敏感性分析、管柱組合和扶正器位置、井眼清潔、鉆井液性能調(diào)整、控制下套管速度、監(jiān)測(cè)套管下入到底循環(huán)情況等。

5）根據(jù)固井設(shè)計(jì)，使用軟件動(dòng)態(tài)模擬固井全過(guò)程，如存在問(wèn)題，及時(shí)進(jìn)行提醒。

6）通過(guò)設(shè)計(jì)模擬軟件模擬固井過(guò)程中井底及套管鞋處的循環(huán)當(dāng)量密度變化，進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比，監(jiān)控井漏風(fēng)險(xiǎn)。

2.6 事故及復(fù)雜情況發(fā)生時(shí)

1）發(fā)生卡鉆時(shí)卡點(diǎn)計(jì)算、最大扭矩計(jì)算。

2）發(fā)生溢流、井涌時(shí)關(guān)井后的壓井計(jì)算、井涌余量計(jì)算。

3）協(xié)助組織中海油專家、總監(jiān)進(jìn)行視頻會(huì)議，利用回放功能查看歷史曲線、分析異常數(shù)據(jù)，確定事故原因。

4）協(xié)助項(xiàng)目組論證處置方案可行性，運(yùn)用軟件進(jìn)行反演驗(yàn)證。

5）通過(guò)軟件實(shí)時(shí)顯示處理過(guò)程，進(jìn)行全程監(jiān)控，實(shí)時(shí)指導(dǎo)直至事故及復(fù)雜情況處理完畢。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 A油田A8井循環(huán)當(dāng)量密度模擬分析

A8井設(shè)計(jì)216 mm井段鉆進(jìn)至潛山地層完鉆，潛山地層漏失風(fēng)險(xiǎn)較高。實(shí)際216 mm井段鉆進(jìn)期間，鉆井液密度逐步提高至1.55 g/cm3，輔助決策軟件模擬套管鞋處循環(huán)當(dāng)量密度為1.707 g/cm3，井底循環(huán)當(dāng)量密度為1.711 g/cm3，已經(jīng)達(dá)到了后續(xù)潛山井段地層破裂壓力，如果繼續(xù)利用216 mm井段完成潛山地層鉆井作業(yè)，則存在極大的潛山井漏風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)已鉆開(kāi)裸眼井段孔隙壓力較高，發(fā)生井漏后極易發(fā)生上噴下漏的情況，漏失、溢流及井壁失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)高。輔助決策人員通過(guò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤系統(tǒng)，建議啟用備用井身結(jié)構(gòu)方案，在潛山地層頂部中完，利用152.4 mm井段及合適密度的鉆井液鉆進(jìn)潛山。后續(xù)152.4 mm井段鉆井順利，無(wú)復(fù)雜情況發(fā)生。

3.2 B油田B2H井井筒壓力監(jiān)控

B油田B2H井在311 mm井段鉆進(jìn)至4 800 m（垂深4 003 m）時(shí)，通過(guò)作業(yè)參數(shù)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)前期地層壓力預(yù)測(cè)與實(shí)際偏差較大，輔助決策人員通過(guò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤系統(tǒng)，根據(jù)鄰井以及本井的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，預(yù)測(cè)及更正地層三壓力的變化趨勢(shì)線，發(fā)現(xiàn)目前鉆井液密度偏低，建議現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)提高鉆井液密度，最終成功避免了溢流發(fā)生，順利地完成了該井段的作業(yè)。

3.3 C油田A1井固井模擬

244.5 mm套管固井設(shè)計(jì)前33 m3頂替泵速為1.3 m3/min，后29 m3頂替泵速為0.65 m3/min。輔助決策人員通過(guò)輔助決策軟件模擬反演固井設(shè)計(jì)，計(jì)算頂替過(guò)程中井底最大循環(huán)當(dāng)量密度為1.97 g/cm3，該計(jì)算結(jié)果已經(jīng)超過(guò)薄弱地層的漏失壓力，也高于地漏試驗(yàn)壓力值，漏失風(fēng)險(xiǎn)高，建議對(duì)固井設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。項(xiàng)目組優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)際固井過(guò)程上層套管管鞋處循環(huán)當(dāng)量密度為1.92 g/cm3，固井作業(yè)順利進(jìn)行，無(wú)漏失發(fā)生。

通過(guò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤系統(tǒng)的跟蹤管理，重點(diǎn)跟蹤井的復(fù)雜情況處理時(shí)間大大減少[9-10]。鉆井支持中心2015年相繼跟蹤了10多口井，均取得了較好的應(yīng)用效果。以A油田A8井為例，311 mm井段復(fù)雜情況處理時(shí)間相比鄰井減少71%，216 mm井段復(fù)雜情況處理時(shí)間相比鄰井減少78%。

4 結(jié)論與建議

1）高難度井的應(yīng)用實(shí)例表明，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤管理制度的建立對(duì)鉆完井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)時(shí)控制起到了良好的保障作用。

2）通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)跟蹤管理，模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況吻合很好，能夠給予現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)結(jié)果，可對(duì)大多數(shù)鉆井井下作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)提前預(yù)防。

3）通過(guò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤系統(tǒng)的應(yīng)用，有效地減少了高難度井的鉆完井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)控制，重點(diǎn)跟蹤井的復(fù)雜情況處理時(shí)間大大減少。

4）隨著石油勘探向深水鉆井、復(fù)雜地質(zhì)條件下的深井超深井鉆井方向發(fā)展，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤系統(tǒng)的應(yīng)用前景越來(lái)越廣闊。

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In order to real-time track high-difficulty well,various types of software for design simulation and the real-time simulation calculation of hydraulic parameters,friction torque and formation pressure are introduced to form a assistant decision system for realtime tracking of high difficulty well.The system can be used for the design preview of high-difficulty well operation so as to optimize the design.In the operation process,real-time simulation calculation is carried out in order to analyze operational risk,to propose solution measures and to develop the real-time tracking and management programs of operation.The system has been used in more than 10 high difficulty well operations of CNOOC,good results are achieved,and the operating risk of high difficulty well is reduced.

high-difficulty well;design simulation;hydraulic parameter;friction torque;operational risk

王梅

2017-03-08

魏剛（1978-），男，高級(jí)工程師，主要從事海上鉆井信息化研究與實(shí)踐工作。