海上油田鉆井學(xué)習(xí)曲線模型的建立*

劉兆年劉書杰孫東征李玉光朱 磊

(1.中海油研究總院; 2.中國(guó)海洋石油有限公司)

海上油田鉆井學(xué)習(xí)曲線模型的建立*

劉兆年1劉書杰1孫東征2李玉光1朱 磊1

(1.中海油研究總院; 2.中國(guó)海洋石油有限公司)

陸上油田鉆井學(xué)習(xí)曲線模型僅考慮了井深的影響,對(duì)于海上油田復(fù)雜定向井井型不適用。通過(guò)分析研究鉆井工期的影響因素,引入了定向井難度系數(shù),對(duì)陸上油田鉆井學(xué)習(xí)曲線進(jìn)行了修正,并推薦了渤海及南海東部油田定向井難度系數(shù)對(duì)鉆井工期影響的修正系數(shù),建立了海上油田鉆井學(xué)習(xí)曲線模型。算例分析表明,該模型預(yù)測(cè)精度高,可為海上油田鉆井工期設(shè)計(jì)和進(jìn)度安排以及鉆井作業(yè)費(fèi)用的精確預(yù)算提供參考依據(jù)。

海上油田;鉆井學(xué)習(xí)曲線;定向井難度系數(shù);修正系數(shù);鉆井工期

早在1936年,T.P.Wright[1]提出學(xué)習(xí)曲線的理論,并由H.Asher首次引入航空領(lǐng)域得到應(yīng)用,后來(lái)逐漸擴(kuò)展到鋼鐵、化工、建筑、電子等行業(yè),得到了業(yè)界的認(rèn)可[2]。對(duì)于鉆井工程來(lái)說(shuō),一定條件下在某一地區(qū)(區(qū)塊)鉆多口井時(shí),各井的鉆井周期表現(xiàn)為開(kāi)始時(shí)鉆井周期長(zhǎng),以后的鉆井周期短,這一現(xiàn)象可用鉆井學(xué)習(xí)曲線來(lái)表示。1986年,美國(guó)Amoco石油公司的Brett和Millheim[3]首次將學(xué)習(xí)曲線的概念引入鉆井行業(yè),對(duì)2 000多口井的數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),作業(yè)區(qū)域涉及美國(guó)、加拿大、中東、北海,進(jìn)而建立了鉆井學(xué)習(xí)曲線。

陸上鉆井學(xué)習(xí)曲線經(jīng)過(guò)前人研究,已基本建立能夠準(zhǔn)確擬合和預(yù)測(cè)鉆井工期的模型[4]。但海洋鉆井和陸上鉆井存在著較大的不同:陸上油田開(kāi)發(fā)以直井和井斜角較小的常規(guī)定向井為主,海上油田開(kāi)發(fā)以叢式井開(kāi)發(fā)為主[1],大部分開(kāi)發(fā)井井型為定向井,但也存在較多的大斜度井和大位移井[5]。如果照搬陸上學(xué)習(xí)率預(yù)測(cè)模型,將會(huì)使海洋鉆井周期預(yù)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差,這將給石油開(kāi)發(fā)公司帶來(lái)巨大的損失,因此有必要建立適用于海洋油田叢式井開(kāi)發(fā)的鉆井學(xué)習(xí)曲線模型,對(duì)海上油田的鉆井周期進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)和擬合。筆者通過(guò)分析海上油田與陸上油田井型的差異,引入定向井難度系數(shù)概念,對(duì)陸上油田鉆井學(xué)習(xí)曲線模型進(jìn)行修正,建立了海上油田鉆井學(xué)習(xí)曲線模型,大大提高了海上油田鉆井工期擬合的精度,為海上油田鉆井工期設(shè)計(jì)和進(jìn)度安排以及鉆井作業(yè)費(fèi)用的精確預(yù)算提供了參考依據(jù)。

