Метод оптимизации, основанный на концепции удельной  механической энергии, для повышения производительности бурения: пример практического применения

С. Хошро; С.Ш. Табатабаи Моради

Том 276 Вып. 1

Страницы:

51-66

В печати

Научная статья

Геотехнология и инженерная геология

Метод оптимизации, основанный на концепции удельной механической энергии, для повышения производительности бурения: пример практического применения

Авторы:

С. Хошро¹

С.Ш. Табатабаи Моради²

Об авторах

1 — научный сотрудник Технологический университет Саханд ▪ Orcid
2 — канд. техн. наук доцент Технологический университет Саханд ▪ Orcid

Дата отправки:

2024-11-02

Дата принятия:

2025-07-02

Дата публикации онлайн:

2025-10-22

Аннотация

В течение многих лет в буровой промышленности предпринимались попытки повысить производительность бурения и снизить затраты. Производительность бурения можно оценить, сравнив приложенную энергию, т.е. удельную механическую энергию, с прочностью горной породы. Удельная механическая энергия определяется как энергия, необходимая для разрушения единицы объема горной породы. С годами эта концепция совершенствовалась, и исследователи предлагали различные модели. Удельная механическая энергия напрямую влияет на производительность бурения, поскольку избыточная энергия может привести к вибрации бурильной колонны и износу долота. В исследовании создана база данных путем сбора информации о бурении и материалах каротажа свиты Асмари на одном из нефтяных месторождений Ирана. Рассмотрены различные формы удельной энергии для разработки соответствующей модели на основе условий эксплуатации и буримого пласта. Кроме того, рассчитана ограниченная прочность породы на сжатие в изучаемой скважине. Исследования показали, что разработанная модель удельной энергии выдает реалистичные значения энергии, поскольку включает все соответствующие параметры, с результативным значением, близким к прочности горной породы. На основе сравнения удельной механической энергии с ограниченной прочностью на сжатие были определены оптимальные буровые параметры: диапазон нагрузки на долото от 22,24 до 44,48 кН, диапазон расхода бурового раствора от 0,027 до 0,029 м³/с, диапазон крутящего момента от 2522 до 3091 Н·м и диапазон скорости вращения от 160 до 180 об/мин. Также в исследуемой скважине была обнаружена зона неэффективного бурения, где приложенная энергия, избыточная по сравнению с прочностью породы, привела к повреждению бурового долота и значительному снижению скорости проходки. Результаты подчеркнули важность оценки производительности бурения в процессе работы, когда экономически и технически осуществимое решение можно принять путем сравнения поверхностной энергии на входе с прочностью породы.

Область исследования:

Геотехнология и инженерная геология

Ключевые слова:

механическая удельная энергия оптимизация бурения производительность бурения предел прочности на сжатие нагрузка на долото долото

