基于鉆前風險預測的井身結構優化方法

勝亞楠管志川張國輝葉浪劉書杰馮桓榰

1.中國石油大學（華東）石油工程學院；2.中國石油勘探開發研究院工程所；3. 中海油研究總院

基于鉆前風險預測的井身結構優化方法

勝亞楠1管志川1張國輝2葉浪1劉書杰3馮桓榰3

1.中國石油大學（華東）石油工程學院；2.中國石油勘探開發研究院工程所；3. 中海油研究總院

引用格式：勝亞楠，管志川，張國輝，葉浪，劉書杰，馮桓榰. 基于鉆前風險預測的井身結構優化方法［J］. 石油鉆采工藝，2016，38（4）：415-421.

考慮鉆井工程風險、基于鉆前風險預測的井身結構設計是鉆井施工安全順利進行的保證。鉆井工程風險在實鉆過程中的主要表現是：井漏、井噴、井塌、卡鉆以及井下工具失效等問題。首先基于鄰井資料求取了待鉆目標井含可信度的地層壓力剖面，再利用鉆井風險評價方法對待鉆目標井井身結構設計方案進行評價，在鉆前預測出可能發生的工程風險，并基于預測結果優化井身結構設計方案，規避鉆井風險的發生。新方法為合理規避工程風險、調整施工方案、安全快速鉆井提供了科學的依據，可以有效降低鉆井工程風險發生的概率和頻度，縮短建井周期，對于安全、高效鉆井具有重要意義。

井身結構優化； 鉆井風險； 可信度； 壓力不確定性

隨著油氣勘探向深井復雜地層發展，對于鉆井技術的要求越來越高［1］。深井復雜地層由于油層埋藏深、巖體環境復雜等原因，鉆井過程中頻繁出現各種井下復雜與事故，鉆井工程風險問題成為了制約深井復雜地層鉆井技術實施的瓶頸［2-4］。井身結構設計是鉆井工程設計最重要的內容之一，是避免鉆井風險發生、保證鉆井工程安全高效進行的前提。井身結構設計經歷了3個主要階段［5-7］：1900年至20世紀60年代末，屬于經驗積累階段，確定了三段式的基本結構，形成了API尺寸標準，提出了以滿足工程必封點為條件的井身結構設計思路；20世紀60年代末期至80年代末期，是理論發展階段，提出了自下而上、自上而下以及二者相結合起來的設計手段，實現了井身結構設計的數量化方法；20世紀80年代末期至今，為解決深井復雜地層的問題，井身結構優化設計逐漸向系統工程的方向發展［8-9］。

筆者提出了一套基于鉆前風險預測的井身結構優化方法，針對深井復雜地層的井身結構優化問題，利用鉆井風險評價方法，對待鉆目標井某一套井身結構設計方案進行評價，得到待鉆目標井在實鉆過程中可能發生的風險，并基于預測結果優化井身結構設計方案，在設計階段規避鉆井風險的發生，最終給出一套使鉆井風險最小化的井身結構方案，將鉆井風險發生的可能性控制在最低程度。

1　含可信度的地層壓力鉆前預測方法Pre-drill prediction of formation pressure with credibility

地層孔隙壓力、地層破裂壓力及坍塌壓力剖面是井身結構設計的重要依據［10］。但是由于深井復雜地層油氣地質的復雜性、解釋資料的不完備性以及數學模型的精度等問題，地層壓力的真值是無法得到的，誤差是客觀存在的，因此地層壓力的預測結果具有不確定性，真值會以一定概率形式分布于某區間內。石油大學管志川等，提出了含可信度地層壓力剖面的概念［11］。這種方法預測的結果不再是單一數值，而是具有可信度的區間；這種區間分布的形式對工程人員更加實用，使其能更好地把握地層壓力信息，有利于減少鉆井事故的發生。

鉆前計算含可信度地層孔隙壓力，根據的是地震層速度資料，采用的是伊頓法和Fillippone法相結合的方法。主要步驟分為：（1）根據地震層速度，利用Fillippone地層壓力預測方法，求取全井段的單值地層壓力；（2）將求得的地層壓力代入伊頓法公式反算伊頓指數n的值；（3）確定全井段伊頓指數的數值概率分布形式；（4）將含有某種概率分布的伊頓指數代入伊頓法計算含可信度的地層壓力分布。具體計算流程如圖1所示。

