基于模糊综合评判法的欠平衡钻井方式优选

毕雪亮，张楠，陈勋，赵英楠，杜婕妤，李紫剑

（1.东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室，黑龙江 大庆 163318；2.中国石油大庆油田有限责任公司井下作业分公司，黑龙江 大庆 163453；3.中国石油华北油田公司采油四厂，河北 任丘 062552；4.东北石油大学石油工程学院，黑龙江 大庆 163318）

基于模糊综合评判法的欠平衡钻井方式优选

毕雪亮1，张楠1，陈勋1，赵英楠2，杜婕妤3，李紫剑4

（1.东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室，黑龙江 大庆 163318；2.中国石油大庆油田有限责任公司井下作业分公司，黑龙江 大庆 163453；3.中国石油华北油田公司采油四厂，河北 任丘 062552；4.东北石油大学石油工程学院，黑龙江 大庆 163318）

欠平衡钻井是一种提高钻速、发现和保护储层的钻井技术，也是一项投资较大的系统工程。在实施欠平衡钻井前，对待评估地层进行不同欠平衡钻井方式的筛选评价，可提高钻井的成功率和经济效益，有效避免工程投资风险。基于不同欠平衡钻井方式的优缺点和适应性，综合选择了多个技术性和经济性参数作为评价指标，利用隶属函数将参数量化，引入加权模糊评判运算模型，建立了简便的欠平衡钻井方式优选模糊综合评判模型。评判模型对不同的欠平衡钻井方式进行了量化判断，克服了以往主观认识定性评价的缺陷。最后以大庆油田外围地区为对象进行实例计算，模型评价结果与现场情况符合较好。

欠平衡钻井；模糊综合评判；优选；层次分析

0 引言

欠平衡钻井技术在提高勘探开发水平、降低钻井成本、减少油气层伤害、保护环境等许多方面具有优势，但是也有技术难度高、作业环境恶劣、对员工素质要求高等难点［1-2］。欠平衡钻井需要考虑的因素比常规钻井更多、更复杂，其中大部分因素在钻前是未知风险因素和随机因素，而且各因素之间的关系是模糊的，没有绝对明确的界限，具有模糊性［3］。因此，必须结合不同地层和欠平衡钻井工程的特点［4-6］，利用模糊数学理论，在分析各种单因素的基础上，对不同欠平衡钻井方式的技术和经济因素进行评价，得出一个综合的量化指标，以便在开发前对欠平衡钻井有一个定性和定量的评价认识［7-8］，从而为科学决策提供依据。

1 欠平衡钻井影响因素

1.1 地质因素

地质因素是影响欠平衡钻井设计和施工的基本因素。通过分析地层与构造特性（岩性剖面、构造特征）和岩石特性（理化特性、微观结构、孔隙度、渗透率），能够全面掌握所钻地质对象的特征。通过地质工程基础评价，可以选择一些关键制约因素作为欠平衡评价指标［9］。例如：地层岩性是否满足欠平衡井眼稳定的要求，一般情况下，欠平衡流体密度越小，对井壁的有效支撑作用越小，井眼失稳风险就越大；地层产出大量H2S等有毒或酸性气体时，为了井下安全不宜选择含有液相的欠平衡循环流体；钻遇水层时，应考虑不同欠平衡方式的临界携水量，气体钻井的临界携水量最小，充气钻井的临界携水量最大，泡沫钻井的临界携水量在两者之间。

1.2 水力因素

循环流程设计是欠平衡钻井顺利开展的基础。水力设计的基本要求是清洁井眼（即确保岩屑由井底环空返排出地面）、维持井眼稳定、减轻地层伤害，以及不超出管材和地面设备的压力限制和速度限制范围［10］。循环流程设计与井眼轨迹、井身结构、钻具组合、注气量、注液量、注入压力、地层流体产出、井底岩屑性质等密切相关。

1.3 安全因素

当井筒中碳氢化合物与空气的混合物组分在燃点范围内，并且具有爆炸条件时，如泥饼圈、井下火花、钻柱上的小孔或冲蚀，井下就可能发生燃爆。钻铤和钻头被熔化或烧毁，给钻井带来巨大的损失。

1.4 经济因素

欠平衡钻井技术使用的先决条件，是能够保护油气层并创造效益。误用欠平衡钻井技术，不仅降低工程经济效益，还影响对该技术的认识。相对于传统钻井技术，欠平衡钻井技术具有前期投入高、但钻井效率也高的特点，因此需要对使用欠平衡钻井技术的成本和效益进行分析。

