鉆井輔助決策系統(tǒng)構(gòu)建及在渤中19-6的工程實踐

劉寶生 和鵬飛 楊保健 于忠濤 袁洪水 袁則名

1.中海石油（中國）有限公司天津分公司；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司

石油與天然氣勘探開發(fā)具有高風(fēng)險、高投入的特征，鉆井工程肩負(fù)著獲取地質(zhì)資料、建立油氣生產(chǎn)通道的使命。在鉆井過程中會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)流，包括地面各類傳感器獲得的錄井參數(shù)和井下儀器測得的相關(guān)參數(shù)，在大數(shù)據(jù)革命浪潮中，如何深入挖掘已鉆井歷史數(shù)據(jù)和綜合分析利用當(dāng)前在鉆井?dāng)?shù)據(jù)是鉆井工程面臨的挑戰(zhàn)。因此開展了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)模擬支持技術(shù)的研究，實現(xiàn)鉆井?dāng)?shù)據(jù)流的可視化和多維表達(dá)，建立鉆井遠(yuǎn)程輔助決策支持系統(tǒng)，為鉆井施工提供實時輔助決策信息。

1 技術(shù)現(xiàn)狀分析

早在20世紀(jì)80年代國外開始將信息技術(shù)應(yīng)用到生產(chǎn)指揮中［1］。到90年代，開始研究建立從采集到監(jiān)測的一體化鉆井信息系統(tǒng)，BP、道達(dá)爾等石油公司均研究并建立遠(yuǎn)程信息系統(tǒng)［2］。國內(nèi)1994年陳澤鑒［3］開展了石油天然氣鉆井信息技術(shù)分析，介紹了2種鉆完井信息系統(tǒng)，即鉆井工作站和高級鉆井信息工程。1996年張紹槐［4］等人分析了鉆井信息采集到處理應(yīng)用，提出了智能信息系統(tǒng)的思想和設(shè)計路線。2003年蔣勇［5］提出利用信息技術(shù)建立遠(yuǎn)程鉆井協(xié)同和實時指導(dǎo)、決策系統(tǒng)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程井場控制和管理，系統(tǒng)性闡述了實時決策系統(tǒng)架構(gòu)和數(shù)據(jù)流問題。2007年孫正義［6］等人開展了鉆井信息技術(shù)研究，得出鉆井信息技術(shù)發(fā)展的3個重大方向，即自動化信息采集技術(shù)、數(shù)據(jù)集成傳輸技術(shù)和遠(yuǎn)程智能決策技術(shù)，但未建立相應(yīng)的系統(tǒng)和開展技術(shù)應(yīng)用。2009年林勇［7］開展了針對復(fù)雜深井的鉆井知識集成和決策支持平臺的研究。2014年史肖燕［8］等人開展了鉆井工程數(shù)據(jù)庫的設(shè)計研究。2017年王婷［9］開展了基于移動終端鉆井信息平臺的設(shè)計研究，同年賈歡［10］針對鉆井信息因分散、結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致的信息孤島，開展了多源信息集成處理研究。

中海油在2004年前后開展建立了鉆完井靜態(tài)數(shù)據(jù)庫［11］，該系統(tǒng)具備了井場作業(yè)數(shù)據(jù)采集分析的能力，能夠為設(shè)計、施工以及決策提供鉆完井工程數(shù)據(jù)支持，同時中海油研究總院、各分公司也配備了先進(jìn)的鉆完井工程設(shè)計軟件，各分公司都安裝了井場實時監(jiān)控系統(tǒng)［12］，并且可以實時采集現(xiàn)場作業(yè)的高頻數(shù)據(jù)，但尚未深入開展數(shù)據(jù)挖掘與研究，各個系統(tǒng)相對獨立，在使用上有很大的局限性，不能進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析以及模擬計算，不能對鉆井作業(yè)過程中可能遇到的風(fēng)險進(jìn)行預(yù)測，不能給現(xiàn)場提供指導(dǎo)性的建議、沒有對鉆井作業(yè)過程形成直接的參考。基于此，開展了鉆井遠(yuǎn)程輔助決策系統(tǒng)的設(shè)計與構(gòu)建。

2 鉆井遠(yuǎn)程輔助決策系統(tǒng)的構(gòu)建及關(guān)鍵技術(shù)

