鉆井?dāng)?shù)據(jù)分析的金字塔模型

田 銳

（中國(guó)石油西部鉆探國(guó)際鉆井公司，新疆烏魯木齊830000）

1 概述

目前用于分析的鉆井?dāng)?shù)據(jù)來(lái)自基地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)或鉆井現(xiàn)場(chǎng)，這2種不同來(lái)源的數(shù)據(jù)需要不同的工具以及鉆井?dāng)?shù)據(jù)分析方法。為了使用這些方法引進(jìn)了許多概念和理論，雖然這些概念和理論擴(kuò)充了鉆井知識(shí)，然而缺乏統(tǒng)一的框架來(lái)分析鉆井?dāng)?shù)據(jù)。因而，用當(dāng)前的知識(shí)構(gòu)架一種用于鉆井?dāng)?shù)據(jù)分析的金字塔模型是一個(gè)有效的分析鉆井?dāng)?shù)據(jù)的方法。本文主要論述這個(gè)模型的構(gòu)成部分，把現(xiàn)有的分析鉆井?dāng)?shù)據(jù)的方法分配到金字塔的各個(gè)部分，可以使鉆井?dāng)?shù)據(jù)分析明確化。成為一個(gè)積累特定區(qū)塊的鉆井知識(shí)的便捷模式。隨著對(duì)鉆井?dāng)?shù)據(jù)的使用需求的增加，鉆井?dāng)?shù)據(jù)分析模型的內(nèi)涵也會(huì)不斷地加深。

鉆井工程的決策問(wèn)題基本上屬于非結(jié)構(gòu)化和半結(jié)構(gòu)化問(wèn)題，決策過(guò)程和決策方法沒(méi)有規(guī)律可循或有一定規(guī)律可循，但又不能完全確定[1]。把當(dāng)前的經(jīng)驗(yàn)、工具和理論放在金字塔的相應(yīng)部分，可以用結(jié)構(gòu)性的方法分析整個(gè)過(guò)程，這樣有助于做出正確的決策。

2 鉆井?dāng)?shù)據(jù)分析金字塔模型

圖1描述了一個(gè)特定區(qū)塊鉆井知識(shí)的組成部分。這些知識(shí)記述了鉆井工程師的具體工作，可以幫助鉆井工程師實(shí)現(xiàn)具體鉆井目標(biāo)（如井眼軌跡控制）。鉆井工程知識(shí)是鉆井?dāng)?shù)據(jù)分析模型的靈魂，而這些知識(shí)可以用金字塔結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)架。

圖1 石油鉆井工程知識(shí)構(gòu)成[2]

金字塔結(jié)構(gòu)的模型如圖2所示。由圖2可知，金字塔的各層的上面一層決定相鄰的下面一層，最后鉆井?dāng)?shù)據(jù)分析工具使用所得的數(shù)據(jù)又影響上面各層，反饋箭頭越往上，這個(gè)模型對(duì)分析的結(jié)果影響越大。

這個(gè)框架提供了一個(gè)方便的模式去構(gòu)架鉆井知識(shí)、分析工具及系統(tǒng)，便于在油田做鉆井?dāng)?shù)據(jù)分析。

3 金字塔模型各組成部分

3.1 鉆井?dāng)?shù)據(jù)分析工具的使用

鉆井工程師使用分析工具來(lái)分析鉆井現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)、基地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)等鉆井信息以便提高鉆井能力，所分析的鉆井?dāng)?shù)據(jù)可分為歷史鉆井?dāng)?shù)據(jù)和實(shí)時(shí)鉆井?dāng)?shù)據(jù)。通過(guò)分析歷史鉆井?dāng)?shù)據(jù)可以預(yù)測(cè)以后鉆井過(guò)程中可能遇到的問(wèn)題。但大多數(shù)情況下現(xiàn)場(chǎng)收集鉆井?dāng)?shù)據(jù)時(shí)沒(méi)有考慮質(zhì)量，也沒(méi)有明確考慮日后用于數(shù)據(jù)分析及其他用途[4]。一個(gè)SPE工作組做過(guò)如何使用現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的研究[5]，他們強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化，保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量以便用于輔助決策。這樣，在鉆井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)當(dāng)有一個(gè)質(zhì)量保證系統(tǒng)以確保所收集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。實(shí)時(shí)鉆井?dāng)?shù)據(jù)主要用于實(shí)時(shí)優(yōu)化井眼軌跡和地質(zhì)模型，以便實(shí)時(shí)優(yōu)化鉆井進(jìn)程。

