美企使用宇航软件算法提高定向井钻井效率等3 则

美企使用宇航软件算法提高定向井钻井效率

美国监测数据管理公司（Superior QC）成立于2015年，其创办人拥有航天工程博士学位，且在美国国家航空航天局（NASA）任职10年。目前，公司已经成为世界排名第三大的定向井公司。公司借鉴当今航天工程人工智能技术推动定向井轨迹优化，将定向钻井技术推向未来。

世界石油定向井行业形成于上世纪30年代。创建行业原因是钻井靶点由单一目标转化为多个目标；钻井轨迹也由简单曲线变化为复杂曲线。作业者在进行定向井设计时，总是考虑是否采用“旋转钻柱钻进”传统工艺，以控制井眼轨迹。其原因是传统工艺具有良好的经济性，而使用非传统工艺，例如“滑动钻柱钻进”，则可获得更精确的定向效果。但由于机械钻速低，需要专门安装井下泥浆动力马达，以及易于产生较大的“狗腿度”，则减弱了定向钻进的经济性。此外，由于当前定向井钻进，常采用丛式井布井方式，即在井场布置多口定向井，甚至水平井需要钻进，使得钻井井眼轨迹更加复杂。最终使得钻井作业人员在众多可能轨迹曲线中，选择最优钻进轨迹，即精确决定哪些井段使用旋转钻进？哪些井段使用滑动钻进？

监测数据管理公司使用自行开发的“定向钻井咨询”（DDA）软件，以进行定向井设计。该软件以不同的造斜点为起始点，给出不同井段的推荐滑动钻进过程参数，并且给出不同推荐方案中的可靠性与成功率的估算值。该公司开发的定向井软件，是从美国国家航空航天局开发的航空航天软件，即发射太空火箭的制导、导航和控制软件改编而成。其本质是用于定向钻井轨迹设计的高保真与轨迹制导软件。

公司专家认真对比两种轨迹形成条件的异同。具体来说，即对比航天用途的航天器发射轨迹与石油定向井钻头轨迹的异同。两种轨迹形成条件的共同点，是航天飞行器与定向井钻头的轨迹，均为多数情况平稳滑动延伸，较少情况需要转向延伸，脱离原轨迹方向。但对于石油定向井轨迹来说，其计划轨迹方向变化，一定少于实际钻进中的轨迹方向变化。与之相比，航天器的计划轨迹与实际发生轨迹之间，则无这样的规律。

公司所开发的专门定向井软件，使用先进的人工智能（AI）算法，实时优化钻头轨迹的方向改变趋势，并在井底泥浆驱动马达实时产生下步工况预测，以及参照各井井段参数所得到的钻柱滑动状态优化预测。

公司专家充分认识到航天器飞行轨迹与石油定向井钻进轨迹的不同。航天器飞行轨迹是通过火箭燃料的燃烧实现的。由于航天器只能携带有限数量燃料到太空，以保证航天器所消耗的燃料最少为目标函数，而且这也是保证安全完成航天任务的关键。公司参照美国宇航局科学家花费数年时间生成、分析和模拟复杂的算法，以确保delta–v（通过火箭燃料的燃烧实现航天器的速度变化总和）尽可能低。换句话说，在保证完成航天任务基础上，最小化火箭燃料消耗。

监测数据管理公司利用该方案进行定向井作业时，软件通过独特的轨迹优化方法，达到优化定向井轨迹目的。即设计者控制轨迹转向频次，只有在战略上必要时，才推荐使用钻头转向。这种定向井轨迹控制方法的基础，是实时地面与井下钻井数据交换。这些数据包括下部钻具组合（BHA）与地层之间的相互作用产生的数据，以及不断更新轨迹预测所产生的数据。

总而言之，定向井工程是通过“最小化”所需的“非计划转向量”，即“最小化”定向井钻进作业过程中所有的“非预期”钻头方向“改变频次”，采用了类似火箭发射轨迹控制的方法，来简化定向钻井轨迹设计过程。该公司依靠此软件现场实践，获得预期效果。

威德福尝试将“井下压力管理技术”扩展到建井全过程

长期以来，“控压钻井”（MPD）作为一个特殊地层条件下的钻井手段，或者说作为恶劣地质条件下完成钻井任务的最后手段。然而，最近美国威德福公司（Weatherford）将控压钻井方法，尝试推广至整个油气井建井作业过程。具体说，该公司将控制压力作业，整理成一种新型井下作业解决方案，并且推广到开发井、定向井、多边井与水平井等井型的钻井与完井过程。

在石油勘探与开发过程中，作业者在井眼内的每个操作，都会改变裸眼井段的压力数值。而作业者的每项操作步骤，都要考虑将裸眼井段的压力保持在可接受范围内。压力过低（造成井眼破裂或井壁坍塌），或者压力过高（造成钻井液流失）都是作业者不能接受的结果。于是，控压钻井方法就应运而生了，并且在现场获得理想效果。

