Обзор проблем прихвата трубы и его прогнозирования

В статье представлен анализ литературных источников, посвященных проблемам прихвата труб в скважине и статистическим методам для прогнозирования прихвата трубы. Подробно описаны причины возникновения прихвата в стволе бурящейся скважины. Проведенные исследования показали, что прихват трубы является постоянной и серьезной проблемой. Результаты показали, что основной причиной прихвата трубы является очистка ствола скважины и последующее образование подушки из-за твердых частиц, но прихваты при перепаде давления, геометрия ствола скважины и другие механические проблемы также играют важную роль в возникновении прихвата трубы.

Ключевые слова: прихват труб, перепад давления, геометрия ствола скважины, крутящий момент, силы сопротивления, статистические методы.

The article presents an analysis of the literature on the problems of pipe sticking in a well and statistical methods for predicting stuck pipe. The reasons for the occurrence of sticking in the wellbore of a drilling well are described in detail. Studies have shown that pipe sticking is a constant and serious problem. The results showed that the main cause of pipe sticking is wellbore cleaning and subsequent solids cushioning, but differential pressure sticking, wellbore geometry and other mechanical issues also play an important role in causing stuck pipe.

Keywords: pipe sticking, pressure drop, wellbore geometry, torque, resistance forces, statistical methods.

Прихват трубы был серьезной проблемой при бурении, даже когда большинство скважин бурили вертикально. Уоррен написал одну из первых статей о прихваченной трубе [15]. В этом новаторском документе обсуждаются причины, профилактика и устранение прихвата трубы. Основные причины описываются как посадка, неправильный контроль бурового раствора, выбуренная порода, песок, обвалы и «комкование». Рекомендации по предотвращению прихвата бурильных труб в основном касаются методов бурения, таких как удержание нейтральной точки ниже верха утяжеленных бурильных труб, сохранение «прямого» ствола скважины, спуск расширителя на бурильной колонне и недопущение ненадлежащего контроля бурового раствора за счет обеспечения надлежащей взвеси шлама и обеспечения низкой скорости фильтрации в пласт и избежание чрезмерно толстой фильтрационной корки. Многие из причин и методов аналогичны тем, с которыми отрасль имеет дело и сегодня.

В 1990 г. [3] опубликовали фундаментальную статью, которая часто цитируется в других статьях о прихвате трубы. В ней подробно описывается высокая стоимость прихвата трубы, а затраты и периодичность разбиваются на различные первопричины. Они пришли к выводу, что больше пользы можно получить, сосредоточив внимание на повышении производительности труда людей, а не на внедрении новых технологий. Компания добилась 70-процентного сокращения затрат на прихват трубы в масштабах всей компании, в основном за счет обучения по решению проблем прихвата труб буровой бригадой, и повышения осведомленности посредством скоординированной всемирной программы коммуникации.

В 2007 г. [18] описали еще одну внутреннюю инициативу компании по предотвращению прихвата труб [17]. Пятьдесят четыре процента проанализированных случаев прихвата трубы (58 из 108) произошли во время спуско-подъемных операций. Работа посвящена теме — мониторингу в режиме реального времени, который включал следующие темы:

– Мониторинг плана на этапе выполнения с использованием наземных и скважинных измерений

– Как распознавать и отслеживать тенденции, такие как тенденции крутящего момента и сопротивления, а также тенденции давления в кольцевом пространстве во время бурения, которые показывают эксплуатационной группе, что они ведут бурение в соответствии с планом или начинают отклоняться от него.

Отмечалась следующая частота различных причин прихвата трубы:

– 21 % от перепада давления;

– 14 % из-за механических проблем и проблем с геометрией ствола скважины.

В статье было отмечено значительное улучшение в уменьшении прихватов труб, что было связано с обучением и практикой бурения. Были сделаны следующие выводы:

– Обучение является основным фактором снижения тяжести и последствий инцидентов, связанных с прихватом трубы.

– Основное внимание в обучении уделялось обеспечению надлежащей очистки скважины, поскольку это было определено как наиболее частая причина прихвата трубы.

– Мониторинг крутящего момента и сил сопротивления имел решающее значение для понимания очистки ствола скважины.

В [4] опубликовали важную статью в 2011, что позволило значительно улучшить ситуацию с прихватом трубы, хотя в этом случае основное внимание было уделено прихвату при перепаде давления. В документе описываются многолетние усилия ExxonMobil по снижению прихватов перепада давления за счет изменений в методах бурения, таких как конструкция компоновки низа бурильной колонны (КНБК), дизайн, а также методы распознавания прочности корки на сдвиг.

В 2012 году оператор заметил повышенный риск прихвата трубы из-за недавнего увеличения буровых работ в истощенных коллекторах и коллекторах с повышенным риском [10]. Как и другие операторы до них, Saudi Aramco сформировала целевую группу, чтобы сосредоточиться на снижении затрат на прихвате труб. В 2009 г. 70 % прихватов труб произошло из-за механического прихвата и 30 % из-за перепада давления. Был разработан индивидуальный план обучения для сертификации персонала по бурению и капитальному ремонту каждые два года.