圖2 金字塔結(jié)構(gòu)模型[3]

3.2 鉆井?dāng)?shù)據(jù)分析所用的工具

鉆井?dāng)?shù)據(jù)分析使用計(jì)算或測(cè)量工具分析歷史鉆井?dāng)?shù)據(jù)或?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)。分析歷史數(shù)據(jù)的工程軟件包已經(jīng)得到開(kāi)發(fā)和使用，然而實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析主要依賴于現(xiàn)場(chǎng)控制中心的工作人員綜合現(xiàn)場(chǎng)鉆井資料以及測(cè)井資料等來(lái)分析鉆井?dāng)?shù)據(jù)。

鉆井?dāng)?shù)據(jù)分析工具和軟件用于解決鉆井的難點(diǎn)。這些工具需要盡量多的數(shù)據(jù)以便用于數(shù)據(jù)分析。然而，由于鉆井?dāng)?shù)據(jù)的質(zhì)量參差不齊，需要改進(jìn)數(shù)據(jù)的傳輸方式以保證數(shù)據(jù)安全和保密。在井場(chǎng)，應(yīng)加強(qiáng)鉆井?dāng)?shù)據(jù)的收集和處理工作，包括傳感器的設(shè)計(jì)、校對(duì)及輸出裝置。要使用現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，主要依靠工具或軟件的發(fā)展，比如虛擬網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)顯示及提升硬件設(shè)施來(lái)收集和處理大量的數(shù)據(jù)。

3.3 鉆井?dāng)?shù)據(jù)分析的方法

分析方法可使理論具有可操作性。分析鉆井?dāng)?shù)據(jù)的方法有成本和時(shí)間表現(xiàn)方法、具體表現(xiàn)方法以及質(zhì)量表現(xiàn)方法。

成本、時(shí)間表現(xiàn)方法：這些方法用于鉆井過(guò)程的整體評(píng)價(jià)，其目的是優(yōu)化鉆井時(shí)間，從而減少建井成本。如：

（1）鉆井表現(xiàn)曲線，它是吸收了學(xué)習(xí)曲線理論而引入的一種方法。它吸收鄰井經(jīng)驗(yàn)并用一個(gè)數(shù)學(xué)模型來(lái)規(guī)范化，模型的系數(shù)用來(lái)衡量鉆井難度，學(xué)習(xí)能力，以及執(zhí)行情況。

（2）技術(shù)極限用來(lái)“描述在給定的參數(shù)下的最佳鉆井狀態(tài)”[6]。這種方法的核心是建立一個(gè)在當(dāng)前技術(shù)條件下的最佳狀況的理論井。理論井的各部分施工都由各自領(lǐng)域的專家來(lái)決策，這個(gè)專家意見(jiàn)可以量化“可節(jié)省的時(shí)間”。這樣在鉆下一口井時(shí)可確定達(dá)到技術(shù)極限的目標(biāo)。

（3）最佳復(fù)合時(shí)間。它把鉆井過(guò)程按照時(shí)間順序分為安裝設(shè)備、裝鉆頭、起下鉆以及鉆進(jìn)過(guò)程及其他過(guò)程。通過(guò)對(duì)比鉆井?dāng)?shù)據(jù)，這種方法尋求每個(gè)過(guò)程的最優(yōu)時(shí)間。所有過(guò)程的最優(yōu)時(shí)間的總和為最佳復(fù)合時(shí)間。

（4）完善井分析法是利用一個(gè)數(shù)據(jù)叫做PW時(shí)間（perfect well），這個(gè)時(shí)間是完成鉆井某項(xiàng)工序的最短時(shí)間。用這個(gè)時(shí)間除以真實(shí)鉆井時(shí)間得到一個(gè)無(wú)因次參數(shù)叫做PW比率。這個(gè)參數(shù)以統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比不同條件下的施工時(shí)間。

