淺談鉆前設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)的理論與實(shí)踐

劉明艷 劉永杰 羅康健

紅有軟件股份有限公司 新疆 克拉瑪依 834000

鉆井優(yōu)化是科學(xué)鉆井的重要標(biāo)志之一，它是應(yīng)用最優(yōu)化理論和技術(shù)尋求使鉆井速度最快、鉆井成本最低的鉆井參數(shù)、工具、工藝、技術(shù)、措施等[1]。對(duì)一口井全過(guò)程進(jìn)行最優(yōu)化處理，稱為全局最優(yōu)化；對(duì)一口井的某一過(guò)程進(jìn)行最優(yōu)化處理，稱為局部最優(yōu)化；對(duì)鉆井過(guò)程的某些參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化處理，稱為鉆參優(yōu)化。鉆參優(yōu)化是應(yīng)用優(yōu)化理論分析影響鉆井速度的因素，建立鉆速方程，鉆頭磨損方程，鉆井成本方程（目標(biāo)函數(shù)），在此基礎(chǔ)上確定相應(yīng)的約束條件，用最優(yōu)化方法確定達(dá)到最優(yōu)化目標(biāo)的解向量，即最優(yōu)化鉆井參數(shù)和技術(shù)措施。

1 鉆井優(yōu)化的主要目的

鉆井優(yōu)化的主要目的是在極值條件和約束條件，最優(yōu)化數(shù)學(xué)方法，求解鉆井成本最低的一組最優(yōu)鉆壓、轉(zhuǎn)速和鉆頭磨損量[2]。以尋求鉆井速度最快、鉆井成本最低的鉆井參數(shù)、工具、工藝、技術(shù)、措施，以最低的成本鉆出高質(zhì)量的井眼。（1）降低生產(chǎn)時(shí)間（提高機(jī)速、提高趟鉆進(jìn)尺、提高油層鉆遇率、優(yōu)選工具、優(yōu)化工藝、優(yōu)化技術(shù)措施等）；（2）降低非生產(chǎn)時(shí)間（降低井下復(fù)雜事故損失時(shí)間、降低設(shè)備工具維修時(shí)間）；（3）控制生產(chǎn)成本（優(yōu)選設(shè)備及工具、泥漿體系、優(yōu)化工藝流程、縮短生產(chǎn)/非生產(chǎn)時(shí)間等）。

2 鉆井優(yōu)化分析的特點(diǎn)

（1）鉆井優(yōu)化分析的特點(diǎn)就是通過(guò)建立若干數(shù)學(xué)理論模型，包括修正楊格鉆速方程、改進(jìn)的修正楊格鉆速方程、計(jì)算機(jī)仿真方法、修正的軟桿模型、水力載荷模型、井筒清潔模型、環(huán)空返速模型等，或把經(jīng)驗(yàn)、測(cè)量與理論計(jì)算結(jié)合起來(lái)，反映鉆井中的客觀規(guī)律，及尋找最優(yōu)鉆井參數(shù)和工藝技術(shù)。

（2）利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，通過(guò)軟件算法理論模擬計(jì)算+數(shù)據(jù)分析模型+機(jī)器學(xué)習(xí)（理論+實(shí)踐+智能專家），實(shí)現(xiàn)單位進(jìn)尺成本最低。對(duì)鉆井大數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，建立貝葉斯、聚類分析、標(biāo)準(zhǔn)差、EMA指數(shù)波動(dòng)平均值、箱線圖等數(shù)據(jù)分析模型，優(yōu)化最優(yōu)機(jī)速、最低機(jī)械比能鉆井參數(shù)、工具、鉆具組合，及監(jiān)測(cè)井下風(fēng)險(xiǎn)等。形成“鉆前設(shè)計(jì)優(yōu)化、鉆中實(shí)時(shí)優(yōu)化分析、鉆后單井分析及區(qū)塊分析”的鉆井持續(xù)優(yōu)化閉[3]。

