国内外钻井模拟技术现状及展望

第0巷第5期2OL2年9月石油钻探技术PETROIEUMDRIIIINGTECHNIQUESVO1_0NO5SEP，2012钻井完井DOI103969JISSN10010890201205012国内外钻井模拟技术现状及展望孙旭，赵金海，滕春鸣，杨传书，王明方中国石化石油工程技术研究院，北京100101摘要钻井模拟技术可为降低钻井成本和施工风险、提高钻井速度提供有力的辅助决策支持，目前仍然是国外的研究热点。掌握国内外技术现状和发展趋势是开展钻井模拟技术研究的重要基础。从钻井工艺流程操作训练培训模拟、钻井过程模拟、钻井技术经济评价模拟等3个方向，阐述了钻井模拟技术研究现状，分析了国内外有代表性的钻井模拟系统的功能和特点；从钻井模拟模型研究、钻井培训模拟器研制、钻井模拟系统研发等3个方面，分析了我国与国外先进水平的主要差距。在此基础上，提出基于虚拟现实技术的钻井模拟系统将是下一步钻井模拟技术研究与应用的主导方向；认为目前国内钻井模拟技术的研究重点将集中在地质模拟模型的研究与验证、钻前工程设计模拟优化技术、钻井过程的实时模拟与预测技术、基于实钻井的培训模拟器研制等方面。关键词钻井工程模拟技术模拟模型模拟器模拟系统中图分类号TE928文献标识码A文章编号I0010890201205005405STATUSANDPROSPECTOFDRILLINGSIMULATIONTECHNIQUEATHOMEANDABROADSUNXU，ZHAOJINHAI，TENGCHUNMING，YANGCHUANSHU，WANGMINGFANGSINOPECRESEARCHINSTITUTEOFPETROLEUMENGINEERING，BEIJING，100101，CHINAABSTRACTPROVIDINGSTRONGDECISIONSUPPORTINTERMSOFREDUCINGDRILLINGCOST，MITIGATINGOPERATIONRISKANDIMPROVINGDRILLINGSPEED，DRILLINGSIMULATIONTECHNIQUEISSTILLTHEFOCUSFOROVERSEASRESEARCHESMASTERINGTHESTATUSANDDEVELOPMENTTRENDOFTHETECHNIQUEATHOMEANDABROADISTHEIMPORTANTBASISFORCARRYINGOUTSTUDIESONDRILLINGSIMULATIONTECHNIQUEFROMTHEPERSPECTIVESOFDRILLINGENGINEERINGTRAININGSIMULATION，DRILLINGPROCESSSIMULATIONANDDRILLINGTECHNICALECONOMICEVALUATIONSIMULATION，THISPAPERDESCRIBEDTHESTATUSOFDOMESTICANDOVERSEASRESEARCHESONTHETECHNIQUE，ANDANALYZEDTHEFUNCTIONSANDCHARACTERISTICSOFTHEREPRESENTATIVEDOMESTICANDOVERSEASDRILLINGSIMULATIONSYSTEMSITALSOANALYZEDTHEMAINGAPSBETWEENDOMOSTICANDOVERSEASADVANCEDTECHNOLOGIESFROMTHETHREEASPECTSOFRESEARCHESONDRILLINGSIMUIATIONMODEL。