Эти статьи убедительно демонстрируют, что прихват трубы был и остается основным источником непроизводительного времени и затрат в буровой отрасли.

Первая статья, в которой предлагалось использовать статистический метод для прогнозирования прихвата трубы, была опубликована в 1987 [7]. С тех пор последовали многие другие, в том числе:

– Логистическая регрессия ([17], 1994)

– Нейронные сети ([14], 2006)

– Нечеткая логика ([11], 2009)

– Метод опорных векторов ([9], 2012; [13] 2013)

– Активные методы обучения ([12], 2013)

Эти статистические методы используют базы данных большого количества скважин. Обычно они используют ежедневные отчеты о бурении, отчеты об окончании скважины и другую записанную информацию для прогнозирования прихвата трубы. Входные переменные включают данные о траектории ствола скважины (такие как измеренная глубина, истинная вертикальная глубина, угол наклона, степень искривления), данные о свойствах бурового раствора (такие как вес бурового раствора, пластическая вязкость, pH и т. д.), рабочие параметры (такие как нагрузка на долото, крутящий момент, нагрузка на крюк, давление насоса, расход на входе, скорость вращения на поверхности) и инженерные расчеты (такие как силы сопротивления). Фундаментальное ограничение применения этого подхода к прогнозированию прихвата трубы в режиме реального времени заключается в том, что условия, приводящие к прихвату трубы, часто возникают в течение нескольких минут или часов. Следовательно, требуются гораздо более высокие скорости передачи данных, чем те, которые доступны в ежедневных отчетах по бурению и отчетах по окончанию скважины. Кроме того, использование свойств бурового раствора имеет смысл, но простой факт заключается в том, что они не измеряются достаточно часто на большинстве буровых установок, чтобы обеспечить время предупреждения, необходимое для предотвращения прихвата трубы. Были разработаны системы для непрерывного измерения основных свойств бурового раствора на буровой, но в настоящее время они широко не используются.

Другой подход заключался в использовании аналитических моделей для прогнозирования крутящего момента и сил сопротивления на основе плана и сравнения этих прогнозов с полевыми данными о крутящем моменте и силах сопротивления в реальном времени для прогнозирования прихвата трубы ([1], 1994; [6], 2012). Использование данных о крутящем моменте и сопротивлении, таким образом, необходимо для прогнозирования начального прихвата трубы, но возможно, что надежность значительно повышается за счет включения других показателей, таких как давление в стояке и скорость потока.

Недавняя статья ([5], 2015) описывает использование метода рассуждений на основе прецедентов для прогнозирования прихвата трубы. Компьютерная система рассуждений на основе прецедентов использует распознавание образов для распознавания симптомов по мере их появления во время бурения. Программная платформа сравнивает ситуации в реальном времени с историческими случаями возникновения проблем, а затем вспоминает и представляет соответствующие случаи и передовые методы бурения из базы знаний инженеру в режиме реального времени. Приведен пример, когда удаленный сервисный инженер отслеживал события чрезмерного натяжения и сильного сопротивления при отрыве, которые могут привести к прихвату трубы. Индикаторы возможного прихвата трубы были обнаружены на радаре программного обеспечения, которое отображает сходство между прошлыми случаями и текущей ситуацией. В данном примере случаев прихвата трубы удалось избежать за счет инициирования процедур обратного расширения и контроля веса бурового раствора. Чтобы этот подход работал, следует отметить, что в базе данных должен быть установлен предыдущий случай.

Этот обзор литературы показывает, что были разработаны различные подходы к прогнозированию прихвата трубы.

Задача дальнейшего исследования состоит в том, чтобы разработать метод, который надежно обнаруживает все формы прихвата трубы, используя общедоступные данные с буровой установки.

