美企使用宇航軟件算法提高定向井鉆井效率等3 則

美企使用宇航軟件算法提高定向井鉆井效率

美國監測數據管理公司（Superior QC）成立于2015年，其創辦人擁有航天工程博士學位，且在美國國家航空航天局（NASA）任職10年。目前，公司已經成為世界排名第三大的定向井公司。公司借鑒當今航天工程人工智能技術推動定向井軌跡優化，將定向鉆井技術推向未來。

世界石油定向井行業形成于上世紀30年代。創建行業原因是鉆井靶點由單一目標轉化為多個目標；鉆井軌跡也由簡單曲線變化為復雜曲線。作業者在進行定向井設計時，總是考慮是否采用“旋轉鉆柱鉆進”傳統工藝，以控制井眼軌跡。其原因是傳統工藝具有良好的經濟性，而使用非傳統工藝，例如“滑動鉆柱鉆進”，則可獲得更精確的定向效果。但由于機械鉆速低，需要專門安裝井下泥漿動力馬達，以及易于產生較大的“狗腿度”，則減弱了定向鉆進的經濟性。此外，由于當前定向井鉆進，常采用叢式井布井方式，即在井場布置多口定向井，甚至水平井需要鉆進，使得鉆井井眼軌跡更加復雜。最終使得鉆井作業人員在眾多可能軌跡曲線中，選擇最優鉆進軌跡，即精確決定哪些井段使用旋轉鉆進？哪些井段使用滑動鉆進？

監測數據管理公司使用自行開發的“定向鉆井咨詢”（DDA）軟件，以進行定向井設計。該軟件以不同的造斜點為起始點，給出不同井段的推薦滑動鉆進過程參數，并且給出不同推薦方案中的可靠性與成功率的估算值。該公司開發的定向井軟件，是從美國國家航空航天局開發的航空航天軟件，即發射太空火箭的制導、導航和控制軟件改編而成。其本質是用于定向鉆井軌跡設計的高保真與軌跡制導軟件。

公司專家認真對比兩種軌跡形成條件的異同。具體來說，即對比航天用途的航天器發射軌跡與石油定向井鉆頭軌跡的異同。兩種軌跡形成條件的共同點，是航天飛行器與定向井鉆頭的軌跡，均為多數情況平穩滑動延伸，較少情況需要轉向延伸，脫離原軌跡方向。但對于石油定向井軌跡來說，其計劃軌跡方向變化，一定少于實際鉆進中的軌跡方向變化。與之相比，航天器的計劃軌跡與實際發生軌跡之間，則無這樣的規律。

公司所開發的專門定向井軟件，使用先進的人工智能（AI）算法，實時優化鉆頭軌跡的方向改變趨勢，并在井底泥漿驅動馬達實時產生下步工況預測，以及參照各井井段參數所得到的鉆柱滑動狀態優化預測。

公司專家充分認識到航天器飛行軌跡與石油定向井鉆進軌跡的不同。航天器飛行軌跡是通過火箭燃料的燃燒實現的。由于航天器只能攜帶有限數量燃料到太空，以保證航天器所消耗的燃料最少為目標函數，而且這也是保證安全完成航天任務的關鍵。公司參照美國宇航局科學家花費數年時間生成、分析和模擬復雜的算法，以確保delta–v（通過火箭燃料的燃燒實現航天器的速度變化總和）盡可能低。換句話說，在保證完成航天任務基礎上，最小化火箭燃料消耗。

監測數據管理公司利用該方案進行定向井作業時，軟件通過獨特的軌跡優化方法，達到優化定向井軌跡目的。即設計者控制軌跡轉向頻次，只有在戰略上必要時，才推薦使用鉆頭轉向。這種定向井軌跡控制方法的基礎，是實時地面與井下鉆井數據交換。這些數據包括下部鉆具組合（BHA）與地層之間的相互作用產生的數據，以及不斷更新軌跡預測所產生的數據。

總而言之，定向井工程是通過“最小化”所需的“非計劃轉向量”，即“最小化”定向井鉆進作業過程中所有的“非預期”鉆頭方向“改變頻次”，采用了類似火箭發射軌跡控制的方法，來簡化定向鉆井軌跡設計過程。該公司依靠此軟件現場實踐，獲得預期效果。

威德福嘗試將“井下壓力管理技術”擴展到建井全過程

長期以來，“控壓鉆井”（MPD）作為一個特殊地層條件下的鉆井手段，或者說作為惡劣地質條件下完成鉆井任務的最后手段。然而，最近美國威德福公司（Weatherford）將控壓鉆井方法，嘗試推廣至整個油氣井建井作業過程。具體說，該公司將控制壓力作業，整理成一種新型井下作業解決方案，并且推廣到開發井、定向井、多邊井與水平井等井型的鉆井與完井過程。

在石油勘探與開發過程中，作業者在井眼內的每個操作，都會改變裸眼井段的壓力數值。而作業者的每項操作步驟，都要考慮將裸眼井段的壓力保持在可接受范圍內。壓力過低（造成井眼破裂或井壁坍塌），或者壓力過高（造成鉆井液流失）都是作業者不能接受的結果。于是，控壓鉆井方法就應運而生了，并且在現場獲得理想效果。

