鉆井工程設計與工藝軟件ANYDRILL1．0的研發(fā)與應用

石 林，蔣宏偉，周英操 趙 慶，張冬梅，連志龍（中國石油集團鉆井工程技術研究院，北京100195）

鉆井工程設計與工藝軟件ANYDRILL1．0的研發(fā)與應用

石 林，蔣宏偉，周英操 趙 慶，張冬梅，連志龍（中國石油集團鉆井工程技術研究院，北京100195）

對鉆井工程設計與工藝軟件包含的欠平衡／氣體鉆井設計與分析系統(tǒng)、控壓鉆井設計分析系統(tǒng)、地層壓力預測分析與監(jiān)測系統(tǒng)、巖石力學分析系統(tǒng)等多個功能系統(tǒng)做了詳細的介紹。鉆井工程設計與工藝軟件完成多井次的現(xiàn)場測試，應用結果表明，鉆井工程設計和工藝軟件功能豐富、計算準確、使用方便，可較好地滿足現(xiàn)場鉆井工程設計與施工需要，為鉆井工程提供技術支撐和技術指導。

鉆井軟件；軟件系統(tǒng)；鉆井設計；現(xiàn)場測試；現(xiàn)場應用

隨著現(xiàn)代社會對石油不斷增長的需求，鉆井工程設計與施工越來越復雜。鉆井工程從設計、施工到經(jīng)驗總結，對計算機輔助設計的依賴性正逐步增強。與國際先進的鉆井軟件研發(fā)水平相比，我國的鉆井軟件研發(fā)水平明顯滯后，具體表現(xiàn)為軟件體系分布散、生命周期短、影響范圍小、規(guī)模水平低，不能完全滿足油田鉆井工程設計的需要。為了縮小與國外先進水平的差距，提高我國鉆井工程核心競爭力、及時分析鉆井施工狀況、保障鉆井安全、促進鉆井施工決策的科學性，有必要開發(fā)我國自主品牌的鉆井軟件?！笆晃濉逼陂g，中國石油集團鉆井工程技術研究院聯(lián)合中國石油集團長城鉆探工程有限公司、中國石油大學（北京）、西南石油大學、東北石油大學、長江大學，共同承擔了國家科技重大專項“鉆井工程設計和工藝軟件”課題，開展了自主創(chuàng)新研究，開發(fā)了具有自主知識品牌、功能全面的鉆井工程設計與工藝軟件ANYDRILL1．0，并進行了現(xiàn)場測試和應用。

1 鉆井工程設計與工藝軟件

鉆井工程設計和工藝軟件平臺模塊集成采用插件式技術，通過加入不同的插件，平臺可以獲得不同的鉆井設計與分析能力；各個插件可以在系統(tǒng)中動態(tài)添加和刪除，單個插件的維護不影響系統(tǒng)的總體運行和其他插件功能，可減少維護成本；各個插件之間沒有干擾和影響，有利于各個軟件之間的獨立開發(fā)。鉆井工程設計和工藝軟件平臺集成框架如圖1所示。

1．1 欠平衡／氣體鉆井設計與分析系統(tǒng)

該系統(tǒng)適用于直井、定向井和水平井的設計、計算及分析。系統(tǒng)優(yōu)選了精度較高、可行性較好的欠平衡鉆井水力參數(shù)計算模型，可對環(huán)空、鉆柱的水力參數(shù)進行分段計算，適應工程實際應用。系統(tǒng)可以對多種欠平衡鉆井方式（氣體、霧化、泡沫、充氣和常規(guī)鉆井液）進行鉆前設計、隨鉆監(jiān)控和完鉆分析等全過程欠平衡鉆井設計，具有動態(tài)設計、安全報警、泥漿帽鉆井設計等功能。

圖1 鉆井工程設計和工藝軟件整體框架

1．2 控壓鉆井設計與分析系統(tǒng)

該系統(tǒng)包含實時處理模塊、施工與控制參數(shù)設計與模擬模塊、數(shù)據(jù)庫模塊等，并配有相應的管理軟件，可以對數(shù)據(jù)進行實時調(diào)用與控制；具有控制參數(shù)與模擬、施工分析、井底壓力實時分析、回壓控制實時分析等模塊，調(diào)用相應的數(shù)據(jù)進行分析、模擬與預測；配有一套鉆井數(shù)據(jù)采集裝備，可以實時采集信息和實現(xiàn)遠程控制。

該系統(tǒng)作為控壓鉆井裝備的配套軟件，提出了地面多級并聯(lián)精細節(jié)流控壓新方法，建立了切換過程的擾動控制數(shù)學模型；針對控壓鉆井存在雙梯度循環(huán)摩阻和雙梯度波動壓力，建立了雙梯度工況下控壓鉆井控制參數(shù)計算模型；研究出隨鉆壓力測量系統(tǒng)（PWD）實時采集數(shù)據(jù)動態(tài)修正井底壓力的計算方法。

