海上高難度井作業風險的實時動態跟蹤與管理

魏剛，袁洪水，林志強，和鵬飛，袁則名

中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司（天津300452）

海上高難度井作業風險的實時動態跟蹤與管理

魏剛，袁洪水，林志強，和鵬飛，袁則名

中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司（天津300452）

為了實現對高難度井的實時跟蹤，引進了包括設計模擬、水力參數、摩阻扭矩及地層壓力實時模擬計算等功能的各類軟件，形成了針對高難度井實時跟蹤的輔助決策系統。該系統可在高難度井作業前進行設計預演以優化設計。在作業過程中實時模擬計算，分析了作業風險并提出解決措施，制定實時動態跟蹤及管理作業方案。目前已經在中海油10多口高難度井作業中進行了實時動態跟蹤及管理，取得了良好效果，降低了現場作業風險。

高難度井；設計模擬；水力參數；摩阻扭矩；作業風險

高難度井的鉆完井作業風險控制一直是海上油氣田鉆完井作業關注的重要領域。以前海上鉆完井作業通常做法是加強前期研究，現場任用經驗豐富的鉆完井總監，作業發生事故時，陸地召集專家集中會診。但隨著鉆完井實時數據傳輸及軟件技術的發展，可以實現利用實時數據對作業情況進行實時模擬計算，以便確定風險大小，及時提示陸地管理人員和現場監督人員[1-5]。在目前低油價時代，海上鉆完井作業成本比陸地高，因此必須有效降低高難度井的井下作業風險，才能實現降本增效的最終目的。根據高難度井鉆完井的作業特點[6-8]，中海油鉆井支持中心（以下簡稱鉆井支持中心）引進了實時模擬計算功能軟件，建立了實時動態跟蹤支持隊伍及工作制度，形成24 h陸地支持服務，有效地減少了現場作業風險。

1 鉆井實時在線動態系統的建立

鉆井實時動態跟蹤系統建立在eDrilling子系統的基礎上，是一個創新的實時動態模擬、三維可視化、鉆井遠程監控系統。這套系統使用了所有地面和井下可以獲得的實時數據，通過實時模擬對鉆井過程進行監控和優化，并且直接將實時數據及模擬數據通過三維虛擬井筒顯示，便于專家進行決策。

1.1 系統主要實現的功能

該系統可在高難度井作業前，先將作業程序輸入到設計模擬軟件中進行設計預演工作，預演過程中如果出現模擬計算的水力參數或摩阻扭矩等異常的情況，則需要對設計進一步優化以滿足實際作業。在作業過程中實時對水力參數及摩阻扭矩進行模擬計算，由專業人員分析井眼清潔程度、卡鉆及井漏等作業風險，提出解決措施，對于地層壓力異常的井，則根據實時測井數據分析及預測地層壓力變化情況。鉆井實時動態跟蹤系統目前應用于深水、高溫高壓、大位移等高難度井，主要進行鉆井井下作業風險的監測及評估，鉆具組合、作業工序和復雜情況的分析及優化。

1.2 系統的主要技術要素

1）系統包含高級的集成瞬態鉆井模擬器，可以動態模擬各個不同的鉆井子過程，并通過實時數據與模擬器進行交互。目前中海油掌握的核心模型為溫度、壓力耦合的鉆井水動力學模型，擴展模型包括地層壓力預測模型、機械鉆速優化模型、井壁穩定模型、鉆柱震動模型、摩阻扭矩模型，地質模型、地應力模型等，其仍需進一步開展相關工作。瞬態井筒溫度壓力耦合模型主要用于如下計算內容：鉆進、循環過程中，循環當量密度剖面（ECD）、壓力剖面、溫度剖面、泥漿池液面等隨時間的變化關系。鉆井過程巖屑隨時間的變化與分布，一旦形成的巖屑床超過警戒值，系統進行報警，如圖1所示。起下鉆過程中的瞬態溫度、壓力計算，在接單根、測試過程中靜止當量密度（ESD）計算，從靜置到流動的啟動過程中溫度、壓力的瞬態變化。

