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節(jié)省時間和延長鉆頭壽命是（澳大利亞）昆士蘭陸上煤層氣非常規(guī)油田面臨的主要挑戰(zhàn)之一，基于最佳鉆井參數(shù)的最大鉆速是解決這些問題的關(guān)鍵目標(biāo)。相關(guān)的數(shù)據(jù)集是從超過80只鉆頭的使用中積累起來的。采用有監(jiān)督的機器學(xué)習(xí)算法對提高機械鉆速（ROP）和鉆頭耐久性的鉆井參數(shù)進行分類。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，一是優(yōu)化PDC鉆頭設(shè)計及鉆井水力，二是制定司鉆路線圖，以確保在油田采用最佳鉆井參數(shù)。
 
煤層氣鉆井的挑戰(zhàn)
 
A油田是位于昆士蘭州Wandoan西南45公里處的CSG油田，E油田位于東北30公里處。在這一階段，將在兩個油田鉆80口垂直井。這將提供試驗數(shù)據(jù)映射概念的機會，以提高ROP，并微調(diào)鉆頭設(shè)計以提高壽命。此外，鉆機傳感器數(shù)據(jù)集為創(chuàng)建機器學(xué)習(xí)模型提供了基礎(chǔ)，以幫助公司人員和司鉆在生產(chǎn)鉆井階段改進鉆井參數(shù)。

鑒于煤層氣作業(yè)的性質(zhì)，希望能夠解決三個主要挑戰(zhàn)：非常規(guī)油田的經(jīng)濟性——節(jié)省時間，降低每口井的平均成本；控制振動以避免扭轉(zhuǎn)/BHA疲勞——計劃外時間損失；一致的性能--如何支持司鉆優(yōu)化鉆頭性能。最初項目的基準(zhǔn)是80米/小時的最低機械鉆速（ROP），因此活動的目標(biāo)是實現(xiàn)平均井底鉆速超過100米/小時，以及每口井1小時的鉆井時間節(jié)約。

通常，鉆頭優(yōu)化是一個迭代過程，在為下一口井提出建議之前，利用鉆頭記錄信息（即ROP和鈍鉆頭分級）對鉆頭性能進行假設(shè)。更詳細的方法則包括使用測井?dāng)?shù)據(jù)（即伽馬射線、聲波）來估計巖石強度，并覆蓋基于深度的油井?dāng)?shù)據(jù)，以確定影響性能的關(guān)鍵事件（正反兩方面），以便在未來的油井中加以解決。這種方法雖然詳盡無遺，但需要時間才能完成，并且有可能是分析工程師的主觀解釋。

在煤層氣井鉆井時，典型的鉆井時間為3-5天。由于分析數(shù)據(jù)的兩口井之間的周轉(zhuǎn)時間較短，目標(biāo)是開發(fā)一種自動化方法，使用從鉆機收集的實時數(shù)據(jù)，并以可視化方法將其呈現(xiàn)給現(xiàn)場/鉆井隊。
 
一種讓井隊能收到實時數(shù)據(jù)的方法

首先，使用來自鉆機的Pason數(shù)據(jù)：以10秒的間隔獲取原始帕森（Pason）數(shù)據(jù)。準(zhǔn)備每個Pason通道的數(shù)據(jù)，并隨機化數(shù)據(jù)集以減少鉆探順序的影響。使用Matplotlib-Seaborn可視化數(shù)據(jù)以檢測任何其他錯誤或缺失值?？梢暬瘮?shù)據(jù)以幫助檢測變量之間的相關(guān)關(guān)系。最后，將數(shù)據(jù)拆分為培訓(xùn)和評估集。

應(yīng)用從第1階段分析中創(chuàng)建的數(shù)據(jù)集，開發(fā)了一個模型，該模型確定了在給定深度/地層下運行的最佳參數(shù)，并將該信息轉(zhuǎn)發(fā)給司鉆，以便進行必要的調(diào)整。然后將油井?dāng)?shù)據(jù)反饋到數(shù)據(jù)庫中，供后續(xù)油井使用。

該項目最大的成果之一是找到了一種獲取、處理和可視化大數(shù)據(jù)（傳統(tǒng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)、非結(jié)構(gòu)化和實時）的方法，這有助于理解鉆井參數(shù)和機械鉆速（ROP）之間的關(guān)系。這使得能夠提高項目的鉆井性能，并降低意外事件的風(fēng)險，即井眼堵塞或扭曲。

在訓(xùn)練和評估機器學(xué)習(xí)算法后，還發(fā)現(xiàn)了其他結(jié)果。采用現(xiàn)場最佳鉆井參數(shù)創(chuàng)建了一個數(shù)據(jù)庫。該信息已與公司人員、司鉆和鉆機經(jīng)理共享，以便可以隨時獲取信息。

