海上油田叢式井平臺(tái)位置優(yōu)化方法研究與應(yīng)用*

李 濱 劉書(shū)杰 耿亞楠 岳家平

(中海油研究總院 北京 100028)

海上油田叢式井平臺(tái)位置優(yōu)化方法研究與應(yīng)用*

李 濱 劉書(shū)杰 耿亞楠 岳家平

(中海油研究總院 北京 100028)

針對(duì)以鉆井總進(jìn)尺為依據(jù)選擇海上油田叢式井鉆井平臺(tái)位置的方法存在無(wú)法完全反映鉆井時(shí)間和費(fèi)用的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)定向井鉆井難度評(píng)價(jià)，開(kāi)展了定向井鉆井難度系數(shù)與機(jī)械鉆速變化規(guī)律以及造斜段與穩(wěn)斜段機(jī)械鉆速變化規(guī)律的研究,確定了平臺(tái)位置所對(duì)應(yīng)的總鉆井時(shí)間，并在此基礎(chǔ)上建立了以鉆井時(shí)間和費(fèi)用為標(biāo)準(zhǔn)的海上油田叢式井平臺(tái)位置優(yōu)化方法。應(yīng)用實(shí)例計(jì)算表明，本文所建立的海上油田叢式井平臺(tái)位置優(yōu)化方法可有效節(jié)約鉆井成本，有利于高效開(kāi)發(fā)海上油氣田。

海上油田；叢式井；平臺(tái)位置；優(yōu)化方法；鉆井時(shí)間；定向井難度系數(shù)；機(jī)械鉆速；鉆井費(fèi)用

海上油田開(kāi)發(fā)具有高風(fēng)險(xiǎn)、高投入及受海上環(huán)境條件限制等特點(diǎn)，因此井口平臺(tái)位置的合理選擇是降低海上鉆井投資及風(fēng)險(xiǎn)、提高油田開(kāi)發(fā)效益的關(guān)鍵[1]，目前已形成“水平位移之和最小”、“總井深之和最小”、“井深與總水平位移之和最小”等平臺(tái)位置優(yōu)選方法[2-4]。盡管決定鉆井投資大小的指標(biāo)與鉆井進(jìn)尺有關(guān)，但其最終與鉆井周期有直接關(guān)系，而鉆井周期長(zhǎng)短不但與總進(jìn)尺有關(guān)，還與機(jī)械鉆速密切相關(guān)。因此，現(xiàn)有的平臺(tái)位置優(yōu)選方法存在僅以鉆井進(jìn)尺作為衡量鉆井投資高低的標(biāo)準(zhǔn)、無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估鉆井難度對(duì)鉆井時(shí)間和鉆井投資的影響等問(wèn)題。為改善上述不足，優(yōu)選出更加合理的鉆井平臺(tái)位置，在平臺(tái)位置選擇時(shí)不能僅依靠總進(jìn)尺來(lái)衡量鉆井成本，而要在準(zhǔn)確預(yù)測(cè)機(jī)械鉆速基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)鉆井時(shí)間，進(jìn)而形成一套以鉆井時(shí)間和投資最小為目標(biāo)的叢式井平臺(tái)位置優(yōu)選方法。筆者通過(guò)對(duì)定向井難度系數(shù)與機(jī)械鉆速變化規(guī)律以及造斜段和穩(wěn)斜段機(jī)械鉆速變化規(guī)律的研究，對(duì)鉆井時(shí)間進(jìn)行了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，進(jìn)而形成了以鉆井投資最小為目標(biāo)的叢式井平臺(tái)位置優(yōu)化方法，并進(jìn)行了應(yīng)用實(shí)例分析，顯著降低了海上油田叢式井鉆井投資費(fèi)用。

1 定向井鉆井時(shí)間預(yù)測(cè)

準(zhǔn)確預(yù)測(cè)鉆井時(shí)間，需要準(zhǔn)確評(píng)估不同定向井的鉆井難度及對(duì)應(yīng)的機(jī)械鉆速。鉆井難度的評(píng)價(jià)可以通過(guò)建立鉆井難度評(píng)價(jià)參數(shù)來(lái)反映，同時(shí)也可以通過(guò)井眼軌跡中造斜井段與穩(wěn)斜井段的長(zhǎng)度來(lái)衡量[5-7]。本文選擇上述2種方法預(yù)測(cè)鉆井時(shí)間,為平臺(tái)位置優(yōu)選奠定基礎(chǔ)。

