作者：Fred Harvey, MSC Software

石油和天然氣的勘探需要鉆井，鉆井是通過一段鉆桿連接到井底鉆具組合（BHA）上進行，井底鉆具組合包括各種專用鉆井工具，用于鉆穿巖石、測量、管控振動，以及轉向控制。鉆柱沿著預定的軌跡到達特定的富油目標區，通常距離鉆機本身超過15,000英尺。因為每一口井都是獨一無二的，而且鉆井過程極其昂貴，所以用傳統的原型測試方法對設計進行物理測試是不切實際的。

鉆井系統非常復雜，包括流體系統、電氣系統、先進控制系統、機械驅動、鉆機結構和鉆柱，此外還有對高溫和高壓環境作出貢獻的大自然，以及各種地質因素。鉆柱浸沒在鉆井液中，并通過許多具有不同物理特性的地層保持與井眼的接觸。旋轉和軸向運動通過電動頂驅和繩索滑輪系統在地面進行控制；每一個都有自己的機械、液壓和控制系統。鉆井液通過鉆桿泵入井筒，以提供潤滑、冷卻和從鉆頭排出巖屑。這種流體為鉆柱提供了粘性阻尼和浮力效應，但是，當保持靜止時也具有結塊的趨勢。泥漿馬達將液壓能轉換為機械能，從而為鉆頭提供扭矩和額外的轉速。其它具有不同復雜度的設備被用于進行測量、管控振動，以及穩定和維持BHA的方向控制。為了捕獲正確的系統特征，必須在模型中考慮所有這些設備。

可以想象，整個鉆井系統是非常復雜的，由許多非線性子系統組成，這些子系統與流體、地質、控制系統以及鉆柱本身的機械結構相互作用。對于如此復雜的系統，地面幾乎沒有或根本沒有指示的情況下，井下可能已經發生破壞性振動就不足為奇了。物理測試不僅昂貴得令人望而卻步，而且測試數據往往直到鉆井完成并獲得井下數據后才能得到。即使有井下測試數據，也很難從有限的可用信息中了解實際發生的情況。建模為研究鉆井系統，了解可用的物理數據以及評估未來設計的性能提供了可能。

許多方法被用來對鉆井系統進行建模，并取得了不同程度的成功。有限元是最常見的。在頻譜的一端，事實證明，非常簡單的線性結構動力學模型，對于基本規劃目的鉆柱表征非常有用。主流服務公司采用高級非線性FEA模型，用于研究非線性鉆井功能障礙。盡管FEA適用于捕獲非線性行為，但此類模型往往很麻煩，計算成本高，并且無法在市場上買到。方程組位于頻譜的另一端。速度足夠快，可用于實時分析，但難以捕捉到足夠的保真度，以解釋個別設計或復雜的耦合物理問題。

MSC Adams的多體動力學（MBD）方法，在保真度和計算效率之間取得了很好的平衡，同時捕獲了鉆井系統和各個子系統的耦合三維非線性行為。MSC軟件公司與先鋒自然資源公司（Pioneer Natural Resources）合作，為該獨特的行業垂直應用量身定制了Adams。

“我們對Adams Drill的潛力感到非常興奮，該軟件使我們能夠從頭到尾模擬整個鉆井過程，并監控一系列以前從未使用過的新參數?！?/span>

— Chris Cheatwood,CTO, 先鋒自然資源公司

先鋒公司正在幫MSC驗證模型，方法是使用特殊的測量接頭收集物理鉆井數據，這些測量接頭設計用于承受鉆井過程中的極端振動和井下作業環境。團隊正在進行測試數據與仿真數據的比較，以驗證模型的準確性，并在必要時對其進行改進。圖1顯示井底鉆具組件中電動機正上方記錄的實測轉速與仿真轉速之間的高度一致。

圖 1. 井底鉆具組件中測得的轉速和仿真的轉速比較

這些記錄接頭能夠在50Hz的頻率下長時間測量BHA不同位置的扭矩、轉速、軸向載荷和彎矩。這樣的井下數據對于如此綜合的鉆井模型中進行校準和贏得信任至關重要。同樣，該模型對于理順物理數據中觀察到的非線性，以及了解BHA設計、井眼軌跡、巖性、操作參數和控制系統的變化將如何影響鉆井系統動力學是至關重要的。

圖 2. 井底鉆具組件上測得的和仿真的轉矩比較

圖2比較了井底鉆具組件中仿真和測量的扭矩波動。Adams求解器的效率，使得用戶能夠在廣泛的環境參數上系統地練習模型，以改進未知量的估計，并了解系統為何會以這種方式運行。鉆井之前，諸如摩、阻尼、鉆頭/巖石相互作用、以及頂驅控制系統響應之類的變量，通常不太容易理解或預測，因此該模型用于估計未知量，并通過測試數據驗證系統響應。

調整后的模型現在當作虛擬鉆頭，可用于測試各種改進的可能。虛擬傳感器會在整個鉆柱上生成動態數據，相比可能或實際通過單獨的物理數據收集，虛擬傳感器能提供更多有關系統特性的見解。可以對BHA進行系統的重新設計，以降低振動的嚴重性，以便在最大限度提高鉆井效率或鉆速的同時管理風險。用一口井中的物理測量值對模型進行校準，并用附近不同井在相同地層中的測量值對模型進行驗證是很有希望的。可以評估專用井下工具減少動態功能障礙方面的潛力。

圖 3. 在各種重量的鉆頭，轉速和測得的深度上進行風險評估。

鉆井工程師可以優化BHA中專用工具的位置，并建立最佳實踐和選擇最佳操作參數，以降低功能障礙的風險。專業工具供應商甚至可以探索其特定工具的設計參數如何影響其客戶的鉆柱性能?？梢詫刂葡到y進行虛擬測試，以提高它們在各種運行條件下的性能。并且操作員可以研究導致部件故障的條件，以便從中吸取教訓，避免將來出現類似情況。所有這些都可以虛擬地完成，使鉆井工程師能夠探索系統響應，并在整個設計過程中做出明智的決策。可以通過多種方式定義風險，從超出負載極限到高應力集中，過度振動，已知的危險狀況或明確定義的動態功能異常，比如粘滑或旋轉。通過慎重考慮替代方案，或者讓它在極端情況下變得可以接受，可以避免或管理高風險。

通過在廣泛的工作條件范圍內以及井眼中的多個深度進行模擬，可以生成三維圖。風險嚴重性通過匯總大量與負載、運動和動力學相關的因素來評估，這些因素會導致損壞或停產時間。工程師可以看到，隨著鉆井的進行，各種情況下的風險水平會發生怎樣的變化?？梢詫μ娲O計進行比較，以爭取后續井的進一步改進。與任何特定因素相關的風險，可以或多或少地權衡，這取決于最昂貴或最常遇到的特定限制因素。Cheatwood說：“這使我們可以并行測試多個設計，并行比較結果，以快速優化每個井的最佳配置。”

Adams Drill捕獲了現實世界中的非線性系統行為，使工程師能夠做出合理的設計和操作決策，從而改善鉆井過程，降低故障風險，提高鉆井效率，增加生產機會。

關于先鋒自然資源公司

先鋒自然資源公司是一家大型的獨立油氣勘探和生產公司，總部位于德克薩斯州達拉斯，在美國設有業務。更多信息，請訪問先鋒公司的網站www.pxd.com。