圖1 實時ECD瞬態模擬計算

2）基于實時數據與動態鉆井模擬進行遠程監控及安全預警，如圖2所示。

圖2 遠程監控界面

3）基于動態機理模型進行鉆井狀態與作業條件的診斷。

4）遠程鉆井專家支持與決策系統。實時測量數據與模型計算數據進行比較，并將比較信息展現給鉆井專家。分析實時數據與模型間的偏差，提交最可能的解釋結論，并且力求降低虛假信息的誤報率。

5）高級可視化技術、井筒狀態實時模擬的虛擬現實技術，如圖3所示。該系統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前的狀態并進行決策。當出現問題或異常情況，系統呼叫提醒鉆井專家，使他們很快能夠掌握當前相關情況，并作出正確的決定。統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，無論在陸地還是海上鉆井平臺，都不受限制。

6）基于數據流和工作流的軟件系統架構，如圖4所示。

2 運作模式與實現內容

為了有效降低現場風險，鉆井支持中心制定了一系列實時動態跟蹤制度，監控并分析每個作業節點的作業風險。

圖3 虛擬井筒顯示

圖4 eDrilling系統軟件架構設計

2.1 鉆進作業前

1）與項目組人員溝通，明確項目組聯系人，獲取基本設計、施工設計、鄰井測井資料等。

2）區塊數據統計。對監測井區塊鄰井井史、鉆井參數、事故復雜情況、施工難點進行統計歸納，供監測人員掌握。

3）根據施工設計，在模擬軟件中編寫基礎配置文件，并在軟件中建立各工況的模型，進行各種工況模擬，分析是否存在風險，對于在模擬中出現異常的井，提出優化建議。

4）根據鄰井測井資料，使用壓力預測軟件預測三壓力曲線；并與設計中的預測進行對比，如有異常，及時提出優化建議。

5）根據施工設計，計算每趟鉆具組合的臨界轉速，計算不同轉速下的鉆具受力情況，提供最佳轉速推薦。

6）對于不同類型的井，對鄰井作業數據進行相應的反演，以指導該井鉆井作業。

2.2 正常鉆進期間

1）首先與項目組聯系人現場溝通，確認基礎數據的準確性，并對現場傳回的懸重、泵壓、扭矩、排量、鉆井液性能等數據的準確性進行驗證。

2）每隔6h，根據當前作業狀況，對當前作業井段的懸重、泵壓、扭矩進行總結、分析。對未來6h內的作業參數（懸重、泵壓、扭矩及循環當量密度等）進行預測，如存在風險，及時預警。

3）計算正常鉆進時巖屑堆積的最大機械鉆速。

4）根據鄰井和本井隨鉆（實測）測井數據，及時用壓力預測軟件修正地層3個壓力的預測結果。

5）如存在易漏層位，根據易漏層的承壓能力，計算出該處的最大循環排量、最大起下鉆速度。

6）如存在易溢流層位，根據易溢流層位孔隙壓力情況，計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，根據地層3個壓力的預測及實測結果，預測不同工況、不同排量下的循環當量比重。

2.3 起下鉆期間

1）根據上層套管內、裸眼內起下鉆時的懸重數據，推算摩阻系數。

2）根據摩阻系數，計算下一趟鉆具或管柱懸重是否能夠下到位（第一趟鉆具在作業前計算）；如果鉆具無法正常下入，提出鉆具組合優化建議。

3）根據地層情況，計算抽吸激動壓力（確定最大起下鉆速度）。

2.4 劃眼和倒劃眼期間

1）通過分析懸重、扭矩變化趨勢，計算摩阻系數、井眼清潔度等確定卡鉆風險等級。

2）對比井底循環當量、密度與地層3個壓力的關系，根據實時監測的泵排量、泵壓和泥漿池體積變化情況，確定溢流、井漏風險等級。

3）風險級別在中、高級時，提出相應技術措施；風險較低時，提出相應的處置方法，主要包括循環排屑、替稠漿、控制（倒）劃眼速度、改變（倒）劃眼參數等。

2.5 下套管及固井期間

1）根據地層三壓力預測及實測結果，計算最大下套管速度和套管到位后的最大循環排量。

2）下套管前對設計的管柱進行敏感性分析，優化管柱組合，結合通井情況，通過分析下套管時的懸重變化趨勢和摩阻系數，確定卡套管風險等級。

3）下套管前完成水力計算和最大下套管速度計算，下套管時監測灌漿量、排替量和鉆井液池體積變化，結合鉆井液性能、下套管速度，計算的激動壓力，確定井漏風險等級。

4）風險級別在中、高級時，提出相應技術措施；風險較低時，提出相應的處置方法，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、鉆井液性能調整、控制下套管速度、監測套管下入到底循環情況等。

