浅谈钻前设计优化技术的理论与实践

刘明艳 刘永杰 罗康健

红有软件股份有限公司 新疆 克拉玛依 834000

钻井优化是科学钻井的重要标志之一，它是应用最优化理论和技术寻求使钻井速度最快、钻井成本最低的钻井参数、工具、工艺、技术、措施等[1]。对一口井全过程进行最优化处理，称为全局最优化；对一口井的某一过程进行最优化处理，称为局部最优化；对钻井过程的某些参数进行最优化处理，称为钻参优化。钻参优化是应用优化理论分析影响钻井速度的因素，建立钻速方程，钻头磨损方程，钻井成本方程（目标函数），在此基础上确定相应的约束条件，用最优化方法确定达到最优化目标的解向量，即最优化钻井参数和技术措施。

1 钻井优化的主要目的

钻井优化的主要目的是在极值条件和约束条件，最优化数学方法，求解钻井成本最低的一组最优钻压、转速和钻头磨损量[2]。以寻求钻井速度最快、钻井成本最低的钻井参数、工具、工艺、技术、措施，以最低的成本钻出高质量的井眼。（1）降低生产时间（提高机速、提高趟钻进尺、提高油层钻遇率、优选工具、优化工艺、优化技术措施等）；（2）降低非生产时间（降低井下复杂事故损失时间、降低设备工具维修时间）；（3）控制生产成本（优选设备及工具、泥浆体系、优化工艺流程、缩短生产/非生产时间等）。

2 钻井优化分析的特点

（1）钻井优化分析的特点就是通过建立若干数学理论模型，包括修正杨格钻速方程、改进的修正杨格钻速方程、计算机仿真方法、修正的软杆模型、水力载荷模型、井筒清洁模型、环空返速模型等，或把经验、测量与理论计算结合起来，反映钻井中的客观规律，及寻找最优钻井参数和工艺技术。

（2）利用大数据分析技术，通过软件算法理论模拟计算+数据分析模型+机器学习（理论+实践+智能专家），实现单位进尺成本最低。对钻井大数据进行处理，建立贝叶斯、聚类分析、标准差、EMA指数波动平均值、箱线图等数据分析模型，优化最优机速、最低机械比能钻井参数、工具、钻具组合，及监测井下风险等。形成“钻前设计优化、钻中实时优化分析、钻后单井分析及区块分析”的钻井持续优化闭[3]。

3 钻井优化分析分类

（1）按照钻井过程环节分类，包括钻前设计优化、钻中实时优化、钻后单井分析优化；按照钻井主要技术方向分类力学载荷分析优化水力载荷分析优化井眼清洁分析优化钻井参数分析优化[4]。

（2）钻井优化分析具体内容有地质构造分析、地质力学分析、地质分层及岩性分析、岩石力学分析等；随钻测井分析、可钻性指数（DC指数）分析、工具震动分析、关键指标（KPI）分析、非作业时间（NPT）分析、钻井工具分析、技术指标分析、钻井液分析、复杂事故分析等；摩阻扭矩、钻井液的当量循环密度（ECD）、立压、钻柱屈曲、最大钻压、井眼清洁循环时间、井眼清洁、钻井参数、钻具组合、钻井液性能、井身结构、井眼轨迹、钻头选型、下套管分析优化、固井技术优化、工艺技术优化等。

3.1 钻井设计优化

只有做好了钻井工程设计工作，才能够保障组织生产、技术协作以及单井预算、决算等工作的顺利开展。同时，油气井的安全性能、使用寿命以及生产成本等也都深受钻井工程设计的影响。钻井工程设计优化的主要内容之一是井身结构的设计优化。井身结构的设计优化不但关系着钻井工程的施工安全性，更关系着钻井效益。只有对井身结构进行科学合理的设计，才能够多避免及减少在钻井施工过程中出现漏、喷、塌、卡等问题，从而保证钻井作业的顺利完成及尽可能地减少钻井成本。

3.2 地质分析

（1）所需资料搜集：地质分析（区域构造分析、地质分层及岩性、岩石力学分析、地质力学分析）；邻井分析（钻井参数、钻头分析、钻具组合分析、钻井液性能分析、KPI分析、NPT分析、非必要生产时间分析、DC指数等）；优化方案（设备、钻参、钻具组合、工具、钻井液性能、井身结构、井眼轨迹、钻头选型、下套管优化分析、完井技术、固井技术优化、重点工艺技术、时效管理措施等优化）。

（2）目标邻井资料：井史资料包，录井数据及总结，地质录井资料及报告，测井数据及解释报告，其他各类相关的技术或总结报告（包括但不限于复杂事故报告，地层测试报告、中途测试等）。

（3）地质力学建模所需资料：地质设计，工程设计，目标邻井资料（地质力学建模目标井），以及地质力学建模目标井的岩心数据（岩石力学参数，密度）、地层压力、试油资料、压裂资料等。

（4）根据区块地理位置图，井位部署图进行区域构造分析，褶皱（类别：背斜、向斜、鼻状、单斜；目的：地层倾角、倾向、走向，地层下降、抬升，超覆尖灭、地层压力分析等），断层（类别：正断层、逆断层、平移断层；目的研究断层走向、水平应力方向、裂缝、节理、地层下降、抬升）。

