一种基于系统思维的海上油气田完井管柱设计方法

孟召兰，车争安，沈小军，李晓蕾，徐华翔

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司钻采工程研究院，天津 300459）



一种基于系统思维的海上油气田完井管柱设计方法

孟召兰，车争安，沈小军，李晓蕾，徐华翔

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司钻采工程研究院，天津 300459）

摘 要：为了降低设计工程师技术水平参差不齐对技术方案的质量影响，通过多年来对海上油气田完井工程方案编制的总结与提炼，建立了一套“从油气藏基础条件出发，分析功能需求，优化工艺方式，明确上下游专业界面要求，多轮次方案讨论，形成优化方案”的系统性设计方法。该方法有助于设计师形成“自下而上”层层推进的思维模式，不缺不漏、全面高效地完成方案编制工作。

关键词：海上油气田；完井工程；设计；方法

海上油气田开发是一个大的系统工程，油藏工程、钻井工程、完井工程、采油工程和海洋工程做为其子系统，既相互制约，又相互配合，协同实现“高效开发”的共同目标。随着专业的精细化划分，海洋油气田开发地质油气藏专业和海洋工程专业均形成了较为成熟的设计策略与技术[1-4]，而海上完井工程专业鲜有系统的设计方法和技术分享，从事该专业的设计工程师们往往局限于自身专业环境，存在忽略分项与全局配合的意识倾向，形成的技术方案往往出现顾此失彼、不能兼顾各专业要求、技术界面不能衔接等问题。本文以系统思维的整体观为工作思维方法，以海上油气井完井管柱设计为对象，把制定最优化的设计方案转化为以油气藏基本条件为基础，满足各专业约束条件下的求解过程。通过梳理海洋完井设计思维模式及工作流程，对提高完井工程方案设计的系统性具有一定的引导作用。

1 整体性认识完井工程的作用

海上油气田完井方案设计，是一项以油气田地质研究、油气工程方案为基础和依据，基于钻井工程所形成的井眼轨迹和井身结构，综合考虑多专业因素，实现高效采油气所需要的生产管柱功能设计的综合性技术工作。将海洋五大工程相互关联以图1展示，从海洋油气田开发全过程中，完井工程是油气田系统开发中重要组成部分，向上承接了油气田油藏工程开发要求，横向衔接油气井钻井工程，向下作为采油（气）工程高产稳产的实现形式，也是海洋工程功能设计的服务对象。各个工程专业之间既相对独立，又相互制约。因此，完井设计水平的高低，对油气田开发能否达到预期目标具有决定性影响。

图1 海上油气田开发工程关联图

2 功能需求分析

功能分析，需要设计者以油藏工程方案为对象，分析油气藏特征，预测油气田开发将要面临的工程问题，是“系统性设计”的逻辑起始点。通常油气田功能性需求从以下几个方面进行分析：

（1）储层温压系统：异常温压系统储层，预示着举升方式的选择（自喷还是人工举升）、达到储层保护目的完井液密度设计、入井工具的耐压耐温等级等方面的考虑；

（2）油气藏构造类型：断块型油气藏，常出现天然地层能量下降快、边界供给压力不足的问题。因此，在人工举升设计举升能力时，需要附加有效扬程的安全余量，安全余量的取值大小可根据油气藏注采方案以及单井开发年限综合确定；

（3）油气藏流体性质：包括原油的黏度、油气比、含蜡量、凝固点等，该类原油特征隐含了在油气生产过程中将要出现的流动性问题，设计工程师需要预测问题出现的临界条件，如井下温度、压力以及井筒深度，以便在完井管柱设计时预防性的安装功能工具或优选工艺措施；

（4）油层物理特征：包括油气藏有效渗透率、埋深、岩石颗粒胶结物等，该类数据反映了储层的致密程度，是判断油气井是否存在出砂风险，以及是否需要考虑压裂等增产措施的关键参数。

3 管柱功能配置与优化

3.1 功能配置与优化原则

这一环节的目的是将需求分析确定的完井功能需求转化为更为清晰的实现方式。设计师必须清楚需要做什么，做到什么程度，有哪些工程限制因素[5]。前面我们理清了海洋油气田开发几大工程间的相互关系，在进行完井工程设计时，完井工程设计功能配置需遵循几项基本原则：

