基于神经网络模型的水平井破裂压力预测方法

破裂压力是井身结构设计的基础依据,也是水力压裂设备选型和方案设计的基础参数,通常采用测井解释获取破裂压力剖面,但其存在参数准确获取难、计算过程繁琐、普适性较差、计算精度低等问题,机器学习提供了一种解决这些问题的新方法。为此,以测井数据作为输入参数,采用4种不同的神经网络模型,建立水平井测井数据与破裂压力间的非线性关系,通过测试集预测结果的对比分析,优选出最佳的神经网络模型,并优化模型网络结构和超参数,实现水平井破裂压力的直接预测。研究结果表明:1)破裂压力与井斜角、横波时差和纵波时差表现为极强相关性,与井深、岩性密度和补偿中子表现为强相关性,与井径和自然伽马表现为弱相关性;2)不同组合的测井参数对模型预测结果具有显著影响,最优输入参数为井斜角、横波时差、纵波时差、井深、岩性密度和补偿中子;3)对比多层感知机、深度神经网络、循环神经网络和长短期记忆神经网络(LSTM)模型,发现LSTM模型的预测效果最佳;4)优化了LSTM模型的网络结构及超参数,优化后破裂压力预测的平均绝对百分比误差为0.106%、决定系数为0.996。LSTM模型能够有效构建水平井测井参数与破裂压力之间的非线性关系,可以实现水平井破裂压力的准确预测,对于准确预测破裂压力、简化破裂压力计算过程、推广机器学习在石油工程领域的应用具有重要的作用。

陇东地区深井钻井循环温度预测及应用分析

长庆油田陇东地区部分天然气井深度约为5000 m,相应的地层温度会超过130℃。然而随着该地区对深层油气、非常规油气以及页岩气等资源的不断开发,高温已成为钻井作业的重要制约因素。为了防范井下高温可能引发的工程事故,构建了一个二维钻井循环温度预测模型,对井筒温度特性进行了分析,并为钻井液和钻井工具的选择提供了理论支持。研究结果表明:1)在开始泵送循环的初期,井口温度迅速升高,井底温度迅速下降,之后的1.5 h内,井口和井底温度变化逐渐趋缓;2)在相同的井深下,随着循环时间的增加,井筒内的钻柱内钻井液温度和环空内钻井液温度逐渐下降,同时相应位置的环空内钻井液温度和钻柱内钻井液温度也下降;3)在预测的温度范围内,对该井的3种钻井液体系进行了表观黏度和塑性黏度实验,结果显示黏度的变化受温度影响较大;4)在预测的温度范围内,以三元乙橡胶为研究对象,随着老化时间的增加以及温度的升高,橡胶密封圈的厚度逐渐减小,硬度逐渐增加,压缩永久变化率也逐渐增加。该预测模型的预测结果与实际生产相符,为设计和选型提供了有价值的指导,具有重要的研究意义。

各向异性地层中随钻地层测试压力响应数值模拟

在随钻地层测试器测试过程中,钻井液动态侵入和地层各向异性会导致不同的压力响应特征,并直接影响地层压力测试结果的解释精度。为此,基于各向异性多孔介质渗流理论,建立了钻井液侵入条件下横观各向同性地层随钻地层测试压力响应数学模型,采用有限元方法对模型进行求解,通过与经典解析解对比进行了模型验证,并分析了渗透率各向异性、地层产状、抽吸间歇时间、抽吸探头半径对随钻地层测试压力响应的影响规律。结果表明:在抽吸前阶段,地层各向异性和地层产状对钻井液侵入导致的井周增压影响较大;在压力恢复阶段,由于井周地层增压作用的影响,测试压力响应初始值会高于原始地层压力,且压力呈先升高后降低的演化趋势;渗透率各向异性程度越小、地层倾角和倾向越小,抽吸压降阶段的压力响应初始值越大、压降值越大、压力恢复速率越低;抽吸间隔时间和抽吸探头半径对压力响应也有一定影响,抽吸间隔时间越小,测试初始压力越大,探头半径越大,压力恢复速率越快。揭示了渗透率各向异性对随钻地层测试压力响应的影响规律,研究结果可为随钻地层测试结果解释和地层参数反演提供理论依据。