鉆井遠(yuǎn)程輔助決策系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實時動態(tài)模擬、三維可視化、遠(yuǎn)程鉆井監(jiān)控，整合了原有靜態(tài)井史數(shù)據(jù)庫，新建了動態(tài)鉆完井實時曲線數(shù)據(jù)庫，結(jié)合了多款鉆井工程模擬軟件，突出實時動態(tài)的特點，可實現(xiàn)井場鉆井與遠(yuǎn)程模擬計算同步的動態(tài)過程。

2.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流架構(gòu)

數(shù)據(jù)源的采集，以現(xiàn)有井場各類地面?zhèn)鞲衅骱途聝x器傳感器為基礎(chǔ)，在井場匯入服務(wù)器，通過衛(wèi)星信號傳輸至基地服務(wù)器，再以Witsml數(shù)據(jù)庫格式輸入動態(tài)實時數(shù)據(jù)庫。而對于鉆具表、套管下入計劃表、鉆井液流變性能參數(shù)等靜態(tài)非實時傳輸數(shù)據(jù)，以原有靜態(tài)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)化報表為形式傳輸至鉆井遠(yuǎn)程輔助決策系統(tǒng)，數(shù)據(jù)流程如圖1所示。

圖1 鉆井遠(yuǎn)程輔助決策系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖Fig.1 Data flow chart of remote assistant decision-making system for well drilling

2.2 技術(shù)核心

鉆井遠(yuǎn)程輔助決策系統(tǒng)的基礎(chǔ)是動態(tài)實時數(shù)據(jù)庫，而核心包括7個子系統(tǒng)：集成鉆井模擬器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查系統(tǒng)、內(nèi)部數(shù)據(jù)流與軟件基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、診斷系統(tǒng)、三維可視化系統(tǒng)、擴(kuò)展接口系統(tǒng)以及遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，如圖2所示。通過這些子系統(tǒng)的配合使用，可以開展不同鉆井工況過程的瞬態(tài)模擬，同時井場傳感器獲得的一次參數(shù)與模擬器計算值同步比對，如扭矩、懸重、泵壓等，能夠進(jìn)行基于實時數(shù)據(jù)的動態(tài)鉆井模擬，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控及安全預(yù)警，基于動態(tài)機(jī)理模型進(jìn)行鉆井狀態(tài)與作業(yè)條件的診斷，遠(yuǎn)程鉆井專家支持與決策，井筒狀態(tài)實時模擬的虛擬現(xiàn)實技術(shù)等工作。系統(tǒng)的3個關(guān)鍵要素是：動態(tài)模擬、實時監(jiān)控、三維可視化。

圖2 鉆井遠(yuǎn)程輔助決策系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Structure of remote assistant decision-making system for well drilling

2.2.1 集成鉆井模擬器 集成鉆井模擬器的核心模型為溫度、壓力耦合的鉆井水動力模型，以及摩阻與扭矩模型、鉆速優(yōu)化模型等。

耦合水動力模型主要用于計算各個工況下的當(dāng)量密度（ECD）、壓力剖面、溫度剖面、泥漿池體積理論消耗與實際消耗的變化對比，巖屑濃度隨時間的變化與分布，起鉆下鉆過程中激動和抽汲壓力井底當(dāng)量密度，在接單根/立柱過程中靜止當(dāng)量密度（ESD）等。

摩阻與扭矩模型主要用于通過鉆井平臺地面測量數(shù)據(jù)計算井底鉆壓和鉆頭扭矩，在計算過程中使用自動校準(zhǔn)程序。輸入地面扭矩和震動監(jiān)測數(shù)據(jù)計算鉆頭扭矩。通過地面測量的摩阻與扭矩數(shù)據(jù)返算摩阻系數(shù)，經(jīng)過擬合，計算下部地層鉆進(jìn)的正常值，一旦當(dāng)監(jiān)測現(xiàn)場數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常及時報警。

機(jī)械鉆速與多模型配套，進(jìn)行井筒壓力、地層壓力、地層抗壓強(qiáng)度，鉆頭特性和鉆井水力學(xué)多因素分析。通過能量轉(zhuǎn)換守恒原理對可鉆性進(jìn)行估計。該模型同時可以分析的內(nèi)容包括：扭矩/鉆壓對機(jī)械鉆速影響，扭矩和摩阻對機(jī)械鉆速影響分析，井眼凈化監(jiān)測，井底壓力對機(jī)械鉆速影響。

