海上油田钻井学习曲线模型的建立*

刘兆年刘书杰孙东征李玉光朱 磊

(1.中海油研究总院; 2.中国海洋石油有限公司)

海上油田钻井学习曲线模型的建立*

刘兆年1刘书杰1孙东征2李玉光1朱 磊1

(1.中海油研究总院; 2.中国海洋石油有限公司)

陆上油田钻井学习曲线模型仅考虑了井深的影响,对于海上油田复杂定向井井型不适用。通过分析研究钻井工期的影响因素,引入了定向井难度系数,对陆上油田钻井学习曲线进行了修正,并推荐了渤海及南海东部油田定向井难度系数对钻井工期影响的修正系数,建立了海上油田钻井学习曲线模型。算例分析表明,该模型预测精度高,可为海上油田钻井工期设计和进度安排以及钻井作业费用的精确预算提供参考依据。

海上油田;钻井学习曲线;定向井难度系数;修正系数;钻井工期

早在1936年,T.P.Wright[1]提出学习曲线的理论,并由H.Asher首次引入航空领域得到应用,后来逐渐扩展到钢铁、化工、建筑、电子等行业,得到了业界的认可[2]。对于钻井工程来说,一定条件下在某一地区(区块)钻多口井时,各井的钻井周期表现为开始时钻井周期长,以后的钻井周期短,这一现象可用钻井学习曲线来表示。1986年,美国Amoco石油公司的Brett和Millheim[3]首次将学习曲线的概念引入钻井行业,对2 000多口井的数据进行了统计,作业区域涉及美国、加拿大、中东、北海,进而建立了钻井学习曲线。

陆上钻井学习曲线经过前人研究,已基本建立能够准确拟合和预测钻井工期的模型[4]。但海洋钻井和陆上钻井存在着较大的不同:陆上油田开发以直井和井斜角较小的常规定向井为主,海上油田开发以丛式井开发为主[1],大部分开发井井型为定向井,但也存在较多的大斜度井和大位移井[5]。如果照搬陆上学习率预测模型,将会使海洋钻井周期预测结果产生较大的误差,这将给石油开发公司带来巨大的损失,因此有必要建立适用于海洋油田丛式井开发的钻井学习曲线模型,对海上油田的钻井周期进行准确的预测和拟合。笔者通过分析海上油田与陆上油田井型的差异,引入定向井难度系数概念,对陆上油田钻井学习曲线模型进行修正,建立了海上油田钻井学习曲线模型,大大提高了海上油田钻井工期拟合的精度,为海上油田钻井工期设计和进度安排以及钻井作业费用的精确预算提供了参考依据。

1 陆上油田钻井学习曲线适用性分析

20世纪90年代,刘朝全等[4]建立了考虑井深的钻井学习曲线模型,对陆上钻井学习曲线进行了改进,把陆上钻井工期预算误差降低到10%以内。该模型为

式(1)中:n为开钻序号;a、b和r为与区域地层及钻井作业队伍有关的常数;Tn为钻第n口井的工期; H为井深。公式(1)可以应用于同一区块井型和井身结构相同的井。

以渤海辽东地区某油田为例,利用公式(1)对海上油田钻井工期进行拟合。2013年该油田钻井8口,目的层位都为沙河街组,井身结构相同,所钻井井深相差不大,各井信息详见表1。利用陆上钻井学习曲线模型进行拟合,结果如图1所示。从图1可以看出,拟合工期和实际钻井工期具有较好的吻合性。

表1 2013年渤海辽东地区某油田钻井信息

图1 渤海辽东地区某油田钻井工期拟合结果

以同样的方法对海上多个油田进行拟合,具体结果如表2所示。由表2可知,对于井型相同,井斜角及水平位移相差不大的井,陆地钻井学习曲线具有较好的适用性,大部分油田拟合误差在10%以内,但也有部分油田的拟合误差超过10%,分析认为,海上油田以丛式井开发为主,所钻井都为定向井或水平井,且随着平台控制半径的增大,海上钻井存在越来越多的大斜度井,甚至大位移井,而陆上油田钻井学习曲线模型仅考虑了井深的因素,因此该模型应用于海上油田具有一定的局限性。以辽东地区A油田为例分析,2009年该油田共钻井12口,其中有2口大斜度井(A19H、A10H),虽然井深没有明显增加,但实际钻井工期明显增长,工期拟合结果如图2所示。可见,利用陆上油田钻井学习曲线模型不能对海上油田大斜度井钻井工期进行准确的拟合和预测。

