Ako poznať vyhodnotenie modelov ROP vrtákov PDC a vplyv pevnosti horniny na koeficienty modelu?

Abstrakt

Súčasné nízke ceny ropy opäť kladú dôraz na optimalizáciu vŕtania 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, najmä hmotnosti vrtáka a rýchlosti otáčania, pre rýchlejšie procesy vŕtania. Pomocou nového, plne automatizovaného nástroja na vizualizáciu údajov a modelovanie ROP, vyvinutého v Excel VBA, ROPPlotter, táto práca skúma výkon modelu a vplyv pevnosti horniny na modelové koeficienty dvoch rôznych modelov ROP vrtákov PDC: Hareland a Rampersad (1994) a Motahhari a kol. (2010). Tieto dva... PDC bit Modely sú porovnávané so základným prípadom, všeobecným vzťahom ROP vyvinutým Binghamom (1964) v troch rôznych pieskovcových formáciách vo vertikálnej časti horizontálneho vrtu bridlice Bakken. Po prvýkrát sa uskutočnil pokus izolovať vplyv meniacej sa pevnosti horniny na koeficienty modelu ROP skúmaním litológií s inak podobnými parametrami vŕtania. Okrem toho sa vedie komplexná diskusia o dôležitosti výberu vhodných hraníc koeficientov modelu. Pevnosť horniny, zohľadnená v modeloch Harelanda a Motahhariho, ale nie v Binghamovom, vedie k vyšším hodnotám koeficientov modelu konštantného multiplikátora pre prvé modely, okrem zvýšeného exponentu RPM pre Motahhariho model. Ukázalo sa, že model Harelanda a Rampersada dosahuje s týmto konkrétnym súborom údajov najlepšie výsledky z troch modelov. Účinnosť 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

Vrtáky PDC (polykryštalické diamantové kompaktné) sú v súčasnosti dominantným typom vrtákov používaných pri vŕtaní ropných a plynových vrtov. Výkon vrtáka sa zvyčajne meria rýchlosťou penetrácie (ROP), čo je ukazovateľ rýchlosti vŕtania vrtu z hľadiska dĺžky vyvŕtaného otvoru za jednotku času. Optimalizácia vŕtania je už desaťročia v popredí programov energetických spoločností a v súčasnom prostredí nízkych cien ropy nadobúda na význame (Hareland a Rampersad, 1994). Prvým krokom pri optimalizácii parametrov vŕtania s cieľom dosiahnuť čo najlepšiu 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 vrtáka. Tieto modely ROP zvyčajne obsahujú množstvo empirických koeficientov, ktoré závisia od litológie a môžu zhoršiť pochopenie vzťahu medzi parametrami vŕtania a rýchlosťou prieniku. Cieľom tejto štúdie je analyzovať výkon modelu a to, ako koeficienty modelu reagujú na údaje z poľa s rôznymi parametrami vŕtania, najmä pevnosťou horniny, pre dva...PDC bit modely (Hareland a Rampersad, 1994, Motahhari a kol., 2010). Koeficienty a výkonnosť modelu sa tiež porovnávajú so základným modelom ROP (Bingham, 1964), čo je zjednodušený vzťah, ktorý slúžil ako prvý model ROP široko používaný v celom priemysle a ktorý sa dodnes používa. Skúmajú sa údaje z vrtných polí v troch pieskovcových formáciách s rôznou pevnosťou hornín a vypočítavajú sa a porovnávajú sa modelové koeficienty pre tieto tri modely. Predpokladá sa, že koeficienty pre Harelandov a Motahhariho modely v každej horninovej formácii budú mať širší rozsah ako koeficienty Binghamovho modelu, pretože v druhej formulácii sa explicitne nezohľadňuje rôzna pevnosť hornín. Vyhodnocuje sa aj výkonnosť modelu, čo vedie k výberu najlepšieho modelu ROP pre oblasť bridlíc 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 medzi frézou a horninou, konštrukcia vrtáka, charakteristiky zostavy dna vrtu, typ kalu a čistenie vrtu. Hoci tieto tradičné modely ROP vo všeobecnosti nefungujú dobre v porovnaní s údajmi z terénu, poskytujú dôležitý odrazový mostík k novším modelovacím technikám. Moderné, výkonnejšie modely založené na štatistike so zvýšenou flexibilitou môžu zlepšiť presnosť modelovania ROP. Gandelman (2012) zaznamenal významné zlepšenie modelovania ROP použitím umelých neurónových sietí namiesto tradičných modelov ROP v ropných vrtoch v predsoľných panvách pri pobreží Brazílie. Umelé neurónové siete sa tiež úspešne používajú na predikciu ROP v prácach Bilgesu a kol. (1997), Moran a kol. (2010) a Esmaeili a kol. (2012). Takéto zlepšenie modelovania ROP však prichádza na úkor interpretovateľnosti modelu. Preto sú tradičné modely ROP stále relevantné a poskytujú účinnú metódu na analýzu toho, ako špecifický parameter vŕtania ovplyvňuje rýchlosť prieniku.

ROPPlotter, softvér na vizualizáciu údajov z terénu a modelovanie ROP, vyvinutý v programe Microsoft Excel VBA (Soares, 2015), sa používa na výpočet koeficientov modelu a porovnávanie jeho výkonnosti.