基于等级加权法的海上机械采油方式优选方法

杨阳, 曹砚锋, 隋先富, 于继飞, 欧阳铁兵

杨阳, 曹砚锋, 隋先富, 于继飞, 欧阳铁兵. 基于等级加权法的海上机械采油方式优选方法[J]. 石油钻探技术, 2016, 44(1): 73-78. DOI: 10.11911/syztjs.201601014
引用本文: 杨阳, 曹砚锋, 隋先富, 于继飞, 欧阳铁兵. 基于等级加权法的海上机械采油方式优选方法[J]. 石油钻探技术, 2016, 44(1): 73-78. DOI: 10.11911/syztjs.201601014
YANG Yang, CAO Yanfeng, SUI Xianfu, YU Jifei, OUYANG Tiebing. Optimizal Method of Offshore Oil Artificial Lift Modes Based on Hierarchical Grade-Weighted Method[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2016, 44(1): 73-78. DOI: 10.11911/syztjs.201601014
Citation: YANG Yang, CAO Yanfeng, SUI Xianfu, YU Jifei, OUYANG Tiebing. Optimizal Method of Offshore Oil Artificial Lift Modes Based on Hierarchical Grade-Weighted Method[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2016, 44(1): 73-78. DOI: 10.11911/syztjs.201601014

基于等级加权法的海上机械采油方式优选方法

基金项目: 

国家科技重大专项"海上油田丛式井网整体加密及综合调整技术"(编号:2011ZX05024-002)部分研究内容。

详细信息
    作者简介:

    杨阳(1989-),男,辽宁丹东人,2011年毕业于中国石油大学(华东)石油工程专业,2014年获中国石油大学(华东)油气田开发工程专业硕士学位,工程师,主要从事采油工程技术研究工作。E-mailyangyang42@cnooc.com.cn。

  • 中图分类号: TE355

Optimizal Method of Offshore Oil Artificial Lift Modes Based on Hierarchical Grade-Weighted Method

  • 摘要: 目前海上油田总体开发方案中,机械采油方式优选方法单一,以定性指标为主,缺乏必要理论支撑与数据支持。为此,综合考虑技术指标、经济指标、工程指标的影响,以机械采油方式优选为目标,采用等级加权法对技术、经济和工程3个指标的影响因素进行赋值以及分配权重,建立了海上机械采油方式优选方法。利用该优选方法对海上X稠油油田的机械采油方式进行了优选,开发初期产液量为40~108 m3/d时,推荐采用螺杆泵开采;开发后期产液量达到200 m3/d时,考虑X油田为稠油油田,应采取降黏措施,推荐采用电潜泵+掺稀/化学降黏方式开采。优选结果与该油田总体开发方案中的机械采油方式一致,且该油田机械采油方式与优选结果一致的井,都正常生产。这表明基于等级加权法的机械采油方式优选方法可以指导海上油田选用合理、经济、对海洋工程影响较小的机械采油方式,从而提高海上油田的开发效益。
    Abstract: Currently, the method used for optimizing mechanical artificial lift methods in offshore oil fields is developed during the overall development plan.Generally speaking, there is insufficient theoretical support or data available in these processes.For that reason, it is important to develop a new analytical approach that incorporates all relevant technical, economic, and engineering factors.To improves the process, a hierarchical, grade-weighted method can be deployed to assign these three indicators for establishing a model of optimal offshore artificial lift.The newly developed method has been deployed for identification of optimal artificial lifts in X Oilfield for heavy oil development.The result shows that in the early stages of development, liquid production was 40-108 m3/d, and accordingly, a screw pump was proposed for its development.In the late stages of development, with liquid production was above 200 m3/d, ESP and dilution or chemical viscosity-reducer should be deployed to reduce viscosity of heavy oil.Results obtained by using the proposed method coincided with those specified in an overall development plan.In addition, all optimal wells that adopt artificial lift techniques identical to selection results have normal production.It can seen that the hierarchical grade-weighted method can could be deployed to identify artificial lifts with outstanding economic performances that will enhance the recovery in offshore environments.Eventually, the development efficiency in offshore oil and gas fields can be dramatically enhanced.
  • 近年来,随着聚晶金刚石切削齿加工工艺的不断提高,PDC切削齿的金刚石层表面不再局限于二维平面结构,开始向多维发展,出现了三棱形齿、斧形齿[1]等各种新型非平面PDC切削齿。室内试验结果显示,非平面PDC切削齿较平面PDC切削齿更耐磨[25],但其表面是多维的,破碎岩石的过程与常规平面PDC切削齿相比可能存在明显差异。目前,国内外针对非平面PDC切削齿破岩的相关研究还较少。因此,为了给优化PDC钻头设计提供参考,笔者利用有限元软件,建立了切削齿直线切削和垂直压入岩石的有限元模型,计算了常规平面、三棱形和斧形PDC切削齿直线切削岩石和垂直压入岩石的切削力和接触应力,分析了3种切削齿的破岩性能,并进行了三棱形切削齿PDC钻头钻进混合花岗岩地层的试验。