在具體實施的第一階段中共鉆了19口井。在充分了解鉆井和地質(zhì)災(zāi)害的情況下，該項目于2019年6月啟動。在對鄰井情況進行分析的基礎(chǔ)上，鉆頭選擇包括4和5刀翼結(jié)構(gòu)，19mm PDC齒，以通過這些預(yù)期的軟地層時實現(xiàn)最大的機械鉆速（ROP）。在鉆完前19口井后，顯然需要重新考慮鉆井過程。雖然在一些井（+100m/hr）中實現(xiàn)了較高的機械鉆速，但性能不一致，在深度、進尺數(shù)和機械鉆速之間沒有相關(guān)性。

如下面的圖1所示，ROP范圍為52–112m/hr。有理由認(rèn)為，為了實現(xiàn)項目的經(jīng)濟目標(biāo)，需要提供更一致和能夠重復(fù)的鉆井性能。

采用更高效的鉆井設(shè)計
在具體實施的第二階段中共鉆了14口井，并采取了不同的方法?？紤]到鉆機的額定容量，決定開發(fā)專注于更高效鉆井的設(shè)計，而不是僅僅關(guān)注鉆頭的攻擊性。通過優(yōu)化一定功率輸入情況下的ROP，將能夠提供更一致的性能，并減少鉆機時間。由于這一理念的改變，本階段鉆井選擇了兩種5刀翼16毫米PDC齒的鉆頭設(shè)計。

耗費了一定的時間從鉆機傳感器收集Pason數(shù)據(jù)，以確定數(shù)據(jù)質(zhì)量以及為了提高性能而需要向現(xiàn)場呈現(xiàn)哪些數(shù)據(jù)軌跡。在查看數(shù)據(jù)時，空值會影響數(shù)據(jù)的分析和可視化方式，這導(dǎo)致開發(fā)了一種在處理之前清理帕森（Pason）數(shù)據(jù)的方法。

在重述數(shù)據(jù)時，繪制這些參數(shù)可以確定性能良好的區(qū)域和需要額外關(guān)注的區(qū)域。目標(biāo)是確定鉆井最佳點，這是通過繪制WOB（鉆壓）×RPM（轉(zhuǎn)速）×ROP（機械鉆速）來實現(xiàn)的。然后可以量化高ROP的集群，并與鉆機操作人員共享。據(jù)觀察，具有更緊密高性能集群的油井通常會縮短總體鉆井時間。

該信息在鉆井團隊中共享，以便在將結(jié)果分發(fā)給現(xiàn)場以供反饋之前，對結(jié)果進行微調(diào)和評論。讓鉆井人員參與優(yōu)化過程可以更快地在現(xiàn)場采用該過程。
 
參考下面的圖2，可以看到，在500米的距離內(nèi)，ROP逐漸變小。通過將參數(shù)從上部區(qū)域更改為下部區(qū)域，實現(xiàn)了總體性能提升。鉆壓從10-15Klbs增加到15-20Klbs。改變轉(zhuǎn)速對上部區(qū)域的影響較小，但從400米處觀察到，160轉(zhuǎn)/分產(chǎn)生了更高的ROP。雖然這些結(jié)果本可以在井場進行鉆取測試，但利用數(shù)據(jù)可視化方法，則可以以更易于理解的格式獲取最佳實踐方法。該方法還為未來的工作提供了一個記錄系統(tǒng)，可以建立一個歷史性能數(shù)據(jù)庫，并為現(xiàn)場提供實時優(yōu)化建議。  
如上所述，在項目開始時，鄰井的平均井底機械鉆速（ROP）為80m/hr。而項目目標(biāo)是以每小時100米的速度完成任務(wù)。從性能進展過程中可以看出，這一基準(zhǔn)一直在實現(xiàn)。
 
在第三階段的鉆探中，進入了一個新的領(lǐng)域。據(jù)預(yù)測，煤層比A區(qū)淺。這將使得能夠在較淺的深度試驗新的優(yōu)化過程，預(yù)計這將導(dǎo)致更高的機械鉆速。根據(jù)第3階段看到的鉆頭性能，采用了516 PDC鉆頭，同時也使用了兩種不同的設(shè)計。

通過復(fù)制第2階段中遵循的優(yōu)化過程，實現(xiàn)了提高總體ROP的目標(biāo)，導(dǎo)致底部平均ROP增加到+150m/hr。這突出表明可以進入一個新的領(lǐng)域，并加快學(xué)習(xí)進程。