DRILLINGTRAININGSIMULATORDEVELOPMENTANDDRILLINGSIMULATIONSYSTEMRDINADDITION，THEPAPERPROPOSEDTHEDRILLINGSIMULATIONSYSTEMBASEDONVIRTUALREALITYTECHNOLOGYWOULDBETHELEADINGDIRECTIONFORFURTHERRESEARCHANDAPPLICATIONOFDRILLINGSIMULATIONTECHNOLOGYFINALLY，THEPAPERSPECIFIEDTHATDOMESTICRESEARCHESONTHETECHNIQUEWOULDFOCUSONSUCHASPECTSASTHERESEARCHESANDVERIFICATIONOFENGINEERINGGEOLOGICALSIMULATIONMODEL，PREDRILLINGSIMULATIONOPTIMIZATION，REALTIMESIMULATIONANDPREDICATIONDURINGTHEDRILLINGASWELLASTRAININGSIMULATORDEVELOPMENTBASEDONDRILLINGWELLSKEYWORDSDRILLINGENGINEERING；SIMULATIONTECHNOLOGY；SIMULATIONMODEL；SIMULATOR；SIMULATIONSYSTEM目前，国内石油与天然气重点勘探开发区域钻井施工面临工作风险和难度增大、成本高等方面的挑战，应用钻井模拟技术可以为降低钻井成本、施工风险和提高钻井速度提供有力的辅助决策支持。钻井模拟是仿真技术在石油钻井领域的应用，是根据已建立的钻井工程相关数学模型，利用计算机及物理模拟设备再现石油钻井过程的技术。在国外，钻收稿日期201卜L】09；改回日期201272，1。作者简介孙旭1969一，男，山东金乡人，1991年毕业于西北大学计算机软件专业，2004年获西安交通大学计算机技术专业工程硕士学位，高级工程师主要从事信息技术在钻井工程中的应用方面的研究工作。联系方式0108498833L，SUNXUSRIPCSINOPCCCONL。基金项目中国石化“十二五”重点信息化项目“石油工程钻井决策支持系统”编号卜MM201卜080部分研究成果。第4卷第5期孙旭等国内外钻井模拟技术现状及展望井模拟技术已应用于钻井工艺流程操作训练、钻井工程设计优化、钻进过程监测与预测、钻井技术经济评价分析决策等方面，并取得了很好的应用效果。国内虽在钻井工程操作训练方面有较为成熟的产品，但与国外相比还存在不小的差距。笔者在深入调研国内外钻井模拟技术现状的基础上，分析了我国与国外的差距，提出了钻井模拟技术的发展趋势，明晰了我国钻井模拟技术的研究方向和研究重点。1国外钻井模拟技术研究现状20世纪80年代，国外提出了开展钻井模拟研究和研制钻井模拟器的设想1，美国的AMOCO石油公司、SUPERIOR石油公司、HALLIBURTON公司、加利福尼亚大学等多家公司、研究机构及院校对此进行了研究。AMOCO石油公司于1983年建立了一套完整的钻井模拟系统，率先实现了钻井过程的高度模拟。1986年，国外钻井模拟技术趋于成熟L1，钻井工艺流程操作训练培训模拟、钻井过程模拟、钻井技术经济评价模拟等3个主要研究方向上均形成了成熟的产品，并在钻井生产、培训等方面进行了应用，取得了可观的经济效益。目前，钻井模拟仍然是国外钻井技术的研究热点。I1钻井工艺流程操作训练培训模拟国外钻井工艺流程操作训练培训模拟研究开始于钻井培训模拟器的研制，主要用于设备操作训练、钻井工艺流程学习，特别是钻井新方法和井控技术培训等方面。目前，钻井培训模拟器可以进行陆上及海上钻井作业培训，并具有全尺寸模拟器及微型模拟器。阿伯丁DART钻井模拟器由地面模拟器和井下模拟器2部分构成，可以进行地面钻井配置模拟、钻井设计模拟、地层油藏特征模拟。操作舱是海上钻井平台司钻控制舱的全尺寸复制品，具有计算机司钻控制技术特点，周围有用来显示钻机和井架等设备三维图形的显示屏幕。可模拟的复杂情况包括井涌、漏失、钻头喷嘴堵塞、缩径抽汲和压力波动、卡钻等，并在巴库、阿塞拜疆、里海等地区进行了实际应用。其显著特点是可模拟实际作业环境，提供地面、地下的三维场景。微型模拟器的功能与全尺寸模拟器相似。DRILLSIM钻井及井控模拟器的功能与阿伯丁DART钻井模拟器相似，也是基于现在的钻井装置定制的，模拟控制台、设备和管汇与钻台上的设备一样，场景与现场完全一致。其定位目标是管柱作业、钻井和井控的机械化模拟。显著特点是模拟功能强大、各作业流程声音模拟逼真。