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数字计划与模拟让侧钻有方可循

数字技术让侧钻有方可循

侧钻是一种经过现场应用验证的技术,主要用于开发其他地层段或绕障。目前,侧钻正依靠数字化技术,提高在日益复杂地层和井眼轨迹中的作业效果。

来自 | JPT
编译 | 白小明 惊蛰

考虑到侧钻应用场合多种多样,以及灵活性、精确度和效率的关键目标,工作人员将数字化产品与斜向器和磨铣技术的研究相结合,能够以更大的灵活性、精确度和效率设计执行侧钻操作。当裸眼井发生工作管柱故障时,通常需要下入并坐封斜向器,落井的井底钻具组合(BHA)之上侧钻,从而恢复钻井作业。

当套管井储层压力枯竭时,可采用斜向器系统进行槽口回收,钻达储层的其他位置,并尽可能多的利用老井眼的上部套管结构。侧钻还可用于海上平台的槽口回收,海上平台常受到井眼数量的限制。在致密性非常规油藏中,可以坐封斜向器,从直井侧钻并钻出长分支井眼。分支井通常应用于地面设施受限的地区,其特点是可以从单个主井眼侧钻出多达8个分支井眼。

为了应对当前油气采收的实际状况,行业需要一些关键技术,包括优化的工具设计,结实耐用的材料,以及使用最新的模拟和可视化软件进行方案的预设计。最近斯伦贝谢推出的应用于套管开窗作业TrackMaster Select模块化斜向器侧钻系统,可以提供全尺寸窗户。

该系统采用一体式磨铣设计,具有优化的切削结构,采用锻造到工具本体上的切削结构,替代了随机压入本体的硬质合金切削齿。该设计将单个圆柱切削齿钎焊到刀翼上。锻造本体设计省去了焊接过程,工具产生的热量更少,大约提高了30%的应用寿命。

最终形成了一个更坚实、磨铣速度更快、更可靠的侧钻系统,一趟下钻即可完成复杂的磨铣作业。该模块化系统可应用于多种作业场景,包括单层或多层套管开窗、海上裸眼井加长开窗、分支井等,客户应用该系统在中东某碳酸盐岩油田成功进行了一趟钻双层套管开窗作业。

 数字化设计与模拟方案

斜向器侧钻系统与斯伦贝谢的IDEAS一体化动态设计与分析平台协作,为客户提供基于时间的四维模拟,内容涵盖整个钻柱和井眼几何形状,确保对岩石和磨铣金属的切削界面进行精确建模。研究人员通过优化钩槽位置,改进了斜向器的可回收性,新的磨铣设计保留了斜向器顶部的材料厚度,提高了工具的可靠性。

该设计与分析平台为工作人员提供了可靠的磨铣原理和流程分析,可以在虚拟环境中显示钻头与岩石,以及磨鞋与套管的相互作用,实现实时定制。通过与客户协作,工作人员确定了基准性能和目标,并在建模过程中引入了多种工具,包括马达、磨鞋和套管切割器。

在材料力学实验室,研究人员通过刮削和插入压痕测试获得了切削界面数据,并使用理论计算和商业化的有限元软件包验证了模型。工作人员使用该平台进行的工作前设计已经证明,可以实现狗腿度的最小化,并预测连续的井眼轨迹,而且与实际结果相比,准确率达到97-98%。

DrillPlan自带的建井设计解决方案也支持斜向器侧钻系统,该解决方案能够优化BHA模型和窗口几何形状,并模拟后续的管柱通过情况和磨铣作业,以及弯曲应力和井下动力学分析。

设计解决方案被集成到一个平台,包含3个软件服务,即i-DRILL集成动态系统分析服务,该服务使用预测模型来最小化振动和粘滑效应,并优化BHA性能;WhipSim斜向器模拟软件用于模拟磨铣作业和窗口几何形状;以及Runner钻柱分析程序,该程序提供一个模型,用于分析地面参数、扭矩和摩阻,锚定器的坐封和剪切螺栓的触发,以及实时分析模拟与实际参数。综合性服务最大程度优化了井的整体设计,且可在作业期间进行参数调整,以确保窗口利于BHA的通过。

双层套管开窗

2017年,科威特石油公司(KOC)与斯伦贝谢合作,成功设计、模拟和应用了模块化斜向器侧钻系统,作为科威特北部Raudhatain碳酸盐岩油田槽口回收作业的一部分。侧钻常用于油田现场改善老井产量。地层分析、BHA分析、套管和扶正器布局、井斜、狗腿严重度和方位对于确保侧钻工作的成功至关重要。

在此次作业中,操作人员需要对一口现有井进行双层套管开窗,目标井位于复杂的高冲击碳酸盐岩地层。碳酸盐岩地层对磨铣系统具有极大的破坏性,特别是在双层套管的情况下。作业的主要目标是磨铣出一个高质量的全保径窗口,并且一趟钻以最小的冲击和振动磨穿两层套管。窗口质量对于保证后续BHA的顺利通过,不造成高成本和高风险的起下钻作业尤为关键。

这项工作涉及对现有的9 5/8-in和13 3/8-in套管进行开窗。在设计阶段,工作人员使用基于有限元分析(FEA)的建模系统和斜向器模拟软件对BHA进行了模拟,使用IDEAS平台对磨铣作业和切削结构进行了模拟,以确定产生最小振动量的参数配置。

在设计阶段,工作人员评估了几个关键问题,包括使用双磨鞋与三磨鞋BHA的可行性。最终选择了双磨鞋BHA以在斜向器坐封深度处磨铣两层套管。工作人员还分析了沿套管长度到造斜点的扶正器和套管节箍的分布,以确保扶正器或套管节箍不会被无意磨铣到,他们还考虑了磨铣作业过程中造斜器轨滑轨尺寸和铣鞋位置。

作业前,工作人员对扭矩和摩阻进行了模拟,以验证是否有足够的重量剪断剪切螺栓。这些分析使工程师们能够最终确定可靠的作业参数。通过研究领眼磨鞋在每层套管处开始磨铣的确切位置,工作人员确定了斜向器坐封深度。

工作人员使用了斜向器模拟软件检查了弯矩,确保完井管柱不会受到斜向器处狗腿度的影响,该模拟软件用于为尾管或BHA的通过性计算狗腿度,以及计算BHA的应力。工程师们还检查了磨铣作业产生的总铁屑量。在整个作业期间,工作人员定期从泥浆槽的磁铁处收集铁屑,因此可以通过对比实际磨铣产生的总铁屑量和使用斜向器模拟软件模拟的总铁屑量,来评估窗口的质量。

两家公司的合作确保了复杂的侧钻工作高效、安全地满足了作业公司的目标。对于通常需要2次或3次入井才能完成的操作,斜向器侧钻系统通过强化前瞻性设计、建模与仿真技术,单次入井成功完成了复杂的双层套管侧钻,大大减少了时间和成本。使用设计与分析平台以及斜向器模拟软件进行作业设计是减小BHA冲击载荷的关键。该项目增强了KOC对FEA平台准确识别破坏性振动原理的信心,为后续井实施该方法铺平了道路。

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