نشریه ژئومکانیک و ژئوانرژی

نشریه ژئومکانیک و ژئوانرژی

پیش‌بینی لحظه‌ای نوع و احتمال گیر رشته حفاری با استفاده از یادگیری ماشین و داده‌های حفاری در یک میدان نفتی در ایران

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشگاه صنعتی شاهرود
2 شرکت نفت و گاز پارس
3 دانشگاه نفت چین
چکیده
گیر رشته حفاری همچنان یکی از چالش‌های فراگیر و پرهزینه‌ی زمان غیرمولد (NPT) در عملیات حفاری چاه‌های نفت و گاز است. در حالی که پژوهش‌های پیشین عمدتاً بر پیش‌بینی دوحالته (گیر/عدم گیر) با تکیه بر گزارش‌های روزانه‌ی حفاری با تفکیک زمانی پایین متمرکز بوده‌اند، این پژوهش دو نوآوری کلیدی را معرفی می‌کند: (۱) بهره‌گیری از داده‌های مادلاگ (گل‌نگاری) با تفکیک بالا برای ثبت نشانه‌های ظریف پیش‌از وقوع گیر، و (۲) روش نوین برچسب‌گذاری بدون نظارت با استفاده از خوشه‌بندی K-Means جهت استخراج شبه‌برچسب‌های دارای تفسیر فیزیکی برای مکانیزم‌های اصلی گیر (هندسه چاه، اختلاف فشار و پرشدگی/بسته‌شدن چاه)؛ گامی حیاتی با توجه به فقدان برچسب‌های فیزیکی معتبر در داده‌های میدانی. گزارش‌های روزانه‌ی حفاریِ ۲۸ حلقه چاه از یکی از میادین نفتی فعال ایران در مرحله‌ی نخست غربالگری شدند، اما مدل‌های پیش‌بین نهایی بر پایه‌ی داده‌های مادلاگ با تفکیک بالای ۸ حلقه چاه که به‌دلیل کامل‌بودن داده‌ها انتخاب شدند، توسعه یافتند. در مسئله‌ی هشدار زودهنگام دوحالته، ماشین بردار پشتیبان با هسته‌ی گوسی درشت (Coarse Gaussian SVM) کم‌ترین شمار منفی‌های کاذب بحرانی (FN = 1؛ شناسایی ۱۴ رویداد گیر از ۱۵ رویداد مجموعه‌ی آزمون) را به دست آورد. در مسئله‌ی شناسایی مکانیزم گیر (طبقه‌بندی چندکلاسه)، ماشین بردار پشتیبان خطی به بازیابی (Recall) صددرصد برای انواع گیرِ قابل تفکیک (هندسه چاه و پرشدگی چاه) و دقت کلی ۹۸ درصد دست یافت، در حالی که مکانیزم اختلاف فشار با داده‌های سطحی به‌تنهایی تفکیک‌ناپذیر باقی ماند. معیارهای استاندارد طبقه‌بندی (دقت، بازیابی، امتیاز F1 و ضریب همبستگی متیوس، MCC) در کنار تحلیل ماتریس درهم‌ریختگی گزارش شده‌اند. نتایج نشان می‌دهند که ترکیب داده‌های با تفکیک بالا و شبه‌برچسب‌گذاری بدون نظارت، پایه‌ای کم‌هزینه از نظر محاسباتی و با پتانسیل قوی برای پشتیبانی تصمیم‌گیری بلادرنگ روی پنل حفاری فراهم می‌کند؛ دستاوردی که اعتبارسنجی آن بر روی چاه‌های مستقل، نیازمند پژوهش‌های آتی است.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Real-Time Prediction of Drill String Stuck Type and Probability using Machine Learning and Drilling Data on an Iranian Oil Field

نویسندگان English

Sajjad Tizabi Mashhadi 1
Ahmad Ramezanzadeh 1
Abbas Roohi 2
Mohammad Mehrad 1
Xian Shi 3
1 Shahrood University of Technology
2 Pars Oil and Gas Company, Ahvaz, Iran
3 China University of Petroleum, China
چکیده English

Drill string stuck pipe remains a pervasive and costly Non-Productive Time (NPT) challenge in petroleum operations. While the previous studies have often focused on binary stuck/non-stuck prediction using low-resolution daily reports, this research introduces two key innovations: (1) the utilization of high-resolution Mud Logging data to capture subtle pre-failure signatures, and (2) a novel unsupervised labeling methodology using K-Means clustering to identify the specific stuck mechanisms (Wellbore Geometry, Differential Pressure, and Hole Packing), a critical step given the absence of physical labels in field data. Daily drilling reports from 28 wells were initially screened; however, the predictive models were developed using high-resolution mud logging data from 8 wells selected for data completeness, providing a methodological framework for real-time classification. For the binary early warning task, the Coarse Gaussian Support Vector Machine (SVM) demonstrated superior reliability, achieving the lowest count of critical False Negatives (FN=1) on the test set. For the multi-class mechanism identification task, the Linear SVM (while the Differential Pressure mechanism remained unresolved with the available surface data) proved optimal, achieving perfect classificationon the distinguishable classes on all distinguishable stuck types (Wellbore Geometry and Hole Packing) and an overall accuracy of 98 percent. This framework validates that the combination of high-resolution data with unsupervised labeling provides a computationally efficient and reliable foundation for deployment on the driller's panel, enabling proactive operational adjustments and significantly reducing NPT.