1.1 定向井難度系數(shù)與機(jī)械鉆速變化規(guī)律

目前還沒(méi)有統(tǒng)一的定向井鉆井難度評(píng)價(jià)指標(biāo)，通常只能用井深、井斜、全角變化率等參數(shù)來(lái)定性評(píng)價(jià)[8-10]。 W.Oag Alistair等[11]提出了定向井難度系數(shù)的概念，并建立了定向井難度系數(shù)計(jì)算模型(公式(1))，從而能夠達(dá)到簡(jiǎn)單快速評(píng)價(jià)定向井鉆井難度的目的。

(1)

式(1)中：D為定向井難度系數(shù)，無(wú)因次；Hm為井眼斜深，m；Sa為沿井眼位移，m；τ為曲率，無(wú)因次；Hv為垂深，m。

式(1)綜合考慮了斜深、井斜、方位、曲率等因素對(duì)鉆井難度的影響，該模型有利于對(duì)定向井鉆井難度做出快速準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。通過(guò)大量的數(shù)據(jù)分析，按照定向井難度系數(shù)的大小可將定向井分為4種難度級(jí)別，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 定向井難度系數(shù)分類及特點(diǎn)

對(duì)M油田已鉆井的機(jī)械鉆速進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，水平井和常規(guī)定向井的機(jī)械鉆速隨垂深的變化規(guī)律如圖1、2所示。由圖1、2可以看出：隨著垂深的增加，機(jī)械鉆速呈遞減趨勢(shì)；當(dāng)垂深小于1 800 m時(shí),機(jī)械鉆速約10～35 m/h；當(dāng)垂深大于1 800 m時(shí)，機(jī)械鉆速約5～25 m/h。

圖1 水平井機(jī)械鉆速隨垂深的變化規(guī)律

圖2 常規(guī)定向井機(jī)械鉆速隨垂深的變化規(guī)律

因此，為了盡量減小地層因素對(duì)機(jī)械鉆速的影響，更加準(zhǔn)確地描述機(jī)械鉆速與鉆井難度的關(guān)系，以垂深1 800 m為界分段分別對(duì)水平井和常規(guī)定向井的機(jī)械鉆速隨難度系數(shù)變化關(guān)系進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖3、4所示。由圖3、4可以得出,在同一深度范圍內(nèi)，水平井和常規(guī)定向井的機(jī)械鉆速均隨難度系數(shù)的增加而呈線性遞減趨勢(shì)，因此可以利用難度系數(shù)與機(jī)械鉆速的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)預(yù)測(cè)鉆井時(shí)間。

圖3 水平井機(jī)械鉆速隨難度系數(shù)變化規(guī)律

圖4 常規(guī)定向井機(jī)械鉆速隨難度系數(shù)變化規(guī)律

1.2 造斜和穩(wěn)斜井段機(jī)械鉆速變化規(guī)律

定義造斜效率為造斜井段與穩(wěn)斜井段機(jī)械鉆速的比值，用于反映造斜工具在造斜與穩(wěn)斜井段機(jī)械鉆速的差異。對(duì)渤海J油田造斜井段和穩(wěn)斜井段的機(jī)械鉆速進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)將造斜井段分為5段進(jìn)行對(duì)比，從而得到了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向和馬達(dá)等2種造斜鉆具組合在不同深度井段的機(jī)械鉆速和造斜效率，結(jié)果如圖5、6所示。

從圖5、6可以看出：馬達(dá)滑動(dòng)造斜鉆具組合適合小于1 500 m的造斜井段，而旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具組合則適合大于1 500 m的造斜井段；在相同深度范圍內(nèi)，穩(wěn)斜段的機(jī)械速度均高于造斜段的機(jī)械鉆速,旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向造斜效率在0.60～0.72，馬達(dá)造斜效率在0.33～0.55，說(shuō)明旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具比馬達(dá)工具的造斜效率高；隨著造斜井段深度的加深，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向與馬達(dá)的機(jī)械鉆速都逐步減小，且以馬達(dá)工具的機(jī)械鉆速降幅最大，其造斜效率對(duì)深度變化更為敏感，因此馬達(dá)工具機(jī)械鉆速更容易受到井深增加的影響。

圖5 不同深度井段平均機(jī)械鉆速對(duì)比

圖6 兩種造斜鉆具組合在不同深度井段造斜效率對(duì)比

2 叢式井平臺(tái)位置優(yōu)化方法

目前采用的平臺(tái)位置優(yōu)選方法無(wú)法按照不同定向井的難度準(zhǔn)確預(yù)測(cè)鉆井時(shí)間，難以真正按照鉆井費(fèi)用最小的指標(biāo)選擇平臺(tái)位置[10-12]，因此結(jié)合上述定向井鉆井時(shí)間預(yù)測(cè)方法建立了叢式井平臺(tái)位置優(yōu)化方法，具體步驟如下：