钛合金/钢钻杆复合钻柱动力学特性分析与优化设计

钻井深度的持续增加使钻柱面临的载荷工况越来越严苛。钛合金具有密度小、屈服强度高和弹性模量低等特点,基于井口钻杆抗拉余量设计要求,设计3种钛合金/钢钻杆复合钻柱,即复合钻柱1(Φ101.6 mm钻杆段全段使用钛合金钻杆)、复合钻柱2(Φ101.6 mm钻杆上半段使用钛合金钻杆)和复合钻柱3(Φ101.6 mm钻杆下半段使用钛合金钻杆)。为了探究钛合金/钢钻杆复合钻柱(简称为复合钻柱)的动力学特性,基于Hamiton原理建立复合钻柱的动力学模型,并采用节点迭代法和Newmark-β法对模型进行求解,分析3种复合钻柱的涡动特征、动态应力和振动特性,并与常规钢钻柱进行比较。结果表明:钛合金钻杆的使用可有效减缓钻柱涡动速度、动态应力,其中复合钻柱3的涡动速度、动态应力最小;基于振动特征强度对钻井作业参数进行优化,形成复合钻柱3的钻井作业参数推荐图版并给出合理的施工参数范围。

Power-V诱导的钻柱黏滑振动特征分析

黏滑是石油钻井过程中影响钻井效率和井下钻柱安全的一种振动形式.垂直钻井系统Power-V在提供有效控斜力的同时,还会诱导钻柱黏滑振动.通过研究垂直钻井系统Power-V与井壁的接触作用及钻头与地层的相互作用模型,基于钻柱动力学有限元方法,深入分析Power-V的作用机理,研究其对扭转振动的影响,指出Power-V和井壁间的相互作用会导致钻柱与井壁的摩阻显著增加,进而引起摩阻扭矩的增大,诱导井下黏滑振动.实测振动数据证实,Power-V与井壁间的相互作用是引起钻柱黏滑振动的关键因素.这对于揭示黏滑振动的成因和更好地发挥Power-V的作用具有重要意义.

差压步进钻头提高破岩速度原理及现场试验

井底岩石承受较大的原地应力作用,且随着井深增加原地应力呈增大趋势。原地应力的存在增加了岩石的压实程度,导致岩石坚硬、可钻性差、研磨性强等问题,成为破岩工具切削效率低、使用寿命短和钻井速度慢的最主要原因之一。针对此背景,提出释放井底部分原地应力弱化地层抗钻特性提高破岩速度的理念,研发一种可释放井底部分原地应力弱化地层抗钻特性且能够集中钻压强化攻击能力的差压步进钻头,该钻头充分利用钻井过程中的井底钻压波动,实现扩眼钻头与领眼钻头钻压动态分配及钻进过程交替进行的目标,通过弱化地层、强化攻击及转化振动三重效果提高破岩速度。为验证差压步进钻头的应力释放效应,建立三维流固耦合的阶梯井底应力场模型,并在江苏油区某区块砾石层井段开展3口井的实钻试验。结果表明:阶梯井底能够使阶梯处岩石更易破碎;小直径领眼钻头应力释放效果较好;随着地层深度的增加,差压步进钻头应力释放效果更加显著,应力释放比约为60.2%;差压步进钻头提速效果显著,砾石层钻速较牙轮钻头提升可达161.89%,最高提速318.11%。

超深井钻柱动态疲劳失效特征及参数优选

随着油气勘探深度不断增大,超深井钻柱井下振动更加复杂,应力状态随时间变化显著,为保障超深井钻柱的安全性,开展了受空间挠曲井筒约束超细长钻柱的动态疲劳失效特征研究,并进行钻柱结构及工作参数优选。基于实际井眼轨迹,考虑钻柱与井壁的碰撞特征,通过有限元仿真分析,得到全井钻柱动力学特性;根据疲劳损伤累积理论,研究了超深井全井钻柱在非对称循环变幅应力状态下的疲劳强度;结合现场实例,研究了超深井钻柱的危险截面,分析了钻柱疲劳强度随转速、钻压和稳定器安装位置的变化规律。研究表明:钻压和高转速对钻柱疲劳强度的影响较大,低转速对钻柱疲劳强度的影响较小;稳定器可以大幅降低底部钻具组合疲劳失效的概率,而且稳定器安装位置对钻柱疲劳强度的影响较为显著。研究结果为超深井钻柱组合结构参数和钻井参数优选提供了理论依据。

