美企使用宇航軟件算法提高定向井鉆井效率

美國監(jiān)測數(shù)據(jù)管理公司（Superior QC）成立于2015年，其創(chuàng)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(jīng)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(yōu)化，將定向鉆井技術推向未來。

世界石油定向井行業(yè)形成于上世紀30年代。創(chuàng)建行業(yè)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(yè)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(tǒng)工藝，以控制井眼軌跡。其原因是傳統(tǒng)工藝具有良好的經(jīng)濟性，而使用非傳統(tǒng)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(chǎn)生較大的“狗腿度”，則減弱了定向鉆進的經(jīng)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(yè)人員在眾多可能軌跡曲線中，選擇最優(yōu)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(jiān)測數(shù)據(jù)管理公司使用自行開發(fā)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(shù)，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(fā)的定向井軟件，是從美國國家航空航天局開發(fā)的航空航天軟件，即發(fā)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(fā)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(shù)情況平穩(wěn)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(fā)生軌跡之間，則無這樣的規(guī)律。

公司所開發(fā)的專門定向井軟件，使用先進的人工智能（AI）算法，實時優(yōu)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(chǎn)生下步工況預測，以及參照各井井段參數(shù)所得到的鉆柱滑動狀態(tài)優(yōu)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(xiàn)的。由于航天器只能攜帶有限數(shù)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(shù)，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(shù)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(xiàn)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(jiān)測數(shù)據(jù)管理公司利用該方案進行定向井作業(yè)時，軟件通過獨特的軌跡優(yōu)化方法，達到優(yōu)化定向井軌跡目的。即設計者控制軌跡轉向頻次，只有在戰(zhàn)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(shù)據(jù)交換。這些數(shù)據(jù)包括下部鉆具組合（BHA）與地層之間的相互作用產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，以及不斷更新軌跡預測所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

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(yè)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(fā)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(xiàn)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(yè)過程。具體說，該公司將控制壓力作業(yè)，整理成一種新型井下作業(yè)解決方案，并且推廣到開發(fā)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(fā)過程中，作業(yè)者在井眼內的每個操作，都會改變裸眼井段的壓力數(shù)值。而作業(yè)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(yè)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(xiàn)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(yè)時，嘗試進行全程“井下壓力管理技術”。具體說來，作業(yè)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(tǒng)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(xiàn)場技術問題?？v觀整體作業(yè)過程，操作者關注與極力保持井眼穩(wěn)定性，密切監(jiān)測井眼套管環(huán)空中的壓力動態(tài)變化，使各個作業(yè)步驟操作更加順利，所遇到的工程挑戰(zhàn)更少，同時兼顧提高油井的整體產(chǎn)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(yè)。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(yè)，作業(yè)人員采取控壓鉆井技術來保持裸眼井段的穩(wěn)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(wǎng)和礫石充填組件之間的環(huán)形空間作圓周方向移動。

威德福作業(yè)人員通過與實時井下監(jiān)測相結合，并且根據(jù)控壓鉆井技術要求，將作業(yè)使用的防砂篩網(wǎng)安裝在井眼內目標深度。與此同時，現(xiàn)場人員嚴格控制油井的各處壓力參數(shù)，維持裸眼井段的井壁穩(wěn)定性，將泥漿循環(huán)漏失降至最小，甚至無漏失。在實際作業(yè)現(xiàn)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(xiàn)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(jié)流閥安裝在井眼內的最佳位置，以避免對地面設備對節(jié)流效果造成任何影響與限制。

威德福已明確下一步技術創(chuàng)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(yè)，還逐步嘗試將“井下壓力管理技術”，運用到全面優(yōu)化油田與油藏開發(fā)作業(yè)中。公司初步嘗試作業(yè)證明，在油田開發(fā)作業(yè)方面，使用“井下壓力管理技術”工具與工藝，可以提高作業(yè)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(yè)風險。公司還嘗試將“井下壓力管理技術”用于油井棄井作業(yè)，取得初步成效。

威德福專家指出，在油田勘探與開發(fā)過程中，努力嘗試使用“井下壓力管理技術”提高作業(yè)效率，避免出現(xiàn)安全風險，是一條有發(fā)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(huán)空壓力剖面，確保油氣井的井壁穩(wěn)定，并在整個油井生命周期內避免發(fā)生代價高昂的油井作業(yè)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(guī)水力壓裂作業(yè)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(shù)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(yè)現(xiàn)場模擬預測中，專家發(fā)現(xiàn)每個壓裂集群所流出的砂子量，與常規(guī)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(fā)現(xiàn)，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。