1 陸上油田鉆井學(xué)習(xí)曲線適用性分析

20世紀(jì)90年代,劉朝全等[4]建立了考慮井深的鉆井學(xué)習(xí)曲線模型,對(duì)陸上鉆井學(xué)習(xí)曲線進(jìn)行了改進(jìn),把陸上鉆井工期預(yù)算誤差降低到10%以內(nèi)。該模型為

式(1)中:n為開(kāi)鉆序號(hào);a、b和r為與區(qū)域地層及鉆井作業(yè)隊(duì)伍有關(guān)的常數(shù);Tn為鉆第n口井的工期; H為井深。公式(1)可以應(yīng)用于同一區(qū)塊井型和井身結(jié)構(gòu)相同的井。

以渤海遼東地區(qū)某油田為例,利用公式(1)對(duì)海上油田鉆井工期進(jìn)行擬合。2013年該油田鉆井8口,目的層位都為沙河街組,井身結(jié)構(gòu)相同,所鉆井井深相差不大,各井信息詳見(jiàn)表1。利用陸上鉆井學(xué)習(xí)曲線模型進(jìn)行擬合,結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出,擬合工期和實(shí)際鉆井工期具有較好的吻合性。

表1 2013年渤海遼東地區(qū)某油田鉆井信息

圖1 渤海遼東地區(qū)某油田鉆井工期擬合結(jié)果

以同樣的方法對(duì)海上多個(gè)油田進(jìn)行擬合,具體結(jié)果如表2所示。由表2可知,對(duì)于井型相同,井斜角及水平位移相差不大的井,陸地鉆井學(xué)習(xí)曲線具有較好的適用性,大部分油田擬合誤差在10%以內(nèi),但也有部分油田的擬合誤差超過(guò)10%,分析認(rèn)為,海上油田以叢式井開(kāi)發(fā)為主,所鉆井都為定向井或水平井,且隨著平臺(tái)控制半徑的增大,海上鉆井存在越來(lái)越多的大斜度井,甚至大位移井,而陸上油田鉆井學(xué)習(xí)曲線模型僅考慮了井深的因素,因此該模型應(yīng)用于海上油田具有一定的局限性。以遼東地區(qū)A油田為例分析,2009年該油田共鉆井12口,其中有2口大斜度井(A19H、A10H),雖然井深沒(méi)有明顯增加,但實(shí)際鉆井工期明顯增長(zhǎng),工期擬合結(jié)果如圖2所示?？梢?jiàn),利用陸上油田鉆井學(xué)習(xí)曲線模型不能對(duì)海上油田大斜度井鉆井工期進(jìn)行準(zhǔn)確的擬合和預(yù)測(cè)。

另外,復(fù)雜井鉆井速度和常規(guī)定向井存在一定差異,即使在同一深度條件下,鉆井速度也會(huì)明顯降低,而陸上油田鉆井學(xué)習(xí)曲線模型只考慮了井深對(duì)鉆井工期的影響,不能完全反映定向井鉆井難度的影響,因此須根據(jù)海上油田定向井鉆井難度大、復(fù)雜程度高的特點(diǎn),建立適用于海上油田的鉆井學(xué)習(xí)曲線模型。