2.2.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查系統(tǒng) 正確的處理和解釋鉆井過程中的實時數(shù)據(jù)被認(rèn)為是鉆井動態(tài)模擬、鉆井過程可靠解釋和分析的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查系統(tǒng)對集成鉆井模擬器提供深度與機(jī)械鉆速等關(guān)系的修正與濾波。

（1）深度與機(jī)械鉆速。由于溫度與壓力的影響，鉆具會發(fā)生一定的伸長。總垂直深度將使用測量深度和測斜數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，同時使用校準(zhǔn)數(shù)據(jù)計算機(jī)械鉆速。

（2）鉆壓與扭矩。通過修正鉤載、鉆井液浮力、摩阻等系統(tǒng)誤差，精確計算鉆頭上獲得的實際鉆壓，扭矩計算也一樣考慮頂驅(qū)電流測量誤差、系統(tǒng)誤差、摩擦力的影響進(jìn)行修正。

2.2.3 內(nèi)部數(shù)據(jù)流與軟件基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)系統(tǒng) 系統(tǒng)充分考慮了模擬器各個模塊之間、模擬器與可視化系統(tǒng)之間的海量數(shù)據(jù)交互的需要，對“實時數(shù)據(jù)”與“歷史數(shù)據(jù)”進(jìn)行有效的管理與區(qū)分。軟件架構(gòu)將確保能在上述過程中準(zhǔn)確傳遞數(shù)據(jù)。

2.2.4 擴(kuò)展接口系統(tǒng) 在調(diào)研中海油現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施以及已有各類軟件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的前提下，建立基于Witsml/Wits數(shù)據(jù)格式的標(biāo)準(zhǔn)化方案。通過擴(kuò)展接口可以與其他商業(yè)化軟件互聯(lián)，如通過Witsml數(shù)據(jù)格式與Drillworks軟件鏈接，在鉆進(jìn)過程中實時計算地層孔隙壓力并開展井壁穩(wěn)定分析。

2.2.5 診斷系統(tǒng) 在模擬與監(jiān)測的基礎(chǔ)上，對結(jié)果進(jìn)行綜合分析診斷，尤其對井下出現(xiàn)復(fù)雜情況與事故工況的診斷，主要情況有：（1）井眼清潔監(jiān)測，綜合考慮巖屑返出量、摩阻、扭矩的測量值，計算井眼凈化情況，如果出現(xiàn)異常將及時報警；漏失監(jiān)測，通過測量數(shù)據(jù)與模型計算數(shù)據(jù)對比，考慮溫度影響效果綜合判斷是否發(fā)生漏失，并盡早報警；氣侵早期監(jiān)測，使用測量數(shù)據(jù)與模型分析數(shù)據(jù)進(jìn)行氣侵、井涌早期監(jiān)測。模型綜合考慮流量變化與鉆井過程中動態(tài)溫度影響因素，避免誤報。（2）分析接單根/立柱模式之前和連接之后的數(shù)據(jù)，對比扭矩、鉤載等的變化趨勢，通過這些信息的分析，盡早發(fā)現(xiàn)井眼清潔問題并報警。（3）記錄起鉆、下鉆數(shù)據(jù)，并對異常工況產(chǎn)生早期報警（如因激動壓力產(chǎn)生地層壓裂，因為抽吸壓力導(dǎo)致井涌，巖屑床累積位置報警等）；檢查狗腿、井眼質(zhì)量的影響，分析井筒內(nèi)管柱的力學(xué)情況，例如在當(dāng)前鉆壓條件下是否發(fā)生正弦、螺旋彎曲，當(dāng)前井眼實測定向井軌跡條件下井筒鉆具疲勞情況等；考慮地層穩(wěn)定、井涌、壓裂地層各種因素的基礎(chǔ)上計算合理的極限起鉆、下鉆速度，以安全窗口范圍為基礎(chǔ)，控制ECD，反算極限操作速度。

3 實例應(yīng)用

鉆井遠(yuǎn)程輔助決策系統(tǒng)在渤海渤中19-6勘探項目中開展了應(yīng)用，累計應(yīng)用9口井，完鉆層位均在太古界潛山，基本數(shù)據(jù)見表1。

