Research Status and Development Trend of Drilling Digital Twin Technology
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摘要:
在第四次工业革命技术浪潮的推动下，油气钻井行业正朝着信息化、数字化、智能化方向快速发展，钻井数字孪生技术成为行业前沿与热点。钻井数字孪生技术是将真实钻井工程映射到虚拟空间，建立集成多学科、多物理量、多尺度的钻井过程全生命周期虚拟仿真模型，实现钻前演练、钻中优化、钻后分析等功能，保障安全、高效、低成本钻进，提高复杂油气储层钻井效率。在分析数字孪生技术在钻井工程中的应用现状的基础上，将钻井数字孪生分为钻机数字孪生和井筒数字孪生，并提出钻井数字孪生五维系统架构；同时，分析了钻井数字孪生未来发展趋势，包括钻井数据实时高效传输、地质模型精细表征、多领域一体化建模与仿真、仿真模型动态自适应更新、机理与数据融合建模、安全高效的人机交互及云边协同软件系统架构，并提出我国钻井数字孪生技术发展的相关建议。研究结果可为钻井数字孪生技术体系的构建提供参考，对于推动钻井行业智能化革新具有一定的指导意义。
Abstract:Driven by the technological impetus of the Fourth Industrial Revolution, the oil and gas drilling industry is rapidly advancing towards informatization, digitization, and intelligentization, with drilling digital twin technology emerging as a frontier and hotspot in the field. Drilling digital twin technology aims to map real drilling operations into virtual space and establish integrated, multi-disciplinary, multi-physical, and multi-scale virtual simulation models throughout the entire lifecycle of drilling. This enables functions such as pre-drilling rehearsal, in-drilling optimization, and post-drilling analysis, ensuring safe, efficient, and cost-effective drilling while enhancing the drilling efficiency of complex oil and gas formation. The current application status of digital twin technology in drilling engineering was introduced, and drilling digital twins were categorized into rig digital twins and wellbore digital twins. A five-dimensional system architecture for drilling digital twins was proposed. Furthermore, future development trends in drilling digital twins were analyzed, including real-time and efficient transmission of drilling data, refinement and quantification of geological models, multi-domain integrated modeling and simulation, dynamic adaptive updating of simulation models, the integration of mechanistic and data-driven modeling, safe and efficient