表2 近年來(lái)中國(guó)近海油田部分鉆井工期擬合誤差分析結(jié)果

圖2 渤海遼東地區(qū)A油田鉆井工期擬合

2 海上油田鉆井學(xué)習(xí)曲線模型建立

2.1 鉆井工期影響因素分析

海上油田鉆井工程中的工期由進(jìn)尺工作時(shí)間、進(jìn)尺輔助工作時(shí)間、地層評(píng)價(jià)作業(yè)時(shí)間、固井作業(yè)時(shí)間和鉆井非生產(chǎn)時(shí)間等5個(gè)部分組成[6]。進(jìn)尺工作時(shí)間為取得進(jìn)尺所用的時(shí)間;進(jìn)尺輔助工作時(shí)間為保證鉆進(jìn)工作順利進(jìn)行而必須做的輔助工作所用的時(shí)間,主要包括循環(huán)調(diào)整鉆井液、測(cè)斜、短起下鉆、倒換鉆具、鉆具探傷檢查、倒大繩、換剎帶片、設(shè)備檢查保養(yǎng)等工作時(shí)間;地層評(píng)價(jià)作業(yè)時(shí)間是指鉆井過(guò)程中取心、地層漏失壓力試驗(yàn)、電測(cè)和地質(zhì)循環(huán)取樣等所占用的時(shí)間;固井作業(yè)時(shí)間是各井段從鉆至完鉆井深后鉆頭起出轉(zhuǎn)盤面并完成所需的測(cè)井工作算起,到鉆完水泥塞恢復(fù)到原井深為止的全部時(shí)間;鉆井非生產(chǎn)時(shí)間為處理事故時(shí)間和處理復(fù)雜情況的時(shí)間。鉆井工期可表示為

式(2)中:T為鉆井工期;TD為純鉆進(jìn)時(shí)間,即進(jìn)尺工作時(shí)間;TA為進(jìn)尺輔助工作時(shí)間;TG為地層評(píng)價(jià)作業(yè)時(shí)間;TC為固井作業(yè)時(shí)間;TNPT為鉆井過(guò)程非生產(chǎn)時(shí)間。

在同一作業(yè)區(qū)塊,同一作業(yè)隊(duì)伍進(jìn)行鉆井作業(yè),可認(rèn)為井口操作時(shí)間基本相同,與井眼情況相關(guān)的鉆井時(shí)間可表示為

式(3)中:M為鉆井井深;VROP為機(jī)械鉆速;η為鉆井效率;Vpio為起下鉆速度;t為起下鉆次數(shù);Tcir為循環(huán)時(shí)間;Tst為短起下時(shí)間;Vrc為下套管時(shí)間;n為下套管次數(shù)。

鉆井時(shí)間除與井深有關(guān)外,還與起下鉆速度、起下套管速度和進(jìn)尺輔助工作時(shí)間有較大關(guān)系,但該類因素并不與井深相關(guān),主要影響因素有井斜角、狗腿度、造斜段長(zhǎng)度和水平位移等。暫將這些與定向井難度相關(guān)的系數(shù)定義為α,因此鉆井工期可表示為與井深和定向井難度相關(guān)的函數(shù),即T=f(M,α)。

2.2 定向井難度系數(shù)對(duì)鉆井工期影響分析

從上面的分析可知,單個(gè)的參數(shù)無(wú)法滿足對(duì)于鉆井難度的表征。通過(guò)分析定向井特征,能夠全面反映定向井難度的系數(shù)可以表示為[7]

式(4)中:D為定向井難度系數(shù);M為井深;LAHD為視水平位移;LTVD為垂深;Q為井曲度[8]。

定向井難度系數(shù)同時(shí)反映了定向井中的井深、水平位移、狗腿度和造斜段長(zhǎng)度等影響,因此在國(guó)外鉆井工業(yè)中已廣泛應(yīng)用。通過(guò)該系數(shù)對(duì)定向井進(jìn)行分類,其結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 按照定向井難度系數(shù)對(duì)井的分類[7]

對(duì)近3年來(lái)渤海及南海東部42個(gè)油氣田進(jìn)行統(tǒng)計(jì),分析定向井難度系數(shù)對(duì)鉆井工期的影響。由于難度較大的定向井鉆井工期一般較長(zhǎng),本文把實(shí)際工期和僅考慮井深預(yù)測(cè)工期的比率定義為工期比率,統(tǒng)計(jì)工期比率與定向井難度系數(shù)關(guān)系,結(jié)果如圖3所示。