    利用有限元软件建立PDC钻头切削齿直线切削岩石及垂直压入岩石的有限元模型。

    根据常见砂岩、灰岩的岩石参数,模拟PDC切削齿切削均质砂岩、软硬交错岩石和含砾砂岩3种岩石的过程。

    将PDC切削齿绕钻头轴线的旋转切削,简化为直线切削运动[68],直线切削模型如图1所示,设定直线切削速度为300 mm/s。图2为非均质岩石模型,图2中的绿色网格材料为砂岩,青色网格材料为灰岩。将PDC切削齿视为刚体,其截面直径16 mm,斧形PDC切削齿脊背夹角为156°,三棱形PDC切削齿脊背夹角为157°,脊背线长3 mm,斜度8°。为了缩短计算时间,设定PDC切削齿切削前角为15°,侧转角为0°。

    图  1  单PDC切削齿直线切削岩石的模型
    Figure  1.  Model of single PDC cutting cutter linear cutting into rock
    图  2  非均质岩石模型
    Figure  2.  Model of heterogeneous rock

    根据圣维南原理,设定岩石模型尺寸为170 mm×50 mm×25 mm,岩石四周及底面边界自由度设置为0。选用六面体网格,并采用减缩积分法划分网格。岩石本构关系选用D–P准则,并定义了硬化特征[9]。由于PDC切削齿破岩过程中以剪切破岩为主,所以根据shear damage准则判断岩石是否被破坏,并设置损伤演化系数。有限元模型主要材料的物性参数[1011]表1

    表  1  有限元模型中主要材料的物性参数
    Table  1.  Parameters of main materials in the finite element model
    材料密度/
    (g·cm–3)
    弹性模量/
    GPa
    泊松比内摩擦角/
    (°)
    抗压强度/
    MPa
    PDC层3.54890.0 0.077
    硬质合金15.00 579.0 0.220
    砂岩2.5412.80.200 34.4530.5
    灰岩2.7031.20.17143.26105.0
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    岩石与切削齿的接触是非线性、相对变形差异悬殊的过程,所以岩石的接触面应选择整个岩石模型的节点集,避免出现切削齿只破碎岩石模型表面,却直接穿透内部的情况。在interaction中建立基于岩石网格节点集与切削齿网格“接触对”的接触形式,采用弹性滑移的罚函数公式,切向摩擦因数取0.4,接触面的接触关系采用“硬接触”公式。

    设置PDC切削齿的压入速度为1.0 mm/s,前角为15°。岩石模型为直径100 mm、高80 mm的圆柱体。岩石压入模型如图3所示。其他参数取值与直线切削岩石模型相同。

    图  3  单PDC切削齿垂直压入岩石的模型
    Figure  3.  Model of single PDC cutting cutter vertical feeding into rock

    图4为常规平面和三棱形PDC切削齿垂直压入岩石产生破碎坑时的Mises应力分布模拟结果。由图4可以看出,三棱形PDC切削齿垂直压入岩石产生的Mises应力更集中。

    图  4  常规平面和三棱形PDC切削齿垂直压入岩石时的Mises应力分布
    Figure  4.  Stress distribution while vertical feeding into rock by conventional planar and triangular prism PDC cutter

    模拟常规平面、斧形及三棱形PDC切削齿垂直压入岩石轴向力随时间的变化,结果见图5。由图5可以看出:轴向力出现峰值,说明切削齿持续压入岩石时,轴向力不断增大,当其达到峰值时,岩石出现第一次大体积破碎;切削齿刃边的岩石达到屈服极限时失去联结力形成岩屑,致使轴向力迅速降低;三棱形PDC切削齿使岩石产生第一次体积破碎所需轴向力明显小于常规平面和斧形PDC切削齿,其更易压入岩石产生破碎坑,能在更小的钻压条件下吃入并破碎岩石,适用于硬地层。

    图  5  不同形状PDC切削齿垂直压入岩石时轴向力随时间变化的曲线
    Figure  5.  Curves of vertical pressure/rock axial force varies with time while cutting rock with different shapes of PDC cutters

    模拟常规平面、斧形及三棱形PDC切削齿直线切削均质砂岩时的剪应力,结果见图6。由图6可以看出,非平面PDC切削齿直线切削岩石时,产生的剪应力更大。也就是说,非平面切削齿能使岩石产生更大的预破碎区域,对于脆性岩石而言会引起更大的体积破碎。

    图  6  不同形状PDC切削齿直线切削均质砂岩时的剪应力分布
    Figure  6.  Shear stress distribution during linear cutting homo-geneous sandstone with different shapes of cutters

    常规平面和三棱形PDC切削齿吃入均质砂岩时的Cpress接触应力云图见图7。由图7可以看出:Cpress接触应力只在岩石与切削齿相互作用的区域产生,而在其他区域的Cpress接触应力为零;常规平面PDC切削齿接触区域主要集中于齿边沿,而非平面PDC切削齿接触区域更大、且Cpress接触应力更均匀。