3 鉆井優(yōu)化分析分類

（1）按照鉆井過(guò)程環(huán)節(jié)分類，包括鉆前設(shè)計(jì)優(yōu)化、鉆中實(shí)時(shí)優(yōu)化、鉆后單井分析優(yōu)化；按照鉆井主要技術(shù)方向分類力學(xué)載荷分析優(yōu)化水力載荷分析優(yōu)化井眼清潔分析優(yōu)化鉆井參數(shù)分析優(yōu)化[4]。

（2）鉆井優(yōu)化分析具體內(nèi)容有地質(zhì)構(gòu)造分析、地質(zhì)力學(xué)分析、地質(zhì)分層及巖性分析、巖石力學(xué)分析等；隨鉆測(cè)井分析、可鉆性指數(shù)（DC指數(shù)）分析、工具震動(dòng)分析、關(guān)鍵指標(biāo)（KPI）分析、非作業(yè)時(shí)間（NPT）分析、鉆井工具分析、技術(shù)指標(biāo)分析、鉆井液分析、復(fù)雜事故分析等；摩阻扭矩、鉆井液的當(dāng)量循環(huán)密度（ECD）、立壓、鉆柱屈曲、最大鉆壓、井眼清潔循環(huán)時(shí)間、井眼清潔、鉆井參數(shù)、鉆具組合、鉆井液性能、井身結(jié)構(gòu)、井眼軌跡、鉆頭選型、下套管分析優(yōu)化、固井技術(shù)優(yōu)化、工藝技術(shù)優(yōu)化等。

3.1 鉆井設(shè)計(jì)優(yōu)化

只有做好了鉆井工程設(shè)計(jì)工作，才能夠保障組織生產(chǎn)、技術(shù)協(xié)作以及單井預(yù)算、決算等工作的順利開(kāi)展。同時(shí)，油氣井的安全性能、使用壽命以及生產(chǎn)成本等也都深受鉆井工程設(shè)計(jì)的影響。鉆井工程設(shè)計(jì)優(yōu)化的主要內(nèi)容之一是井身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化。井身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化不但關(guān)系著鉆井工程的施工安全性，更關(guān)系著鉆井效益。只有對(duì)井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，才能夠多避免及減少在鉆井施工過(guò)程中出現(xiàn)漏、噴、塌、卡等問(wèn)題，從而保證鉆井作業(yè)的順利完成及盡可能地減少鉆井成本。

3.2 地質(zhì)分析

（1）所需資料搜集：地質(zhì)分析（區(qū)域構(gòu)造分析、地質(zhì)分層及巖性、巖石力學(xué)分析、地質(zhì)力學(xué)分析）；鄰井分析（鉆井參數(shù)、鉆頭分析、鉆具組合分析、鉆井液性能分析、KPI分析、NPT分析、非必要生產(chǎn)時(shí)間分析、DC指數(shù)等）；優(yōu)化方案（設(shè)備、鉆參、鉆具組合、工具、鉆井液性能、井身結(jié)構(gòu)、井眼軌跡、鉆頭選型、下套管優(yōu)化分析、完井技術(shù)、固井技術(shù)優(yōu)化、重點(diǎn)工藝技術(shù)、時(shí)效管理措施等優(yōu)化）。

（2）目標(biāo)鄰井資料：井史資料包，錄井?dāng)?shù)據(jù)及總結(jié)，地質(zhì)錄井資料及報(bào)告，測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)及解釋報(bào)告，其他各類相關(guān)的技術(shù)或總結(jié)報(bào)告（包括但不限于復(fù)雜事故報(bào)告，地層測(cè)試報(bào)告、中途測(cè)試等）。

（3）地質(zhì)力學(xué)建模所需資料：地質(zhì)設(shè)計(jì)，工程設(shè)計(jì)，目標(biāo)鄰井資料（地質(zhì)力學(xué)建模目標(biāo)井），以及地質(zhì)力學(xué)建模目標(biāo)井的巖心數(shù)據(jù)（巖石力學(xué)參數(shù)，密度）、地層壓力、試油資料、壓裂資料等。