隨著進入試驗活動的最后階段，為了提高鉆頭的經(jīng)濟性，決定對其中的三只鉆頭進行維修和翻新。為了確保供應(yīng)的連續(xù)性，從服務(wù)公司的租賃鉆頭中提取了一只鉆頭，以便使鉆機始終都保持擁有一只主用鉆頭和一只備用鉆頭。這種鉆頭管理方法降低了總體擁有成本，并確保在項目結(jié)束時沒有多余的庫存。對性能數(shù)據(jù)進行了密切監(jiān)控，以確保翻新后的鉆頭的性能就像新鉆頭一樣。

在第2階段和第3階段，鉆井性能的井后可視化被用于指導(dǎo)井場團隊了解下一口井的參數(shù)。利用從鄰井收集的信息，利用原始鉆井?dāng)?shù)據(jù)和地質(zhì)地層頂部創(chuàng)建了一個庫。然后通過機器學(xué)習(xí)算法運行數(shù)據(jù)集，以確定什么是最佳方法。

這些數(shù)據(jù)可供鉆臺上的司鉆使用，因此可以使用這些信息來支持其的決策。司鉆將輸入給定公差（+/-米）的參考深度和地層名稱。他們將收到一個顯示，顯示在整個層段內(nèi)使用的最佳鄰井參數(shù)和參數(shù)范圍。例如，如果司鉆經(jīng)歷了負(fù)面的鉆井中斷，他們可以參該庫，看看這是否屬于該地區(qū)的常見情況，以及采取了哪些安全措施來克服這一問題。

為了提高現(xiàn)場性能的一致性，實施了由現(xiàn)場公司代表（OCR）和鉆機經(jīng)理推動的協(xié)作方法。在每口井結(jié)束時，討論了該井的性能總結(jié)。通過比較井與井之間的性能，可以確定技術(shù)極限，得出一個衡量一致性的過程。結(jié)果表明，在規(guī)定的范圍內(nèi)，操作參數(shù)的差異越小，ROP就越高。
 
需要解決的變量
 
鉆井動力學(xué)是另一個需要解決的變量，因為這可能會對鉆井性能產(chǎn)生影響，并增加潛在鉆柱疲勞和扭曲的風(fēng)險。作為一個起點，現(xiàn)場公司代表已經(jīng)確定了經(jīng)歷過高扭矩水平或在鉆臺上觀察到振動的油井。然后從鉆機傳感器和引發(fā)熱圖中所示振動的關(guān)鍵區(qū)域獲取參數(shù)（見圖4）。在隨后的鉆井中，進行了鉆取測試，以微調(diào)算法，繪制臨界極限。
在整個鉆井優(yōu)化過程中，專家們聽取了來自現(xiàn)場的反饋以進行迭代設(shè)計并進行改進。這是基于對鉆頭在不同參數(shù)下通過不同地層工作時扭矩響應(yīng)的評論，以及在兩次鉆進運行之間對鉆頭進行分級時的觀察。  
在鉆井開始時，考慮到所鉆地層的性質(zhì)和鄰井的經(jīng)驗，采用了激進的19mm（4和5刀翼）設(shè)計。雖然性能是可接受的，但根據(jù)數(shù)據(jù)分析，很明顯，鉆井下部的ROP有所下降。鑒于觀察到的扭矩響應(yīng)，設(shè)計團隊一致認(rèn)為，應(yīng)該尋找更有效的設(shè)計方案。前提是尋找能夠?qū)@井扭矩轉(zhuǎn)換為更高切割深度的設(shè)計。

在第2階段，隨著開發(fā)鉆井優(yōu)化流程，最初運行了具有扭矩限制功能的PDC設(shè)計。隨著過程的發(fā)展和現(xiàn)場觀察到的結(jié)果，得以能夠重復(fù)設(shè)計，并引入框架，證明在鉆探A和E油田遇到的地層時更為有效。

與微調(diào)設(shè)計一樣，可能需要在鉆頭壽命和ROP之間達成某種妥協(xié)，見圖5。從鉆頭的鈍化狀況，觀察到了常見的鈍性特征。這些結(jié)果被捕獲，并將在下一次鉆井活動之前通過新設(shè)計予以解決。  
作為一項臨時措施，當(dāng)鉆頭被送回維修中心進行翻新時，能夠?qū)η邢鼾X類型和幾何形狀進行更改，以提高516（K）鉆頭的耐用性?？偠灾陧椖块_始時，制定的目標(biāo)是提供平均井底ROP+100m/hr的機械鉆速，并為每口井節(jié)省一小時的鉆井時間。基于各種鉆井優(yōu)化計劃，在80口井活動期間成功實現(xiàn)。