然而，影响欠平衡工程经济性的很多因素是模糊不确定的。国内外多个油气田的欠平衡钻井实践证明［11］，钻头寿命和机械钻速相对于传统钻井得到提高。气体钻井的钻速提高了6～10倍，泡沫钻井和充气钻井的钻速提高了2～5倍。同时，欠平衡钻井技术能有效降低甚至消除循环漏失和卡钻问题，减少井下问题的处理时间，缩短整个钻井周期。由于欠平衡钻井过程对地层的伤害显著降低，即使不采取增产措施，油井初期的产能也高于传统钻井方式。但是，直接定量描述这些变化是比较困难的。

对欠平衡钻井成本的定量分析相对容易。成本分析主要包括设备和人员成本，以及前期培训和工程管理费用。

2 模糊综合评价模型

模糊综合评价是以模糊数学为基础，应用模糊关系合成原理［12-13］，将一些边界不清、不易定量的因素定量化，从多个因素对被评价事物隶属等级状况进行综合性评价的一种方法。其基本原理为：首先确定被评判对象的因素（指标）集和评价（等级）集；再分别确定各个因素的权重及它们的隶属度向量，获得模糊评判矩阵；最后把模糊评判矩阵与因素的加权系数矩阵进行模糊运算并进行归一化，得到模糊评价综合结果。

2.1 欠平衡评价指标

欠平衡钻井作为工程项目，影响其钻井方式选择的因素多，所以每个因素的权重可能变得很小。为了既不失众多因素所提供的信息，又能得出符合实际的结果，根据每个因素分属于不同层次的特点进行分组，然后进行多层次模糊综合评判［14-15］。由于钻井工程技术的经济效益最终表现在技术可行和经济效益2个方面，而每个方面又由若干评价指标决定。所以，根据欠平衡钻井影响因素分析，将主要考虑的因素进行分层：目标层（最优欠平衡方式）、主准则层（技术性、经济性）u=（u1，u2）、分准则层1（必要性、可行性、成本、效益）u1=（u11，u12），u2=（u21，u22）和分准则层2（提速潜力、减少地层伤害等）u11=（u111，u112，u113）等，建立最优欠平衡评价系统递阶层次结构（见图1）。目标层表示所要评价的对象，主准则层为评价对象包含的因素类别，分准则层为各类因素所包含的单因素。

2.2 权重系数

图1 最优欠平衡评价系统递阶层次结构（括号内数字为权重系数）

权重wi与wij可由专家调查法和层次分析法（AHP）确定。本文采用专家调查法对划分的三级指标的权重系数进行确定，具体见图1。

2.3 构造模糊关系评判矩阵

首先，对评价指标体系中每一层的各个元素进行单因素评价。评价方法的分类很多，按照评价与所使用信息特征的关系，可分为基于数据的评价、基于模型的评价、基于专家知识的评价以及基于数据、模型、专家知识的评价。根据各评价方法所依据的理论基础，这里把综合评价方法大体分为3大类：专家评价方法、运筹学与其他数学方法、混合方法。

然后，通过对评价结果的整理、统计，即可得到单因素模糊评判矩阵。其中，m为评价指标集U中元素的个数，n为评价集V中元素的个数。R就是指标集U到评价集V的一个模糊关系，表示指标ui对抉择等级vj的隶属度。

本模型的评语共分5个等级。具体的评价集为：V=（v1，v2，v3，v4，v5）=（非常满意，满意，一般，不满意，非常不满意），且每个评价等级与相应的判断尺度对应，具体见表1。

最后，将加权系数矩阵与模糊关系矩阵合成，分别得到技术性和经济性因素的模糊综合评判结果矩阵。

表1 评价等级尺度

3 应用分析

大庆油田外围某区块储层类型为砂砾岩储层，储层具有低压、低孔、低渗的特性，主力气层压力系数1.0左右，孔隙类型以粒间孔、溶孔和裂缝型为主，孔隙度一般为2%～5%，渗透率0.040×10-3～2.574×10-3μm2，为低孔低渗致密储层。地层总体上比较稳定，在深层不同层位存在致密砂岩、砂砾岩、火山岩、花岗岩及变质岩风化壳等5大类储层。储层的主要损害方式为敏感性矿物的水敏性损害、近井壁处的固相损害和水锁损害，钻井压差、钻井液滤失量、储层浸泡时间及滤液性质是储层损害的主要影响因素。实钻井试井资料表明，该区块地层岩石可钻性差，研磨性强，硬度高，地层压力系数较低，地层稳定性较好；完井测井解释、试油结果表明，上部地层没有出水记录。

