Jak poznat vyhodnocení PDC bit ROP modelů a vliv pevnosti horniny na modelové koeficienty?

Abstraktní

Současné podmínky nízkých cen ropy obnovily důraz na optimalizaci vrtů s cílem ušetřit čas při vrtání ropných a plynových vrtů a snížit provozní náklady. Modelování rychlosti penetrace (ROP) je klíčovým nástrojem při optimalizaci parametrů vrtání, jmenovitě hmotnosti vrtáku a rychlosti otáčení pro rychlejší procesy vrtání. S novým, plně automatizovaným nástrojem pro vizualizaci dat a modelování ROP vyvinutým v Excelu VBA, ROPPlotter, tato práce zkoumá výkonnost modelu a vliv pevnosti horniny na modelové koeficienty dvou různých modelů PDC Bit ROP: Hareland a Rampersad (1994) a Motahhari. a kol. (2010). Tihle dva PDC bit modely jsou porovnávány se základním případem, obecným vztahem ROP vyvinutým Binghamem (1964) ve třech různých pískovcových formacích ve vertikálním řezu břidlicového vrtu Bakken. Poprvé byl učiněn pokus izolovat vliv měnící se pevnosti horniny na modelové koeficienty ROP zkoumáním litologií s jinak podobnými parametry vrtání. Kromě toho je vedena obsáhlá diskuse o důležitosti výběru vhodných hranic modelových koeficientů. Pevnost hornin, počítaná v Harelandových a Motahhariho modelech, ale ne v Binghamových, vede k vyšším hodnotám konstantních multiplikačních modelových koeficientů pro dřívější modely, navíc ke zvýšenému exponentu RPM pro Motahhariho model. Ukázalo se, že model Hareland a Rampersad funguje nejlépe ze tří modelů s tímto konkrétním souborem dat. Efektivita a použitelnost tradičního modelování ROP je zpochybňována, protože takové modely se opírají o sadu empirických koeficientů, které zahrnují vliv mnoha faktorů vrtání, které nejsou zohledněny ve formulaci modelu a jsou jedinečné pro konkrétní litologii.

Zavedení

Bity PDC (Polycrystalline Diamond Compact) jsou dnes dominantním typem bitů používaným při vrtání ropných a plynových vrtů. Výkon vrtáku se obvykle měří rychlostí penetrace (ROP), což je údaj o tom, jak rychle je vrt vyvrtán, pokud jde o délku vyvrtané díry za jednotku času. Optimalizace vrtů je již desetiletí v popředí agendy energetických společností a v současném prostředí nízkých cen ropy nabývá na významu (Hareland a Rampersad, 1994). Prvním krokem při optimalizaci parametrů vrtání pro dosažení nejlepší možné ROP je vývoj přesného modelu, který spojuje měření získaná na povrchu s rychlostí vrtání.

V literatuře bylo publikováno několik modelů ROP, včetně modelů vyvinutých speciálně pro určitý typ bitu. Tyto modely ROP obvykle obsahují řadu empirických koeficientů, které jsou závislé na litologii a mohou zhoršit pochopení vztahu mezi parametry vrtání a rychlostí penetrace. Účelem této studie je analyzovat výkonnost modelu a to, jak modelové koeficienty reagují na terénní data s různými parametry vrtání, zejména pevností horniny, pro dvaPDC bit modely (Hareland a Rampersad, 1994, Motahhari et al., 2010). Koeficienty modelu a výkon jsou také porovnávány se základním modelem ROP (Bingham, 1964), což je zjednodušující vztah, který sloužil jako první model ROP široce používaný v celém průmyslu a stále se používá. Zkoumají se data vrtných polí ve třech pískovcových formacích s různou pevností hornin a vypočítávají se modelové koeficienty pro tyto tři modely a vzájemně se porovnávají. Předpokládá se, že koeficienty pro Harelandovy a Motahhariho modely v každé skalní formaci budou mít širší rozsah než koeficienty Binghamova modelu, protože v posledně jmenované formulaci není výslovně zohledněna proměnlivá pevnost horniny. Hodnotí se také výkonnost modelu, což vede k výběru nejlepšího modelu ROP pro břidlicovou oblast Bakken v Severní Dakotě.

Modely ROP zahrnuté v této práci se skládají z nepružných rovnic, které spojují několik parametrů vrtání s rychlostí vrtání a obsahují sadu empirických koeficientů, které kombinují vliv těžko modelovatelných mechanismů vrtání, jako je hydraulika, interakce mezi frézou a horninou, bit design, charakteristiky montáže spodního otvoru, typ bahna a čištění otvorů. Ačkoli tyto tradiční modely ROP obecně nefungují dobře ve srovnání s terénními daty, představují důležitý odrazový můstek k novějším modelovacím technikám. Moderní, výkonnější modely založené na statistice se zvýšenou flexibilitou mohou zlepšit přesnost modelování ROP. Gandelman (2012) oznámil významné zlepšení modelování ROP tím, že místo tradičních modelů ROP v ropných vrtech v předsolných pánvích pobřežních Brazílie používá umělé neuronové sítě. Umělé neuronové sítě jsou také úspěšně využívány pro predikci ROP v pracích Bilgesu et al. (1997), Moran a kol. (2010) a Esmaeili et al. (2012). Takové zlepšení v modelování ROP je však na úkor interpretovatelnosti modelu. Tradiční modely ROP jsou proto stále relevantní a poskytují účinnou metodu pro analýzu toho, jak konkrétní parametr vrtání ovlivňuje rychlost pronikání.

ROPPlotter, software pro vizualizaci dat v terénu a modelování ROP vyvinutý v Microsoft Excel VBA (Soares, 2015), se používá při výpočtu koeficientů modelu a porovnávání výkonu modelu.