鉆井輔助決策系統構建及在渤中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.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司

石油與天然氣勘探開發具有高風險、高投入的特征，鉆井工程肩負著獲取地質資料、建立油氣生產通道的使命。在鉆井過程中會產生大量的數據流，包括地面各類傳感器獲得的錄井參數和井下儀器測得的相關參數，在大數據革命浪潮中，如何深入挖掘已鉆井歷史數據和綜合分析利用當前在鉆井數據是鉆井工程面臨的挑戰。因此開展了遠程數據模擬支持技術的研究，實現鉆井數據流的可視化和多維表達，建立鉆井遠程輔助決策支持系統，為鉆井施工提供實時輔助決策信息。

1 技術現狀分析

早在20世紀80年代國外開始將信息技術應用到生產指揮中［1］。到90年代，開始研究建立從采集到監測的一體化鉆井信息系統，BP、道達爾等石油公司均研究并建立遠程信息系統［2］。國內1994年陳澤鑒［3］開展了石油天然氣鉆井信息技術分析，介紹了2種鉆完井信息系統，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用，提出了智能信息系統的思想和設計路線。2003年蔣勇［5］提出利用信息技術建立遠程鉆井協同和實時指導、決策系統，實現遠程井場控制和管理，系統性闡述了實時決策系統架構和數據流問題。2007年孫正義［6］等人開展了鉆井信息技術研究，得出鉆井信息技術發展的3個重大方向，即自動化信息采集技術、數據集成傳輸技術和遠程智能決策技術，但未建立相應的系統和開展技術應用。2009年林勇［7］開展了針對復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據庫的設計研究。2017年王婷［9］開展了基于移動終端鉆井信息平臺的設計研究，同年賈歡［10］針對鉆井信息因分散、結構差異導致的信息孤島，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數據庫［11］，該系統具備了井場作業數據采集分析的能力，能夠為設計、施工以及決策提供鉆完井工程數據支持，同時中海油研究總院、各分公司也配備了先進的鉆完井工程設計軟件，各分公司都安裝了井場實時監控系統［12］，并且可以實時采集現場作業的高頻數據，但尚未深入開展數據挖掘與研究，各個系統相對獨立，在使用上有很大的局限性，不能進行進一步的數據分析以及模擬計算，不能對鉆井作業過程中可能遇到的風險進行預測，不能給現場提供指導性的建議、沒有對鉆井作業過程形成直接的參考。基于此，開展了鉆井遠程輔助決策系統的設計與構建。

2 鉆井遠程輔助決策系統的構建及關鍵技術

鉆井遠程輔助決策系統能夠實現實時動態模擬、三維可視化、遠程鉆井監控，整合了原有靜態井史數據庫，新建了動態鉆完井實時曲線數據庫，結合了多款鉆井工程模擬軟件，突出實時動態的特點，可實現井場鉆井與遠程模擬計算同步的動態過程。

2.1 系統數據流架構

數據源的采集，以現有井場各類地面傳感器和井下儀器傳感器為基礎，在井場匯入服務器，通過衛星信號傳輸至基地服務器，再以Witsml數據庫格式輸入動態實時數據庫。而對于鉆具表、套管下入計劃表、鉆井液流變性能參數等靜態非實時傳輸數據，以原有靜態數據庫結構化報表為形式傳輸至鉆井遠程輔助決策系統，數據流程如圖1所示。

圖1 鉆井遠程輔助決策系統數據流程圖Fig.1 Data flow chart of remote assistant decision-making system for well drilling

2.2 技術核心

鉆井遠程輔助決策系統的基礎是動態實時數據庫，而核心包括7個子系統：集成鉆井模擬器系統、數據質量檢查系統、內部數據流與軟件基礎結構系統、診斷系統、三維可視化系統、擴展接口系統以及遠程監測系統，如圖2所示。通過這些子系統的配合使用，可以開展不同鉆井工況過程的瞬態模擬，同時井場傳感器獲得的一次參數與模擬器計算值同步比對，如扭矩、懸重、泵壓等，能夠進行基于實時數據的動態鉆井模擬，進行遠程監控及安全預警，基于動態機理模型進行鉆井狀態與作業條件的診斷，遠程鉆井專家支持與決策，井筒狀態實時模擬的虛擬現實技術等工作。系統的3個關鍵要素是：動態模擬、實時監控、三維可視化。

圖2 鉆井遠程輔助決策系統架構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、鉆速優化模型等。

耦合水動力模型主要用于計算各個工況下的當量密度（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量密度，在接單根/立柱過程中靜止當量密度（ESD）等。

摩阻與扭矩模型主要用于通過鉆井平臺地面測量數據計算井底鉆壓和鉆頭扭矩，在計算過程中使用自動校準程序。輸入地面扭矩和震動監測數據計算鉆頭扭矩。通過地面測量的摩阻與扭矩數據返算摩阻系數，經過擬合，計算下部地層鉆進的正常值，一旦當監測現場數據出現異常及時報警。

機械鉆速與多模型配套，進行井筒壓力、地層壓力、地層抗壓強度，鉆頭特性和鉆井水力學多因素分析。通過能量轉換守恒原理對可鉆性進行估計。該模型同時可以分析的內容包括：扭矩/鉆壓對機械鉆速影響，扭矩和摩阻對機械鉆速影響分析，井眼凈化監測，井底壓力對機械鉆速影響。

2.2.2 數據質量檢查系統 正確的處理和解釋鉆井過程中的實時數據被認為是鉆井動態模擬、鉆井過程可靠解釋和分析的關鍵。數據質量檢查系統對集成鉆井模擬器提供深度與機械鉆速等關系的修正與濾波。