井深随钻测量误差校正与井眼位置不确定性计算方法

深井和超深井钻井过程中井下温度高、井内钻具承受的拉力大,导致随钻测量的井深误差较大。为此,考虑不同井深处井内温度、热膨胀系数、钻具轴向力和钻具规格等因素的影响,在测点处对井内钻具分段,结合井下温度随钻测量结果和井内钻具受力分析结果,建立了随钻测量井深的热膨胀校正模型和弹性拉伸校正模型,以及计算热膨胀校正误差限和弹性拉伸校正误差限的模型,并给出了随钻测量井深热膨胀和弹性拉伸校正后的井眼位置不确定性计算方法。实例计算表明,超深井钻井过程中由热膨胀和弹性拉伸导致的井内钻具伸长量可达10 m以上;随钻测量井深进行热膨胀和弹性拉伸校正后,可以显著减小测点垂深误差和误差椭球的大小。研究结果为提高井深随钻测量精度与科学计算井眼位置不确定性提供了理论依据。

特深井钻柱动力学特性模拟与分析

随着钻井深度不断增加,钻柱运动所涉及的力学问题变得更加复杂,钻柱动力学特性模拟及分析可为安全优质高效钻井提供支撑。为了探求特深井钻柱的运动特性,将钻柱运动的控制方程采用Newmark法对时间离散后,运用SOR节点迭代法,对每一时间步的钻柱整体构形进行求解,实现了总长超9000 m的钻柱动力学特性模拟,不仅给出了钻柱4个典型位置的涡动轨迹、涡动速度和横向加速度,还分析了钻柱的粘滑特性。分析结果表明,上部钻柱的涡动及粘滑现象不明显;随着位置下移,出现不规则涡动及不充分粘滑现象;近钻头位置的钻柱会出现较剧烈涡动,也会出现粘滑振动;中性点位置处钻柱的涡动最为剧烈、碰摩严重,可能给钻柱带来安全隐患。研究结果为特深井安全钻井提供了理论依据。

水平井定向喷砂射孔工具设计与动力学分析

基于水力喷砂射孔技术,结合重力定向原理,设计水平井定向喷砂射孔工具,动力学分析与地面验证试验表明喷枪轴线与井筒轴线存在偏心时能够可靠定向,建立定向偏角与喷枪偏转动力矩、过盈配合阻力矩、液柱压力导致的密封件阻力矩以及轴承旋转阻力矩之间的力学模型。结果表明:偏心距与喷枪自重是提升定向精度的关键因素,而密封件与转轴之间的过盈配合是阻碍定向的关键因素;设计条件下其最大阻力矩占比可达68.4%,地面射孔试验的孔眼与基准位置的偏离角度为2°~4°,喷枪定向效果良好;变更射孔位置时无论拖动还是转动,喷枪均都能够自如地回到初始位置,且打压后喷枪稳定性较好,不存在无序转动、摆动现象。

超深井自动控制压井室内物理模拟试验及结果分析

现有超深井溢流压井技术依靠手动控制节流管汇,响应速度慢,井筒压力波动大,容易引发二次溢流、漏失等复杂情况,而自动控制压井技术可实现钻井时溢流压井作业稳定控制。为此,设计了比例–积分–微分(PID)与位移双层协同反馈的自动控制方法,开发了超深井自动控制压井系统,建立了自动控制压井物理模拟试验装置,开展了恒定目标压力、连续变化目标压力、压力突变干扰等条件下的自动控制压井试验。试验结果表明,自动控制压井系统能够在30 s左右完成节流阀开度的调节,节流压力波动范围小于0.02 MPa,与手动控制压井相比,自动控制压井系统具有良好的稳定性、准确性、反应速度和抗干扰能力。研究结果为超深井复杂地层安全压井提供了理论依据。

