淺談鉆前設計優(yōu)化技術的理論與實踐

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)化是科學鉆井的重要標志之一，它是應用最優(yōu)化理論和技術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、措施等[1]。對一口井全過程進行最優(yōu)化處理，稱為全局最優(yōu)化；對一口井的某一過程進行最優(yōu)化處理，稱為局部最優(yōu)化；對鉆井過程的某些參數(shù)進行最優(yōu)化處理，稱為鉆參優(yōu)化。鉆參優(yōu)化是應用優(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（目標函數(shù)），在此基礎上確定相應的約束條件，用最優(yōu)化方法確定達到最優(yōu)化目標的解向量，即最優(yōu)化鉆井參數(shù)和技術措施。

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)學方法，求解鉆井成本最低的一組最優(yōu)鉆壓、轉速和鉆頭磨損量[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、措施，以最低的成本鉆出高質量的井眼。（1）降低生產時間（提高機速、提高趟鉆進尺、提高油層鉆遇率、優(yōu)選工具、優(yōu)化工藝、優(yōu)化技術措施等）；（2）降低非生產時間（降低井下復雜事故損失時間、降低設備工具維修時間）；（3）控制生產成本（優(yōu)選設備及工具、泥漿體系、優(yōu)化工藝流程、縮短生產/非生產時間等）。

2 鉆井優(yōu)化分析的特點

（1）鉆井優(yōu)化分析的特點就是通過建立若干數(shù)學理論模型，包括修正楊格鉆速方程、改進的修正楊格鉆速方程、計算機仿真方法、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，或把經驗、測量與理論計算結合起來，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。

（2）利用大數(shù)據(jù)分析技術，通過軟件算法理論模擬計算+數(shù)據(jù)分析模型+機器學習（理論+實踐+智能專家），實現(xiàn)單位進尺成本最低。對鉆井大數(shù)據(jù)進行處理，建立貝葉斯、聚類分析、標準差、EMA指數(shù)波動平均值、箱線圖等數(shù)據(jù)分析模型，優(yōu)化最優(yōu)機速、最低機械比能鉆井參數(shù)、工具、鉆具組合，及監(jiān)測井下風險等。形成“鉆前設計優(yōu)化、鉆中實時優(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）按照鉆井過程環(huán)節(jié)分類，包括鉆前設計優(yōu)化、鉆中實時優(yōu)化、鉆后單井分析優(yōu)化；按照鉆井主要技術方向分類力學載荷分析優(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)化分析具體內容有地質構造分析、地質力學分析、地質分層及巖性分析、巖石力學分析等；隨鉆測井分析、可鉆性指數(shù)（DC指數(shù)）分析、工具震動分析、關鍵指標（KPI）分析、非作業(yè)時間（NPT）分析、鉆井工具分析、技術指標分析、鉆井液分析、復雜事故分析等；摩阻扭矩、鉆井液的當量循環(huán)密度（ECD）、立壓、鉆柱屈曲、最大鉆壓、井眼清潔循環(huán)時間、井眼清潔、鉆井參數(shù)、鉆具組合、鉆井液性能、井身結構、井眼軌跡、鉆頭選型、下套管分析優(yōu)化、固井技術優(yōu)化、工藝技術優(yōu)化等。

3.1 鉆井設計優(yōu)化

只有做好了鉆井工程設計工作，才能夠保障組織生產、技術協(xié)作以及單井預算、決算等工作的順利開展。同時，油氣井的安全性能、使用壽命以及生產成本等也都深受鉆井工程設計的影響。鉆井工程設計優(yōu)化的主要內容之一是井身結構的設計優(yōu)化。井身結構的設計優(yōu)化不但關系著鉆井工程的施工安全性，更關系著鉆井效益。只有對井身結構進行科學合理的設計，才能夠多避免及減少在鉆井施工過程中出現(xiàn)漏、噴、塌、卡等問題，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 地質分析

（1）所需資料搜集：地質分析（區(qū)域構造分析、地質分層及巖性、巖石力學分析、地質力學分析）；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、非必要生產時間分析、DC指數(shù)等）；優(yōu)化方案（設備、鉆參、鉆具組合、工具、鉆井液性能、井身結構、井眼軌跡、鉆頭選型、下套管優(yōu)化分析、完井技術、固井技術優(yōu)化、重點工藝技術、時效管理措施等優(yōu)化）。

（2）目標鄰井資料：井史資料包，錄井數(shù)據(jù)及總結，地質錄井資料及報告，測井數(shù)據(jù)及解釋報告，其他各類相關的技術或總結報告（包括但不限于復雜事故報告，地層測試報告、中途測試等）。

（3）地質力學建模所需資料：地質設計，工程設計，目標鄰井資料（地質力學建模目標井），以及地質力學建模目標井的巖心數(shù)據(jù)（巖石力學參數(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，井位部署圖進行區(qū)域構造分析，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、水平應力方向、裂縫、節(jié)理、地層下降、抬升）。

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

（6）巖石力學分析：巖塊的單軸抗壓強度（UCS）、三軸抗壓強度（CCS）、彈性力學參數(shù)（楊氏模量、泊松比、剪切模量等）、硬度、研磨性，再進行性等分析，目的是機械比能值（MSE）鉆參優(yōu)化，地質力學建模，可鉆性評估，鉆頭選型，見表1。