具體表現(xiàn)方法：它用來(lái)評(píng)價(jià)具體的鉆井工況或工具。這些評(píng)價(jià)方法引入了一些新術(shù)語(yǔ)。例如：

（1）鉆井指數(shù)用來(lái)評(píng)價(jià)鉆頭性能。它分析4個(gè)無(wú)因次參數(shù)，將所得數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)鉆頭(鉆頭指數(shù)等于1)作對(duì)比。這種方法依靠對(duì)巖石力學(xué)性能和地層特性評(píng)價(jià)以及基準(zhǔn)鉆頭信息的準(zhǔn)確性。另外，也可通過(guò)鉆頭成本和鉆井指數(shù)確定鉆頭的經(jīng)濟(jì)指數(shù)。

（2）PDC鉆頭的選型。其選型應(yīng)盡量與所鉆地層搭配。這種方法需要用地層參數(shù)如孔隙度、聲波時(shí)差及其他參數(shù)評(píng)價(jià)地層特性。由這些特性及PDC鉆頭的外形特征確定理想鉆頭的切削齒的數(shù)量和大小，然后把理想鉆頭和市場(chǎng)上現(xiàn)有的鉆頭特征做對(duì)比，提出推薦鉆頭選型。當(dāng)所有的推薦鉆頭由設(shè)計(jì)指數(shù)分級(jí)后，由性能指數(shù)和經(jīng)濟(jì)指數(shù)確定最終的鉆頭選型。

（3）定向井鉆井難度指數(shù)用來(lái)評(píng)價(jià)鉆定向井的相對(duì)難度。它用一系列用于表征定向井鉆井難度的參數(shù)來(lái)衡量（這些參數(shù)的大小使用“問(wèn)答法”來(lái)確定），使用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析這些鉆井?dāng)?shù)據(jù)。這個(gè)指數(shù)可以幫助使用者估計(jì)鉆難度相當(dāng)?shù)亩ㄏ蚓你@井難度。

質(zhì)量表現(xiàn)方法：這種方法旨在尋找一種手段來(lái)整合不同的分析方法，這種方法可以用于風(fēng)險(xiǎn)分析。比如：

（1）井眼質(zhì)量是一種綜合了解儲(chǔ)層損害、鉆井相互影響以及井眼穩(wěn)定性等因素的方法。可以用計(jì)算機(jī)程序來(lái)估計(jì)井眼質(zhì)量，主要是關(guān)于鉆完井的條件、潛在風(fēng)險(xiǎn)以及影響井眼質(zhì)量的其他因素等方面，使用井眼數(shù)據(jù)、鉆井經(jīng)驗(yàn)、概率網(wǎng)絡(luò)以及專家知識(shí)等來(lái)預(yù)測(cè)井眼質(zhì)量。估測(cè)值可以幫助設(shè)定鉆井參數(shù)，從而提高鉆井質(zhì)量。

（2）因果模型用來(lái)估計(jì)事故復(fù)雜發(fā)生的原因。它結(jié)合了風(fēng)險(xiǎn)管理理論和原因/事件分析方法。這種方法旨在尋找事故發(fā)生的系統(tǒng)、人員等因素。

3.4 鉆井?dāng)?shù)據(jù)分析的理論

鉆井?dāng)?shù)據(jù)分析的理論都是借用其它領(lǐng)域的理論或概念，比如來(lái)自制造行業(yè)的學(xué)習(xí)曲線理論或來(lái)自石油相關(guān)領(lǐng)域的理論或概念；使用概率或統(tǒng)計(jì)學(xué)理論來(lái)評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)；用“問(wèn)答法”來(lái)吸取專家知識(shí)；以及新興的人工智能理論，比如知識(shí)系統(tǒng)、機(jī)械學(xué)習(xí)法或?qū)嵗到y(tǒng)等。使用這些理論可以評(píng)估鉆井時(shí)間、代價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)等的影響因素。