5）根據固井設計，使用軟件動態模擬固井全過程，如存在問題，及時進行提醒。

6）通過設計模擬軟件模擬固井過程中井底及套管鞋處的循環當量密度變化，進行實時對比，監控井漏風險。

2.6 事故及復雜情況發生時

1）發生卡鉆時卡點計算、最大扭矩計算。

2）發生溢流、井涌時關井后的壓井計算、井涌余量計算。

3）協助組織中海油專家、總監進行視頻會議，利用回放功能查看歷史曲線、分析異常數據，確定事故原因。

4）協助項目組論證處置方案可行性，運用軟件進行反演驗證。

5）通過軟件實時顯示處理過程，進行全程監控，實時指導直至事故及復雜情況處理完畢。

3 現場應用

3.1 A油田A8井循環當量密度模擬分析

A8井設計216 mm井段鉆進至潛山地層完鉆，潛山地層漏失風險較高。實際216 mm井段鉆進期間，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當量密度為1.707 g/cm3，井底循環當量密度為1.711 g/cm3，已經達到了后續潛山井段地層破裂壓力，如果繼續利用216 mm井段完成潛山地層鉆井作業，則存在極大的潛山井漏風險。同時已鉆開裸眼井段孔隙壓力較高，發生井漏后極易發生上噴下漏的情況，漏失、溢流及井壁失穩風險高。輔助決策人員通過實時動態跟蹤系統，建議啟用備用井身結構方案，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潛山。后續152.4 mm井段鉆井順利，無復雜情況發生。

3.2 B油田B2H井井筒壓力監控

B油田B2H井在311 mm井段鉆進至4 800 m（垂深4 003 m）時，通過作業參數監測發現前期地層壓力預測與實際偏差較大，輔助決策人員通過實時動態跟蹤系統，根據鄰井以及本井的測井數據，預測及更正地層三壓力的變化趨勢線，發現目前鉆井液密度偏低，建議現場及時提高鉆井液密度，最終成功避免了溢流發生，順利地完成了該井段的作業。

3.3 C油田A1井固井模擬

244.5 mm套管固井設計前33 m3頂替泵速為1.3 m3/min，后29 m3頂替泵速為0.65 m3/min。輔助決策人員通過輔助決策軟件模擬反演固井設計，計算頂替過程中井底最大循環當量密度為1.97 g/cm3，該計算結果已經超過薄弱地層的漏失壓力，也高于地漏試驗壓力值，漏失風險高，建議對固井設計進行優化。項目組優化設計，實際固井過程上層套管管鞋處循環當量密度為1.92 g/cm3，固井作業順利進行，無漏失發生。

通過實時動態跟蹤系統的跟蹤管理，重點跟蹤井的復雜情況處理時間大大減少[9-10]。鉆井支持中心2015年相繼跟蹤了10多口井，均取得了較好的應用效果。以A油田A8井為例，311 mm井段復雜情況處理時間相比鄰井減少71%，216 mm井段復雜情況處理時間相比鄰井減少78%。

4 結論與建議

1）高難度井的應用實例表明，實時動態跟蹤管理制度的建立對鉆完井作業風險的實時控制起到了良好的保障作用。

2）通過對實時數據的分析進行風險跟蹤管理，模擬計算結果與實際情況吻合很好，能夠給予現場作業較為準確的預測結果，可對大多數鉆井井下作業風險提前預防。

3）通過實時動態跟蹤系統的應用，有效地減少了高難度井的鉆完井作業風險控制，重點跟蹤井的復雜情況處理時間大大減少。

4）隨著石油勘探向深水鉆井、復雜地質條件下的深井超深井鉆井方向發展，實時動態跟蹤系統的應用前景越來越廣闊。

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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，高級工程師，主要從事海上鉆井信息化研究與實踐工作。