表1 巖石硬度對應表

3.3 地質力學建模及分析

選擇距離近、相似度高的鄰井，使用其電測數(shù)據(jù)、電測解釋、地質資料、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，使用其電測數(shù)據(jù)、電測解釋、地層壓力測試、地質資料、錄井資料、工程資料、巖心試驗資料等）；選擇周圍一圈距離近同一構造或斷塊內的鄰井，使用其地質錄井資料、工程資料進行地質力學建模。

3.4 鄰井分析

（1）鄰井選擇同一構造內、距離近、井型類似、開發(fā)層位一致的鄰井進行周期指標分析、機速、趟鉆進尺主控因素分析、鉆井液體系和關鍵性能指標分析、時效分析、對井下復雜事故進行專項分析。

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

（3）機速、趟鉆進尺主控因素分析（鉆頭、工具、鉆具組合、鉆參分析等）：同一條件下，分開次/分井段，分別對鉆頭、鉆具組合、鉆參、鉆井液體系性能等進行統(tǒng)計分析，優(yōu)選出機速、趟鉆進尺指標表現(xiàn)優(yōu)異的相關鉆頭、鉆具組合、工具、鉆參等。

（4）鉆井液體系和關鍵性能指標分析：主要統(tǒng)計鉆井液體系和關鍵性能指標，與復雜事故發(fā)生之間概率關系，作為鉆井液體系和性能優(yōu)化的方向性指導。

（5）時效分析：尋找共性問題，非必要生產時間，占比較大的非生產時間類型，包括總時效分析、生產時效分析、非生產時間分析，對鉆機修理（檢修泵、頂驅、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）、井下復雜（井壁失穩(wěn)、縮徑、軌跡問題、井筒清潔問題、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、填井側鉆、斷鉆具等）全面分析，找出共性問題及占比較大的非生產時間類型，以及背后的原因分析（人員、設備、工藝、參數(shù)、鉆井液、鉆具組合、鉆頭、工具、組織管理）；非必要生產時間分析。非必要短期下鉆、非必要通井和組織管理問題等。

3.5 優(yōu)化方案

3.5.1 地質力學建模成果分析

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

3.5.2 井身結構優(yōu)化

根據(jù)地質力學建模結果，四壓力曲線，優(yōu)化井身結構的套管尺寸及套管下深，說明套管下入層位原因，及井眼尺寸、套管結構優(yōu)化的原因。

3.5.3 井眼軌跡優(yōu)化

分析井斜方位對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/防碰等要求，進行軌跡優(yōu)化/繞障優(yōu)化段制、造斜點、井斜、方位、狗腿、偏移距等；根據(jù)鉆進的摩阻扭矩模擬情況，以及下套管模擬情況，進行軌跡優(yōu)化段制、造斜點、狗腿。

3.5.4 分開次、分井段鉆井液體系及性能優(yōu)選

分開次、分井段，借助中坍塌風險邊界曲線，先確定密度最低值，借助漏失壓力曲線（最小水平主應力曲線），求解薄弱點鉆進ECD或鉆進時的環(huán)空ECD≤薄弱點漏失壓力，對應的鉆井液密度，取其最小值作為本開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)計結果和巖石抗壓強度、硬度、研磨性，以及巖性特點優(yōu)選鉆頭。優(yōu)選鉆頭。優(yōu)選原則：一般地層，選擇鄰井機速和趟鉆進尺表現(xiàn)好的鉆頭；特殊地層（可鉆性差、機速和趟鉆進尺表現(xiàn)普遍較差的地層），分析巖性特點，根據(jù)巖石硬度、研磨性級別優(yōu)選鉆頭；探井，可參考井少，分析其地層巖性特點，根據(jù)巖石硬度、研磨性級別優(yōu)選鉆頭；根據(jù)不同目的，優(yōu)選不同結構類型的鉆頭。

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（優(yōu)選Baker/SLB等）或旋導+大扭矩直螺桿，其次為螺桿鉆具組合。鄰井統(tǒng)計分析，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、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、分地層鉆進參數(shù)優(yōu)化

鄰井分析，同等條件下，優(yōu)選機速、趟鉆進尺和軌跡控制表現(xiàn)好的機械參數(shù)范圍（鉆壓、鉆速）。鉆頭、工具推薦最大參數(shù)范圍內，強化機械參數(shù)和水力參數(shù)（屬于實時優(yōu)化，作為設計鉆參優(yōu)化里的一個手段方法），泥巖及研磨性低的地層，做地層機速敏感性試驗，優(yōu)選機械參數(shù)，砂礫巖，研磨性強的地層，監(jiān)測分析MSE，優(yōu)選MSE接近CCS的機械參數(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 分開次完井作業(yè)優(yōu)化

通井工藝技術優(yōu)化（倒劃眼起鉆、通井節(jié)點及次數(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)計獲得該區(qū)塊類似井實際平均下套管摩阻系數(shù)f實際（作為參考），如f實際≤fmax，意味著常規(guī)法下套管問題不大，f實際＞fmax，意味著常規(guī)法下套管存在問題，需要從軌跡/鉆井液體系/井眼尺寸/水平段長等方面進行優(yōu)化，或選擇漂浮/旋轉/漂浮+旋轉下套管（對漂浮下套管進行最大允許摩阻系數(shù)分析，對旋轉下套管扭矩進行模擬分析）。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。根據(jù)漏失壓力，優(yōu)化固井排量（塞流固井），雙級密度固井，分級固井等，井下復雜事故預防措施（井漏、井壁失穩(wěn)、粘卡）。

4 結束語

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