（4）根據(jù)區(qū)塊地理位置圖，井位部署圖進(jìn)行區(qū)域構(gòu)造分析，褶皺（類別：背斜、向斜、鼻狀、單斜；目的：地層傾角、傾向、走向，地層下降、抬升，超覆尖滅、地層壓力分析等），斷層（類別：正斷層、逆斷層、平移斷層；目的研究斷層走向、水平應(yīng)力方向、裂縫、節(jié)理、地層下降、抬升）。

（5）地質(zhì)分層及巖性分析：標(biāo)志層巖性卡層（不整合面、復(fù)雜地層、著陸等），特殊巖性（水敏性、層理、破碎帶、可鉆性、裂縫孔洞）。

（6）巖石力學(xué)分析：巖塊的單軸抗壓強(qiáng)度（UCS）、三軸抗壓強(qiáng)度（CCS）、彈性力學(xué)參數(shù)（楊氏模量、泊松比、剪切模量等）、硬度、研磨性，再進(jìn)行性等分析，目的是機(jī)械比能值（MSE）鉆參優(yōu)化，地質(zhì)力學(xué)建模，可鉆性評(píng)估，鉆頭選型，見(jiàn)表1。

表1 巖石硬度對(duì)應(yīng)表

3.3 地質(zhì)力學(xué)建模及分析

選擇距離近、相似度高的鄰井，使用其電測(cè)數(shù)據(jù)、電測(cè)解釋、地質(zhì)資料、錄井資料、工程資料、壓裂資料、試油資料等；選擇距離近、資料全面的探井，使用其電測(cè)數(shù)據(jù)、電測(cè)解釋、地層壓力測(cè)試、地質(zhì)資料、錄井資料、工程資料、巖心試驗(yàn)資料等）；選擇周?chē)蝗嚯x近同一構(gòu)造或斷塊內(nèi)的鄰井，使用其地質(zhì)錄井資料、工程資料進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)建模。

3.4 鄰井分析

（1）鄰井選擇同一構(gòu)造內(nèi)、距離近、井型類似、開(kāi)發(fā)層位一致的鄰井進(jìn)行周期指標(biāo)分析、機(jī)速、趟鉆進(jìn)尺主控因素分析、鉆井液體系和關(guān)鍵性能指標(biāo)分析、時(shí)效分析、對(duì)井下復(fù)雜事故進(jìn)行專項(xiàng)分析。

（2）周期指標(biāo)分析：分開(kāi)次分井段統(tǒng)計(jì)分析鉆井周期指標(biāo)，中完及完井作業(yè)時(shí)間指標(biāo)，分析指標(biāo)曲線異常及井間指標(biāo)差異背后原因（鉆頭、工具、鉆具組合、鉆參、鉆井液性能、工藝、時(shí)效分析等），作為技術(shù)、工藝優(yōu)化及時(shí)效管控等的重要指導(dǎo)方向。

（3）機(jī)速、趟鉆進(jìn)尺主控因素分析（鉆頭、工具、鉆具組合、鉆參分析等）：同一條件下，分開(kāi)次/分井段，分別對(duì)鉆頭、鉆具組合、鉆參、鉆井液體系性能等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，優(yōu)選出機(jī)速、趟鉆進(jìn)尺指標(biāo)表現(xiàn)優(yōu)異的相關(guān)鉆頭、鉆具組合、工具、鉆參等。

（4）鉆井液體系和關(guān)鍵性能指標(biāo)分析：主要統(tǒng)計(jì)鉆井液體系和關(guān)鍵性能指標(biāo)，與復(fù)雜事故發(fā)生之間概率關(guān)系，作為鉆井液體系和性能優(yōu)化的方向性指導(dǎo)。

