Jak poznat vyhodnocení modelů ROP vrtáků PDC a vliv pevnosti horniny na koeficienty modelu?

Abstraktní

Současné nízké ceny ropy znovu kladou důraz na optimalizaci vrtání, aby se ušetřil čas při vrtání ropných a plynových vrtů a snížily provozní náklady. Modelování rychlosti penetrace (ROP) je klíčovým nástrojem pro optimalizaci parametrů vrtání, konkrétně hmotnosti vrtáku a otáček pro rychlejší vrtací procesy. Pomocí nového, plně automatizovaného nástroje pro vizualizaci dat a modelování ROP, vyvinutého v Excelu VBA, ROPPlotter, tato práce zkoumá výkon modelu a vliv pevnosti horniny na modelové koeficienty dvou různých modelů ROP vrtáků PDC: Hareland a Rampersad (1994) a Motahhari a kol. (2010). Tyto dva... PDC bit Modely jsou porovnány se základním případem, obecným vztahem ROP vyvinutým Binghamem (1964) ve třech různých pískovcových formacích ve vertikální části horizontálního vrtu Bakken Shale. Poprvé byl učiněn pokus izolovat vliv různé pevnosti horniny na koeficienty modelu ROP zkoumáním litologií s jinak podobnými parametry vrtání. Dále je provedena komplexní diskuse o důležitosti výběru vhodných hranic koeficientů modelu. Pevnost horniny, zohledněná v modelech Harelanda a Motahhariho, ale nikoli v Binghamově, vede k vyšším hodnotám koeficientů modelu s konstantním multiplikátorem u první uvedených modelů, kromě zvýšeného exponentu RPM u Motahhariho modelu. Ukázalo se, že model Harelanda a Rampersada má s touto konkrétní sadou dat nejlepší výsledky ze tří modelů. Účinnost a použitelnost tradičního modelování ROP je zpochybněna, protože takové modely se spoléhají na soubor empirických koeficientů, které zahrnují vliv mnoha vrtacích faktorů, které nejsou zohledněny ve formulaci modelu a jsou jedinečné pro konkrétní litologii.

Zavedení

Vrtáky PDC (polykrystalické diamantové kompaktní) jsou v současnosti dominantním typem vrtáků používaným při vrtání ropných a plynových vrtů. Výkon vrtáků se obvykle měří rychlostí penetrace (ROP), což je ukazatel rychlosti vrtání vyjádřený délkou vyvrtaného otvoru za jednotku času. Optimalizace vrtání je již po celá desetiletí v popředí zájmu energetických společností a v současném prostředí nízkých cen ropy nabývá na významu (Hareland a Rampersad, 1994). Prvním krokem k optimalizaci parametrů vrtání pro dosažení co nejlepší ROP je vývoj přesného modelu, který vztahuje měření získaná na povrchu k rychlosti vrtání.

V literatuře bylo publikováno několik modelů ROP, včetně modelů vyvinutých speciálně pro určitý typ vrtáku. 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 výkon modelu a to, jak koeficienty modelu reagují na data z terénu s různými parametry vrtání, zejména pevností horniny, pro dva...PDC bit modely (Hareland a Rampersad, 1994, Motahhari a kol., 2010). Koeficienty a výkon modelu jsou také porovnány se základním modelem ROP (Bingham, 1964), což je zjednodušený vztah, který sloužil jako první model ROP široce používaný v celém průmyslu a který se dodnes používá. Jsou zkoumána data z vrtných polí ve třech pískovcových formacích s různou pevností hornin a jsou vypočítány a vzájemně porovnány modelové koeficienty pro tyto tři modely. Předpokládá se, že koeficienty pro Harelandův a Motahhariho model v každé horninové formaci budou mít širší rozsah než koeficienty Binghamova modelu, protože v druhé formulaci není explicitně zohledněna různá pevnost hornin. Je také vyhodnocen výkon 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 vztahují několik parametrů vrtání k rychlosti vrtání, a obsahují sadu empirických koeficientů, které kombinují vliv obtížně modelovatelných mechanismů vrtání, jako je hydraulika, interakce řezacího nástroje s horninou, konstrukce vrtáku, charakteristiky sestavy dna vrtu, typ kalu a čištění vrtu. Ačkoli tyto tradiční modely ROP obecně nefungují dobře ve srovnání s terénními daty, poskytují důležitý odrazový můstek k novějším modelovacím technikám. Moderní, výkonnější modely založené na statistice se zvýšenou flexibilitou mohou zlepšit přesnost modelování ROP. Gandelman (2012) zaznamenal významné zlepšení modelování ROP použitím umělých neuronových sítí namísto tradičních modelů ROP v ropných vrtech v předsolných pánvích u brazilského pobřeží. Umělé neuronové sítě se také úspěšně používají pro predikci ROP v pracích Bilgesu et al. (1997), Moran et al. (2010) a Esmaeili et al. (2012). Takové zlepšení modelování ROP však jde na úkor interpretovatelnosti modelu. Tradiční modely ROP jsou proto stále relevantní a poskytují efektivní metodu pro analýzu toho, jak specifický parametr vrtání ovlivňuje rychlost průniku.

ROPPlotter, software pro vizualizaci dat z terénu a modelování ROP, vyvinutý v jazyce Microsoft Excel VBA (Soares, 2015), se používá k výpočtu koeficientů modelu a porovnávání jeho výkonnosti.