地層破裂及坍塌壓力在多數學者的研究中都被視為井壁穩定性的研究內容，準確預測地層破裂和坍塌壓力對于風險預警具有重要意義。鉆前求取含可信度地層破裂及坍塌壓力主要分為：（1）相似構造選擇，根據物探部門提供的地質構造和地層巖性解釋資料，尋求待鉆目標井附近的具有相似構造的已鉆井，做層間對比分析，尋求相似度較高的井；（2）通過對相似構造井的測井資料、巖心室內實驗數據以及LOT數據，得出每一口相似構造井所在構造的構造應力系數，隨后對這些系數進行概率統計分析，得出其值的分布范圍和狀態；（3）重點根據相似構造井的資料，確立相關的巖石力學參數模型，然后應用待鉆目標井的層速度資料進行巖石力學參數的確定工作，此時巖石力學參數的結果也不再是單一的數值，而是具有分布形式的范圍；（4）將求出的帶有概率分布信息的各個巖石力學參數和構造應力系數代入地層坍塌及破裂壓力的計算公式中，即可計算出含可信度的地層坍塌及破裂壓力。具體計算流程見圖2。

圖2　含可信度地層破裂和坍塌壓力鉆前求取流程Fig.2 Work flow of calculating fracturing and collapsing pressure with credibility before drilling

通過上述步驟，計算出地層坍塌及破裂壓力值的范圍，這樣得出的坍塌及破裂壓力就不再是單一的曲線，而是一個具有分布形式的范圍，最終得出了具有可信度信息的坍塌及破裂壓力剖面，這點與上述含可信度地層孔隙壓力剖面的確立方法類似。

選取青海油田牛東區塊5口已鉆井（牛1井、牛2井、牛101井、牛1-2-10井、牛102井）進行實例分析，5口井井型均為直井。其中，假設牛102井為待鉆目標井，其余4口井為具有相似構造的已鉆井。根據上述方法，求取待鉆目標井含可信度的地層壓力剖面，并考慮井身結構設計系數后得到待鉆目標井含可信度的壓力約束條件，見圖3。

圖3　待鉆目標井壓力約束條件及其不確定性區間Fig.3 Pressure constraints and extent of pressure uncertainty in the target well

2　鉆井工程風險預測與評價方法Prediction and assessment methods of drilling risks

以安全鉆井液密度設計約束條件為依據，筆者將套管層次及下深的風險主要分為井涌、鉆進過程中井漏、井壁坍塌、壓差卡鉆四大類。文中所論述的鉆井工程風險種類，主要以地層三壓力剖面和安全鉆井液密度約束條件為基礎，且造成風險的主要原因也是安全鉆井液密度約束條件沒有得到滿足。對于特殊地層和其他原因引發的上述或其他復雜情況，在套管層次及下深設計時，應根據具體層段特殊對待，確立地質必封點，做好備用方案的制定，減少鉆井過程中井下復雜情況的發生。

定義了4種鉆井工程風險的評價模型，見表1。

表1　四種鉆井工程風險模型Table 1 Model of four drilling risks

表中，Rk，h、Rl，h、Rc，h、Rsk，h分別表示井深h處井涌、井漏、井壁坍塌和壓差卡鉆風險概率值； ρk，h、ρl，h、ρc1，h、ρc2，h、ρsk，h分別表示井深h處防井涌鉆井液密度下限值、防井漏鉆井液密度上限值、防井壁坍塌鉆井液密度上下限值、防壓差卡鉆鉆井液密度下限值；ρd，h表示井深h處鉆井液密度。

以井涌風險為例進行說明，某一深度h處的井涌風險值即為鉆進時的鉆井液密度ρd小于此深度處防井涌鉆井液密度下限值的概率值pk，h（ρd＜ρk，h），根據概率基礎理論，如圖4所示，pk，h（ρ）為防井涌鉆井液密度下限值的概率密度分布函數，因此鉆井液密度小于防井涌鉆井液密度下限值的概率P（ρd＜ρk，h）即為圖4中陰影部分的面積，其值即為1-Fρkh（ρd），其中Fρkh（ρd）為防井涌鉆井液密度下限值的累積概率分布函數，Fρkh（ρ）即為防井涌鉆井液密度下限值ρk，h等于鉆進時鉆井液密度ρd的累積概率。其他風險模型的概率基礎理論與井涌風險相同。