第一项原则，界定管柱基本功能。首先明确油气藏工程对目标井的功能定义，如产出井（包括油井、油气井、水源井）或注入井（包括注水井、注聚井、注气井），一旦确定了井别，也就确定了完井管柱大的功能设计类型；

第二项原则，整体性原则。要求在设计完井工程方案时应将一口井涉及到的油气藏、钻井、生产以及平台环境作为一个系统进行考虑，建立全盘考虑问题的思维模式，提前预判，制定具有预防性的可实施方案；

第三项原则，动态性原则。完井方案的制定应随着时间的发展不断改进，因时而变、因事而变、因需求而变。

3.2 功能设计内容

油水井完井管柱设计应考虑以下因素[6-8]：（1）满足生产过程中流量、压力、温度以及井下管柱受力、密封等方面的要求；（2）具有防止突发井喷的安全设施，如井下安全阀、油套环空封隔器；（3）具有动态监测井下压力、温度的能力；（4）具有井筒流动安全保障的能力，如防砂、防蜡、防腐、防垢、防盐、洗井、冲洗、冲砂、解堵等；（5）具备压裂、酸化改造地层，开展增产措施的能力。为了避免在设计过程中，对各要素的遗漏，顾此失彼，特形成方案设计逻辑思维路径，如图2所示。

图2 完井管柱设计逻辑思维路径

油气藏基本特征是管柱设计的基础和功能来源。油气藏的构造特点、温压系数、流体性质等隐含了开发过程中可能出现的问题。比如，储层的温度高低关系到井下工具的耐温等级，如射孔弹的火药类型，封隔器耐温等级（主要是密封橡胶部件），电潜泵以及电缆耐温等级以及入井的各种液体的老化时间；储层的压力系数，尤其是衰竭油气田低压系数时，预示着设计者需要关注储层在钻完井作业时的漏失情况，打开储层后井内工作液是否选用暂堵型、低密度完井液（如泡沫型完井液），降低完井作业环节的井筒漏失风险，完井管柱则需要考虑防漏失工具的选用。为了较为直观的表述这个过程，建立各因素系统性逻辑关系如图3所示。

管柱功能性实现形式的优化过程分为5个环节，如图4和图5所示。以完井工具的选型及优化为例，第一环节是油气藏特征分析，其目的是落实储层开发条件，掌握原油性质；第二环节明确完井功能需求，提出目标油气藏需要解决的井筒开发难题，如高含蜡原油，则相应的面临生产管柱析蜡堵塞的难题；第三个环节是寻求解决手段，在众多的石油工具中寻找可以提供该项完井功能的工具，诸如，针对有析蜡风险的井，可以选择机械式的防蜡防垢器，也可以采用热动力学原理通过注入化学药剂来降低蜡晶的聚集；第四个环节需要进行方案的论证，这是工具优选的核心，优选的程度和深度是工程师考虑因素全面与否与关键与否的体现。在此过程中，考虑的因素包括上下游专业的工程限制条件、待选完井工具实施时需配套条件的成本、成熟度等因素。以防蜡防垢系统的优选为例，通过前三个环节，确定可以选择井筒内注化学药剂、管柱中安装防蜡防垢器等多种解决方案，在进行优选时，可以通过考虑海上生产平台是否有化学药剂注入系统，防蜡防垢器的市场供货渠道是否广泛、功能是否可靠，目标井套管尺寸是否有足够的空间安装防蜡防垢器等这些次要限制因素来剔除不能实施的防蜡防垢方案；第五环节技术方案审核，经过企业内部各层级的技术方案讨论、审查、反馈以及修改完善之后，最终形成一份阶段性的最优技术方案。该方案既满足了油气藏开发的需求，又兼顾了实施过程中专业与专业之间的相互制约因素，获得了系统的全局利益最大化，其经济性、科学合理性也得到了保证，达到了油田开发目标，形成了一个闭路链接。

图3 油气藏特征影响完井管柱功能设计关系图

同时，在这个环状流程的背后，还隐藏着时间因素。随着时间的推移，以上5个环节的关键性因素、解决手段甚至系统工程的目的都会发生变化，此时，各工作环节的内容都要因时而变。

