石油圈
利用来自美国宇航局（NASA）的技术可以节省定向钻井作业的费用。
编译 | 大安
自20世纪30年代以来，定向钻井一直被用于石油和天然气作业，当时陆上钻井工人使用该技术来开采海上油藏。多年来，已经引入了一些技术来提高钻井精度和对井轨迹的控制程度，同时允许通过一口井生产多个油藏，从而降低了钻井成本，并将钻井过程对环境的影响降至最低。在设计钻井计划时，运营商在决定是采用传统的旋转钻柱工艺来控制井轨迹还是使用更精确的定向钻井技术时考虑了经济性，但非此即彼的方法并不总是最好的。分析钻井条件并确定最合适钻井解决方案的软件的引入改变了现状，简化了钻井过程，改变了司钻的竞争环境。
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01. 定向钻井的发展
为了最大限度提高油田开发效率，最大限度减少地理足迹，广泛采用从集中式平台位置上的窄间距槽进行水平井钻井，导致井筒几何结构复杂。对精确执行复杂井轨迹的的需求日益增长，增加了对定向钻井专业知识的需求。使用带有弯曲外壳的泥浆马达组成的可转向井底钻具组合（BHA），经验丰富的定向司钻可以按照钻井计划中规定的方向调整马达的弯曲方向，从而在滑动过程中，将井导向预定轨迹。当井轨迹想保持相对平直时，整个钻柱从地面旋转，这一过程称为旋转。
然而，经验和研究表明，由于旋转趋势、BHA设计、钻井参数和地质地层特征系统性和随机性影响的结合，在旋转期间井轨迹很少是直的，这可能导致实钻轨迹与计划轨迹存在显著差异。旋转趋势以及设计的钻井计划偏差通常需要滑动，以确保实钻轨迹与计划轨迹保持一致。
在其他条件相同的情况下，滑动似乎应该全面应用，但有两个原因表明滑动不是默认的解决方案。
•滑动产生的穿透率通常比旋转低得多。
•滑动百分比升高会导致过度弯曲和/或局部狗腿。
滑动通常被视为一种成本高昂的操作，应尽量减少。从历史上看，定向钻机的任务是根据预测估计和钻井经验确定何时需要滑动、进尺持续长度和方向。这种决策方法有助于降低成本，但它不是一种科学的方法。决策的准确性取决于定向司钻的经验，决策的负担直接落在了一个人的肩上。
定向钻井咨询（DDA）软件的引入改变了这种情况，它将数据纳入决策过程，并提供了一种方法来让每口钻井的司钻性能达到最佳。借助DDA软件系统，定向司钻可以专注于更高优先级的任务，同时该软件可以做出更明智的决策，从而改善水平钻井过程，并显著降低给定井的整体滑动百分比。
02. 定向钻井咨询（DDA）软件的发展
DDA软件设计固有的是基本的算法原理。目前市场上为数不多的DDA软件系统从不同的优势角度解决滑动问题，从而出现不同程度的可靠性和成功率。
一种方法是通过让DDA软件模拟定向钻机通常做出的决策来设计算法。这种设计可以被描述为“盒子里的定向钻机”。虽然这种设计可以加快计算速度，减轻定向司钻的负担，但它不会导致滑动百分比降低或性能提高。
第二种方法是使用蒙特卡罗类型的模拟，在每个新的测量点“尝试”数百或数千种可能的解决方案，以从众多尝试中找到最佳的滑动和旋转指令集。这种方法通常会避开总体策略，只关注下一环节，从井的整个水平段的滑动效率这一更大背景进行分析，该方法通常会做出次优决策。它也是计算密集型的，这可能导致工作流程的滞后和以及的昂贵的停工时间。
第三种方法由Superior QC的前NASA制导、导航和控制工程师从航空航天行业改编，用于设计高保真制导DDA软件系统（图1）。
图1——战略航向修正图，使用航天器火箭燃烧轨迹优化（上图）和使用高保真制导优化（下图）
在计划一项任务时，NASA 的科学家和工程师会为航天器绘制一个计划轨迹，该轨迹与石油和天然气运营商和服务公司设计的井轨迹相似。在这两种应用中，一小部分轨迹需要有计划的转向，而大部分轨迹是不转向的。然而，众所周知，在现实中，外力和不可预见的情况往往导致需要比原计划更多的转向。