human-machine interaction, and cloud-edge collaborative software system architecture. Relevant suggestions for the development of drilling digital twin technology in China were also proposed. The research findings could serve as a reference for establishing a drilling digital twin technology system and provide guidance for promoting intelligent innovation in the drilling industry.
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新疆风城油田超稠油油藏埋深只有180～250 m，储层岩性以中—细砂岩为主，属辫状河沉积，胶结程度低，油层平均孔隙度30.6%，平均渗透率1 627 mD，含油饱和度71%。平均油层厚度35.7 m，油藏原始地层温度17～25 ℃，原始地层压力系数0.987，地层温度下原油黏度100～600 Pa·s，黏温反应敏感，温度每升高10℃原油黏度降低50%～70%，采用蒸汽吞吐和蒸汽驱取得了很好的开采效果。
但是，由于受构造、储层非均质性、油藏埋藏浅以及蒸汽与稠油流度比差异大、地层出砂等因素的影响，注入高温蒸汽易沿高渗透带或大孔道发生窜流；使热采效率严重下降，甚至出现蒸汽沿油层上部盖层薄弱、存在浅部破损带的地区窜漏出地表，发生地表汽窜[1]。蒸汽地下窜流和地表汽窜不仅严重影响产能水平，也会造成地面污染等问题。风城油田作业区自2008年以来，先后出现30多处地表窜漏点，导致地表窜漏点附近的井组不能正常生产，严重影响对应区块的产能水平。因此，新疆风城油田迫切需要解决蒸汽地下窜流和地表汽窜问题，而最有效的方法是使用高温封堵剂封堵汽窜通道。但稠油热采注入蒸汽温度可达280～300 ℃，对高温封堵剂的耐温性能要求很高。目前，高温封堵剂的种类主要有高温冻胶堵剂、高温泡沫堵剂、树脂类高温堵剂、有机无机复合颗粒堵剂等[2-12]，这些高温封堵剂存在耐温能力有限、封堵强度不高的问题。因此，研究开发耐温性能和封堵能力强的新型稠油热采高温封堵剂，对于新疆风城油田稠油热采具有现实意义。
为解决上述问题，笔者采用有机胺作催化剂合成了油溶性酚醛树脂OSR，并通过有机硅偶联剂和环氧树脂改性，研制了新型酚醛环氧树脂类的高温封堵剂HTD。室内性能评价和现场试验都表明，HTD具有很好的抗温和封堵性能，在风城油田高孔高渗浅层超稠油热采中使用，可取得良好的经济效益。
1. 高温封堵剂HTD的研制
1.1 研制思路
调研发现，酚醛树脂类物质抗温能力较为理想[13]，如果通过环氧树脂及有机硅偶联剂改性可进一步提高其抗温性能[14-16]。合成酚醛树脂时，一般采用无机酸和无机碱作为催化剂，采用强碱性的氢氧化钠作为催化剂。合成酚醛树脂反应速度较快，合成的酚醛树脂固结温度较低。而多乙烯多胺是一种有机弱碱，还可作为环氧树脂固化剂。因此，研制高温封堵剂的思路是：以弱碱性的有机胺和纯碱为催化剂合成油溶性酚醛树脂，并与环氧树脂、有机硅偶联剂、稀释剂等复配，配制出新型酚醛环氧树脂类高温封堵剂。
1.2 试剂与仪器
试剂：苯酚，化学纯；甲醛，化学纯；碳酸钠，分析纯；四乙烯五胺，化学纯；有机硅偶联剂，工业品；稀释剂，工业品；E44环氧树脂，工业品。
仪器：DZF-6050台式真空干燥箱；DV-Ⅱ+PRO黏度计；高温高压岩心流动试验装置；高温老化罐，400 mL；万能压力试验机。
1.3 研制过程
1）合成油溶性酚醛树脂。将苯酚和醛按质量比1.0∶2.5～3.0加热溶解混匀，加入1.5%有机胺及0.5%碳酸钠作为催化剂，置于有机合成装置中，将温度升至84 ℃，在不断搅拌条件下反应6 h，然后抽真空脱去低沸点物质，至无馏出液为止，所得产物为棕色透明的黏稠液体，即为油溶性酚醛树脂（代号OSR）。
2）配制高温封堵剂。取油溶性酚醛树脂OSR与E44环氧树脂，按质量比7∶3混合均匀，再加入混合了3%树脂的有机硅偶联剂、10%～15%树脂的稀释剂调节黏度，并充分搅匀，得到酚醛环氧树脂类高温封堵剂（代号HTD）。
1.4 基本性能测试