1．3 地層壓力預測分析與監(jiān)測系統(tǒng)

該系統(tǒng)的主要功能是利用測井、錄井、地震等資料確定地層壓力，建立了利用聲速檢測地層壓力的Fan簡易方法和Fan綜合解釋方法，利用層速度資料進行壓力計算及壓力結果的可視化分析。實現(xiàn)從原始數(shù)據(jù)的計算機獲取、資料自動處理及人機交互處理、地層壓力分析計算、顯示打印結果圖件等一體化作業(yè)。不僅可以提高地層壓力計算精度，而且可以減少人工資料處理工作量。

1．4 巖石力學分析系統(tǒng)

該系統(tǒng)利用全井段測井數(shù)據(jù)進行分層的孔隙壓力、坍塌壓力和破裂壓力計算以及定向井井壁坍塌和破裂風險分析。系統(tǒng)可用于解決當前深井、超深井鉆井碰到的巖石力學難題，分析井眼軌跡對定向井井壁穩(wěn)定［1］的影響、建立鹽膏層鉆井液密度圖版、并對巖石的可鉆性做出預測分析。

1．5 鉆柱力學分析系統(tǒng)

該系統(tǒng)用于直井、定向井和水平井的鉆柱設計、計算和分析，建立鉆柱摩阻扭矩、鉆柱振動和鉆柱極限延伸模型，對不同井型的鉆柱設計與分析提供整套的解決方案。主要功能包括：鉆柱摩阻扭矩分析、振動分析、強度分析、底部鉆具組合力學分析及鉆柱下入極限深度分析［2］等，為實現(xiàn)鉆前設計和現(xiàn)場施工提供了依據(jù)。

1．6 鉆井液設計及分析系統(tǒng)

該系統(tǒng)根據(jù)基礎數(shù)據(jù)，對油井使用的鉆井液體系、性能、配方進行設計，計算材料費用，輸出設計文檔?？梢詫崿F(xiàn)油井鉆井液設計、鄰井數(shù)據(jù)查詢和鉆井液常用計算等功能。該系統(tǒng)突破了以下關鍵技術：①多層系統(tǒng)架構技術的應用；②元數(shù)據(jù)技術的應用；③建立了鉆井液知識庫；④優(yōu)化了鉆井液設計流程。

1．7 固井工程設計與分析系統(tǒng)

該系統(tǒng)用于常規(guī)井、水平井、深井超深井、含塑性蠕變地層井、小井眼井等多種井型的套管柱強度［3］設計、套管居中設計、下套管設計與模擬、管串結構設計、固井流體性能設計、用量計算、注水泥流變性設計、注水泥模擬、氣竄預測、擠水泥設計、固井工程事后分析，輸出符合石油天然氣行業(yè)標準的固井施工設計報告、固井施工報告及固井工程事后分析報告，能滿足現(xiàn)場固井工程設計與施工的需要。應用該軟件功能模塊可提高注水泥施工設計的科學性與準確性，能較好地滿足固井施工設計需要，對于指導注水泥施工具有重要的實際意義。

1．8 鉆井數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫內(nèi)容齊全，涵蓋了鉆井業(yè)務各個環(huán)節(jié)信息；擴充了數(shù)據(jù)庫的結構分類，輔助庫為軟件提供更好的幫助；優(yōu)化數(shù)據(jù)庫表間關系，降低數(shù)據(jù)冗余；數(shù)據(jù)間約束合理、明確，保證了數(shù)據(jù)完整性；表項字段包括中文、英文、曾用名對照；數(shù)據(jù)統(tǒng)一采用國際單位制入庫，便于管理和數(shù)據(jù)移植。數(shù)據(jù)庫管理軟件采用樹形目錄、頁簽式的界面管理方式，界面友好、簡潔、易于操作；新穎的基于數(shù)據(jù)透視的統(tǒng)計分析功能；簡潔、實用的數(shù)據(jù)導入／導出功能；實現(xiàn)了輔助庫的統(tǒng)一管理；支持歷史數(shù)據(jù)回放，直觀、形象；安全的用戶權限管理，系統(tǒng)更安全。

1．9 鉆井實時監(jiān)控與技術決策系統(tǒng)

