Ako poznať vyhodnotenie PDC bit ROP modelov a vplyv pevnosti horniny na modelové koeficienty?

Abstraktné

Súčasné podmienky nízkych cien ropy obnovili dôraz na optimalizáciu vrtov s cieľom ušetriť čas pri vŕtaní ropných a plynových vrtov a znížiť prevádzkové náklady. Modelovanie rýchlosti penetrácie (ROP) je kľúčovým nástrojom pri optimalizácii parametrov vŕtania, konkrétne hmotnosti vrtáka a rýchlosti otáčania pre rýchlejšie procesy vŕtania. S novým, plne automatizovaným nástrojom na vizualizáciu údajov a modelovanie ROP vyvinutým v Exceli VBA, ROPPlotter, táto práca skúma výkonnosť modelu a vplyv pevnosti horniny na modelové koeficienty dvoch rôznych modelov PDC Bit ROP: Hareland a Rampersad (1994) a Motahhari. a kol. (2010). Tieto dve PDC bit modely sa porovnávajú so základným prípadom, všeobecným vzťahom ROP, ktorý vyvinul Bingham (1964) v troch rôznych pieskovcových formáciách vo vertikálnom reze Bakkenského bridlicového horizontálneho vrtu. Prvýkrát sa uskutočnil pokus izolovať vplyv meniacej sa sily horniny na koeficienty modelu ROP skúmaním litológií s inak podobnými parametrami vŕtania. Okrem toho sa vedie komplexná diskusia o dôležitosti výberu vhodných hraníc modelových koeficientov. Pevnosť horniny, počítaná v Harelandových a Motahhariho modeloch, ale nie v Binghamových, vedie k vyšším hodnotám konštantných multiplikačných modelových koeficientov pre predchádzajúce modely, navyše k zvýšenému exponentu RPM pre Motahhariho model. Ukázalo sa, že model Hareland a Rampersad funguje najlepšie z troch modelov s týmto konkrétnym súborom údajov. Efektívnosť a použiteľnosť tradičného modelovania ROP je spochybnená, pretože takéto modely sa spoliehajú na súbor empirických koeficientov, ktoré zahŕňajú vplyv mnohých faktorov vŕtania, ktoré nie sú zohľadnené vo formulácii modelu a sú jedinečné pre konkrétnu litológiu.

Úvod

Bity PDC (Polycrystalline Diamond Compact) sú dnes dominantným typom bitov, ktorý sa používa pri vŕtaní ropných a plynových vrtov. Výkon bitov sa zvyčajne meria rýchlosťou prieniku (ROP), čo je údaj o tom, ako rýchlo je vrt vyvŕtaný z hľadiska dĺžky vyvŕtaného otvoru za jednotku času. Optimalizácia vrtov je už desaťročia v popredí agendy energetických spoločností a v súčasnom prostredí nízkych cien ropy získava ďalší význam (Hareland a Rampersad, 1994). Prvým krokom pri optimalizácii parametrov vŕtania na dosiahnutie čo najlepšej ROP je vývoj presného modelu, ktorý spája merania získané na povrchu s rýchlosťou vŕtania.

V literatúre bolo publikovaných niekoľko modelov ROP, vrátane modelov vyvinutých špeciálne pre určitý typ bitu. Tieto modely ROP zvyčajne obsahujú množstvo empirických koeficientov, ktoré sú závislé od litológie a môžu zhoršiť pochopenie vzťahu medzi parametrami vŕtania a rýchlosťou penetrácie. Účelom tejto štúdie je analyzovať výkonnosť modelu a to, ako modelové koeficienty reagujú na terénne údaje s rôznymi parametrami vŕtania, najmä silou horniny, pre dvaPDC bit modely (Hareland a Rampersad, 1994, Motahhari et al., 2010). Koeficienty modelu a výkonnosť sa tiež porovnávajú so základným modelom ROP (Bingham, 1964), čo je zjednodušujúci vzťah, ktorý slúžil ako prvý model ROP široko používaný v priemysle a stále sa používa. Skúmajú sa údaje o vrtných poliach v troch pieskovcových formáciách s rôznymi pevnosťami hornín a vypočítajú sa modelové koeficienty pre tieto tri modely a porovnajú sa navzájom. Predpokladá sa, že koeficienty pre Harelandove a Motahhariho modely v každej skalnej formácii budú pokrývať širší rozsah ako koeficienty Binghamovho modelu, pretože v druhej formulácii nie je explicitne zohľadnená premenlivá sila horniny. Hodnotí sa aj výkonnosť modelu, čo vedie k voľbe najlepšieho modelu ROP pre bridlicový región Bakken v Severnej Dakote.

Modely ROP zahrnuté v tejto práci pozostávajú z nepružných rovníc, ktoré spájajú niekoľko parametrov vŕtania s rýchlosťou vŕtania a obsahujú súbor empirických koeficientov, ktoré kombinujú vplyv ťažko modelovateľných mechanizmov vŕtania, ako je hydraulika, interakcia frézy a horniny, bit dizajn, charakteristiky zostavy spodného otvoru, typ blata a čistenie otvorov. Aj keď tieto tradičné modely ROP vo všeobecnosti nefungujú dobre v porovnaní s údajmi z terénu, predstavujú dôležitý odrazový mostík k novším modelovacím technikám. Moderné, výkonnejšie modely založené na štatistike so zvýšenou flexibilitou môžu zlepšiť presnosť modelovania ROP. Gandelman (2012) uvádza výrazné zlepšenie modelovania ROP tým, že namiesto tradičných modelov ROP využíva umelé neurónové siete v ropných vrtoch v predsolných panvách na pobreží Brazílie. Umelé neurónové siete sa úspešne využívajú aj na predikciu ROP v prácach Bilgesu et al. (1997), Moran a kol. (2010) a Esmaeili a kol. (2012). Takéto zlepšenie v modelovaní ROP však prichádza na úkor interpretovateľnosti modelu. Preto sú tradičné modely ROP stále relevantné a poskytujú účinnú metódu na analýzu toho, ako konkrétny parameter vŕtania ovplyvňuje rýchlosť prieniku.

ROPPlotter, softvér na vizualizáciu údajov v teréne a modelovanie ROP vyvinutý v programe Microsoft Excel VBA (Soares, 2015), sa používa pri výpočte koeficientov modelu a porovnávaní výkonu modelu.