圖4　防井涌鉆井液密度下限值的概率密度和累計概率密度分布函數Fig.4 Probability density and cumulative probability density function of lower limits of kick-proof drilling fluid density

根據上述風險評價模型，可以對待鉆目標井任意一套井身結構設計方案進行風險評價，計算出幾種常見井下事故在整個井眼深度的風險分布及概率值。

以待鉆目標井牛102井為實例，進行風險評價分析。表2為待鉆目標井的井身結構設計方案，對目標井井史資料進行分析，整理得到鉆井過程中實際發生的井下復雜與事故，見表3。

表2　目標井井井身結構設計方案Table 2 Borehole structure design of the target well

表3　目標井實際井下復雜與事故Table 3 Actual downhole complications and incidents of the target well

利用鉆井工程風險評價方法對井身結構方案進行了風險分析，結果見圖5所示。由圖可以看出：通過風險評價與程度判別分析，井下風險類型主要是井涌和井壁坍塌；其中，井涌風險的發生層段位于1 100～1 200 m和1 800～2 000 m；井壁坍塌風險的發生層段位于1 800～2 000 m。對比該井現場實際的鉆井工程風險（見表3），鉆井工程風險預測與實際井下復雜與事故基本吻合。通過鉆井工程風險預測可以看出，待鉆目標井的井身結構設計方案不能保障鉆井安全施工，需要對井身結構設計方案進行進一步優化調整。

圖5　鉆井工程風險預測結果Fig.5 Predicted drilling risks

3　實例分析Case study

井身結構對鉆井工程風險的影響包括2個方面：鉆井液密度和套管層次及下深。首先，假設不改變井身結構的套管層次及下深，通過改變鉆井液密度來規避鉆井工程風險。

通過圖5鉆井工程風險預測結果可以看出：二開井涌風險較高，1 100～1 200 m井段處井涌風險概率最高達到98%；分析其風險產生原因，主要是由于該井段處鉆井液密度小于防井涌密度下限，因此應該提高鉆井液密度。據此，將規避方案定為：二開鉆井液密度控制在1.5 g/cm3左右。對調整的井身結構方案進行風險分析，結果見圖6，可以看出：1100～1 200 m井段處井涌風險得到很好地規避，但是在1 800 ～2 000 m井段處，同時出現了井涌和井壁坍塌風險，其中井涌風險的最大發生概率為100%，井壁坍塌風險的最大發生概率為80%。通過進一步分析井下致險機理，得到主要原因為鉆井液密度過低，無法起到平衡井內壓力與支撐井壁的作用，規避這兩類風險的措施大體相同。由于所處井段相同，可以采取同一調整方案進行規避。為了規避這兩處風險，將三開鉆井液密度調整至1.6 g/cm3，鉆井液密度調整后的風險評價結果見圖7。

圖6　井身結構調整方案及鉆井工程風險預測結果（二開鉆井液密度為1.5g/cm）Fig.6 Borehole structure modification and predicted drilling risks （with drilling fluid density of 1.5 g/cm3at the second spud-in）

圖7　井身結構調整方案及鉆井工程風險預測結果（三開鉆井液密度為1.6 g/cm3）Fig.7 Borehole structure modification and predicted drilling risks （with a drilling fluid density of 1.6 g/cm3at the third spud-in）

綜合圖6、圖7風險評價結果，可以得出：通過調整二開鉆井液密度，很好地規避了1 100～1 200 m井段處井涌風險的發生；通過調整三開鉆井液密度，1 800～2 000 m井段處的井涌風險與井壁坍塌風險已經規避，但是由于提高了鉆井液密度，2 100 ～2 500 m井段處又出現了壓差卡鉆風險，并且風險層段較長。綜上所述，對于待鉆目標井牛102井，只通過調整鉆井液密度而不改變套管層次及下深，不能有效地規避鉆井工程風險。

以上風險分析結果表明，需通過改變套管層次及下深來規避鉆井工程風險。基于含可信度的井身結構設計方法［12］和風險最小化的原則，對待鉆目標井牛102井進行井身結構優化設計，方案見表4。

表4　待鉆目標井井身結構推薦優化方案Table 4 Recommended design optimization for borehole structure of the target well