کلیدواژه‌ها English

Drill String Stuck
Machine Learning
Mud Logging Data
K-Means Clustering
Support Vector Machine
[1] Warren, J. (1940). Causes, Preventions, and Recovery of stuck drill pipe. API-40-030, Drilling and Production Practice. American Petroleum Institute.
[2] Hempkins, W. B., Kingsborough, R.H., Lohec, W.E., Nini, C.J. (1987). Multivariate Statistical Analysis of Stuck Drillpipe Situations. SPE Drilling Engineering, 2(03), 237-244. https://doi.org/10.2118/14181-PA
[3] Bradley, W. B., Jarman, D., Plott, R. S., Wood, R. D., Schofield, T. R., Auflick, R. A., & Cocking, D. (1991). A Task Force Approach to Reducing Stuck Pipe Costs. SPE/IADC Drilling Conference, Amsterdam, Netherlands. SPE-21999-MS. https://doi.org/10.2523/21999-MS
[4] Siruvuri, C., Nagarakanti, S., & Samuel, R. (2006). Stuck Pipe Prediction and Avoidance: A Convolutional Neural Network Approach. IADC/SPE Drilling Conference, Miami, Florida, USA.SPE-98378-MS. https://doi.org/10.2118/98378-MS
[5] Poordad, S., Chamkalani, A., & Pordel Shahri, M. (2013). Support vector machine model: a new methodology for stuck pipe prediction. SPE Middle East Unconventional Resources Conference and Exhibition, Muscat, Oman. SPE-164003-MS. https://doi.org/10.2118/164003-MS
[6] Elmousalami, H. H., & Elaskary, M. (2020). Drilling stuck pipe classification and mitigation in the Gulf of Suez oil fields using artificial intelligence. Journal of Petroleum Exploration and Production Technology, 10(5), 2055-2068. https://doi.org/10.1007/s13202-020-00857-w
[7] Kizayev, T., Irawan, S., Khan, J. A., Khan, S. A., Cai, B., Zeb, N., & Wayo, D. D. K. (2023). Factors affecting drilling incidents: Prediction of suck pipe by XGBoost model. Energy Reports, 9, 270-279. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2023.03.083
[8] Salminen, K., Cheatham, C., Smith, M., & Valiullin, K. (2016). Stuck Pipe Prediction by Use of Automated Real-Time Modeling and Data Analysis. SPE/IADC Drilling Conference and Exhibition, London, UK. SPE-178888-MS. https://doi.org/10.2118/178888-MS
[9] Alshaikh, A. A., Albassam, M. K., Al Gharbi, S. H., & Al-Yami, A. S. (2018). Detection of Stuck Pipe Early Signs and the Way Toward Automation. Abu Dhabi International Petroleum Exhibition & Conference, Abu Dhabi, UAE. SPE-193026-MS. https://doi.org/10.2118/193026-MS
[10] Jahanbakhshi, R., Keshavarzi, R., Aliyari-Shoorehdeli, M., & Emamzadeh, A. (2013). Intelligent Prediction of Differential Pipe Sticking by Support Vector Machine Compared With Conventional Artificial Neural Networks: An Example of Iranian Offshore Oil Fields. SPE Drilling & Completion, 27(04), 586-595. https://doi.org/10.2118/163062-PA
[11] Jardine, S. I., McCann, D. P., & Barber, S. S. (1992). An Advanced System for the Early Detection of Sticking Pipe. SPE/IADC Drilling Conference, New Orleans, Louisiana, USA. SPE-23915-MS. https://doi.org/10.2523/23915-MS
[12] Mitchell, J. (2001). Trouble-Free Drilling: Stuck Pipe Prevention (Vol. 1). Drilbert Engineering, Incorporated. ISBN: 978-0-9722986-0-6
[13] Shadizadeh, S. R., Karimi, F., & Zoveidavianpoor, M. (2010). Drilling Stuck Pipe Prediction in Iranian Oil Fields: An Artificial Neural Network Approach. Iranian Journal of Chemical Engineering (IJChE), 7(4), 29-41.  URL:https://www.ijche.com/article_10326_d828d938534fe550f6f1c4c0c953bb5e.pdf
[14] Yarim, G., Uchytil, R. J., May, R. B., Trejo, A., & Church, P. (2007). Stuck Pipe Prevention—A Proactive Solution to an Old Problem. SPE Annual Technical Conference and Exhibition, Anaheim, California, USA. SPE-109914-MS. https://doi.org/10.2118/109914-MS