另外,复杂井钻井速度和常规定向井存在一定差异,即使在同一深度条件下,钻井速度也会明显降低,而陆上油田钻井学习曲线模型只考虑了井深对钻井工期的影响,不能完全反映定向井钻井难度的影响,因此须根据海上油田定向井钻井难度大、复杂程度高的特点,建立适用于海上油田的钻井学习曲线模型。

表2 近年来中国近海油田部分钻井工期拟合误差分析结果

图2 渤海辽东地区A油田钻井工期拟合

2 海上油田钻井学习曲线模型建立

2.1 钻井工期影响因素分析

海上油田钻井工程中的工期由进尺工作时间、进尺辅助工作时间、地层评价作业时间、固井作业时间和钻井非生产时间等5个部分组成[6]。进尺工作时间为取得进尺所用的时间;进尺辅助工作时间为保证钻进工作顺利进行而必须做的辅助工作所用的时间,主要包括循环调整钻井液、测斜、短起下钻、倒换钻具、钻具探伤检查、倒大绳、换刹带片、设备检查保养等工作时间;地层评价作业时间是指钻井过程中取心、地层漏失压力试验、电测和地质循环取样等所占用的时间;固井作业时间是各井段从钻至完钻井深后钻头起出转盘面并完成所需的测井工作算起,到钻完水泥塞恢复到原井深为止的全部时间;钻井非生产时间为处理事故时间和处理复杂情况的时间。钻井工期可表示为

式(2)中:T为钻井工期;TD为纯钻进时间,即进尺工作时间;TA为进尺辅助工作时间;TG为地层评价作业时间;TC为固井作业时间;TNPT为钻井过程非生产时间。

在同一作业区块,同一作业队伍进行钻井作业,可认为井口操作时间基本相同,与井眼情况相关的钻井时间可表示为

式(3)中:M为钻井井深;VROP为机械钻速;η为钻井效率;Vpio为起下钻速度;t为起下钻次数;Tcir为循环时间;Tst为短起下时间;Vrc为下套管时间;n为下套管次数。

钻井时间除与井深有关外,还与起下钻速度、起下套管速度和进尺辅助工作时间有较大关系,但该类因素并不与井深相关,主要影响因素有井斜角、狗腿度、造斜段长度和水平位移等。暂将这些与定向井难度相关的系数定义为α,因此钻井工期可表示为与井深和定向井难度相关的函数,即T=f(M,α)。

2.2 定向井难度系数对钻井工期影响分析

从上面的分析可知,单个的参数无法满足对于钻井难度的表征。通过分析定向井特征,能够全面反映定向井难度的系数可以表示为[7]

式(4)中:D为定向井难度系数;M为井深;LAHD为视水平位移;LTVD为垂深;Q为井曲度[8]。

定向井难度系数同时反映了定向井中的井深、水平位移、狗腿度和造斜段长度等影响,因此在国外钻井工业中已广泛应用。通过该系数对定向井进行分类,其结果见表3。

表3 按照定向井难度系数对井的分类[7]

对近3年来渤海及南海东部42个油气田进行统计,分析定向井难度系数对钻井工期的影响。由于难度较大的定向井钻井工期一般较长,本文把实际工期和仅考虑井深预测工期的比率定义为工期比率,统计工期比率与定向井难度系数关系,结果如图3所示。

图3 中国近海油田定向井难度系数和工期比率关系图

对于难度系数较小的井(＜6.4),钻井工期基本不需要修正;对于难度系数较大的井(＞6.4)和高难度井(＞6.8),钻井工期需要进行修正,修正系数的取值和地层复杂程度有关,难度越大的地层所需的修正系数越大。通过对渤海地区和南海地区的统计,不同难度系数的定向井对应的修正系数推荐值见表4。

