Kako poznati vrednotenje modelov ROP nastavkov PDC in vpliv trdnosti kamnine na koeficiente modela?

Povzetek

Trenutni pogoji nizkih cen nafte so obnovili poudarek na optimizaciji vrtanja, da bi prihranili čas pri vrtanju naftnih in plinskih vrtin ter zmanjšali operativne stroške. Modeliranje hitrosti preboja (ROP) je ključno orodje pri optimizaciji parametrov vrtanja, namreč teže svedra in vrtilne hitrosti za hitrejše postopke vrtanja. Z novim, popolnoma avtomatiziranim orodjem za vizualizacijo podatkov in modeliranjem ROP, razvitim v Excelu VBA, ROPPlotter, to delo raziskuje zmogljivost modela in vpliv trdnosti kamnin na koeficiente modela dveh različnih modelov PDC Bit ROP: Hareland in Rampersad (1994) ter Motahhari et al. (2010). Ta dva PDC bit modeli se primerjajo z osnovnim primerom, splošnim razmerjem ROP, ki ga je razvil Bingham (1964) v treh različnih formacijah peščenjaka v navpičnem odseku horizontalne vrtine skrilavca Bakken. Prvič je bil narejen poskus izolacije učinka spreminjanja trdnosti kamnin na koeficiente modela ROP s preiskovanjem litologij s sicer podobnimi parametri vrtanja. Poleg tega poteka celovita razprava o pomenu izbire ustreznih meja koeficientov modela. Moč kamnine, upoštevana v Harelandovem in Motahharijevem modelu, ne pa tudi v Binghamovem, povzroči višje vrednosti koeficientov modela konstantnega množitelja za prejšnje modele, poleg povečanega eksponenta RPM za Motahharijev model. Harelandov in Rampersadov model se najbolje obnese od treh modelov s tem določenim naborom podatkov. Učinkovitost in uporabnost tradicionalnega modeliranja ROP je postavljena pod vprašaj, saj se takšni modeli opirajo na niz empiričnih koeficientov, ki vključujejo učinek številnih dejavnikov vrtanja, ki niso upoštevani v formulaciji modela in so edinstveni za določeno litologijo.

Uvod

PDC (Polycrystalline Diamond Compact) nastavki so prevladujoča vrsta nastavkov, ki se danes uporabljajo pri vrtanju naftnih in plinskih vrtin. Učinkovitost nastavka se običajno meri s stopnjo penetracije (ROP), ki je pokazatelj, kako hitro je vrtina izvrtana glede na dolžino izvrtane luknje na enoto časa. Optimizacija vrtanja je že desetletja v ospredju agend energetskih podjetij, v trenutnem okolju nizkih cen nafte pa postaja še pomembnejša (Hareland in Rampersad, 1994). Prvi korak pri optimizaciji parametrov vrtanja za doseganje najboljšega možnega ROP je razvoj natančnega modela, ki povezuje meritve, pridobljene na površini, s hitrostjo vrtanja.

V literaturi je bilo objavljenih več modelov ROP, vključno z modeli, razvitimi posebej za določeno vrsto bitov. Ti modeli ROP običajno vsebujejo številne empirične koeficiente, ki so odvisni od litologije in lahko poslabšajo razumevanje razmerja med parametri vrtanja in hitrostjo penetracije. Namen te študije je analizirati delovanje modela in kako se koeficienti modela odzivajo na terenske podatke z različnimi parametri vrtanja, zlasti trdnostjo kamnine, za dvaPDC bit modeli (Hareland in Rampersad, 1994, Motahhari et al., 2010). Koeficienti in zmogljivost modela se primerjajo tudi z osnovnim modelom ROP (Bingham, 1964), poenostavljenim razmerjem, ki je služilo kot prvi model ROP, široko uporabljen v industriji in še vedno v uporabi. Raziskani so podatki polja vrtanja v treh formacijah peščenjaka z različnimi trdnostmi kamnin, koeficienti modela za te tri modele pa so izračunani in primerjani med seboj. Domneva se, da bodo koeficienti za Harelandov in Motahharijev model v vsaki kamninski formaciji obsegali širši razpon kot koeficienti Binghamovega modela, saj različna trdnost kamnine ni eksplicitno upoštevana v slednji formulaciji. Ocenjuje se tudi učinkovitost modela, kar vodi do izbire najboljšega modela ROP za regijo skrilavca Bakken v Severni Dakoti.

Modeli ROP, vključeni v to delo, so sestavljeni iz neprilagodljivih enačb, ki povezujejo nekaj parametrov vrtanja s hitrostjo vrtanja in vsebujejo nabor empiričnih koeficientov, ki združujejo vpliv vrtalnih mehanizmov, ki jih je težko modelirati, kot so hidravlika, interakcija rezalnika in skale, sveder zasnova, značilnosti sklopa na dnu vrtine, vrsta blata in čiščenje vrtine. Čeprav ti tradicionalni modeli ROP na splošno ne delujejo dobro v primerjavi s terenskimi podatki, so pomembna odskočna deska za novejše tehnike modeliranja. Sodobni, zmogljivejši modeli, ki temeljijo na statistiki, z večjo prilagodljivostjo lahko izboljšajo natančnost modeliranja ROP. Gandelman (2012) je poročal o pomembni izboljšavi modeliranja ROP z uporabo umetnih nevronskih mrež namesto tradicionalnih modelov ROP v naftnih vrtinah v predsolnih bazenih na morju Brazilije. Umetne nevronske mreže se prav tako uspešno uporabljajo za napovedovanje ROP v delih Bilgesu et al. (1997), Moran et al. (2010) in Esmaeili et al. (2012). Vendar pa takšno izboljšanje modeliranja ROP prihaja na račun interpretabilnosti modela. Zato so tradicionalni modeli ROP še vedno pomembni in zagotavljajo učinkovito metodo za analizo, kako določen parameter vrtanja vpliva na hitrost preboja.

ROPPlotter, programska oprema za vizualizacijo terenskih podatkov in modeliranje ROP, razvita v Microsoft Excel VBA (Soares, 2015), se uporablja za izračun koeficientov modela in primerjavo zmogljivosti modela.