Оптимизация гидравлики бурения скважины в режиме реального времени с использованием алгоритмов машинного обучения

В настоящее время автоматизация управления технологическими процессами выходит на новый уровень, где подходы машинного обучения и оптимизации займут важное место, позволив компаниям сокращать затраты и увеличивать эффективность производственных процессов.

Актуальность совершенствования технологий бурения скважин очевидна и
обусловлена высоким потенциалом для сокращения затрат на производство работ, однако на сегодняшний день порядка 90% скважин управляются вручную согласно проекта на строительство, лишь с использованием отечественных и зарубежных систем мониторинга.

Составление проектных режимов происходит по усредненным данным региона, и не учитывают особенности каждой конкретной скважины, соответственно проектные режимы не являются оптимальными, и это в значительной мере (до 25%) снижает эффективность и показатели бурения.

Планирование и оптимизация гидравлической программы бурения помогают сокращать непроизводительное время и затраты. Цель такой оптимизации состоит в том, чтобы максимально эффективно использовать мощность бурового насоса, минимизировать потери энергии на трение в циркуляционной системе и использовать сэкономленную энергию для улучшения эффективности долота.

Оптимизация ГПБ – одна из технологий, выгодных как для бурового подрядчика, так и для оператора. Для оператора, оптимизированная ГПБ преобразуется в повышенную экономическую эффективность, поскольку она позволяет бурить быстрее и с меньшими итоговыми затратами. Для бурового подрядчика оптимизированная ГПБ дает возможность повысить эффективность бурения в техническом смысле за счет снижения износа бурового оборудования и увеличения срока службы.

Коллектив молодых ученых и программистов ООО «ПЕТРО СОЛЮШНС», при
поддержке Научного Парка МГУ и ФГБУ «Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере» (Фонд содействия инновациям) в конце 2020 года запустили проект, направленный на создание программного обеспечения для оптимизации гидравлической программы бурения в режиме реального времени.

Программный продукт подразумевает получение данных TVD, MD, Реологии БР, Конфигурации БК, MWD и станции ГТИ и после предварительной обработки исходных данных производится прогнозирование гидравлических потерь в системе циркуляции бурового раствора и автоматизированный выбор параметров бурения для достижения максимальной эффективности ГПБ, на основе заранее выбранного критерия оптимизации. На сегодняшний день разработано программное обеспечение CORRA-Real-time Hydraulic Optimization (Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2021660807), включающее два модуля. 

Первый модуль подразумевает прогностическую модель с двумя реализованными алгоритмами машинного обучения, которые обеспечивают прогнозирование давления в гидравлической системе (SPPA) и потерь давления в затрубе (APL) в режиме реального времени. 

Второй модуль состоит из алгоритма оптимизации, который использует
прогнозируемые значения SPPA, APL и расчетные потери давления в бурильной колонне для генерации комбинаций оптимизированных параметров бурения (расход бурового раствора (FR) и нагрузка на долото (WOB)), которые приводят к максимальной эффективности ГПБ для предварительно выбранного критерия оптимизации.

Критерии оптимизации, заложенные в алгоритм оптимизатор — это гидравлическая мощность на долоте (HPP), то есть кинетическая энергия потока бурового раствора в единицу времени, рассеиваемая на соплах долота и сила гидромониторного эффекта (JIF) – сила удара струи бурового раствора о забой.

В процессе реализации проекта, для удовлетворения потребностей реальных
пользователей были проведены технические совещания с представителями буровых компаний, специалистами-буровиками, инженерами в рамках которых обсуждалось удобство интерфейса, детально прорабатывался опыт специалистов, работающих на постоянной основе с гидравликой бурения. Такие технические совещания продемонстрировали реальную заинтересованность к продукту от представителей отрасли.

Исходные данные для проведения тестирования программного продукта

CORRA-Real-time Hydraulic Optimization

По результатам тестирования, была получена сходимость алгоритмов и приемлемая скорость получения комбинаций буровых параметров, были составлены соответствующие протоколы о тестировании с занесением результатов тестирования, однако для оценки технологической и экономической эффективности применения программного продукта – требуется апробация в реальных условиях, при бурении скважины.

Для проведения апробации, прежде всего необходимо решить технические вопросы, связанные с подготовкой и передачей данных на вход модели. Данные о реологии бурового раствора и конфигурации буровой колонны задаются вручную специалистом, а вот данные телеметрии – необходимо передавать на вход модели в подготовленном виде. Эта задача не является трудоемкой и требует лишь координации специалистов с обеих сторон, участвующих в апробации.

Для оценки эффективности работы ПО предлагается использование KPI с акцентом на скорость бурения, однако помимо увеличения скорости бурения необходимо обратить внимание на эффективность очистки ствола скважины и контроля шламовой подушки. Эффекты по снижению износа долота и энергопотребления буровой установки могут оказаться не столь очевидны, однако на дистанции могут дать хорошее снижение затрат на закупку новых долот и снижение затрат на энергообеспечение.

В настоящее время ООО «ПЕТРО СОЛЮШНС» находится в поисках компаний-партнеров для проведения пилотных проектов и апробации программного обеспечения и приглашает всех заинтересованных игроков рынка к реализации совместных проектов.