其微型模拟器可用于较简单的培训，携带方便。12钻井过程模拟钻井过程模拟主要应用于钻井过程设计优化、钻进过程监测和预测，包括钻井施工的地质条件模拟、下部钻具组合的力学特性，以及井眼轨道设计和实钻井眼轨迹的控制和修正、注水泥设计与施工模拟、井控和欠平衡作业模拟、钻头选择、钻井地质导向控制等方面。AMOCO钻井模拟器2涵盖了石油钻井地质和工程方面的大量准确且全面的数学模型和专家系统，可以进行钻前模拟，提供技术经济评价，如估算工期、钻头数量、费用概算、材料消耗等；可给出施工各阶段注意的问题及采取的措施等；可接收实钻数据进行钻进过程模拟，提供实时监测、预测服务；能对现场进行分析和判断，提出下一步施工建议。SUPERIOR钻井模拟器3L_的规模比AMOCO钻井模拟器小，功能相似，但具有网络系统。DROPS钻井优化模拟器E45能对可选择的不同类型钻头和一系列钻井参数进行组合模拟比较，并根据其优选施工方案，相关钻井模拟模型钻头模型、待钻地层模型等得到了实验室、试验井、油田现场的验证L5J。EDRILLING钻井数字模拟系统6是用于钻井过程实时模拟、三维可视化和远程控制的创新性模拟系统，可利用地面或井下的实钻数据，进行实时模拟来监视和优化钻井过程。该系统包含系列模拟模型，如水力学模型温度压力、孑L隙压力模型、摩阻扭矩模型、钻柱振动模型、井眼稳定模型、机械钻速模型、地质力学模型等，能够动态模拟不同的钻井过程，并可进行钻进过程的诊断预警、预测等。可模拟的钻井过程中的参数包括当量循环密度、温度、摩阻、岩屑携带情况、井眼稳定性、孔隙压力、最佳机械钻速等。可诊断预警的井下故障包括井涌、遇卡、井漏、井眼不清洁、起下钻速度受限、传感器参数异常、钻压不合适等。可预测的钻井过程中的参数包括当量循环密度、摩阻扭矩等。EDRILLING钻井数字模拟系统的架构如图L所示。石油钻探技术模拟模型与模拟模块用户界面二维与三维图LEDRILLING系统架构FIG1EDRILLINGSYSTEMARCHITECTURE13钻井技术经济评价模拟钻井技术经济评价模拟主要用于钻井技术经济评价分析决策，代表性产品是HALLIBURTON公司的迭代模拟钻井系统。该系统的基本工作过程为取得地层参数和各种钻机的参数进行模拟，得出各种钻机条件下的经济评估因子，进行对比后给出最优的钻机系统参数，指导钻井公司选择最优的钻机钻井。迭代钻井模型是系统的核心，由地质模型、钻井力学模型和钻井经济学模型组成，可用于钻机选择、钻机调整与升级评价、租赁资产对比、井下工具经济评价、油田钻井经济评估、钻井公司价格与设备可行性研究、钻井液体系选择对经济的影响等。2国内钻井模拟技术研究现状国内钻井模拟研究起步于1994年I7J，西南石油大学原西南石油学院、西安石油大学原西安石油学院等高校及大庆油田、大港油田等油田企业均开展了该方面的研究。目前，国内开展的钻井模拟研究主要包括钻井工艺流程操作训练培训模拟、钻井过程计算机模拟两方面。其中，钻井工艺流程操作训练培训模拟已取得了一些成果，形成了系列钻井培训模拟产品，并在国内钻井工艺流程操作训练中起到了较好的作用，只是与国外先进水平相比还有一定差距；钻井过程模拟的研究也取得了部分进展，但与国外先进水平相比差距较大。钻井技术经济评价模拟方面的研究很少，还未见到有关钻井技术经济评价模拟软件研发与应用方面的报道。21钻井培训模拟器的研制国内钻井培训模拟器的研制始于2O世纪8O年代中期，主要是对2O世纪80年代从国外引进的钻井模拟器进行改造，利用原模拟器的外壳，配以电路驱动并编制相应的钻井及井控软件L7。西南石油大学在钻井培训模拟器研制方面走在了国内前列，研制了DS系列全尺寸钻井培训模拟器，并在国内各石油企业推广应用。