圖3 中國(guó)近海油田定向井難度系數(shù)和工期比率關(guān)系圖

對(duì)于難度系數(shù)較小的井(＜6.4),鉆井工期基本不需要修正;對(duì)于難度系數(shù)較大的井(＞6.4)和高難度井(＞6.8),鉆井工期需要進(jìn)行修正,修正系數(shù)的取值和地層復(fù)雜程度有關(guān),難度越大的地層所需的修正系數(shù)越大。通過(guò)對(duì)渤海地區(qū)和南海地區(qū)的統(tǒng)計(jì),不同難度系數(shù)的定向井對(duì)應(yīng)的修正系數(shù)推薦值見(jiàn)表4。

表4 不同難度系數(shù)定向井對(duì)應(yīng)的修正系數(shù)

2.3 海上油田鉆井學(xué)習(xí)曲線模型

通過(guò)以上分析可知,海上油田鉆井工期的影響因素可分為3個(gè)部分:①與井深相關(guān)的因素。借鑒陸上油田鉆井學(xué)習(xí)曲線模型,并根據(jù)海上油田工期與井深擬合結(jié)果,鉆井工期和井深成指數(shù)關(guān)系。②與定向井難度相關(guān)的因素。鉆井工期和定向井難度系數(shù)成分段線性關(guān)系。③考慮學(xué)習(xí)率引起的鉆井工期遞減。參考陸上油田鉆井學(xué)習(xí)率模型,鉆井工期和鉆井順序關(guān)系為rlog2n。對(duì)陸上油田鉆井學(xué)習(xí)曲線模型進(jìn)行修正,海上油田鉆井工期可表示為

式(5)中:f(D)為以定向井難度系數(shù)D為變量的分段函數(shù),渤海和南海東部可參考表4推薦值。

3 海上油田鉆井學(xué)習(xí)曲線模型驗(yàn)證

仍以渤海遼東地區(qū)A油田為例進(jìn)行鉆井工期擬合計(jì)算。首先計(jì)算各井的定向井難度系數(shù),結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 渤海遼東地區(qū)某油田定向井難度系數(shù)

通過(guò)考慮定向井難度的鉆井學(xué)習(xí)曲線模型進(jìn)行擬合,各井實(shí)際工期及理論擬合工期對(duì)比見(jiàn)圖4?？梢钥闯?由于考慮了定向井難度的影響,理論計(jì)算結(jié)果和實(shí)際鉆井工期吻合較好,預(yù)測(cè)精度由87%提高到92%,特別是大斜度井工期的擬合精度大大提高。若大斜度井井?dāng)?shù)比例增加,鉆井工期預(yù)測(cè)精度提高更為顯著。

圖4 考慮定向井難度的鉆井學(xué)習(xí)曲線模型擬合工期與實(shí)際工期對(duì)比

利用本文建立的海上油田鉆井學(xué)習(xí)曲線模型對(duì)表2所列近海油田鉆井工期進(jìn)行擬合分析,并與陸上油田模型擬合誤差進(jìn)行對(duì)比可知,對(duì)于同一區(qū)塊內(nèi)井身結(jié)構(gòu)相同的井,即使井深和井斜角存在較大的差異,也可以進(jìn)行擬合,具體結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知,利用本文建立的海上油田鉆井學(xué)習(xí)曲線模型擬合的鉆井工期,不僅整體上擬合精度大大提高,同時(shí)解決了陸上學(xué)習(xí)曲線不能準(zhǔn)確擬合大斜度井和大位移井鉆井周期的問(wèn)題。統(tǒng)計(jì)分析表明,這21個(gè)油田鉆井工期預(yù)測(cè)誤差基本在10%以內(nèi),達(dá)到了海上鉆井的預(yù)測(cè)精度要求。