近期，威德福在道达尔能源（TotalEnergies）公司位于墨西哥湾一口井进行钻井与固井作业时，尝试进行全程“井下压力管理技术”。具体说来，作业者在施工过程中，将钻井、起下钻、下套管和固井过程中的各工序，全部纳入“井下压力管理技术”系统中；并且以此角度解决孔隙压力不确定性、压力梯度增加和狭窄的孔隙压力与裂缝梯度（PP/FG）窗口等现场技术问题。纵观整体作业过程，操作者关注与极力保持井眼稳定性，密切监测井眼套管环空中的压力动态变化，使各个作业步骤操作更加顺利，所遇到的工程挑战更少，同时兼顾提高油井的整体产能，降低建井的总体成本和避免工程风险。

威德福专家团队拟定相关计划，以“井下压力管理技术”原理，采用底部完井方式，在裸眼井段内进行泥浆顶替，并进行酸化作业。裸眼井段的泥浆置换，是在裸眼条件下使用砾石充填方法，使用合成基泥浆（SBM）进行顶替。为了顺利进行完井作业，作业人员采取控压钻井技术来保持裸眼井段的稳定性，并将泥浆的滤失降至最低。特别是防止裸眼井段的造斜点与井底处的ECD（等效泥浆密度）的降低。同时，还要防止合成基泥浆（SBM）沿着井眼内的工作管柱向下移动，以及泥浆在裸眼与筛网和砾石充填组件之间的环形空间作圆周方向移动。

威德福作业人员通过与实时井下监测相结合，并且根据控压钻井技术要求，将作业使用的防砂筛网安装在井眼内目标深度。与此同时，现场人员严格控制油井的各处压力参数，维持裸眼井段的井壁稳定性，将泥浆循环漏失降至最小，甚至无漏失。在实际作业现场，井下压力保持在9.15ppg（1.10SG）和9.25ppg（1.11SG）范围内，泥浆密度为8.3ppg（0.99SG）。固井人员用压井的重盐水，在裸眼井段实现置换；并且通过调控地面背压和井下ECD（等效泥浆密度），成功地将泥浆损失降至最低。最终，固井人员以9.15ppg（1.10SG）压力，将套管固井碰阀，分两个阶段泵送至井眼轨迹的造斜点与井底，以保持泥浆流动较低的损耗。同时，将节流阀安装在井眼内的最佳位置，以避免对地面设备对节流效果造成任何影响与限制。

威德福已明确下一步技术创新方向，即在将控压钻井的基本原理不仅用于固井、完井作业，还逐步尝试将“井下压力管理技术”，运用到全面优化油田与油藏开发作业中。公司初步尝试作业证明，在油田开发作业方面，使用“井下压力管理技术”工具与工艺，可以提高作业效率，降低那些采用底部完井方式，并且地层压力窗口十分狭窄的油井的作业风险。公司还尝试将“井下压力管理技术”用于油井弃井作业，取得初步成效。

威德福专家指出，在油田勘探与开发过程中，努力尝试使用“井下压力管理技术”提高作业效率，避免出现安全风险，是一条有发展前途的工艺路线。从原理来看，“井下压力管理技术”是一种主动、精确与自适应的技术手段。这项技术从理论上与实践上都证明，可以用于控制油气井的环空压力剖面，确保油气井的井壁稳定，并在整个油井生命周期内避免发生代价高昂的油井作业事故。

地球动力学公司建立“地面模拟平台”以观察支撑剂流向

美国地球动力学公司（GEODynamics）近日建立压裂过程“地面模拟平台”，以探讨支撑剂去向。成立于2001年的地球动力学公司，为北卡罗来纳州（North Carolina）的一小型高科技公司，成员多来自有关大学的教授或研究人员。

这家美国公司在地面上建立一个压裂过程的“地面模拟平台”，研究压裂液中的支撑剂去向，获得预期成果。这一模拟平台为国际间同类模拟的首例。并且相对于常规水力压裂作业来说，该方法具有全尺寸、全压力特点，所以模拟测试结果有相当权威性与说服力。

压裂过程的“地面模拟平台”由一个中心水池与13个压裂液罐组成，每个压裂液罐代表一个“压裂集群”。在测试开始之前，由工程师进行主要参数的预测计算，然后将压裂液罐注入水（压裂液）与砂子（支撑剂），最后泵动泵组，观察压裂液携带着砂子流向何方。

在第一次石油压裂作业现场模拟预测中，专家发现每个压裂集群所流出的砂子量，与常规石油计算所做的预测结果，相差甚远。具体来说，即流体和沙子在每个集群中以大致相等的比例流出。专家研究发现，中型尺寸的压裂支撑剂（40-70目）早期集群流出较少，而后期流出更多。但如果颗粒更小（100目），则压裂支撑剂流出分布更加均匀。