3.3 人工举升设计

人工举升设计是完井工程设计中的核心之一，它是完井工程实现油气藏单井配产产量的手段。在方案编制时，选择哪种人工举升方式，需要考虑多重因素，其中关键因素是油气藏特征基础和单井预测产能。地层流体中油、气和水三相的含量可以影响不同举升方式的工作效率，限定适用性，诸如，在高油气比的油井中，气举采油相比于电潜泵类采油方式更能充分利用地层能量，且举升效率也高；地层压力预测数据直接决定了油气藏动态节点分析中的动液面深度，可以预测地层的供液能力和所需要的举升扬程，决定了补充能量的多少。优选举升方式，其方法包括优缺点罗列法、经济成本对比法和实施难易对比法等。优选的过程，就是不断的兼顾各次要因素，以及由此带来的成本分析的过程。人工举升方式优选系统流程见图6。

图4 完井工具选型及优化系统逻辑图示

图5 油管尺寸优选系统逻辑图示

4 设计质量控制流程

基于“PDCA”持续改进的质量控制管理模型，建立了海上油气田技术方案编制工作流程模型。高效的流程设计是确保设计方案保质、保量完成的重要质控形式，其工作节点应高度贴合企业自身的质控手段和程序[9]，完井工程方案编制工作及审批流程如图7。

图6 人工举升方式优选系统逻辑图示

图7 海上油气藏井完井工程方案编制工作流程图示

5 结束语

系统化思维，是一种高效的方案设计逻辑模式，抓住逻辑的出发点和关键路径，建立一套考量多重影响因素的设计方法，可以让诸多工程因素和环节按系统要求层次性地加以考虑，使得工程师高效整合资源。把系统思维的逻辑方法应用于我国海上油气井的完井工程设计工作，将有效提高设计方案的全面性与可行性。

参考文献：

[1]陈伟，孙福街，朱国金，等.海上油气田开发前期研究地质油藏方案设计策略和技术[J].中国海上油气，2013，25（6）：48-55.

[2]朱江．海洋石油开发工程前期研究的工作流程探讨[J].中国海上油气（工程），2002，14（2）：17-19.

[3]李平政，尤钊瑛．海洋石油工程设计的质量管理[J].石油工业技术监督，2003（11）：5-7.

[4]叶吉华，刘正礼，罗俊丰．深水钻井设计的技术流程与工作方法[J].中国海上油气，2014，26（3）：93-97+118.

[5]曾超．系统工程设计流程研究[J]. 科技信息，2011（24）：781-782.

[6]中海油能源发展股份有限公司企业标准．Q/HSHF ZC202—2014钻井、完井基本设计编制规范[S]．2014．

[7]中国海洋石油总公司企业标准．Q/HS 14013—2012钻井、完井基本设计编制指南[S]．2012．

[8]中国海洋石油总公司企业标准．Q/HS 14001—2010海上油气田调整井钻完井基本设计指南[S]．2011．

[9]檀朝东，檀朝琴，吴丽烽，等．基于协同设计的采油工程方案编制平台研究[J]. 中国石油和化工．2013（3）：57-59.

A Design Method for Offshore Oil and Gas Well Completion Pipe String Based on Systematic Thoughts

MENG Zhaolan, CHE Zheng’an, SHEN Xiaojun, LI Xiaolei, XU Huaxiang
（Drilling & Production Research Institute of CNOOC EnerTech, Tianjin 300452, China）

Abstract：In order to reduce the influence on the quality of technical solutions due to the difference in the technical level of design engineers, through summary and refinement on offshore engineering program for oil and gas well completion, a set of systemic design method has been set up. The design method is as follows: on the basis of reservoir conditions, analyze the functional requirements, optimize completion process, make clear about professional interface requirements, discuss about scheme for several rounds and optimize the scheme. This method is helpful to the design engineer to promote the thinking mode of "bottom-up" layer by layer, not missing， and also helpful to efficient completion of program design.

Keywords：offshore oil and gas field； well completion； design； method

中图分类号：TE257

文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.1008-2336.2016.01.078

文章编号：1008-2336（2016）01-0078-05

收稿日期：2015-12-17；改回日期：2016-01-07

第一作者简介：孟召兰，女，1985年生，工程师，毕业于中国石油大学（华东）石油工程专业，从事海上油气井完井工程方案编制及科研工作。E-mail: mengzhl@cnooc.com.cn。