（1）深度與機械鉆速。由于溫度與壓力的影響，鉆具會發生一定的伸長。總垂直深度將使用測量深度和測斜數據進行校準，同時使用校準數據計算機械鉆速。

（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電流測量誤差、系統誤差、摩擦力的影響進行修正。

2.2.3 內部數據流與軟件基礎結構系統 系統充分考慮了模擬器各個模塊之間、模擬器與可視化系統之間的海量數據交互的需要，對“實時數據”與“歷史數據”進行有效的管理與區分。軟件架構將確保能在上述過程中準確傳遞數據。

2.2.4 擴展接口系統 在調研中海油現有的網絡基礎設施以及已有各類軟件數據結構的前提下，建立基于Witsml/Wits數據格式的標準化方案。通過擴展接口可以與其他商業化軟件互聯，如通過Witsml數據格式與Drillworks軟件鏈接，在鉆進過程中實時計算地層孔隙壓力并開展井壁穩定分析。

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

3 實例應用

鉆井遠程輔助決策系統在渤海渤中19-6勘探項目中開展了應用，累計應用9口井，完鉆層位均在太古界潛山，基本數據見表1。

表1 渤中19-6勘探井基本數據Table 1 Basic data of exploration wells in BZ19-6 Block

3.1 瞬態實時摩阻扭矩模擬值與實際值對比

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

3.2 瞬態實時水力學參數模擬值與實際值對比

在已有水力學參數模擬系統模型基礎上，研究總結出2個精度控制的關鍵方法：優選水力學模型和階段校正。（1）優選水力學模型。實踐應用表明，不同鉆井液體系對應水力學計算模型不同，在渤中19-6區塊輔助決策遠程支持中，主要以擬合法選擇水力學模型，通過現場實際測得的鉆井液流變學轉速（600 r/min、 300 r/min、200 r/min、100 r/min、6 r/min、3 r/min）指標，擬合水力學模型獲得擬合度最高的結果。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速參數擬合赫巴、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，因此優選赫巴模型為水力學計算模型。（2）階段校正。利用底部鉆具組合打通或中途循環參數，精細調整校正底部鉆具組合壓耗，隨時與井場確認鉆井液流變性能，及時優化水力學模型。從表3的9口井的水力學參數模擬對比結果來看，平均精度達到90%以上。

表2 渤中19-6勘探井作業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指數法和Enton法為基礎，利用Drillworks軟件實時動態與現場錄井參數遠程鏈接，同時在軟件中嵌入優化后的計算模型、采用趨勢線（斜率、截距）和Enton指數多次回歸、階段校正、氣測錄井綜合校正等方法，成功監測渤中19-6區塊9口勘探井，結果表明隨鉆dc指數法壓力監測與鉆后聲波時差法計算壓力值對比，精確度達到97%以上（表4）。

表3 渤中19-6勘探井作業過程水力學參數對比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 復雜情況的遠程輔助支持

渤中19-6勘探項目9口井作業中，累計發送數據分析支持報告200余次，遠程組織專家復雜情況分析與支持20余次。以渤中19-6-8井為例，該井在3 780 m中完時發生井漏，監測泵壓由23.8 MPa降至23.3 MPa（排量3 087 L/min），當時鉆井液密度1.43 g/cm3。鉆進期間的鉆具組合：?311.15 mm PDC鉆頭+?228.6 mm垂直導向工具+變扣接頭+?244.5 mm螺桿馬達+?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。

分析鉆進至3 780 m時，采用3 087 L/min排量時，整體環空壓耗總值為0.651 MPa。模擬鉆桿在套管段的總環空壓耗為0.321 MPa，排量等參數條件與上面一致。即裸眼段自套管鞋1 670.35 m至3 780 m，段長2 109.65 m環空在3 087 L/min排量下產生壓耗0.33 MPa。此時考慮漏失發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的環空壓耗為0.5 MPa，如上所算套管內環空產生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有1 144 m左右段長，由此得出漏點位置應在2 814 m左右。遠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區塊勘探井相似，但未使用鉆井輔助決策系統，可以看出渤中19-6區塊9口探井在當量鉆井周期、生產時效以及鉆井復雜情況及事故時間比例等指標方面均高于渤中22-1-2和渤中21-2-1井。

3.6 技術應用展望

數字化技術的發展和在石油行業的應用正在逐步深化，通過實時數據庫和靜態數據庫的構架開展了渤中19-6區域探井的鉆井遠程輔助決策支持技術工程實踐，取得一定的效果，結果表明通過鉆井遠程輔助決策系統應用，能夠為鉆井工程技術人員更好地掌握井下情況、優化作業措施提供參考，也探索出一套基于數字化模擬分析的遠程工程支持模式，具有大規模推廣應用的前景和意義。

表5 渤中區域鉆井指標對比Table 5 Comparison of drilling indexes in Bozhong area

4 結論與認識

（1）通過鉆井遠程輔助決策系統的構建，初步實現井場到基地遠程的鉆井工程實時動態模擬、三維可視化、遠程鉆井監控。

（2）通過建立核心實時動態數據庫，實現鉆井摩阻扭矩參數、水力學參數的動態模擬，通過與實際值的比較，能夠開展井下情況異常的預警，實踐表明模擬值的精度控制是實現預警的基礎，如摩擦因數反演、水力模型優選和階段校正，均是以提高模擬值精度為目的。

（3）石油行業作為傳統行業，大數據等方式的應用仍存在諸多困難，實踐表明不能脫離工程技術支持的基本范疇，尤其是井場復雜情況及事故出現時，更應該體現遠程技術會診支持的價值，如此才能與工程實踐更好結合并指導實踐。