表1 渤中19-6勘探井基本數(shù)據(jù)Table 1 Basic data of exploration wells in BZ19-6 Block

3.1 瞬態(tài)實時摩阻扭矩模擬值與實際值對比

摩阻扭矩精準(zhǔn)模擬的關(guān)鍵是摩擦因數(shù)的獲取，基于此，開展了反演法獲得摩擦因數(shù)。主要是通過已鉆井扭矩、懸重或者在鉆井上部已經(jīng)鉆開井段的參數(shù)，嘗試不同摩擦因數(shù)擬合實際值，獲得比較精準(zhǔn)的摩擦因數(shù)，并將其應(yīng)用到后續(xù)作業(yè)模擬分析中。針對渤中19-6勘探項目9口井，對作業(yè)中的部分工況與關(guān)鍵節(jié)點摩阻扭矩模擬值與實測值的對比匯總見表2，可以看出在準(zhǔn)確獲得摩擦因數(shù)前提下瞬時動態(tài)模擬值平均精度達(dá)到90%以上。

3.2 瞬態(tài)實時水力學(xué)參數(shù)模擬值與實際值對比

在已有水力學(xué)參數(shù)模擬系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上，研究總結(jié)出2個精度控制的關(guān)鍵方法：優(yōu)選水力學(xué)模型和階段校正。（1）優(yōu)選水力學(xué)模型。實踐應(yīng)用表明，不同鉆井液體系對應(yīng)水力學(xué)計算模型不同，在渤中19-6區(qū)塊輔助決策遠(yuǎn)程支持中，主要以擬合法選擇水力學(xué)模型，通過現(xiàn)場實際測得的鉆井液流變學(xué)轉(zhuǎn)速（600 r/min、 300 r/min、200 r/min、100 r/min、6 r/min、3 r/min）指標(biāo)，擬合水力學(xué)模型獲得擬合度最高的結(jié)果。例如在渤中19-6-4井?311.15 mm井眼鉆至3 500 m深度時測得的鉆井液轉(zhuǎn)速參數(shù)擬合赫巴、賓漢、冪律、牛頓流體模型，其中赫巴模型的擬合度最高，牛頓模型的擬合度最差，因此優(yōu)選赫巴模型為水力學(xué)計算模型。（2）階段校正。利用底部鉆具組合打通或中途循環(huán)參數(shù)，精細(xì)調(diào)整校正底部鉆具組合壓耗，隨時與井場確認(rèn)鉆井液流變性能，及時優(yōu)化水力學(xué)模型。從表3的9口井的水力學(xué)參數(shù)模擬對比結(jié)果來看，平均精度達(dá)到90%以上。

表2 渤中19-6勘探井作業(yè)過程摩阻扭矩模擬對比Table 2 Simulation comparison of friction and torque in the operation process of exploration wells in BZ19-6 Block

3.3 地層壓力隨鉆跟蹤模擬

以dc指數(shù)法和Enton法為基礎(chǔ)，利用Drillworks軟件實時動態(tài)與現(xiàn)場錄井參數(shù)遠(yuǎn)程鏈接，同時在軟件中嵌入優(yōu)化后的計算模型、采用趨勢線（斜率、截距）和Enton指數(shù)多次回歸、階段校正、氣測錄井綜合校正等方法，成功監(jiān)測渤中19-6區(qū)塊9口勘探井，結(jié)果表明隨鉆dc指數(shù)法壓力監(jiān)測與鉆后聲波時差法計算壓力值對比，精確度達(dá)到97%以上（表4）。

表3 渤中19-6勘探井作業(yè)過程水力學(xué)參數(shù)對比Table 3 Comparison of hydraulic parameters in the operation process of exploration wells in BZ19-6 Block

表4 渤中19-6區(qū)域鉆后地層壓力分析Table 4 Analysis on the post-drilling formation pressure in BZ19-6 Block