用DV-Ⅱ+PRO黏度计测HTD的黏度，结果为40～60 mPa·s。将HTD挤入模拟地层（用恒温干燥箱模拟油藏高温环境），在80～300 ℃温度下经过6～12 h后，树脂能成胶固化，形成较高强度的固结体，说明HTD能达到很好的高温封堵效果。
2. 高温封堵剂HTD的性能评价
2.1
为进一步了解高温封堵剂HTD的高温固化性能、耐温性能及高温封堵性能，在实验室内按如下基本步骤开展了评价试验：1）筛选一定粒径（20～40目）的石英砂，加入一定量的HTD，将其与石英砂搅拌均匀；2）将上述混合物充填于直径30 mm、高40 mm的玻璃管里并进行压实，置于高温老化罐中，添加水浸没样品，密闭容器，在恒温干燥箱中恒温养护一定时间；3）取出观察分析成胶固化情况，并切割打磨成规则的圆柱体，用万能压力试验机测其抗压强度等，然后使用高温高压岩心流动试验装置评价HTD的封堵性能。
2.1.1 石英砂用量的影响
在实验室内，将20～40目石英砂与高温封堵剂HTD充分混匀，使其在180 ℃下恒温6 h后形成固结体。然后分析了不同石英砂含量对HTD固化性能的影响，结果如图1所示。
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图 1 石英砂含量对高温封堵剂HTD固化性能的影响Figure 1. Effect of quartz sand content on the curing performance of HTD由图1可知，石英砂含量对石英砂与HTD所形成固结体的抗压强度有一定影响，石英砂用量由低到高，固结体抗压强度逐步升高。石英砂含量为70%时，固结体的抗压强度最高，可达12.6 MPa；此后抗压强度开始下降，石英砂含量达到80%后固结体的抗压强度开始迅速下降。这是因为，石英砂含量较小时，HTD高温固结后骨架支撑作用小，抗压强度较低，随着石英砂含量增大，骨架的支撑作用增强，固结体抗压强度逐步升高，但石英砂含量较大时，HTD不足以把石英砂全部包裹固结好，因此固结体的抗压强度会降低。
2.1.2 温度的影响
通过试验分析了不同温度下高温封堵剂HTD的固化性能（试验条件：石英砂用量为70%，固化时间为8 h），结果如图2所示。
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图 2 温度对高温封堵剂HTD固化性能的影响Figure 2. Effect of temperature on the curing performance of HTD由图2可知，温度对石英砂与HTD所形成固结体的抗压强度影响较大。温度为80 ℃时，固结体的抗压强度很低，但随着温度升高，固结体抗压强度不断提高，温度达到160 ℃时固结体抗压强度已达11.6 MPa，不过，此后温度再升高，固结体抗压强度的提高幅度变小。试验发现，温度高于180 ℃后，固结体出现了体积膨胀现象，与玻璃管胶结致密、牢固，这说明HTD可与砂岩地层很好地胶结，并具有很高的固结强度（高于12.8 MPa）。因此，HTD适合作为稠油热采的封堵剂。
2.2 耐温性能
稠油热采时注入蒸汽的温度可达260 ℃以上，因此，封堵剂在高温下需要保持长久的稳定性。为此，在260，280和300 ℃温度下进行了高温封堵剂HTD与石英砂的固结体在长时间下的热稳定性能试验（试验条件：石英砂用量为70%；恒温时间为60，120和180 d），结果如图3所示。
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图 3 高温封堵剂HTD耐温性能评价结果Figure 3. Evaluation results of the temperature resistance performance of HTD由图3可知，在260～300 ℃温度下，HTD与石英砂所形成固结体恒温养护较长时间后，仍具有很高的抗压强度。随着温度升高，抗压强度有一定的下降，但下降幅度很小。如在300 ℃下恒温放置180 d后，抗压强度仍然高于12 MPa。这说明HTD具有良好的耐温性能，抗温能力可达300 ℃以上。
2.3 高温封堵性能
利用高温高压岩心流动试验装置，通过岩心流动试验分析了高温封堵剂HTD对不同渗透率的填砂管岩心的封堵效果。考虑有稠油热采蒸汽窜流通道，地层渗透率有较大幅度升高，因此采用填砂管制作了高渗透率岩心，先将其抽真空，测水相渗透率Kw1，再挤入高温封堵剂HTD，挤入HTD的体积为砂管岩心的1倍孔隙体积；然后关紧岩心两端的进出口，在指定温度下恒温8 h，再测岩心的水相渗透率Kw2，记录承压强度，计算水相封堵率及突破压力梯度，结果见表1。