（5）時(shí)效分析：尋找共性問(wèn)題，非必要生產(chǎn)時(shí)間，占比較大的非生產(chǎn)時(shí)間類型，包括總時(shí)效分析、生產(chǎn)時(shí)效分析、非生產(chǎn)時(shí)間分析，對(duì)鉆機(jī)修理（檢修泵、頂驅(qū)、循環(huán)系統(tǒng)等）、定向修理（定向儀器故障、檢修更換定向儀器等）、井下復(fù)雜（井壁失穩(wěn)、縮徑、軌跡問(wèn)題、井筒清潔問(wèn)題、井漏、溢流、鉆頭泥包、堵水眼等）、井下事故（粘卡、坍塌卡鉆、砂橋卡住、縮徑卡鉆、鍵槽卡鉆、填井側(cè)鉆、斷鉆具等）全面分析，找出共性問(wèn)題及占比較大的非生產(chǎn)時(shí)間類型，以及背后的原因分析（人員、設(shè)備、工藝、參數(shù)、鉆井液、鉆具組合、鉆頭、工具、組織管理）；非必要生產(chǎn)時(shí)間分析。非必要短期下鉆、非必要通井和組織管理問(wèn)題等。

3.5 優(yōu)化方案

3.5.1 地質(zhì)力學(xué)建模成果分析

壓力系數(shù)、坍塌壓力、漏失壓力描述四壓力曲線分析，當(dāng)量密度安全窗口確定鉆進(jìn)ECD、抽吸ECD。

3.5.2 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)地質(zhì)力學(xué)建模結(jié)果，四壓力曲線，優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)的套管尺寸及套管下深，說(shuō)明套管下入層位原因，及井眼尺寸、套管結(jié)構(gòu)優(yōu)化的原因。

3.5.3 井眼軌跡優(yōu)化

分析井斜方位對(duì)坍塌壓力和漏失壓力影響規(guī)律，優(yōu)化易坍塌井段和易漏失井段的方位和井斜，根據(jù)靶點(diǎn)/防碰等要求，進(jìn)行軌跡優(yōu)化/繞障優(yōu)化段制、造斜點(diǎn)、井斜、方位、狗腿、偏移距等；根據(jù)鉆進(jìn)的摩阻扭矩模擬情況，以及下套管模擬情況，進(jìn)行軌跡優(yōu)化段制、造斜點(diǎn)、狗腿。

3.5.4 分開(kāi)次、分井段鉆井液體系及性能優(yōu)選

分開(kāi)次、分井段，借助中坍塌風(fēng)險(xiǎn)邊界曲線，先確定密度最低值，借助漏失壓力曲線（最小水平主應(yīng)力曲線），求解薄弱點(diǎn)鉆進(jìn)ECD或鉆進(jìn)時(shí)的環(huán)空ECD≤薄弱點(diǎn)漏失壓力，對(duì)應(yīng)的鉆井液密度，取其最小值作為本開(kāi)次最高的鉆井液密度值。

3.5.5 鉆頭優(yōu)選

根據(jù)鄰井鉆頭統(tǒng)計(jì)結(jié)果和巖石抗壓強(qiáng)度、硬度、研磨性，以及巖性特點(diǎn)優(yōu)選鉆頭。優(yōu)選鉆頭。優(yōu)選原則：一般地層，選擇鄰井機(jī)速和趟鉆進(jìn)尺表現(xiàn)好的鉆頭；特殊地層（可鉆性差、機(jī)速和趟鉆進(jìn)尺表現(xiàn)普遍較差的地層），分析巖性特點(diǎn)，根據(jù)巖石硬度、研磨性級(jí)別優(yōu)選鉆頭；探井，可參考井少，分析其地層巖性特點(diǎn)，根據(jù)巖石硬度、研磨性級(jí)別優(yōu)選鉆頭；根據(jù)不同目的，優(yōu)選不同結(jié)構(gòu)類型的鉆頭。

3.5.6 分井段鉆具組合優(yōu)化

一般情況下，優(yōu)先推薦旋導(dǎo)（優(yōu)選Baker/SLB等）或旋導(dǎo)+大扭矩直螺桿，其次為螺桿鉆具組合。鄰井統(tǒng)計(jì)分析，同等條件下，按照軌跡控制目的，優(yōu)選螺桿鉆具組合（直井段防斜，造斜段造斜能力，水平段穩(wěn)斜能力及軌跡控制能力）。根據(jù)提速需要，優(yōu)選特殊工具（旋導(dǎo)、垂鉆工具、振蕩螺桿、水力振蕩器、扭沖工具、近鉆頭方位伽馬電阻率、震擊器等）。提高工具面穩(wěn)定及改善托壓，以緩解鉆柱螺旋屈曲為目的，優(yōu)化鉆具組合及鉆具尺寸，控制ECD為目的，優(yōu)化鉆桿尺寸。