3.4 復(fù)雜情況的遠(yuǎn)程輔助支持

渤中19-6勘探項目9口井作業(yè)中，累計發(fā)送數(shù)據(jù)分析支持報告200余次，遠(yuǎn)程組織專家復(fù)雜情況分析與支持20余次。以渤中19-6-8井為例，該井在3 780 m中完時發(fā)生井漏，監(jiān)測泵壓由23.8 MPa降至23.3 MPa（排量3 087 L/min），當(dāng)時鉆井液密度1.43 g/cm3。鉆進(jìn)期間的鉆具組合：?311.15 mm PDC鉆頭+?228.6 mm垂直導(dǎo)向工具+變扣接頭+?244.5 mm螺桿馬達(dá)+?203.2 mm無磁鉆鋌+?203.2 mm MWD+?203.2 mm無磁鉆鋌+?203.2 mm 過濾接頭+?203.2 mm 浮閥接頭+?203.2 mm 鉆鋌6根+?203.2 mm 隨鉆機(jī)械震擊器+變扣接頭+?139.7 mm加重鉆桿1根+投入式止回閥+ ?139.7 mm加重鉆桿13根+?139.7 mm鉆桿若干。

分析鉆進(jìn)至3 780 m時，采用3 087 L/min排量時，整體環(huán)空壓耗總值為0.651 MPa。模擬鉆桿在套管段的總環(huán)空壓耗為0.321 MPa，排量等參數(shù)條件與上面一致。即裸眼段自套管鞋1 670.35 m至3 780 m，段長2 109.65 m環(huán)空在3 087 L/min排量下產(chǎn)生壓耗0.33 MPa。此時考慮漏失發(fā)生時排量不變而泵壓降低0.5 MPa，可知自井口到漏點段失去循環(huán)的環(huán)空壓耗為0.5 MPa，如上所算套管內(nèi)環(huán)空產(chǎn)生0.321 MPa，也就是漏點以上有0.179 MPa，按裸眼段分配比例得到漏點以上應(yīng)有1 144 m左右段長，由此得出漏點位置應(yīng)在2 814 m左右。遠(yuǎn)程專家組通過上述分析，指示在2 814 m附近泵入堵漏鉆井液，成功實現(xiàn)堵漏。

3.5 效果分析

如表5所示，渤中22-1-2井和渤中21-2-1井完鉆層位、地層情況等與渤中19-6區(qū)塊勘探井相似，但未使用鉆井輔助決策系統(tǒng)，可以看出渤中19-6區(qū)塊9口探井在當(dāng)量鉆井周期、生產(chǎn)時效以及鉆井復(fù)雜情況及事故時間比例等指標(biāo)方面均高于渤中22-1-2和渤中21-2-1井。

3.6 技術(shù)應(yīng)用展望

數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展和在石油行業(yè)的應(yīng)用正在逐步深化，通過實時數(shù)據(jù)庫和靜態(tài)數(shù)據(jù)庫的構(gòu)架開展了渤中19-6區(qū)域探井的鉆井遠(yuǎn)程輔助決策支持技術(shù)工程實踐，取得一定的效果，結(jié)果表明通過鉆井遠(yuǎn)程輔助決策系統(tǒng)應(yīng)用，能夠為鉆井工程技術(shù)人員更好地掌握井下情況、優(yōu)化作業(yè)措施提供參考，也探索出一套基于數(shù)字化模擬分析的遠(yuǎn)程工程支持模式，具有大規(guī)模推廣應(yīng)用的前景和意義。

表5 渤中區(qū)域鉆井指標(biāo)對比Table 5 Comparison of drilling indexes in Bozhong area

4 結(jié)論與認(rèn)識

（1）通過鉆井遠(yuǎn)程輔助決策系統(tǒng)的構(gòu)建，初步實現(xiàn)井場到基地遠(yuǎn)程的鉆井工程實時動態(tài)模擬、三維可視化、遠(yuǎn)程鉆井監(jiān)控。

（2）通過建立核心實時動態(tài)數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)鉆井摩阻扭矩參數(shù)、水力學(xué)參數(shù)的動態(tài)模擬，通過與實際值的比較，能夠開展井下情況異常的預(yù)警，實踐表明模擬值的精度控制是實現(xiàn)預(yù)警的基礎(chǔ)，如摩擦因數(shù)反演、水力模型優(yōu)選和階段校正，均是以提高模擬值精度為目的。

（3）石油行業(yè)作為傳統(tǒng)行業(yè)，大數(shù)據(jù)等方式的應(yīng)用仍存在諸多困難，實踐表明不能脫離工程技術(shù)支持的基本范疇，尤其是井場復(fù)雜情況及事故出現(xiàn)時，更應(yīng)該體現(xiàn)遠(yuǎn)程技術(shù)會診支持的價值，如此才能與工程實踐更好結(jié)合并指導(dǎo)實踐。