深部地层智能压井多解性分析与优化策略

开发深部地层油气资源时普遍存在地质条件复杂、钻井周期长和井筒压力控制困难等问题,采用智能压井方法结合多源实时信息反馈,可实现井筒内气液分布状态和压力变化规律的实时预测与更新,但不同修正系数组合可能得到相同的压力计算结果,导致模型存在多解性难题。为此,分析了不同历史时间节点解空间形态的演变规律,揭示了模型多解性的本质源于少量数据约束下模型训练的不完善性;并对应建立了基于实时信息序列的模型全局训练优化方法及动态随机种群训练优化方法,测试了其对于模型全局最优解的搜索能力及适用条件。测试结果表明,全局训练优化方法在压井初期能够实现精准调控,但计算耗时较长;而动态随机种群训练优化方法在压井初期与预期值略有差异,但计算耗时较少。根据可用计算资源情况选择合适的训练优化方法,可实现多源实时数据约束下模型关于井筒气液流动规律的深度学习。

油气钻采数字孪生模型构建方法及应用案例

油气钻采过程中地质的不确定性、井下实时工况的不可见性、工程仿真的复杂性阻碍了其科学高效的设计及施工。数字孪生技术能够提供实时智能且可视化的方案设计和工程决策,但缺乏针对油气钻采的系统建模方法。对此,本文首先剖析油气钻采数字孪生的国内外研究及应用现状,进而应用成熟度指标定量评价该技术的发展程度;其次,逐次提出油气钻采数字孪生模型的建模方法,包括建模流程、拆分策略、装配及融合架构、建模工具,并以钻井井壁稳定和海上生产系统为例,介绍数字孪生在钻井与开采方面的应用案例;最后,分析困难与挑战并提出发展建议。研究发现,相对制造业,钻采孪生多处于可视化阶段,整体成熟度偏低。油气钻采系统的复杂需求被拆分为若干清晰且较容易实现的子需求;基于需求分析将建模对象在粒度、维度、生命周期上拆分为不同的子模型,通过模型层、功能层、需求层逐层装配子模型,进而实现多维度、多领域模型间的融合。同时,需要在模型管理、数据管理和工程仿真方面完善方法和提高效率。此外,钻采孪生面临多源异构数据选择与融合困难、子模型定义模糊、模型验证不清的问题,以及复杂动力学过程、多部门多任务协同、自主软件工具开发方面的挑战。综上,本文提出的数字孪生模型构建方法和案例能为油气钻采工程提供方法指导和应用参考。

考虑漏层性质的漏失压力剖面确定方法

目前矿场上常用破裂压力当量密度剖面作为钻井液安全密度窗口上限。由于大多数井漏是在地层未破裂的情况下发生的,该做法容易误导现场钻井液密度的使用。漏失压力剖面是合理设计和使用钻井液密度的关键参考数据。归纳了不同性质漏层的漏失压力计算方法;总结出一套漏失压力剖面确定方法,应用该方法能有效识别井漏类型,进而选用相应的漏失压力模型,得出准确的漏失压力剖面。

致密油Ⅱ类储层低粘滑溜水携细砂技术研究

致密油Ⅱ类储层是外围油田持续稳产的接替领域和坚实储量基础,目前,Ⅱ类储层探明未动用储量1.4×10^(8)t,“十四五”期间预计新增1.0×10^(8)t。近两年,致密油区块Ⅱ类储层平均占比增至60%,致密油直井区块压后投产效果差异比较大,部分井未达到设计产量,以Ⅱ类层为主的直井未达到设计产量占比62%,提产效果差,达不到效益开发要求。主要阐述开展一体化低粘滑溜水携小粒径支撑剂工艺技术,使Ⅱ储层实现效益开发。经树A、高B和芳C三个区块进行现场试验,证实了应用该项复合工艺,可以对Ⅱ类储层进行有效改造,为该类储层压裂提供借鉴经验。

超深井控温钻井隔热涂层参数影响机制研究

为揭示隔热涂层对超深井井筒温度场的影响规律,针对隔热涂层与钻杆的导热特点,采用传热热阻形式计算钻杆的综合传热系数,构建了考虑钻杆内隔热涂层影响的超深井井筒–地层瞬态传热模型,并采用有限差分法对模型进行离散,利用高斯–赛德尔算法进行迭代求解。通过理论分析和现场数据验证了模型的准确性。研究发现,钻杆内隔热涂层的导热系数对井底循环温度影响显著,随着导热系数减小,井筒环空温度迅速降低,出口温度升高;隔热涂层的厚度和长度对井筒温度也有重要影响,隔热涂层厚度越大,井底循环温度越低。这些发现为超深井钻井过程中井筒温度的调控和隔热钻杆参数的优选提供了重要理论依据。