這些理論主要分析歷史鉆井?dāng)?shù)據(jù)，而對(duì)實(shí)時(shí)鉆井?dāng)?shù)據(jù)的分析卻不多，主要是由于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析意味著實(shí)時(shí)操作。然而，大量的數(shù)據(jù)收集儲(chǔ)存后就成了歷史數(shù)據(jù)。從這些數(shù)據(jù)中找到有用信息需要怎樣分析以及哪些理論？這個(gè)似乎很難把握，也取決于鉆井?dāng)?shù)據(jù)分析的目的和原則。

3.5 鉆井?dāng)?shù)據(jù)分析的觀點(diǎn)

任何模型都是基于特定的目的和原則指導(dǎo)實(shí)踐，這是金字塔結(jié)構(gòu)中的各個(gè)階段的基礎(chǔ)。鉆井?dāng)?shù)據(jù)分析模型的目的是在鉆井設(shè)計(jì)或鉆井施工過(guò)程中輔助決策，提供一個(gè)系統(tǒng)的分析鉆井信息的方法。目前鉆井?dāng)?shù)據(jù)分析時(shí)鉆井?dāng)?shù)據(jù)的使用有2個(gè)方面。第一個(gè)方面是只分析基地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中的歷史數(shù)據(jù)。這種情況下假設(shè)歷史鉆井?dāng)?shù)據(jù)是可靠的，可以用來(lái)進(jìn)行鉆井后分析的目的。相反，第二個(gè)方面致力于分析實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。這種情況下假設(shè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確的。

4 具體應(yīng)用

山前高陡構(gòu)造防斜打快是一直困擾著鉆井工程技術(shù)人員的難題。山前構(gòu)造帶具有地層傾角大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、極易發(fā)生井斜的特點(diǎn)，造成鉆井周期長(zhǎng)，勘探成本高，直接影響了勘探開(kāi)發(fā)的速度和進(jìn)展。使用金字塔結(jié)構(gòu)來(lái)分析山前構(gòu)造鉆井的歷史和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，用結(jié)構(gòu)性的方法可以更好地利用和積累山前構(gòu)造防斜打快鉆井知識(shí)，從而輔助鉆井設(shè)計(jì)和實(shí)時(shí)決策，提高山前構(gòu)造鉆井能力。本文以偏軸鉆具防斜打快為例來(lái)具體說(shuō)明。

觀點(diǎn)：這代表這個(gè)模型的目的和原則。防斜打快的目的是在充分認(rèn)識(shí)地層等諸種因素的影響規(guī)律的基礎(chǔ)上，試圖采取合理的措施（如優(yōu)選底部鉆具組合與操作參數(shù)），阻止或糾正鉆頭過(guò)大偏離垂直方向（重力方向），將實(shí)鉆井眼軌跡有效地控制在可允許的井斜和井眼曲率范圍內(nèi)，并且不犧牲鉆壓，能夠快速鉆井。然而，防斜打快的原則是變化的。比如偏軸鉆具防斜打快技術(shù)，克服了常規(guī)防斜鉆具防斜效果差、鉆速低的缺點(diǎn)[7]，它改變了傳統(tǒng)的防斜觀念與方法，建立了高陡構(gòu)造條件下全新的防斜打快鉆井模式?；谛碌姆佬贝蚩斓脑瓌t，這需要相應(yīng)的調(diào)整鉆井設(shè)計(jì)。這個(gè)技術(shù)又需要新的理論來(lái)支撐。

理論：這是防斜打快技術(shù)的最主要的方面，這里面包括大量的理論和術(shù)語(yǔ)，并且需要對(duì)物理現(xiàn)象的詳細(xì)了解。偏軸鉆具防斜打快技術(shù)需要對(duì)偏軸接頭進(jìn)行力學(xué)強(qiáng)度理論分析以便用于具體操作方法的實(shí)施。比如運(yùn)用縱橫彎曲連續(xù)梁理論和達(dá)朗伯原理，建立偏軸鐘擺鉆具組合動(dòng)力學(xué)分析模型，來(lái)評(píng)價(jià)鉆具組合的防斜（糾斜）能力和偏軸接頭附近的偏磨程度[8]。

