淺談鉆前設計優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

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

1 鉆井優化的主要目的

鉆井優化的主要目的是在極值條件和約束條件，最優化數學方法，求解鉆井成本最低的一組最優鉆壓、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、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、優選工具、優化工藝、優化技術措施等）；（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（優選設備及工具、泥漿體系、優化工藝流程、縮短生產/非生產時間等）。

2 鉆井優化分析的特點

（1）鉆井優化分析的特點就是通過建立若干數學理論模型，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律，及尋找最優鉆井參數和工藝技術。

（2）利用大數據分析技術，通過軟件算法理論模擬計算+數據分析模型+機器學習（理論+實踐+智能專家），實現單位進尺成本最低。對鉆井大數據進行處理，建立貝葉斯、聚類分析、標準差、EMA指數波動平均值、箱線圖等數據分析模型，優化最優機速、最低機械比能鉆井參數、工具、鉆具組合，及監測井下風險等。形成“鉆前設計優化、鉆中實時優化分析、鉆后單井分析及區塊分析”的鉆井持續優化閉[3]。

3 鉆井優化分析分類

（1）按照鉆井過程環節分類，包括鉆前設計優化、鉆中實時優化、鉆后單井分析優化；按照鉆井主要技術方向分類力學載荷分析優化水力載荷分析優化井眼清潔分析優化鉆井參數分析優化[4]。

（2）鉆井優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（DC指數）分析、工具震動分析、關鍵指標（KPI）分析、非作業時間（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、鉆井液的當量循環密度（ECD）、立壓、鉆柱屈曲、最大鉆壓、井眼清潔循環時間、井眼清潔、鉆井參數、鉆具組合、鉆井液性能、井身結構、井眼軌跡、鉆頭選型、下套管分析優化、固井技術優化、工藝技術優化等。

3.1 鉆井設計優化

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。鉆井工程設計優化的主要內容之一是井身結構的設計優化。井身結構的設計優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漏、噴、塌、卡等問題，從而保證鉆井作業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、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指數等）；優化方案（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、下套管優化分析、完井技術、固井技術優化、重點工藝技術、時效管理措施等優化）。

（2）目標鄰井資料：井史資料包，錄井數據及總結，地質錄井資料及報告，測井數據及解釋報告，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據（巖石力學參數，密度）、地層壓力、試油資料、壓裂資料等。

（4）根據區塊地理位置圖，井位部署圖進行區域構造分析，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（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，使用其電測數據、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，使用其電測數據、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：分開次分井段統計分析鉆井周期指標，中完及完井作業時間指標，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計分析，優選出機速、趟鉆進尺指標表現優異的相關鉆頭、鉆具組合、工具、鉆參等。

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

（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、循環系統等）、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、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、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 優化方案

3.5.1 地質力學建模成果分析

壓力系數、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 井身結構優化

根據地質力學建模結果，四壓力曲線，優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、套管結構優化的原因。

3.5.3 井眼軌跡優化

分析井斜方位對坍塌壓力和漏失壓力影響規律，優化易坍塌井段和易漏失井段的方位和井斜，根據靶點/防碰等要求，進行軌跡優化/繞障優化段制、造斜點、井斜、方位、狗腿、偏移距等；根據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 鉆頭優選

根據鄰井鉆頭統計結果和巖石抗壓強度、硬度、研磨性，以及巖性特點優選鉆頭。優選鉆頭。優選原則：一般地層，選擇鄰井機速和趟鉆進尺表現好的鉆頭；特殊地層（可鉆性差、機速和趟鉆進尺表現普遍較差的地層），分析巖性特點，根據巖石硬度、研磨性級別優選鉆頭；探井，可參考井少，分析其地層巖性特點，根據巖石硬度、研磨性級別優選鉆頭；根據不同目的，優選不同結構類型的鉆頭。

3.5.6 分井段鉆具組合優化

一般情況下，優先推薦旋導（優選Baker/SLB等）或旋導+大扭矩直螺桿，其次為螺桿鉆具組合。鄰井統計分析，同等條件下，按照軌跡控制目的，優選螺桿鉆具組合（直井段防斜，造斜段造斜能力，水平段穩斜能力及軌跡控制能力）。根據提速需要，優選特殊工具（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）。提高工具面穩定及改善托壓，以緩解鉆柱螺旋屈曲為目的，優化鉆具組合及鉆具尺寸，控制ECD為目的，優化鉆桿尺寸。

3.5.7 分井段、分地層鉆進參數優化

鄰井分析，同等條件下，優選機速、趟鉆進尺和軌跡控制表現好的機械參數范圍（鉆壓、鉆速）。鉆頭、工具推薦最大參數范圍內，強化機械參數和水力參數（屬于實時優化，作為設計鉆參優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，優選機械參數，砂礫巖，研磨性強的地層，監測分析MSE，優選MSE接近CCS的機械參數，優選水力參數（排量、鉆頭比水功率），依據環空返速初選排量（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，優選比水功率≥2Hp/in2，分析ECD、分析立壓，最終優選排量和比水功率。

3.5.8 分開次完井作業優化

通井工藝技術優化（倒劃眼起鉆、通井節點及次數、通井鉆具組合、扶正器選擇、短起下鉆、井筒清潔循環時間、循環及劃眼參數等）優選下套管方式。借助專業鉆井軟件模擬分析評估下套管摩阻系數fmax（常規法最大允許下套管摩阻系數），根據統計獲得該區塊類似井實際平均下套管摩阻系數f實際（作為參考），如f實際≤fmax，意味著常規法下套管問題不大，f實際＞fmax，意味著常規法下套管存在問題，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分析，對旋轉下套管扭矩進行模擬分析）。優選下套管工具，套管扶正器，及優化引鞋管柱，優化固井工藝技術。根據漏失壓力，優化固井排量（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、粘卡）。

4 結束語

鉆井工程設計優化措施通常會涉及業主設計、專業組織設計以及二者之間的協作設計。其中，業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，并且設計者人數以及類型之間也有所不同。多數情況下，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，優化與調整的內容以及設計者數量配置也就越多。