基于TDCSO优化CNN-Bi-LSTM网络的井底钻压预测方法

为了准确预测井底钻压,提高钻井效率、降低钻井成本,建立了融合双向长短期记忆网络(Bi-LSTM)和卷积神经网络(CNN)的混合模型。采用三角函数驱动的粒子群优化(TDCSO)方法对模型进行超参数优化,以提高预测钻压的精度;采用美国犹他州FORGE 58-32井和FORGE 58-62井的2个公开数据集对建立的模型进行验证,并采用平均绝对误差、均方根误差、决定系数和均方误差等指标进行模型性能评估。研究结果表明,所提出TDCSO-CNN-Bi-LSTM模型平均绝对误差、均方误差和均方根误差等3个关键性能指标较好,其中决定系数大于0.980,明显优于现有的LSTM、GRU、CNN-LSTM、CNN-Bi-LSTM等方法。研究表明,所提出的TDCSO-CNN-Bi-LSTM模型在井底钻压预测方面具有出色的准确性,能够实现实时监测,并与自动钻进系统集成,实现对钻压的精准控制,不仅提高了钻井效率,还降低了钻井成本,对未来的钻井作业具有重要的实际应用价值。

基于BO-LSTM的海洋浅层钻井机械钻速预测方法

机械钻速是衡量钻井效率的最重要指标,而机械钻速预测可以帮助钻井工程更加有效地对钻井过程进行优化,然而机械钻速受地质特性、钻柱组合、钻井液性能、钻井参数等多因素影响,难以准确预测。该文以渤中某区块的钻井实测数据为基础,提出一种基于贝叶斯优化算法优化长短时间记忆神经网络的机械钻速预测模型,并与标准的LSTM神经网络预测模型和灰狼优化算法优化LSTM神经网络的预测模型作对比分析。选取了渤中区块的3口井进行实验,评级模型的适应性。结果表明,贝叶斯优化LSTM机械钻速预测模型相对于另外两种模型,具有更良好的预测精度。

超深地层井壁失稳理论与控制技术研究进展

超深地层是我国油气勘探开发的重要领域,但因超深地层复杂地质环境导致的井壁失稳已经成为制约超深地层油气资源动用的重大技术难题之一。为此,从地质和工程2个方面系统总结分析了超深地层井壁失稳机理,进而分析了超深地层岩石物理力学实验及本构方程、地应力测量与地层压力预测等地质力学参数评价技术,并探讨了超深地层井壁稳定性评价理论与控制技术的研究进展,最后提出了促进超深地层钻井理论技术发展的建议。研究结果表明:①加强还原超深地层环境的岩石物性、力学和物理模拟实验研究,耐高温高压地应力和井筒压力测量仪器研发,是认识超深地层极端环境下岩石与地质力学特性的关键;②高温高压条件下的多场耦合岩石力学理论是构建超深地层井壁稳定性评价技术体系的基础;③攻关融合超深地层钻井的大尺寸多开井身结构设计、抗高温高压钻井液体系、防漏堵漏工艺与材料、精细控压钻井理论与工具等井壁稳定控制技术是实现超深井钻井提质增效的前提。结论认为,超深地层井壁失稳理论与控制技术的发展不仅推动了我国油气钻探朝着超深地层进军,还有力推动了深地工程科学考察、超深层油气勘探开发理论与装备的迭代与升级。

基于页岩油井置换条件下的环空压力分布

在置换过程中,井筒内的钻井液与井周地层流体形成了动态的流体交换现象,导致环空中流体组成发生变化,进而引起环空压力的变化。现有环空压力计算模型无法准确预测基于置换条件下的压力分布,因此建立了一种基于置换条件下页岩油井环空压力计算新模型。通过数值模拟方法分析了影响环空压力分布的各因素,结果表明:①保持环空流入地层的排量不变,增加地层流入环空的排量,环空压力降低约为1.19 MPa/L;②环空压力分布曲线上会出现一个拐点,且拐点位置与置换点位置一致;③随着置换流体页岩油密度的增大,环空压力升高约为0.034 MPa/(kg·m^(-3))。研究结果可为发生在复杂地层钻井中的置换、漏失和溢流等问题提供一定的理论参考。