在太空飞行中，一次转向事件是通过火箭燃烧进行的，这需要使用昂贵的燃料。航天器只能将有限数量的燃料携带到太空中，因此确保其使用妥善对任务和安全都至关重要。因此，在将任何人送入太空之前，NASA科学家花费数年时间生成、分析和模拟复杂的算法，以确保delta-v（通过火箭燃烧实现的总速度变化的总和）尽可能低，以最大限度地减少燃料消耗，同时仍能成功完成使命。
采用类似通过最小化所需的非计划转向量的方法来简化定向钻井过程。通过真正的轨迹优化方法，实现仅在在战略上必要时才建议转向。该建议的基础是实时地面和井下钻井数据、BHA和地层之间的相互作用，以及不断更新的轨迹估计。专有软件系统使用先进的人工智能（AI）算法，实时优化旋转趋势和马达输出的计算，以便通过每个井段进行可靠的正向预测和优化滑动计划。
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03. 量化性能
在两个平台上的10口井的横向剖面上进行了一组现场试验和分析，以更好地了解应用高保真制导可以实现的效率增益。在实时实施该软件之前，对目标钻井线上最近完成的几口井进行了分析，以建立基线。为了隔离现场试验结果，让其只反映软件制导的影响，有必要考虑所有可能扭曲结果的变量。这些变量可以增加或减少实现目标井目标的难度。例如，在某些盆地和地层中，断层或间歇性节理更为普遍，这可能导致旋转趋势水平升高。另一个例子是BHA设计的变化，它可以产生不同的马达输出。直接比较油井之间的原始滑动百分比，总是有利于使用更大弯曲马达和旋转趋势非常低的油井。因此，作为分析的一部分，有必要对马达输出和旋转倾向进行归一化。归一化过程产生了一个调整后的滑动百分比，该百分比解释了井间马达输出的差异以及平均旋转趋势的差异，以消除其对井间滑动百分比差异的影响。
重要的是，不仅要在油井上使用该软件，还要分析如何准确执行其建议。对于此任务，使用每个环节的计分系统计算 HiFi 制导遵守分数：
•如果建议旋转，且未发生滑动——1分
•如果建议并在距离目标工具面+/-25度和长度+/-3 英尺范围内执行滑动——1分
•未遵循HiFi指导建议——0分
使用这种逻辑，每个环节都会根据是否遵循软件推荐获得 1 或 0 评级。对横向所有环节的评级进行平均，以确定准确执行建议的环节百分比。
04. 分析和结果
案例研究结果表明，依从性得分与调整后的载玻片百分比之间存在明显的相关性。图2显示，六口井的依从性得分低于50。这些井的调整滑动百分比也最高。相反，剩余四口井的依从性得分大于50，得到了四个最低的调整滑动百分比，其中第8口井的依从性得分最高为68，所有10口井的调整滑动百分比最低为6.3%。将平均调整滑动百分比从依从性得分低于50的井的11.1%降低到大于50的井的7.3%，为每个井的操作员节省了大量时间和摊铺成本。
图 2 – 调整后的滑动百分比、高保真引导依从性得分与目标窗口中水平段分比的案例研究结果。
从案例研究中可以看出，使用该软件系统还有一些额外的好处。其中之一是，除了可靠地降低滑动百分比外，当依从性得分大于50时，该软件还将目标钻井窗口中的横向进尺量平均提高了27.8%。使用该软件还可以减少弯曲程度较低的井，这减少了套管运行时间，增加了可用大钩载荷，从而更容易将井钻到总深度。
将太空时代技术引入到定向钻井中，有可能提高效率，从而节省时间和金钱。该领域的结果证明了这一专有软件系统的价值，人工智能支持的持续改进将随着时间的推移增加其价值。
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