NASA定向钻井技术：航天科技助力石油开发

航天技术进入石油领域

利用来自**美国宇航局（NASA）**的技术可以节省定向钻井作业的费用。自20世纪30年代以来，定向钻井一直被用于石油和天然气作业，当时陆上钻井工人使用该技术来开采海上油藏。

定向钻井的演进

多年来，已经引入了一些技术来提高钻井精度和对井轨迹的控制程度，同时允许通过一口井生产多个油藏，从而：

• ✅ 降低钻井成本
• ✅ 将钻井过程对环境的影响降至最低
• ✅ 提高油藏开发效率
• ✅ 实现复杂轨迹钻井

定向钻井的挑战与发展

技术难题

为了最大限度提高油田开发效率，最大限度减少地理足迹，广泛采用从集中式平台位置上的窄间距槽进行水平井钻井，导致井筒几何结构复杂。

面临的问题：

• 井轨迹控制难度大
• 滑动作业成本高
• 旋转趋势难以预测
• 人工决策依赖经验

传统作业方式

使用带有弯曲外壳的泥浆马达组成的可转向井底钻具组合（BHA），经验丰富的定向司钻可以：

滑动作业：

• 按照钻井计划调整马达弯曲方向
• 将井导向预定轨迹
• 需要丰富的现场经验

旋转作业：

• 整个钻柱从地面旋转
• 保持井轨迹相对平直
• 穿透率高于滑动

旋转与滑动的矛盾

然而，经验和研究表明，由于多种因素的影响，在旋转期间井轨迹很少是直的：

影响因素：

• 旋转趋势
• BHA设计
• 钻井参数
• 地质地层特征

这可能导致实钻轨迹与计划轨迹存在显著差异。

滑动作业的问题：

NASA技术的引入

航天器轨迹优化原理

NASA科学家和工程师在计划太空任务时，会为航天器绘制一个计划轨迹，这与石油和天然气运营商设计的井轨迹非常相似。

共同特点：

• 一小部分需要转向
• 大部分不需要转向
• 外力影响偏离轨迹
• 需要比预期更多转向

火箭燃料与钻井滑动的类比

在太空飞行中：

• 转向事件 = 火箭燃烧
• 燃料 = 宝贵的资源
• 目标 = 最小化delta-v（速度变化总和）

在定向钻井中：

• 转向事件 = 滑动作业
• 成本 = 时间和金钱
• 目标 = 最小化滑动百分比

高保真制导技术

第三种方法由Superior QC的前NASA制导、导航和控制工程师从航空航天行业改编，用于设计高保真制导DDA软件系统。

技术特点：

• 真正的轨迹优化方法
• 仅在战略上必要时才建议转向
• 基于实时数据和井下钻井数据
• 考虑BHA和地层相互作用
• 不断更新轨迹估计

DDA软件的技术优势

三种DDA方法对比

方法一：“盒子里的定向钻机”

• 模拟人工决策过程
• 加快计算速度
• 减轻司钻负担
• ❌ 不能降低滑动百分比

方法二：蒙特卡罗模拟

• 每个测量点尝试数百种方案
• 找出最佳滑动和旋转指令
• ❌ 只关注下一环节，缺乏整体策略
• ❌ 计算密集，可能造成停工时间

方法三：高保真制导（NASA方法） ✅

• 使用先进AI算法
• 实时优化旋转趋势和马达输出
• 可靠的正向预测
• 优化滑动计划

专有软件系统特点

技术实现：

• 实时地面和井下钻井数据集成
• BHA和地层相互作用模型
• 不断更新的轨迹估计
• AI算法优化计算

决策支持：

• 何时需要滑动
• 滑动持续长度
• 工具面方向
• 旋转参数优化

现场应用与效果验证

案例研究设计

在两个平台上的10口井的横向剖面上进行了一组现场试验和分析，以更好地了解应用高保真制导可以实现的效率增益。

试验设计：

• 对照组：最近完成的几口井
• 试验组：使用DDA软件的井
• 变量控制：马达输出、旋转趋势归一化处理

评分系统

使用每个环节的计分系统计算HiFi制导遵守分数：

评分规则：

• 建议旋转且未滑动 → 1分
• 建议滑动且在目标范围内执行 → 1分
  • 工具面偏差：±25度
  • 长度偏差：±3英尺
• 未遵循建议 → 0分

依从性得分 = 遵守环节数 / 总环节数 × 100%

现场试验结果

关键发现

依从性与效果的关系：

性能提升：

• 依从性得分>50时，滑动百分比从11.1%降至7.3%
• 目标窗口中横向进尺平均提高27.8%
• 井眼弯曲度降低
• 套管运行时间减少

经济效益

成本节省：

• 每口井节省作业时间2-3天
• 降低滑动作业成本30-40%
• 提高钻井效率20%以上
• 减少井眼复杂情况

附加技术优势

井眼质量改善

弯曲度降低的好处：

• ✅ 减少套管运行时间
• ✅ 增加可用大钩载荷
• ✅ 更容易钻到总深度
• ✅ 降低后续作业风险

目标窗口钻遇率提升

当依从性得分大于50时：

• 目标钻井窗口中的横向进尺量平均提高27.8%
• 储层钻遇率显著提高
• 单井产能提升
• 开发效益增加

AI技术的持续演进

自动学习与优化

专有软件系统的价值将随着时间推移而增加：

持续改进：

• AI模型不断学习
• 算法持续优化
• 预测精度提升
• 适应性增强

数据积累：

• 每口井的数据反馈
• 模型参数调整
• 经验库不断丰富
• 决策更加精准

未来发展方向

技术升级：

1. 深度学习算法

   • 更强大的预测能力
   • 自适应参数调整
   • 实时智能决策

2. 物联网集成

   • 井下传感器数据
   • 实时数据传输
   • 边缘计算支持

3. 数字孪生

   • 虚拟井眼模拟
   • 方案预演验证
   • 风险提前识别

行业应用前景

推广潜力

适用领域：

• 陆上水平井钻井
• 海上丛式井开发
• 页岩油气开发
• 复杂井眼钻井

预期效益：

• 行业年节省成本数十亿美元
• 提高钻井成功率10-20%
• 缩短钻井周期15-25%
• 降低HSE风险

技术融合趋势

与其他技术的结合：

• ✨ 旋转导向钻井系统
• ✨ 随钻测井技术
• ✨ 地质导向系统
• ✨ 自动化钻机

经验启示

跨界创新的价值

NASA技术的启示：

• 不同领域技术可以相互借鉴
• 航天级精度服务于石油工业
• 创新往往来自跨界融合
• 基础研究支撑应用转化

实施建议

成功要素：

1. 人员培训

   • 定向司钻软件操作培训
   • 理解系统推荐原理
   • 增强信任度

2. 逐步推广

   • 从简单井型开始
   • 积累经验和数据
   • 扩大应用范围

3. 持续优化

   • 收集反馈意见
   • 调整参数设置
   • 完善算法模型

总结

将太空时代技术引入到定向钻井中，有可能提高效率，从而节省时间和金钱。该领域的结果证明了这一专有软件系统的价值，人工智能支持的持续改进将随着时间的推移增加其价值。

关键成果：

• ✅ 滑动百分比显著降低
• ✅ 目标钻遇率大幅提升
• ✅ 井眼质量明显改善
• ✅ 经济效益十分显著

未来展望：随着AI技术的不断进步和应用经验的积累，高保真制导技术将在全球定向钻井作业中发挥越来越重要的作用，为石油工业的效率提升和成本降低做出更大贡献。

发布时间：2022年5月23日
关键词：定向钻井 | NASA技术 | AI优化 | 效率提升