1. Belaskie, J.P., McCann, D.P., and Leshikar, J.F. 1994. A Practical Method To Minimize Stuck Pipe Integrating Surface and MWD Measurements. Presented at the SPE/IADC Drilling Conference, Dallas, Texas, 15–18 February. SPE-27494-MS. http://dx.doi.org/10.2118/27494-MS.
2. Biegler, M.W. and Kuhn, G.R. 1994. Advances in Prediction of Stuck Pipe Using Multivariate Statistical Analysis. Presented at the SPE/IADC Drilling Conference, Dallas, Texas, 15–18 February. SPE-27529. http://dx.doi.org/ 10.2118/27529-MS.
3. Bradley, W.B., Jarman, D., Plott, R.S. et al. 1991. A Task Force Approach to Reducing Stuck Pipe Costs. Presented at the 1991 SPE/IADC Drilling Conference, Amsterdam, 11–14. SPE-21999-MS. http://dx.doi.org/10.2118/21999-MS.
4. Dupriest, Fred E., Elks, William C., and Ottesen, Steinar. 2011. Design Methodology and Operational Practices Eliminate Differential Sticking. SPE Drilling & Completion. SPE-128129-PA. http://dx.doi.org/10.2118/128129-PA.
5. Ferreira, Ana Paula L. A., Carvalho, Daltro J. L., Rodrigues, R. M. et al. 2015. Automated Decision Support and Expert Collaboration Avoid Stuck Pipe and Improve Drilling Operations in Offshore Brazil Subsalt Well. Presented at the Offshore Technology Conference, Houston, Texas, 4–7 May. http://dx.doi.org/10.4043/25838-MS.
6. Guzman, J. M., Khalil, M. E., Orban, N. et al. 2012. Stuck-Pipe Prevention Solutions in Deep Gas Drilling; New Approaches. Presented at SPE Saudi Arabia Section Technical Symposium and Exhibition, Al-Khobar, Saudi Arabia, 8–11 April. SPE-160875-MS. http://dx.doi.org/10.2118/160875-MS.
7. Hempkins, W.B., Kingsborough, R.H., and Lohec, W.E. et al. 1987. Multivariate Statistical Analysis of Stuck Drillpipe Situations. SPE Journal. SPE-14181-PA. http://dx.doi.org/10.2118/14181-PA.
8. Howard, J.A., Glover, S.B. 1994. Tracking Stuck Pipe Probability While Drilling. Presented at SPE/IADC Drilling Conference, Dallas, Texas, 15–18 February. SPE-27528-MS. http://dx.doi.org/10.2118/27528-MS.
9. Jahanbakhshi, R., Keshavarzi, R., Aliyari Shoorehdeli, M. et al. 2012. Intelligent Prediction of Differential Pipe Sticking by Support Vector Machine Compared With Conventional Artificial Neural Networks: An Example of Iranian Offshore Oil Fields. SPE Drilling & Completion. SPE-163062-PA. http://dx.doi.org/10.2118/163062-PA.
10. Muqeem, M. A., Weekse, A. E., and Al-Hajji, A. A. 2012. Stuck Pipe Best Practices — A Challenging Approach to Reducing Stuck Pipe Costs. Presented at SPE Saudi Arabia Section Technical Symposium and Exhibition, Al-Khobar, Saudi Arabia, 8–11 April. SPE-160845-MS. http://dx.doi.org/10.2118/160845-MS.
11. Murillo, A., Neuman, J., and Samuel, R. 2009. Pipe Sticking Prediction and Avoidance Using Adaptive Fuzzy Logic Modeling. SPE Production and Operations Symposium, Oklahoma City, Oklahoma, 4–8 April. SPE120128-MS. http://dx.doi.org/10.2118/120128-MS.
12. Naraghi, M. et al. 2013. Prediction of drilling pipe sticking by active learning method (ALM). Journal of Petroleum Gas & Engineering 4 (7): 173–183. http:/dx.doi.org/10.5987/JPGE2013.0166.
13. Poordad, Saeed; Chamkalani, Ali; Pordel Shahri, Mojtaba. 2013. Support Vector Machine Model: A New Methodology for Stuck Pipe Prediction. Presented at SPE Middle East Unconventional Gas Conference and Exhibition, Muscat, Oman, 28–30 January. SPE-164003-MS. http://dx.doi.org/10.2118/164003-MS.
14. Siruvuri, C.; Nagarakanti, S.; Samuel, R. 2006. Stuck Pipe Prediction and Avoidance: A Convolutional Neural Network Approach. Presented at SPE/IADC Drilling Conference, Miami, Florida, U. S. A 21–23 February. SPE-98378-MS. http://dx.doi.org/10.2118/98378-MS.
15. Warren, J.E. 1940. Causes, Preventions, and Recovery of Stuck Drill Pipe. API-40–030.
16. Weakley, R.R. 1990. Use of Stuck Pipe Statistics To Reduce the Occurrence of Stuck Pipe. Presented at SPE Annual Technical Conference & Exhibition, New Orleans, Louisiana, 23–26 September. SPE-20410-MS. http://dx.doi.org/ 10.2118/20410-MS.
17. Wisnie, A.P.; Zhu, Zhiwei. 1994. Quantifying Stuck Pipe Risk in Gulf of Mexico Oil and Gas Drilling. Presented at SPE/IADC Drilling Conference, Dallas, Texas 15–18 February. SPE-28298-MS. http://dx.doi.org/10.2118/28298- MS.
18. Yarim, Gokhan; Uchytil, Rodney J.; May, Richard B.; et al. 2007. Stuck Pipe Prevention—A Proactive Solution to an Old Problem. Presented at SPE Annual Technical Conference & Exhibition, Anaheim, California, 11–14 November. SPE-109914-MS. http://dx.doi.org/10.2118/109914-MS.