1986年，西南石油学院在引进DIGITRAN模拟器的基础上，研制出拥有完全自主知识产权的国内第一台微型钻井模拟器，达到了当时国外同类产品的水平_8；2004年，该校研制出全尺寸欠平衡实物钻井模拟器LG，是当时国内自主研发的较先进的钻井培训模拟器，可以完成低密度欠平衡钻井、地面充气欠平衡钻井、气体钻井和泡沫流体欠平衡钻井演示和操作模拟；2009年，西南石油大学又成功研制了高度仿真现场真实设备的DS一8型钻井模拟器，该模拟器基于先进的计算机控制、仿真、图形及网络技术，结合对实际钻井工艺的严格模拟，可为用户提供起下钻、钻进、井控和井下故障处理等总计23个作业项目的操作练习，主要用于陆地或海洋钻井平台上的司钻及钻井技术人员的操作培训，通过与操作工况同步的三维立体投影显示，可产生与现场情况相似的视觉效果，并配以逼真的环境声响与报警笛声，给人以身临其境的感觉。22钻井过程计算机模拟中国海洋石油总公司在海上钻井过程计算机模拟研究方面起步较早，开发的钻井模拟系统其主要功能包括工程方案的模拟试算、工程设计参数的模拟计算、与综合录井及MWD相配合对钻进过程进行模拟预测等，并在南海、东海及渤海的实际钻井过程中进行了应用，取得了较好的效果_7。西安石油大学结合地质导向钻井技术研究，提出了利用虚拟现实技术建立临境式地质导向钻井信息模拟系统E，其内容包括基于井场数据构建模型数据库，利用随机模拟方法和曲率半径法分别建立地质分层模型和井眼轨迹模型，应用JAVA3D实现井下对象的三维可视化。中国石化也开展了钻井计算机模拟系统科研攻关，把钻井计算机模拟分为3个阶段1L_1钻前静态设计模拟阶段，通过计算机模拟预先评估设计方案中可能存在的不足或风险；2钻进实时动态模拟阶段，对生产作业全过程进行模拟和监控动态模拟；第_卷第5期孙旭等国内外钻井模拟技术现状及展望3钻后静态模拟分析阶段，对已完成井进行钻后计算机模拟分析评价。综上所述，国内在钻井培训模拟器的研制及钻井计算机模拟方面取得了一些成果。但我国钻井模拟技术起步较晚，尚处于起步阶段，目前还没有形成一套能对钻井过程进行全面模拟和分析评价的钻井模拟系统。3我国与国外先进水平的主要差距31钻井模拟模型研究国外钻井模拟模型涉及钻井地质模型、钻井工程模型和钻井经济学模型等方面，内容涵盖整个钻井工程领域，成果已得到验证。国内模型研究多集中于工程模型，主要涉及钻井工程领域的单一分支，如井控模拟、注水泥模拟、欠平衡井注气模拟、井眼轨迹模拟等方面，模型主要是参考采纳石油行业标准规范，多数模型局限于求解部分具体的工程问题。而工程模型主要来自于国内钻井技术研究成果，还需要更多的实验室和现场试验进行验证。虽然开展了相关钻井地质模型的研究，但研究成果在钻井模拟系统的应用还需深入。钻井经济学模型方面开展的研究工作较少。32钻井培训模拟器研制在国外陆上和海上的钻井作业培训均有相关模拟器，可进行钻井工艺全过程的培训模拟，能逼真地再现地下虚拟环境。国内已研制出了进行部分工艺流程培训的模拟器，但模拟器与现场实钻数据结合进行实际作业环境模拟、井下场景的三维可视化技术研究等方面存在差距，需要继续进行相关研究。33钻井模拟系统研发国外钻井模拟系统已应用于钻井全过程模拟与钻井技术经济评价，并取得了很好的效果。国内在井控模拟、注水泥模拟、欠平衡井注气模拟、井眼轨迹模拟等方面，形成了部分针对解决具体工程问题的单一模拟软件并已应用。而在钻进过程计算机模拟，特别是钻进过程预测方面还没有成熟的软件；在钻井技术经济评价方面也未见到相关模拟软件方面的报道。4钻井模拟技术发展趋势41国外研究与应用的主要方向虚拟现实技术是应用计算机模拟三维环境对现场真实环境进行模拟，用户可以进入环境，控制浏览方向，并操纵场景中的对象进行人机交互。随着仿真技术在石油钻井领域的广泛应用，虚拟现实技术将是下一步钻井模拟系统研究与应用的主导方向。基于虚拟现实技术的钻井模拟系统，是根据地震、电测、随钻测量、随钻测井、综合录井等提供的各种信息，应用虚拟现实技术，对地质分层、储层、设计轨道、实钻井眼轨迹、靶区等进行三维可视化，使钻井技术人员能够身临其境，直观地看到地下地层、实钻井眼轨迹等，能对井下各种信息进行全方位、多层面、多维的立体感知、分析、理解和解释应用，更具有真实感。国外钻井工程领域正在开展以下方面的研究工作1利用地震、电测、随钻测量、随钻测井、录井等信息，对钻井工程地质环境进行定量描述，建立模拟井地质特征参数随井深的变化趋势和数值剖面，构建钻井地质特征模型。2结合钻井工程技术研究成果及地质环境信息等，构建钻井工程模型。