结合该区块的动静态资料和现场专家意见，给出了气体钻井、泡沫钻井和充气钻井对每一项评价因素的模糊关系综合评判（见表2）。

表2 大庆外围某区块欠平衡钻井模糊关系综合评判

由表2可以看出，第2层技术必要性的模糊关系矩阵为

由图1可知，技术必要性的3个参数的加权系数矩阵为A11=（0.4，0.3，0.3），将加权系数矩阵与模糊关系矩阵合成B11=A11·R11，同理可求得B12，B21，B22，B1，B2。最后对主准则层进行评判：

B=A·R=（0.749，0.682，0.685） （3）

由式（3）计算结果可知，在该地区应用欠平衡钻井时，选择气体钻井方式的成功率和经济技术效益最好，其次为充气钻井、泡沫钻井。

目前在该地区已经完钻的XS1，XS6，XS5等9口欠平衡井，二开井段几乎都应用气体钻井，效果良好，机械钻速比钻井液钻井高2～8倍，井下复杂情况减少，钻井周期缩短，钻井成本节约；在三开井段试验性地实施了气体钻井，遇到地层出水量较大后改为充气钻井或钻井液钻井，所钻9口井的工业气流产量很高。这说明模型评价结果与实际符合率较高。

4 结论

1）欠平衡钻井工程是一项复杂的系统工程，涉及的因素多，且具有模糊性，利用模糊综合评价法研究欠平衡钻井方式的优选是十分必要的，也是可行的。

2）必须根据研究区块具体的资料情况，在充分考虑欠平衡钻井技术应用诸多影响因素的基础上，分层次进行模糊评判。

3）利用模糊综合评价模型对优选欠平衡钻井方式进行量化，克服了以往凭主观认识进行定性判断的不足，真正实现了科学优化选择。

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（编辑 赵卫红）

Optimization of underbalanced drilling based on fuzzy comprehensive evaluation methods

Bi Xueliang1,Zhang Nan1,Chen Xun1,Zhao Yingnan2,Du Jieyu3,Li Zijian4
(1.MOE Key Laboratory of Enhanced Oil Recovery,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China;2.Downhole Operation Company,Daqing Oilfield Company Ltd.,PetroChina,Daqing 163453,China;3.No.4 Oil Production Plant,Huabei Oilfield Company,PetroChina,Renqiu 062552,China;4.College of Petroleum Engineering,Northeast Petroleum University, Daqing 163318,China)

Underbalanced drilling is the drilling technology to improve rate of penetration,discover and protect reservoir.However, it is also the system engineering with tremendous investment.Before performing underbalanced drilling,the applicability screening of different underbalanced drilling methods can increase the success and economic benefit,and effectively avoid investment risk. Based on the advantages and disadvantages of different underbalanced drilling methods,morn than ten technical and economic parameters have been selected as evaluation indexes which can be quantified according to membership function.The simple fuzzy comprehensive evaluation model of steam underbalanced drilling has been built with introduction of weight fuzzy evaluation computational model.The model overcomes the shortcomings of subjective qualitative evaluation of sorting criteria and has been successfully applied in the peripheral area of Daqing Oilfield.The evaluation results of model are in good agreement with field situation.

underbalanced drilling;fuzzy comprehensive evaluation;optimization;analytic hierarchy process

国家科技重大专项课题“钻井工程设计与工艺软件”（2011ZX05021-006）

TE21

：A

10.6056/dkyqt201501026

2014-06-06；改回日期：2014-11-18。

毕雪亮，男，1971年生，教授，硕士生导师，SPE会员，中国石油学会会员，1991年获大庆石油学院钻井工程专业工学学士学位，1998年获大庆石油学院油气井工程专业工学硕士学位，2008年获大庆石油学院油气井工程专业工学博士学位，主要从事油气井工程技术的科研和教学工作。E-mail：bixl@163.com。

毕雪亮，张楠，陈勋，等.基于模糊综合评判法的欠平衡钻井方式优选［J］.断块油气田，2015，22（1）：116-119.

Bi Xueliang，Zhang Nan，Chen Xun，et al.Optimization of underbalanced drilling based on fuzzy comprehensive evaluation methods［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2015，22（1）：116-119.