海上油田2/3的鉆井成本直接受鉆井工期的影響,因此準(zhǔn)確預(yù)測(cè)鉆井工期有利于更為準(zhǔn)確地預(yù)算鉆井費(fèi)用,也有利于合理安排鉆井進(jìn)度。通過(guò)本文建立的海上油田鉆井學(xué)習(xí)曲線模型,可以實(shí)現(xiàn)鉆井工期更為精確的計(jì)算,不論對(duì)于甲方的費(fèi)用預(yù)算,還是對(duì)于乙方的投標(biāo)策略,都有著積極的指導(dǎo)作用。

4 結(jié)論

1)陸上油田鉆井學(xué)習(xí)曲線模型僅適用于海上油田鉆井難度不大的常規(guī)定向井,但對(duì)于大斜度井或大位移井存在較大的預(yù)測(cè)誤差。

2)定向井難度系數(shù)可以綜合反映井眼軌跡對(duì)鉆井工期的影響,結(jié)合近年來(lái)海上油田鉆井工期和定向井難度系數(shù)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律,推薦了渤海和南海東部地區(qū)的工期修正系數(shù)。

3)通過(guò)引入定向井難度系數(shù),建立了海上油田鉆井學(xué)習(xí)曲線模型,從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)海上油田復(fù)雜井鉆井工期的精確擬合和預(yù)測(cè)。

[1] WRIGHT T.Factors affecting the costs of airplanes[J].J of Aeronautical Sci,1936,3(4):122-128.

[2] ASHER H.Cost-quantity relationships in the airframe industry [M].Santa Monica,California:The Rand Coorporation,1956: 66-63.

[3] BRETT J F,MILLHEIM K K.The drilling performance curve:a yardstick for judging drilling performance[C].SPE 15362,1986.

[4] 劉朝全,蔡竟侖.鉆井學(xué)習(xí)曲線研究[J].西安石油學(xué)院學(xué)報(bào), 1998,13(5):17-19.

[5] 蔣世全.大位移井技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及啟示[J].中國(guó)海上油氣(工程),1999,21(3):14-23.

[6] 《海洋鉆井手冊(cè)》編委會(huì).海洋鉆井手冊(cè)[M].北京:石油工業(yè)出版社,2011.

[7] OAG A W,WILLIAMS M.The directional difficulty index:a new approach to performance benchmarking[C].SPE 59196,2000.

[8] 劉修善.井眼軌跡的平均井眼曲率計(jì)算[J].石油鉆采工藝, 2005,27(5):11-15.

A drilling learning curve model for offshore oilfields

Liu Zhaonian1Liu Shujie1Sun Dongzheng2Li Yuguang1Zhu Lei1
(1.CNOOC Research Institute,Beijing,100028; 2.CNOOC Ltd.,Beijing,100010)

Land learning curve model only considers the affecting factor of well depth.For offshore complex directional wells,the model is no longer applicable.This paper studies the factors affecting drilling duration,introduces the directional drilling difficulty index,modifies the learning curve model,recommends the correction factor for influence of directional drilling difficulty index on drilling duration in Bohai and Nanhai oilfields,and establishes the drilling learning curve model for offshore oilfield.The case calculation has shown that the model has high accuracy and can provide reference and basis for offshore drilling duration design,schedule arrangement and the exact cost budget of drilling operations.

offshore oilfield;drilling learning curve;directional drilling difficulty index;correction factor;drillingduration

2014-05-29改回日期:2014-07-24

(編輯:孫豐成)

*“十二五”國(guó)家科技重大專項(xiàng)“南海深水油氣開(kāi)發(fā)示范工程(編號(hào):2011ZX05056)”、中海石油(中國(guó))有限公司生產(chǎn)研究項(xiàng)目“鉆完井工期定額編制工作(編號(hào):2014OT-003)”部分研究成果。

劉兆年,男,工程師,2008年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東),現(xiàn)主要從事海上油氣田鉆井設(shè)計(jì)工作。地址:北京市朝陽(yáng)區(qū)太陽(yáng)宮南街6號(hào)院1號(hào)樓(郵編:100028)。E-mail:liuzhn@cnooc.com.cn。