1) 調(diào)研目標(biāo)區(qū)塊和相鄰區(qū)塊已鉆井資料，計(jì)算定向井難度系數(shù)隨機(jī)械鉆速的變化規(guī)律或造斜井段和穩(wěn)斜井段的機(jī)械鉆速差異，作為鉆井時(shí)間預(yù)測(cè)基礎(chǔ)；

2) 采用DecisionSpace或Landmark軟件設(shè)計(jì)定向井的井眼軌跡；

3) 利用DecisionSpace軟件選擇出最小進(jìn)尺和權(quán)衡難度條件下的平臺(tái)位置；

4) 根據(jù)油田靶點(diǎn)分布特征，確定可能的備選平臺(tái)位置；

5) 以第1步中統(tǒng)計(jì)分析得到的不同鉆井難度或造斜井段與穩(wěn)斜井段機(jī)械鉆速為基礎(chǔ)，對(duì)備選平臺(tái)位置條件下的定向井鉆井時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)；

6) 對(duì)比各平臺(tái)位置條件下定向井鉆井時(shí)間，選擇總鉆井時(shí)間最短的平臺(tái)位置作為可能的平臺(tái)位置。

7) 在第6步中選出的平臺(tái)位置附近選取備選平臺(tái)位置，按照第5、6步再次對(duì)平臺(tái)位置進(jìn)行細(xì)化，直至選出鉆井時(shí)間和投資最優(yōu)化的平臺(tái)位置。

3 應(yīng)用實(shí)例

A油田油藏埋深1 070～1 480 m，共設(shè)計(jì)12口水平井。根據(jù)最小進(jìn)尺和權(quán)衡難度優(yōu)選的該油田平臺(tái)位置見(jiàn)圖7。由井眼軌跡數(shù)據(jù)分析可知，根據(jù)最小進(jìn)尺優(yōu)選出的平臺(tái)位置1在油藏中間，最大狗腿度達(dá)到6.6°/30 m，狗腿度大于3°/30 m的井有5口，造斜井段鉆井難度較大，雖然在此位置進(jìn)尺最短，但鉆井難度較大，機(jī)械鉆速隨難度增加而下降；而根據(jù)權(quán)衡難度優(yōu)選出的平臺(tái)位置16的造斜率雖下降到3°/30m，但總進(jìn)尺由24 219 m增加到了30 784 m。因此，根據(jù)最小進(jìn)尺和權(quán)衡難度優(yōu)選出的該油田平臺(tái)位置均無(wú)法保證鉆井時(shí)間最少、費(fèi)用最低，需要進(jìn)一步優(yōu)化平臺(tái)位置以降低鉆井難度、提高機(jī)械鉆速，最終降低鉆井時(shí)間與投資費(fèi)用。

圖7 根據(jù)最小進(jìn)尺和權(quán)衡難度優(yōu)選出的A油田平臺(tái)位置

3.1 利用定向井難度系數(shù)法優(yōu)選平臺(tái)位置

利用本文建立的平臺(tái)位置優(yōu)選方法，在該油田最小進(jìn)尺平臺(tái)位置1與權(quán)衡難度平臺(tái)位置16之間逐步進(jìn)行優(yōu)化，直到備選平臺(tái)位置間距離小于50 m停止優(yōu)化(共45個(gè)備選平臺(tái)位置，含平臺(tái)位置1、16，見(jiàn)圖8)。分別計(jì)算45個(gè)備選平臺(tái)位置處12口井的鉆井進(jìn)尺和鉆井時(shí)間，由計(jì)算結(jié)果(圖9)可知：在備選平臺(tái)位置45處的鉆井時(shí)間最小為55.0 d，與備選平臺(tái)位置1相比節(jié)約鉆井時(shí)間3.6 d，并且與備選平臺(tái)位置1相距305 m，因此可以將備選平臺(tái)位置45作為平臺(tái)位置。

圖8 根據(jù)本文定向井難度系數(shù)法優(yōu)選出的A油田全部

3.2 優(yōu)選平臺(tái)位置經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

參考中海油2014年的鉆完井機(jī)具費(fèi)用，綜合日費(fèi)分別假定為80萬(wàn)、120萬(wàn)、150萬(wàn)、200萬(wàn)元，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向費(fèi)用假定為27.6萬(wàn)元/d，利用公式(2)、(3)計(jì)算該油田優(yōu)化后平臺(tái)位置45較平臺(tái)位置1節(jié)約的鉆井費(fèi)用，結(jié)果如圖10所示。