3.5.7 分井段、分地層鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)化

鄰井分析，同等條件下，優(yōu)選機(jī)速、趟鉆進(jìn)尺和軌跡控制表現(xiàn)好的機(jī)械參數(shù)范圍（鉆壓、鉆速）。鉆頭、工具推薦最大參數(shù)范圍內(nèi)，強(qiáng)化機(jī)械參數(shù)和水力參數(shù)（屬于實(shí)時(shí)優(yōu)化，作為設(shè)計(jì)鉆參優(yōu)化里的一個(gè)手段方法），泥巖及研磨性低的地層，做地層機(jī)速敏感性試驗(yàn)，優(yōu)選機(jī)械參數(shù)，砂礫巖，研磨性強(qiáng)的地層，監(jiān)測(cè)分析MSE，優(yōu)選MSE接近CCS的機(jī)械參數(shù)，優(yōu)選水力參數(shù)（排量、鉆頭比水功率），依據(jù)環(huán)空返速初選排量（小斜度及以上井段0.5～1.2m，大斜度及以下井段0.8～1.2m），上部松軟地層及褐色泥巖地層，優(yōu)選比水功率≥2Hp/in2，分析ECD、分析立壓，最終優(yōu)選排量和比水功率。

3.5.8 分開(kāi)次完井作業(yè)優(yōu)化

通井工藝技術(shù)優(yōu)化（倒劃眼起鉆、通井節(jié)點(diǎn)及次數(shù)、通井鉆具組合、扶正器選擇、短起下鉆、井筒清潔循環(huán)時(shí)間、循環(huán)及劃眼參數(shù)等）優(yōu)選下套管方式。借助專業(yè)鉆井軟件模擬分析評(píng)估下套管摩阻系數(shù)fmax（常規(guī)法最大允許下套管摩阻系數(shù)），根據(jù)統(tǒng)計(jì)獲得該區(qū)塊類似井實(shí)際平均下套管摩阻系數(shù)f實(shí)際（作為參考），如f實(shí)際≤fmax，意味著常規(guī)法下套管問(wèn)題不大，f實(shí)際＞fmax，意味著常規(guī)法下套管存在問(wèn)題，需要從軌跡/鉆井液體系/井眼尺寸/水平段長(zhǎng)等方面進(jìn)行優(yōu)化，或選擇漂浮/旋轉(zhuǎn)/漂浮+旋轉(zhuǎn)下套管（對(duì)漂浮下套管進(jìn)行最大允許摩阻系數(shù)分析，對(duì)旋轉(zhuǎn)下套管扭矩進(jìn)行模擬分析）。優(yōu)選下套管工具，套管扶正器，及優(yōu)化引鞋管柱，優(yōu)化固井工藝技術(shù)。根據(jù)漏失壓力，優(yōu)化固井排量（塞流固井），雙級(jí)密度固井，分級(jí)固井等，井下復(fù)雜事故預(yù)防措施（井漏、井壁失穩(wěn)、粘卡）。

4 結(jié)束語(yǔ)

鉆井工程設(shè)計(jì)優(yōu)化措施通常會(huì)涉及業(yè)主設(shè)計(jì)、專業(yè)組織設(shè)計(jì)以及二者之間的協(xié)作設(shè)計(jì)。其中，業(yè)主設(shè)計(jì)在各個(gè)模式之下所涉及的內(nèi)容、深度以及調(diào)整量之間都具有極為緊密的關(guān)聯(lián)，并且設(shè)計(jì)者人數(shù)以及類型之間也有所不同。多數(shù)情況下，并行合同等項(xiàng)目工作的集成性越低，那么所牽涉的設(shè)計(jì)內(nèi)容越多，優(yōu)化與調(diào)整的內(nèi)容以及設(shè)計(jì)者數(shù)量配置也就越多。