近期，威德福在道達爾能源（TotalEnergies）公司位于墨西哥灣一口井進行鉆井與固井作業時，嘗試進行全程“井下壓力管理技術”。具體說來，作業者在施工過程中，將鉆井、起下鉆、下套管和固井過程中的各工序，全部納入“井下壓力管理技術”系統中；并且以此角度解決孔隙壓力不確定性、壓力梯度增加和狹窄的孔隙壓力與裂縫梯度（PP/FG）窗口等現場技術問題?？v觀整體作業過程，操作者關注與極力保持井眼穩定性，密切監測井眼套管環空中的壓力動態變化，使各個作業步驟操作更加順利，所遇到的工程挑戰更少，同時兼顧提高油井的整體產能，降低建井的總體成本和避免工程風險。

威德福專家團隊擬定相關計劃，以“井下壓力管理技術”原理，采用底部完井方式，在裸眼井段內進行泥漿頂替，并進行酸化作業。裸眼井段的泥漿置換，是在裸眼條件下使用礫石充填方法，使用合成基泥漿（SBM）進行頂替。為了順利進行完井作業，作業人員采取控壓鉆井技術來保持裸眼井段的穩定性，并將泥漿的濾失降至最低。特別是防止裸眼井段的造斜點與井底處的ECD（等效泥漿密度）的降低。同時，還要防止合成基泥漿（SBM）沿著井眼內的工作管柱向下移動，以及泥漿在裸眼與篩網和礫石充填組件之間的環形空間作圓周方向移動。

威德福作業人員通過與實時井下監測相結合，并且根據控壓鉆井技術要求，將作業使用的防砂篩網安裝在井眼內目標深度。與此同時，現場人員嚴格控制油井的各處壓力參數，維持裸眼井段的井壁穩定性，將泥漿循環漏失降至最小，甚至無漏失。在實際作業現場，井下壓力保持在9.15ppg（1.10SG）和9.25ppg（1.11SG）范圍內，泥漿密度為8.3ppg（0.99SG）。固井人員用壓井的重鹽水，在裸眼井段實現置換；并且通過調控地面背壓和井下ECD（等效泥漿密度），成功地將泥漿損失降至最低。最終，固井人員以9.15ppg（1.10SG）壓力，將套管固井碰閥，分兩個階段泵送至井眼軌跡的造斜點與井底，以保持泥漿流動較低的損耗。同時，將節流閥安裝在井眼內的最佳位置，以避免對地面設備對節流效果造成任何影響與限制。

威德福已明確下一步技術創新方向，即在將控壓鉆井的基本原理不僅用于固井、完井作業，還逐步嘗試將“井下壓力管理技術”，運用到全面優化油田與油藏開發作業中。公司初步嘗試作業證明，在油田開發作業方面，使用“井下壓力管理技術”工具與工藝，可以提高作業效率，降低那些采用底部完井方式，并且地層壓力窗口十分狹窄的油井的作業風險。公司還嘗試將“井下壓力管理技術”用于油井棄井作業，取得初步成效。

威德福專家指出，在油田勘探與開發過程中，努力嘗試使用“井下壓力管理技術”提高作業效率，避免出現安全風險，是一條有發展前途的工藝路線。從原理來看，“井下壓力管理技術”是一種主動、精確與自適應的技術手段。這項技術從理論上與實踐上都證明，可以用于控制油氣井的環空壓力剖面，確保油氣井的井壁穩定，并在整個油井生命周期內避免發生代價高昂的油井作業事故。

地球動力學公司建立“地面模擬平臺”以觀察支撐劑流向

美國地球動力學公司（GEODynamics）近日建立壓裂過程“地面模擬平臺”，以探討支撐劑去向。成立于2001年的地球動力學公司，為北卡羅來納州（North Carolina）的一小型高科技公司，成員多來自有關大學的教授或研究人員。

這家美國公司在地面上建立一個壓裂過程的“地面模擬平臺”，研究壓裂液中的支撐劑去向，獲得預期成果。這一模擬平臺為國際間同類模擬的首例。并且相對于常規水力壓裂作業來說，該方法具有全尺寸、全壓力特點，所以模擬測試結果有相當權威性與說服力。

壓裂過程的“地面模擬平臺”由一個中心水池與13個壓裂液罐組成，每個壓裂液罐代表一個“壓裂集群”。在測試開始之前，由工程師進行主要參數的預測計算，然后將壓裂液罐注入水（壓裂液）與砂子（支撐劑），最后泵動泵組，觀察壓裂液攜帶著砂子流向何方。

在第一次石油壓裂作業現場模擬預測中，專家發現每個壓裂集群所流出的砂子量，與常規石油計算所做的預測結果，相差甚遠。具體來說，即流體和沙子在每個集群中以大致相等的比例流出。專家研究發現，中型尺寸的壓裂支撐劑（40-70目）早期集群流出較少，而后期流出更多。但如果顆粒更?。?00目），則壓裂支撐劑流出分布更加均勻。