Литература

Weiqiang Song, Huidong Mu, Wenjuan Ji et al. Evaluation and optimization of drilling efficiency while drilling based on improved rock-breaking specific energy model of bit // Geomechanics and Geophysics for Geo-Energy and Geo-Resources. 2024. Vol. 10. Iss. 1. № 174. DOI: 10.1007/s40948-024-00872-9
Kunshin A., Dvoynikov M., Timashev E., Starikov V. Development of Monitoring and Forecasting Technology Energy Efficiency of Well Drilling Using Mechanical Specific Energy // Energies. 2022. Vol. 15. Iss. 19. № 7408. DOI: 10.3390/en15197408
Mantegazini D.Z., Nascimento A., Dornelas V.F. et al. Analysis and Multi-Objective Optimization of the Rate of Penetration and Mechanical Specific Energy: A Case Study Applied to a Carbonate Hard Rock Reservoir Based on a Drill Rate Test Using Play-Back Methodology // Applied Sciences. 2024. Vol. 14. Iss. 6. № 2234. DOI: 10.3390/app14062234
Khalilidermani M., Knez D. A Survey of Application of Mechanical Specific Energy in Petroleum and Space Drilling // Energies. 2022. Vol. 15. Iss. 9. № 3162. DOI: 10.3390/en15093162
Mohammadi Behboud M., Ramezanzadeh A., Tokhmechi B. et al. Estimation of geomechanical rock characteristics from specific energy data using combination of wavelet transform with ANFIS-PSO algorithm // Journal of Petroleum Exploration and Production Technology. 2023. Vol. 13. Iss. 8. P. 1715-1740. DOI: 10.1007/s13202-023-01644-z
Oloruntobi O., Butt S. Energy-based formation pressure prediction // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2019. Vol. 173. P. 955-964. DOI: 10.1016/j.petrol.2018.10.060
Oloruntobi O., Butt S. Application of specific energy for lithology identification // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2020. Vol. 184. № 106402. DOI: 10.1016/j.petrol.2019.106402
Leusheva E.L. Evaluation of Possible Application of Powder Made from Fallen Tree Leaves as a Drilling Mud Additive // International Journal of Engineering – Transactions B: Applications. 2024. Vol. 37. Iss. 8. P. 1592-1599. DOI: 10.5829/ije.2024.37.08b.12
Leusheva E., Brovkina N., Morenov V. Investigation of Non-Linear Rheological Characteristics of Barite-Free Drilling Fluids // Fluids. 2021. Vol. 6. Iss. 9. № 327. DOI: 10.3390/fluids6090327
Zamanzadeh Talkhouncheh M., Davoodi S., Wood D.A. et al. Robust Machine Learning Predictive Models for Real-Time Determination of Confined Compressive Strength of Rock Using Mudlogging Data // Rock Mechanics and Rock Engineering. 2024. Vol. 57. Iss. 9. P. 6881-6907. DOI: 10.1007/s00603-024-03859-w
Dupriest F.E., Witt J.W., Remmert S.M. Maximizing ROP With Real-Time Analysis of Digital Data and MSE // International Petroleum Technology Conference, 21-23 November 2005, Doha, Qatar. OnePetro, 2005. № IPTC-10607-MS. DOI: 10.2523/IPTC-10607-MS
Armenta M. Identifying Inefficient Drilling Conditions Using Drilling-Specific Energy // SPE Annual Technical Conference and Exhibition, 21-24 September 2008, Denver, CO, USA. OnePetro, 2008. № SPE-116667-MS. DOI: 10.2118/116667-MS
Rafatian N., Miska S., Ledgerwood L.W. et al. Experimental Study of MSE of a Single PDC Cutter Interacting With Rock Under Simulated Pressurized Conditions // SPE Drilling & Completion. 2010. Vol. 25. Iss. 1. P. 10-18. DOI: 10.2118/119302-PA
Thomson I.J., Mathur R. The Use of Downhole Drilling Parameters Combined With Surface and Downhole Mechanical Specific Energy Data Helped Identify Under-Reamer Dysfunctions in GoM Deepwater Projects // SPE Deepwater Drilling and Completions Conference, 5-6 October 2010, Galveston, TX, USA. OnePetro, 2010. № SPE-137139-MS. DOI: 10.2118/137139-MS
Hammoutene C., Bits S. FEA Modelled MSE/UCS Values Optimise PDC Design for Entire Hole Section // North Africa Technical Conference and Exhibition, 20-22 February 2012, Cairo, Egypt. OnePetro, 2012. DOI: 10.2118/149372-MS
Chao Xiong, Zhong-Wei Huang, Huai-Zhong Shi et al. Performances of a Stinger PDC cutter breaking granite: Cutting force and mechanical specific energy in single cutter tests // Petroleum Science. 2023. Vol. 20. Iss. 2. P. 1087-1103. DOI: 10.1016/j.petsci.2022.10.006
Xuyue Chen, Xu Du, Chengkai Weng et al. A real-time drilling parameters optimization method for offshore large-scale cluster extended reach drilling based on intelligent optimization algorithm and machine learning // Ocean Engineering. 2024. Vol. 291. № 116375. DOI: 10.1016/j.oceaneng.2023.116375
Mohan K., Adil F., Samuel R. Comprehensive Hydromechanical Specific Energy Calculation for Drilling Efficiency // Journal of Energy Resources Technology. 2015. Vol. 137. Iss. 1. № 012904. DOI: 10.1115/1.4028272
Mohammadi Behboud M., Ramezanzadeh A., Tokhmechi B. Studying empirical correlation between drilling specific energy and geo-mechanical parameters in an oil field in SW Iran // Journal of Mining and Environment. 2017. Vol. 8. Iss. 3. P. 393-401. DOI: 10.22044/jme.2016.689
Dvoynikov M., Kunshin A., Blinov P., Morozov V. Development of Mathematical Model for Controlling Drilling Parameters with Screw Downhole Motor // International Journal of Engineering – Transactions B: Applications. 2020. Vol. 33. Iss. 7. P. 1423-1430. DOI: 10.5829/ije.2020.33.07a.30