將技術套管下深由1 798 m增至2 000 m，并將二開鉆井液密度調至1.6 g/cm3，保證2 000 m左右窄安全鉆井液密度窗口井段的安全鉆進。同時，對推薦方案進行風險評價，結果見圖8。

圖8　待鉆目標井井身結構優化推薦方案及鉆井工程風險預測結果Fig.8 Recommended design optimization for borehole structure of the target well and predicted drilling risks

通過風險分析可以看出，推薦方案對應的鉆井工程風險評價結果顯示，該井在鉆進過程井涌、井漏、井壁坍塌及壓差卡鉆風險發生的概率均幾乎為零。說明該套方案將鉆井工程風險發生的可能性控制在最低程度，能夠滿足安全鉆井要求。

總結基于鉆前風險預測的井身結構優化方法，具體流程見圖9。

4　結論Conclusions

（1）根據鉆井風險定量評價方法，建立了一口井全井段的鉆井風險概率曲線，從中可以得到漏、噴、塌、卡等工程風險發生的井深位置和風險大小；與實際鉆進過程中發生的井下復雜情況相對比，二者具有較好的吻合度。

（2）將鉆前風險預測與井身結構優化相結合，提出了基于鉆前風險預測的井身結構優化方法，為鉆井施工中合理規避工程風險、調整施工方案、安全快速鉆井提供了科學的依據，可有效地降低工程風險事故發生的概率和頻度，縮短建井周期，對于安全、高效鉆井施工具有重要意義。

（3）相似構造井的選擇是鉆前準確預測待鉆目標井壓力剖面的基礎，鄰井地層壓力資料、鄰井空間位置、目標區域空間連續性是影響相似構造井選取的關鍵因素。對于存在斷層或者地質構造比較復雜的地區，需要充分掌握地質構造特性，并借助地震資料分構造、分區塊地進行相似構造井的選擇，盡可能得到較為準確的待鉆井的壓力信息。

圖9　基于鉆前風險預測的井身結構優化方法流程圖Fig.9 Flow of borehole structure optimization based on pre-drill risk assessment

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（修改稿收到日期 2016-06-30）

〔編輯 薛改珍〕

Borehole structure optimization based on pre-drill risk assessment

SHENG Yanan1， GUAN Zhichuan1， ZHANG Guohui2， YE Lang1， LIU Shujie3， FENG Hengzhi3
1. College of Petroleum Engineering， China University of Petroleum， Qingdao， Shandong 266580， China；2. Engineering Institute， Research Institute of Petroleum Exploration and Development， Beijing 100083， China；3. CNOOC Research Institute， Beijing 100010， China

Borehole structure design based on pre-drill risk assessment and considering risks related to drilling operation is the precondition for safe and smooth drilling operation. Major risks related to drilling operation include lost circulation， blowout， sidewall collapsing， sticking and failure of drilling tools etc. In the study， data from neighboring wells was used to calculate the profile of formation pressure with credibility in the target well， then the borehole structure design for the target well was assessed by using the drilling risk assessment to predict engineering risks before the start of drilling， finally， the prediction results were used to optimize borehole structure design to prevent such drilling risks. The newly-developed technique provides a scientific basis for lowering probability and frequency of drilling engineering risks， and shortening time required to drill a well， which is of great significance for safe and high-efficient drilling.

borehole structure optimization； drilling risk； credibility； pressure uncertainty

TE21

A

1000 - 7393（ 2016 ） 04- 0415- 07

10.13639/j.odpt.2016.04.002

SHENG Yanan， GUAN Zhichuan， ZHANG Guohui， YE Lang， LIU Shujie， FENG Hengzhi. Borehole structure optimization based on pre-drill risk assessment［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2016， 38（4）: 415-421.

國家科技重大專項課題“西部山前復雜地層安全快速鉆完井技術”（編號：2011ZX05021-001）；中海石油（中國）有限公司科研項目“海外BD高溫高壓高含硫氣田水平井鉆完井關鍵技術研究”（編號：YXKY-2015-ZY-12）。

勝亞楠（1989-），中國石油大學（華東）油氣井工程在讀博士生，主要從事鉆井工程風險評價，井身結構優化設計和油氣井井下信息控制等方面的研究工作。通訊地址：（266580）山東省青島市黃島區長江西路66號，中國石油大學（華東）石油工程學院。電話：18765269210。 E-mail：shengyanan_upc@163.com