該系統(tǒng)架構擴展性強，支持后期開發(fā)其他鉆井復雜事故軟件模塊。建立了鉆井風險BP神經(jīng)網(wǎng)絡識別法和模糊綜合評價法，使用這2種鉆井風險推理方法，可以相互彌補各自的不足，使得鉆井風險推理更具參考性和準確性。利用鉆井風險因素量化分析和風險推理相結合的風險實時識別模型，開發(fā)出來的鉆井風險推理軟件可以實時診斷和預測部分鉆井風險，能實現(xiàn)部分鉆井風險實時監(jiān)控、預測和評價，并在現(xiàn)場得到了驗證。

2 應用效果

鉆井工程設計與工藝軟件已經(jīng)在大港、遼河等油田現(xiàn)場開展了應用測試，應用300多井次。結果表明，鉆井工程設計和工藝軟件功能豐富、計算準確、使用方便，可較好地滿足現(xiàn)場鉆井工程設計與施工需要；可為鉆井工程提供技術支撐；通過地層壓力預測與監(jiān)測系統(tǒng)和巖石力學分析系統(tǒng)建立3個壓力（孔隙壓力、坍塌壓力和破裂壓力）剖面、安全鉆井液密度窗口和鹽膏層鉆井液密度圖版。在此基礎上再進行鉆柱力學分析、鉆井液設計等各種工程設計，可為待鉆完井設計提供科學決策依據(jù)，對加快安全鉆井進程和油田開發(fā)具有十分重要的現(xiàn)實意義。

2．1 興古X井應用實例

興古X井為開發(fā)井，井型為水平井，設計井深4661．54m（斜深）。完鉆原則：水平段進尺1000m完鉆，完鉆層位是太古界，構造名稱為遼河斷陷盆地西部凹陷中南段興隆臺潛山興古七斷塊區(qū)，地理位置在遼寧省盤錦市興隆臺區(qū)。該井在2823m處使用的鉆井液具體性能數(shù)據(jù)見表1。

表1 鉆井液性能參數(shù)表

在鉆至2823m時軟件提前識別出一處井漏，鉆井實時監(jiān)控與技術決策系統(tǒng)提示井漏風險可能性較大，在鉆至2825m時現(xiàn)場人員發(fā)現(xiàn)井漏，并決定起鉆堵漏。軟件預測結果與鉆井現(xiàn)場實際情況完全相符。軟件計算分析結果如圖2所示。

圖2 井漏風險實時預測界面

2．2 塔里木哈X井應用實例

該井位于哈拉哈塘南構造帶上的哈拉一號背斜高點上，是一口預探直井，井深6368m。該井在5315～5340m之間的下第三系發(fā)生井漏，此井段所用鉆井液密度在1．05～1．25g／cm3之間。利用地層壓力預測監(jiān)測系統(tǒng)計算該段壓力梯度當量密度為：1．03～1．19g／cm3，說明所用鉆井液密度過大是造成井漏的主要原因。該地層段為正常壓力層段，系統(tǒng)的檢測結果符合實際地層壓力梯度值范圍，應用效果符合現(xiàn)場實際要求。圖3為哈X井的壓力剖面圖。

3 結 語

圖3 哈X井地層壓力分布剖面圖

鉆井工程設計與工藝軟件以國內(nèi)自主研究原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新為主，形成一套具有自主知識產(chǎn)權的鉆井軟件，初步構建了鉆井工程設計和工藝軟件平臺，為我國鉆井技術的信息化、自動化、智能化發(fā)展提供了有效技術支持，改變了過去國內(nèi)單項鉆井軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫各自獨立造成的“信息孤島”局面，使得鉆井各個設計部門的信息得以充分共享，實現(xiàn)鉆井設計和施工一體化、基地和現(xiàn)場一體化以及多學科協(xié)作一體化，提高鉆井工程技術人員的設計效率、作業(yè)質(zhì)量和決策水平，降低鉆井風險和費用，提高我國鉆井工程設計和工藝軟件領域的自主創(chuàng)新能力和原創(chuàng)性技術的研發(fā)能力，增強了中國石油鉆井工程核心競爭力。

［1］侯冰，陳勉，盧虎，等．庫車山前下第三系漏失原因分析及堵漏方法［J］．石油鉆采工藝，2009，31（4）：40～44．

［2］閆鐵，馬紅濱，谷玉堂，等．鉆柱在水平分支井段中的摩阻力分析［J］．科學技術與工程，2010，22（10）：5378～5380．

［3］黃志強．固井實時監(jiān)測系統(tǒng)研究［J］．石油天然氣學報，2009，31（2）：89～91．

［編輯］ 蕭 雨

TE22

A

1000－9752（2012）06－0108－04

2012－02－10

國家科技重大專項（2011ZX05021－006）。

石林（1957－），男，1982年石油大學（華東）畢業(yè)，教授級高級工程師，現(xiàn)從事鉆井工程技術研究及管理工作。