    图  7  常规平面和三棱形PDC切削齿的接触应力分布
    Figure  7.  Contact stress distribution of conventional planar and triangular prism PDC cutters

    根据不同形状PDC切削齿切削力随时间变化的数据,计算不同形状PDC切削齿切削均质砂岩时的平均切削力。其计算方法为:设定历史输出为每个固定时间间隔输出数据,提取切削齿三向切削力历史输出数据,并求取平均值,最后求三向切削力平均值的合力。常规平面、斧形及三棱形PDC切削齿切削均质砂岩时,不同切削深度下破岩所需的平均切削力如图8所示。由图8可以看出,直线切削均质砂岩时,非平面PDC切削齿破岩所需的切削力更小,随切削深度增大,差异愈明显。破岩所需的切削力越小,要求钻机提供的扭矩、钻压越小,越有利于造斜段和水平段的钻进。同时,扭矩较小,也可以降低钻具发生粘滑的概率。

    图  8  不同形状PDC切削齿切削均质砂岩时不同切削深度下的平均切削力
    Figure  8.  Average cutting force at different cuttings depths for different shaped PDC cutters while cutting homogeneous sandstone

    常规平面、斧形及三棱形PDC切削齿切削软硬交错岩石和含砾岩石时,在相同切削深度下切向力随时间变化关系曲线如图9所示。由图9可以得出,切向力随时间波动剧烈并出现多处峰值,且非平面PDC切削齿的切向力波动幅度明显小于常规平面PDC切削齿。切向力波动的原因主要是,切削齿在破岩过程中遇到硬质成分时,切向力迅速升高,当达到岩石屈服极限后岩石崩碎断裂,然后切向力迅速降低。

    图  9  不同形状PDC切削齿切削非均质岩石时切向力随时间变化的曲线
    Figure  9.  Curve in which tangential force varies with time for different shaped PDC cutters while cutting heterogeneous rocks

    常规平面、斧形及三棱形PDC切削齿切削非均质岩石时的破碎比功如图10所示。由图10可以看出,非平面PDC切削齿的破碎比功小于常规平面PDC切削齿,且斧形PDC切削齿所需的破碎比功最小。

    图  10  不同形状PDC切削齿切削非均质岩石时的破碎比功
    Figure  10.  Breaking specific work of different shaped PDC cutters while cutting heterogeneous rocks

    分析有限元模拟结果得知:三棱形PDC切削齿更易吃入地层形成破碎坑;非平面PDC切削齿的切削力及其波动幅度更小,与岩石接触更均匀,有利于降低振动和出现粘滑现象的概率;非平面PDC切削齿的破碎区域更大,更易形成较大的破碎体积,降低岩石断裂对切削齿的冲击;在非均质地层中非平面PDC切削齿能更轻松地破碎岩石。结合有限元分析及试验结果[11]可知,斧形PDC切削齿的攻击性更强,三棱形PDC切削齿更耐磨。

    某井采用常规PDC钻头钻至井深3 979.00 m时,因泵压升高起钻,发现钻头肩部出现严重环切。取心发现,该井深处地层岩性由角砾岩变为混合花岗岩,石英含量50%~60%,地层研磨性高,可钻性差。为了避免钻头过快失效和快速钻穿该段地层,根据上文的有限元模拟结果,设计应用了肩部安装有三棱形PDC切削齿的PDC钻头。钻井参数:转速40~50 r/min,排量18 L/s,泵压18~19 MPa,钻压400~900 kN。该钻头总进尺71.00 m,平均机械钻速1.92 m/h,钻时曲线如图11所示(图中3 986.00~3 988.00 m井段钻时出现峰值,为取心钻头钻进时间)。可见三棱形齿PDC钻头能在混合花岗岩地层钻进,并能长时间保持稳定的机械钻速。最后,因钻速变慢起钻,钻头出井后发现为正常失效。

    图  11  不同井深下的钻时
    Figure  11.  Drilling time at different well depths

    1)有限元模拟结果表明:非平面PDC切削齿与岩石接触更平稳,三棱形PDC切削齿更易轻松吃入地层;非平面PDC切削齿破碎岩石的切削力及切削力波动幅度均比常规平面PDC切削齿小,能有效控制粘滑振动;钻进非均质地层时,非平面齿PDC钻头能更轻松破碎岩石,且能避免产生较大冲击载荷。

    2)非平面PDC切削齿为快速穿越复杂难钻地层、缩短钻井周期和降低钻井成本,提供了新的技术方案。由于非平面PDC切削齿的金刚石层是多维结构,其破岩过程与常规平面PDC切削齿有明显区别。为使非平面PDC切削齿的破岩效果达到最佳,应对其布齿角度、金刚石层倒角和脊背斜度等进行深入研究。

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出版历程
  • 收稿日期:  2015-07-16
  • 修回日期:  2015-12-23
  • 刊出日期:  1899-12-31

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