Jak dokonać oceny modeli ROP wiertła PDC i wpływu wytrzymałości skały na współczynniki modelu?

Abstrakcyjny

Obecne niskie ceny ropy naftowej ponownie zwróciły uwagę na optymalizację wierceń, aby zaoszczędzić czas podczas wiercenia odwiertów naftowych i gazowych oraz obniżyć koszty operacyjne. Modelowanie szybkości penetracji (ROP) jest kluczowym narzędziem optymalizacji parametrów wiercenia, a mianowicie masy wiertła i prędkości obrotowej, co przyspiesza proces wiercenia. Dzięki nowatorskiemu, w pełni zautomatyzowanemu narzędziu do wizualizacji danych i modelowania ROP, opracowanemu w środowisku Excel VBA, ROPPlotter, niniejsza praca bada wydajność modelu i wpływ wytrzymałości skały na współczynniki modelu dwóch różnych modeli ROP wiertła PDC: Hareland i Rampersad (1994) oraz Motahhari i in. (2010). Te dwa modele Bit PDC Modele porównano z przypadkiem bazowym, ogólną relacją ROP opracowaną przez Binghama (1964) w trzech różnych formacjach piaskowcowych w pionowym przekroju poziomego odwiertu łupkowego Bakken. Po raz pierwszy podjęto próbę wyizolowania wpływu zmiennej wytrzymałości skały na współczynniki modelu ROP poprzez zbadanie litologii o podobnych parametrach wiercenia. Ponadto przeprowadzono kompleksową dyskusję na temat znaczenia wyboru odpowiednich ograniczeń współczynników modelu. Wytrzymałość skały, uwzględniona w modelach Harelanda i Motahhariego, ale nie w modelu Binghama, skutkuje wyższymi wartościami współczynników modelu stałego mnożnika dla pierwszych modeli, oprócz zwiększonego wykładnika członu RPM dla modelu Motahhariego. Wykazano, że model Harelanda i Rampersada działa najlepiej spośród trzech modeli w tym konkretnym zestawie danych. Skuteczność i stosowalność tradycyjnego modelowania ROP jest kwestionowana, ponieważ takie modele opierają się na zestawie współczynników empirycznych, które uwzględniają wpływ wielu czynników wiertniczych nieuwzględnionych w sformułowaniu modelu i są unikalne dla danej litologii.

Wstęp

Wiertła PDC (polikrystaliczne diamentowe kompaktowe) to dominujący typ wierteł wykorzystywanych obecnie w wierceniu odwiertów ropy naftowej i gazu. Wydajność wiertła jest zazwyczaj mierzona wskaźnikiem szybkości penetracji (ROP), który określa, jak szybko odwiert jest wiercony, wyrażonym długością otworu w jednostce czasu. Optymalizacja wierceń od dziesięcioleci znajduje się w centrum uwagi firm energetycznych, a obecnie, w warunkach niskich cen ropy naftowej, zyskuje na znaczeniu (Hareland i Rampersad, 1994). Pierwszym krokiem w optymalizacji parametrów wiercenia w celu uzyskania jak najlepszego ROP jest opracowanie dokładnego modelu wiążącego pomiary uzyskane na powierzchni z szybkością wiercenia.

W literaturze opublikowano kilka modeli ROP, w tym modele opracowane specjalnie dla określonego typu świdra. Modele ROP zazwyczaj zawierają szereg współczynników empirycznych, które zależą od litologii i mogą utrudniać zrozumienie zależności między parametrami wiercenia a szybkością penetracji. Celem niniejszego badania jest analiza wydajności modelu i jego reakcji na dane terenowe przy zmiennych parametrach wiercenia, w szczególności wytrzymałości skał, dla dwóch…Bit PDC modele (Hareland i Rampersad, 1994, Motahhari i in., 2010). Współczynniki modelu i jego wydajność porównano również z modelem bazowym ROP (Bingham, 1964), uproszczoną relacją, która była pierwszym modelem ROP szeroko stosowanym w przemyśle i nadal jest w użyciu. Przeanalizowano dane z odwiertów w trzech formacjach piaskowca o różnej wytrzymałości skał, a współczynniki modeli dla tych trzech modeli obliczono i porównano ze sobą. Zakłada się, że współczynniki dla modeli Harelanda i Motahhariego w każdej formacji skalnej będą obejmować szerszy zakres niż współczynniki modelu Binghama, ponieważ zmienna wytrzymałość skał nie jest uwzględniona wprost w tym drugim sformułowaniu. Oceniono również wydajność modelu, co doprowadziło do wyboru najlepszego modelu ROP dla regionu łupków Bakken w Dakocie Północnej.

Modele ROP zawarte w tej pracy składają się ze sztywnych równań, które wiążą kilka parametrów wiercenia z prędkością wiercenia i zawierają zestaw współczynników empirycznych, które łączą wpływ trudnych do modelowania mechanizmów wiercenia, takich jak hydraulika, interakcja wiertła ze skałą, konstrukcja świdra, charakterystyki zespołu dna otworu, rodzaj płuczki i czyszczenie otworu. Chociaż te tradycyjne modele ROP generalnie nie wypadają dobrze w porównaniu z danymi terenowymi, stanowią one ważny krok w kierunku nowszych technik modelowania. Nowoczesne, bardziej wydajne modele oparte na statystyce o zwiększonej elastyczności mogą poprawić dokładność modelowania ROP. Gandelman (2012) zgłosił znaczące ulepszenie modelowania ROP poprzez zastosowanie sztucznych sieci neuronowych zamiast tradycyjnych modeli ROP w odwiertach naftowych w basenach przedsolnych u wybrzeży Brazylii. Sztuczne sieci neuronowe są również z powodzeniem wykorzystywane do przewidywania ROP w pracach Bilgesu i in. (1997), Moran i in. (2010) oraz Esmaeili i in. (2012). Jednak takie udoskonalenie modelowania ROP wiąże się z pogorszeniem jego interpretowalności. Dlatego tradycyjne modele ROP są nadal istotne i stanowią skuteczną metodę analizy wpływu konkretnego parametru wiercenia na szybkość penetracji.

ROPPlotter, oprogramowanie do wizualizacji danych terenowych i modelowania ROP opracowane w języku Microsoft Excel VBA (Soares, 2015), jest wykorzystywane do obliczania współczynników modelu i porównywania jego wydajności.