表4 不同难度系数定向井对应的修正系数

2.3 海上油田钻井学习曲线模型

通过以上分析可知,海上油田钻井工期的影响因素可分为3个部分:①与井深相关的因素。借鉴陆上油田钻井学习曲线模型,并根据海上油田工期与井深拟合结果,钻井工期和井深成指数关系。②与定向井难度相关的因素。钻井工期和定向井难度系数成分段线性关系。③考虑学习率引起的钻井工期递减。参考陆上油田钻井学习率模型,钻井工期和钻井顺序关系为rlog2n。对陆上油田钻井学习曲线模型进行修正,海上油田钻井工期可表示为

式(5)中:f(D)为以定向井难度系数D为变量的分段函数,渤海和南海东部可参考表4推荐值。

3 海上油田钻井学习曲线模型验证

仍以渤海辽东地区A油田为例进行钻井工期拟合计算。首先计算各井的定向井难度系数,结果见表5。

表5 渤海辽东地区某油田定向井难度系数

通过考虑定向井难度的钻井学习曲线模型进行拟合,各井实际工期及理论拟合工期对比见图4。可以看出,由于考虑了定向井难度的影响,理论计算结果和实际钻井工期吻合较好,预测精度由87%提高到92%,特别是大斜度井工期的拟合精度大大提高。若大斜度井井数比例增加,钻井工期预测精度提高更为显著。

图4 考虑定向井难度的钻井学习曲线模型拟合工期与实际工期对比

利用本文建立的海上油田钻井学习曲线模型对表2所列近海油田钻井工期进行拟合分析,并与陆上油田模型拟合误差进行对比可知,对于同一区块内井身结构相同的井,即使井深和井斜角存在较大的差异,也可以进行拟合,具体结果见表2。

由表2可知,利用本文建立的海上油田钻井学习曲线模型拟合的钻井工期,不仅整体上拟合精度大大提高,同时解决了陆上学习曲线不能准确拟合大斜度井和大位移井钻井周期的问题。统计分析表明,这21个油田钻井工期预测误差基本在10%以内,达到了海上钻井的预测精度要求。

海上油田2/3的钻井成本直接受钻井工期的影响,因此准确预测钻井工期有利于更为准确地预算钻井费用,也有利于合理安排钻井进度。通过本文建立的海上油田钻井学习曲线模型,可以实现钻井工期更为精确的计算,不论对于甲方的费用预算,还是对于乙方的投标策略,都有着积极的指导作用。

4 结论

1)陆上油田钻井学习曲线模型仅适用于海上油田钻井难度不大的常规定向井,但对于大斜度井或大位移井存在较大的预测误差。

2)定向井难度系数可以综合反映井眼轨迹对钻井工期的影响,结合近年来海上油田钻井工期和定向井难度系数的统计规律,推荐了渤海和南海东部地区的工期修正系数。

3)通过引入定向井难度系数,建立了海上油田钻井学习曲线模型,从而实现了对海上油田复杂井钻井工期的精确拟合和预测。

[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] 刘朝全,蔡竟仑.钻井学习曲线研究[J].西安石油学院学报, 1998,13(5):17-19.

[5] 蒋世全.大位移井技术的发展现状及启示[J].中国海上油气(工程),1999,21(3):14-23.

[6] 《海洋钻井手册》编委会.海洋钻井手册[M].北京:石油工业出版社,2011.

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

[8] 刘修善.井眼轨迹的平均井眼曲率计算[J].石油钻采工艺, 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

(编辑:孙丰成)

*“十二五”国家科技重大专项“南海深水油气开发示范工程(编号:2011ZX05056)”、中海石油(中国)有限公司生产研究项目“钻完井工期定额编制工作(编号:2014OT-003)”部分研究成果。

刘兆年,男,工程师,2008年毕业于中国石油大学(华东),现主要从事海上油气田钻井设计工作。地址:北京市朝阳区太阳宫南街6号院1号楼(邮编:100028)。E-mail:liuzhn@cnooc.com.cn。