Литвиненко В.С., Двойников М.В. Методика определения параметров режима бурения наклонно прямолинейных участков скважины винтовыми забойными двигателями // Записки Горного института. 2020. Т. 241. С. 105-112. DOI: 10.31897/PMI.2020.1.105
Jinbo Song, Jianlong Wang, Bingqing Li et al. Real-Time Drilling Parameter Optimization Model Based on the Constrained Bayesian Method // Energies. 2022. Vol. 15. Iss. 21. № 8030. DOI: 10.3390/en15218030
Khoshouei M., Bagherpour R. Measurement, prediction, and modeling of the drilling specific energy by soft rock properties during the drilling operation // Measurement. 2023. Vol. 222. № 113679. DOI: 10.1016/j.measurement.2023.113679
Yavari H., Fazaelizadeh M., Aadnoy B.S. et al. An approach for optimization of controllable drilling parameters for motorized bottom hole assembly in a specific formation // Results in Engineering. 2023. Vol. 20. № 101548. DOI: 10.1016/j.rineng.2023.101548
Menand S., Mills K. Use of Mechanical Specific Energy Calculation in Real-Time to Better Detect Vibrations and Bit Wear While Drilling // AADE National Technical Conference and Exhibition, 11-12 April 2017, Houston, TX, USA. American Association of Drilling Engineers, 2017. № AADE-17-NTCE-033.
Ramba V., Selvaraju S., Subbiah S. et al. Optimization of drilling parameters using improved play-back methodology // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2021. Vol. 206. № 108991. DOI: 10.1016/j.petrol.2021.108991
Dupriest F., Lai S., Behounek M. et al. Standardization of Mechanical Specific Energy Equations and Nomenclature // SPE Drilling & Completion. 2023. Vol. 38. Iss. 1. P. 73-89. DOI: 10.2118/208777-PA
Xuyue Chen, Deli Gao, Boyun Guo, Yongcun Feng. Real-time optimization of drilling parameters based on mechanical specific energy for rotating drilling with positive displacement motor in the hard formation // Journal of Natural Gas Science and Engineering. 2016. Vol. 35. Part A. P. 686-694. DOI: 10.1016/j.jngse.2016.09.019
Song Deng, Shuo Yang, Yudie Chi et al. Bit optimization method for rotary impact drilling based on specific energy model // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2022. Vol. 218. № 110977. DOI: 10.1016/j.petrol.2022.110977
Kuilin Huang, Yingxin Yang, Gao Li et al. Torsion and vibration reduction mechanism of roller PDC hybrid bit // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2022. Vol. 208. Part B. № 109491. DOI: 10.1016/j.petrol.2021.109491
Verma A.K., Deb D., Dey A.C. et al. Development of one dimensional geomechanical model for a tight gas reservoir // Scientific Reports. 2021. Vol. 11. № 21433. DOI: 10.1038/s41598-021-00860-z
Ye Liu, Shuming Liu, Jiafeng Zhang, Jie Cao. Real-time estimation of geomechanical characteristics using drilling parameter data and LWD // Geoenergy Science and Engineering. 2025. Vol. 244. № 213450. DOI: 10.1016/j.geoen.2024.213450
Shijie Shen, Yanfang Gao, Lichun Jia. A Comparison of the Relationship between Dynamic and Static Rock Mechanical Parameters // Applied Sciences. 2024. Vol. 14. Iss. 11. № 4487. DOI: 10.3390/app14114487
Abdul Aziz Q.A., Awadh S.M., Al-Mimar H.S. Estimation of Rock Mechanical Properties of the Hartha Formation and their Relationship to Porosity Using Well-Log Data // Iraqi Geological Journal. 2024. Vol. 57. № 1A. P. 34-44. DOI: 10.46717/igj.57.1A.4ms-2024-1-15
Daraei A., Sharifi F., Qader D.N. et al. Prediction of the static elastic modulus of limestone using downhole seismic test in Asmari formation // Acta Geophysica. 2024. Vol. 72. Iss. 1. P. 247-255. DOI: 10.1007/s11600-023-01109-1
Davarpanah S.M., Ván P., Vásárhelyi B. Investigation of the relationship between dynamic and static deformation moduli of rocks // Geomechanics and Geophysics for Geo-Energy and Geo-Resources. 2020. Vol. 6. Iss. 1. № 29. DOI: 10.1007/s40948-020-00155-z
Almalikee H.S. Predicting Rock Mechanical Properties from Wireline Logs in Rumaila Oilfield, Southern Iraq // American Journal of Geophysics, Geochemistry and Geosystems. 2019. Vol. 5. № 2. P. 69-77.
Zixu Wang, Junhong Huang, Yanglong Chen et al. Dynamic mechanical properties of different types of rocks under impact loading // Scientific Reports. 2023. Vol. 13. № 19147. DOI: 10.1038/s41598-023-46444-x
Shahani N.M., Ullah B., Shah K.S. et al. Predicting Angle of Internal Friction and Cohesion of Rocks Based on Machine Learning Algorithms // Mathematics. 2022. Vol. 10. Iss. 20. № 3875. DOI: 10.3390/math10203875
Rakhi, Gupta B., Lamba S.S. An efficient local outlier detection approach using kernel density estimation // Franklin Open. 2024. Vol. 8. № 100162. DOI: 10.1016/j.fraope.2024.100162
Cangussu N., Milheiro-Oliveira P., Matos A.M. et al. Comparison of outlier detection approaches for compressive strength of cement-based mortars // Journal of Building Engineering. 2024. Vol. 95. № 110276. DOI: 10.1016/j.jobe.2024.110276

Метод оптимизации, основанный на концепции удельной механической энергии, для повышения производительности бурения: пример практического применения

Аннотация

Литература

Похожие статьи