ΔC馬達(dá)=C綜合日費(fèi)×Δt總

(2)

ΔC旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向=C綜合日費(fèi)×Δt總+C旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向×Δt造斜(3)

式(2)、(3)中：ΔC馬達(dá)為采用馬達(dá)造斜鉆井投資節(jié)約費(fèi)用，萬(wàn)元；ΔC旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向?yàn)椴捎眯D(zhuǎn)導(dǎo)向造斜鉆井投資節(jié)約費(fèi)用，萬(wàn)元；C綜合日費(fèi)為采用馬達(dá)情況下鉆井綜合日費(fèi)，萬(wàn)元；C旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向?yàn)椴捎眯D(zhuǎn)導(dǎo)向情況下鉆井綜合日費(fèi)，萬(wàn)元；Δt總為節(jié)約的總鉆井時(shí)間，d；Δt造斜為節(jié)約的增斜段鉆井時(shí)間，d。

由圖10可以看出，采用本文方法優(yōu)化平臺(tái)位置后，在不同的鉆井綜合日費(fèi)條件下，采用2種造斜工具均能節(jié)約鉆井時(shí)間和費(fèi)用，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖9 A油田不同備選平臺(tái)位置處的鉆井時(shí)間和鉆井進(jìn)尺

圖10 不同鉆井綜合日費(fèi)條件下A油田平臺(tái)位置優(yōu)化節(jié)約的鉆井成本

4 結(jié)論

1) 通過(guò)評(píng)價(jià)定向井鉆井難度,研究定向井難度系數(shù)與機(jī)械鉆速的對(duì)應(yīng)關(guān)系,以及定向井穩(wěn)斜段和造斜段機(jī)械鉆速的變化規(guī)律，可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)得到平臺(tái)位置對(duì)應(yīng)的總鉆井時(shí)間。

2) 在準(zhǔn)確預(yù)測(cè)定向井機(jī)械鉆速和鉆井時(shí)間基礎(chǔ)上，建立了以鉆井投資最小為目標(biāo)的海上油田叢式井平臺(tái)位置優(yōu)化方法。應(yīng)用實(shí)例表明：利用新方法優(yōu)選出的平臺(tái)位置可顯著降低海上油田叢式井鉆井投資費(fèi)用，有利于高效開(kāi)發(fā)海上油氣田。

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(編輯：孫豐成)

Research and application of platform location optimization for cluster wells in offshore oilfields

Li Bin Liu Shujie Geng Yanan Yue Jiaping

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

The method of choosing the platform location of cluster well in offshore oilfields on the basis of drilling footage cannot fully reflect the drilling time and cost. Based on the difficulty evaluation for directional drilling, we carried out research on the law of ROP variation with directional drilling difficulty index, and that in the building section and holding section, hence having determined the total drilling time corresponding to various platform locations. Furthermore, the platform location optimization methodology for cluster wells in offshore oilfields was developed, which takes the drilling time and cost as the criteria. Application cases show that the method can save the drilling cost effectively, and contribute to the efficient development of offshore oilfields.

offshore oilfield; cluster well; platform location; optimization method; drilling time; directional well difficulty index; ROP; drilling cost

李濱，男，工程師，2006年畢業(yè)于西南石油大學(xué)，現(xiàn)主要從事海上油氣田鉆采工程設(shè)計(jì)和研究工作。地址：北京市朝陽(yáng)區(qū)太陽(yáng)宮南街6號(hào)院中海油大廈(郵編：100028)。E-mail:libin5@cnooc.com.cn。

1673-1506(2016)01-0103-06

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.01.016

TE22

A

2014-12-29 改回日期：2015-02-12

*“十二五”國(guó)家科技重大專項(xiàng)“海上油田叢式井網(wǎng)整體加密及綜合調(diào)整技術(shù)(編號(hào)：2011ZX05024-002)”部分研究成果。

李濱,劉書(shū)杰,耿亞楠，等.海上油田叢式井平臺(tái)位置優(yōu)化方法研究與應(yīng)用[J].中國(guó)海上油氣，2016,28(1)：103-108.

Li Bin,Liu Shujie,Geng Yanan,et al.Research and application of platform location optimization for cluster wells in offshore oilfields[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(1):103-108.