表 1 高温封堵剂HTD的高温封堵性能试验结果Table 1. Experimental result of high temperature plugging performance of HTD序号 Kw1/
mD温度/
℃Kw2/
mD封堵率，
%突破压力梯度/
（MPa·m–1）1 11540 220 51.03 99.56 38.7 2 17320 240 66.12 99.62 39.3 3 15360 260 52.15 99.66 40.3 4 14760 300 41.06 99.72 40.7 注：砂管岩心长度为30 cm，突破压力梯度为突破压力除以岩心长度。 由表1可知，高温封堵剂HTD对高渗透率岩心的封堵效果很好。将HTD挤入岩心后，在220～300 ℃温度条件下恒温8 h后，高渗透率岩心的封堵率高于99.5%，突破压力梯度大于35 MPa/m。新疆风城油田蒸汽注入压力大多低于15.0 MPa，因此HTD可满足稠油热采封堵和抑制蒸汽窜流的要求。
3. 现场试验
风城油田F-109井区于2010年投产，采用稠油蒸汽吞吐开采方式，在经过4轮吞吐后，蒸汽沿着上覆地层裂缝通道突破至近地表，在覆盖层薄弱区形成地面窜漏。受地面蒸汽窜漏影响，区内14口井不能正常注汽生产，产油量下降。该井区之前采用膨润土–水泥及聚合物冻胶进行了封堵试验，发现封堵承压能力低，有效期短。为此，2018年9月，在风城油田F-109井区地表窜漏区域进行了高温封堵剂HTD的现场试验。试验前，经过电位法通道监测研究，确定窜漏通道上3口关联井是F-109井、F-145井和F-110井（见图4，图例中ρ为电阻率，Ω·m），需对油井窜漏通道进行高温封堵。
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图 4 F-109井区窜漏通道监测结果Figure 4. Monitoring results of the leaking channel in the F-109 well block现场试验前，3口关联井（F-109井、F-145井和F-110井）处于关井状态，井口油套压均为0。进行现场试验时，前置液采用无机和有机复合堵剂，交替注入800～1 100 m3该堵剂，后置封口采用高温封堵剂HTD，用量15～20 m3，施工时泵注压力由0逐步升高，并稳定在4.5～5.0 MPa（见图5）。
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图 5 F-109井区3口试验井封堵泵注压力曲线Figure 5. Curves of plugging and pumping injection pressure for three test wells in the F-109 well block措施后，F-109井区地面不再发生蒸汽窜漏，受地面窜漏影响的14口井恢复了正常注汽吞吐生产，平均单井日注汽量100 m3，注汽压力3.5～5.5 MPa，产油量得到提高。截至2020年底，该区域产油能力提高至62.12 t/d，平均日增油22.7 t，说明高温封堵剂HTD有效封堵了蒸汽地面窜漏和地下窜流通道，增大了蒸汽波及体积，提高了油井产能，施工有效期长达2年以上，取得了良好的经济效益。
4. 结 论
1）针对新疆风城油田稠油热采中蒸汽地下窜流和地表汽窜的问题，以有机胺为催化剂合成了油溶性酚醛树脂OSR，并与环氧树脂、有机硅偶联剂、稀释剂等复配，研制了新型酚醛环氧树脂类高温封堵剂HTD。
2）在石英砂用量为70%时，高温封堵剂HTD与石英砂固结体的固结强度最高；胶结温度在180 ℃以上时固结体的抗压强度高于12.8 MPa，与砂岩地层胶结良好，说明适宜胶结温度在180 ℃以上。
3）高温封堵剂HTD与石英砂的固结体，在260～300 ℃温度下经过长时间养护后仍具有很高的抗压强度（高于12 MPa），说明HTD的抗温能力可达300 ℃以上。
4）在220～300 ℃温度下，高温封堵剂HTD对高渗透率填砂管岩心的封堵率大于99.5%，突破压力梯度大于35 MPa/m，可满足风城油田稠油热采抑制蒸汽窜流的要求。
5）现场试验结果表明，高温封堵剂HTD可有效封堵蒸汽地表窜漏和地下窜流通道，增大蒸汽波及体积，提高产油水平，施工有效期长达2年以上，取得了良好的经济效益。
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