方法：這包括一些有條理的步驟，這些步驟可使理論具有可操作性。為了實(shí)施偏軸鉆具防斜打快技術(shù)，鉆井工程師需要了解并掌握偏軸鉆具防斜打快的方法，以便達(dá)到防斜打快的目標(biāo)。比如如何在特定的井眼和地質(zhì)環(huán)境下使用這個(gè)技術(shù)、使用效果分析、偏軸距的確定、鉆井參數(shù)的確定等。通過(guò)鉆井表現(xiàn)曲線吸收臨井偏軸鉆具防斜打快的經(jīng)驗(yàn)，確定數(shù)學(xué)模型的系數(shù)，來(lái)衡量防斜打直鉆井難度、學(xué)習(xí)能力等。而這些步驟需要相應(yīng)的分析工具。

工具：這是用于偏軸鉆具防斜打快的手工或電腦計(jì)算系統(tǒng)。有些非常簡(jiǎn)單，如一些數(shù)據(jù)表或分析表；有些卻非常復(fù)雜或很費(fèi)時(shí)，比如通過(guò)有限元軟件分析，對(duì)帶偏軸接頭的下部鉆具組合的鉆頭側(cè)向力隨時(shí)間變化的趨勢(shì)和鉆具任意截面的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行全面的動(dòng)態(tài)仿真研究，確定為達(dá)到好的防斜效果所需的鉆具結(jié)構(gòu)參數(shù)（偏軸距）和鉆井參數(shù)（鉆壓、轉(zhuǎn)速）[9]。采用非線性動(dòng)力有限元法和威爾遜-θ法進(jìn)行偏軸組合的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算，用動(dòng)態(tài)規(guī)劃進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并開(kāi)發(fā)專用設(shè)計(jì)計(jì)算軟件，能計(jì)算任一時(shí)刻偏軸組合的位移、速度、加速度等參數(shù)[10]。不管怎樣，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的總量和質(zhì)量對(duì)分析結(jié)果的質(zhì)量有重要影響，而分析結(jié)果的質(zhì)量可以輔助鉆井設(shè)計(jì)及實(shí)時(shí)決策。

工具的使用：通過(guò)工具使用所得的數(shù)據(jù)可以積累鉆井經(jīng)驗(yàn)，某項(xiàng)技術(shù)在特定區(qū)塊的應(yīng)用范圍得以驗(yàn)證后，可以加快該技術(shù)的不斷完善。比如，通過(guò)對(duì)偏軸鉆具防斜打快技術(shù)在塔里木山前構(gòu)造的使用的結(jié)果分析，可以重新考慮使用的工具、方法、理論及其使用的原則和假設(shè)等是否符合這個(gè)區(qū)塊。這樣，通過(guò)這個(gè)反饋機(jī)制可以加快該技術(shù)在山前構(gòu)造具體區(qū)塊應(yīng)用的成熟。

5 總結(jié)與建議

5.1 結(jié)論

本文在論述了一種鉆井?dāng)?shù)據(jù)分析的模型，把鉆井知識(shí)、工具等分配到這個(gè)金字塔模型里面，可以用結(jié)構(gòu)性的方法分析整個(gè)過(guò)程，用于輔助決策。雖然鉆井?dāng)?shù)據(jù)分析是一個(gè)新事物，但它的發(fā)展所得的利益將會(huì)使其得到更多人的支持。同時(shí)鉆井技術(shù)發(fā)展很快，目前的鉆井?dāng)?shù)據(jù)分析方法可能不能完全滿足以后的需求。它需要隨著環(huán)境的變化而不斷發(fā)展。

5.2 建議

（1）明確鉆井?dāng)?shù)據(jù)的使用范圍，這樣有助于正確選擇分析的工具、方法及理論，同時(shí)有助于收集有用的信息。

（2）鉆井?dāng)?shù)據(jù)分析工具主要用于分析歷史數(shù)據(jù)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的及時(shí)利用。

（3）需要不斷研究出新的理論和方法以分析大量的鉆井?dāng)?shù)據(jù)。

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