3对钻井过程中各场景和物体统称对象构建其虚拟模型，包括对象的几何模型、运动模型、物理模型、音频模型和交互模型等，给它们赋予各种物理特征、运动约束及音频与交互特征等。其中，几何模型用以描述对象的形状及其表面信息纹理、表面反射系数、颜色等；运动模型包括位置、碰撞、旋转、缩放、表面变形等变化；物理模型包括对象的重量、质量、惯性、表面光洁程度、软硬程度及畸变模式弹性、塑性等并遵循其运动和动力学规律；音频模型模拟3D虚拟立体声；交互模型用于检测用户的外部输入如头部位置变化、手的姿态命令并作用于虚拟环境。4基于计算机软件技术、三维可视化技术等，实现虚拟场景、各类模型的生成、三维可视化。其中，地质模型、工程模型的构建是基础，三维虚拟模型的构建是关键。随着仿真技术特别是虚拟现实技术在钻井领域应用的进一步研究，钻井模拟技术可为钻井工程设石油钻探技术计、施工和决策提供以下支持1钻前，基于钻井工程设计在计算机上模拟钻井，对工程方案进行技术经济评价，对工程设计参数进行模拟计算，并提出建议，如各阶段需要注意的问题及可能出现的意外，以及问题出现时应采取的措施等，为钻井工程方案优化决策提供支持。2钻进过程中，一方面基于随钻测量、随钻测井、综合录井等实时信息，进行三维可视化模拟，实现施工过程的实时监测；另一方面进行钻进预测，对现场施工情况进行实时分析与判断，指出可能隐藏的问题，提出下一步的施工建议，为钻井施工优化决策提供支持。42国内技术研究重点国内钻井模拟技术研究要达到国际先进水平，还需要着重开展以下研究工作1继续加强能支持钻井工艺全过程和钻井新方法的钻井培训模拟器的研制，其中研究重点是模拟器与实钻数据结合进行实际作业环境模拟、模拟过程与实际作业过程的符合度以及模拟的准确率等，实现基于实钻井的模拟训练；2继续开展钻井过程计算机模拟研究攻关，包括钻前工程设计方案的计算机模拟、钻进过程的实时模拟与预测等，使之尽早应用于实际的钻井过程，并进一步形成产品，其中井下可视化模拟技术研究、井下故障的诊断与预测技术研究是关键，实现基于井下地质环境、井下场景的钻进过程三维可视化模拟；3尽快开展钻井技术经济评价模拟模型、钻井技术经济计算机评价模拟等方面的研究工作。5结论及建议1国外钻井模拟研究起步较早，在钻井培训、钻井过程模拟、钻井经济评价等方面已形成成熟的产品，并已应用于生产，下一步研究的重点是虚拟现实技术在钻井模拟中的应用。2国内在钻井培训模拟研究方面取得了一些成果，但与国外先进水平相比差距较大，需加快支持钻井工艺全过程和钻井新方法的钻井培训模拟器的研制。3国内在钻井过程计算机模拟研究方面取得了一些进展，尚未形成一套能支持钻井全过程的模拟软件，下一步研究的重点是工程地质模拟模型的研究与验证、钻前工程设计模拟优化技术、钻井过程的实时模拟与预测技术。4国内在钻井经济评价模拟方面的研究较少，应加强该方面的研究。参考文献REFERENCES1高岩，胡湘炯钻井工程系统仿真技术LJ石油钻探技术，1994，2221618GAOYAN，HUXIANGJIONGCOMPUTERSIMULATIONFORDRILLINGENGINEERINGJPETROLEUMDRILLINGTECHNIQUES，1994，22216182MILLHEIMKKANENGINEERINGSIMULATORFORDRILLINGPARTIJRSPE12075，19833MILLHEIMKKANENGINEERINGSIMULATORFORDRILLINGPARTIIJRSPE12210，19834NYGAARDR，HARELANDG，BUDININGSIHY，ETA1EIGHTYEARSEXPERIENCEWITHADRILLINGOPTIMIZATIONSIMULATORINTHENORTHSEARRIADCSPE77247，20025BRATLIRK，HARELANDG，STENEF，ETA1DRILLINGOPTIMIZATIONSOFTWAREVERIFIEDINTHENORTHSEARSPE39007，19976ROMMETVEITR，KNUTSBJORKEVOL