（5）地质分层及岩性分析：标志层岩性卡层（不整合面、复杂地层、着陆等），特殊岩性（水敏性、层理、破碎带、可钻性、裂缝孔洞）。

（6）岩石力学分析：岩块的单轴抗压强度（UCS）、三轴抗压强度（CCS）、弹性力学参数（杨氏模量、泊松比、剪切模量等）、硬度、研磨性，再进行性等分析，目的是机械比能值（MSE）钻参优化，地质力学建模，可钻性评估，钻头选型，见表1。

表1 岩石硬度对应表

3.3 地质力学建模及分析

选择距离近、相似度高的邻井，使用其电测数据、电测解释、地质资料、录井资料、工程资料、压裂资料、试油资料等；选择距离近、资料全面的探井，使用其电测数据、电测解释、地层压力测试、地质资料、录井资料、工程资料、岩心试验资料等）；选择周围一圈距离近同一构造或断块内的邻井，使用其地质录井资料、工程资料进行地质力学建模。

3.4 邻井分析

（1）邻井选择同一构造内、距离近、井型类似、开发层位一致的邻井进行周期指标分析、机速、趟钻进尺主控因素分析、钻井液体系和关键性能指标分析、时效分析、对井下复杂事故进行专项分析。

（2）周期指标分析：分开次分井段统计分析钻井周期指标，中完及完井作业时间指标，分析指标曲线异常及井间指标差异背后原因（钻头、工具、钻具组合、钻参、钻井液性能、工艺、时效分析等），作为技术、工艺优化及时效管控等的重要指导方向。

（3）机速、趟钻进尺主控因素分析（钻头、工具、钻具组合、钻参分析等）：同一条件下，分开次/分井段，分别对钻头、钻具组合、钻参、钻井液体系性能等进行统计分析，优选出机速、趟钻进尺指标表现优异的相关钻头、钻具组合、工具、钻参等。

（4）钻井液体系和关键性能指标分析：主要统计钻井液体系和关键性能指标，与复杂事故发生之间概率关系，作为钻井液体系和性能优化的方向性指导。

（5）时效分析：寻找共性问题，非必要生产时间，占比较大的非生产时间类型，包括总时效分析、生产时效分析、非生产时间分析，对钻机修理（检修泵、顶驱、循环系统等）、定向修理（定向仪器故障、检修更换定向仪器等）、井下复杂（井壁失稳、缩径、轨迹问题、井筒清洁问题、井漏、溢流、钻头泥包、堵水眼等）、井下事故（粘卡、坍塌卡钻、砂桥卡住、缩径卡钻、键槽卡钻、填井侧钻、断钻具等）全面分析，找出共性问题及占比较大的非生产时间类型，以及背后的原因分析（人员、设备、工艺、参数、钻井液、钻具组合、钻头、工具、组织管理）；非必要生产时间分析。非必要短期下钻、非必要通井和组织管理问题等。

3.5 优化方案

3.5.1 地质力学建模成果分析

压力系数、坍塌压力、漏失压力描述四压力曲线分析，当量密度安全窗口确定钻进ECD、抽吸ECD。

3.5.2 井身结构优化

根据地质力学建模结果，四压力曲线，优化井身结构的套管尺寸及套管下深，说明套管下入层位原因，及井眼尺寸、套管结构优化的原因。

3.5.3 井眼轨迹优化

分析井斜方位对坍塌压力和漏失压力影响规律，优化易坍塌井段和易漏失井段的方位和井斜，根据靶点/防碰等要求，进行轨迹优化/绕障优化段制、造斜点、井斜、方位、狗腿、偏移距等；根据钻进的摩阻扭矩模拟情况，以及下套管模拟情况，进行轨迹优化段制、造斜点、狗腿。

3.5.4 分开次、分井段钻井液体系及性能优选

分开次、分井段，借助中坍塌风险边界曲线，先确定密度最低值，借助漏失压力曲线（最小水平主应力曲线），求解薄弱点钻进ECD或钻进时的环空ECD≤薄弱点漏失压力，对应的钻井液密度，取其最小值作为本开次最高的钻井液密度值。

3.5.5 钻头优选

根据邻井钻头统计结果和岩石抗压强度、硬度、研磨性，以及岩性特点优选钻头。优选钻头。优选原则：一般地层，选择邻井机速和趟钻进尺表现好的钻头；特殊地层（可钻性差、机速和趟钻进尺表现普遍较差的地层），分析岩性特点，根据岩石硬度、研磨性级别优选钻头；探井，可参考井少，分析其地层岩性特点，根据岩石硬度、研磨性级别优选钻头；根据不同目的，优选不同结构类型的钻头。

3.5.6 分井段钻具组合优化

一般情况下，优先推荐旋导（优选Baker/SLB等）或旋导+大扭矩直螺杆，其次为螺杆钻具组合。邻井统计分析，同等条件下，按照轨迹控制目的，优选螺杆钻具组合（直井段防斜，造斜段造斜能力，水平段稳斜能力及轨迹控制能力）。根据提速需要，优选特殊工具（旋导、垂钻工具、振荡螺杆、水力振荡器、扭冲工具、近钻头方位伽马电阻率、震击器等）。提高工具面稳定及改善托压，以缓解钻柱螺旋屈曲为目的，优化钻具组合及钻具尺寸，控制ECD为目的，优化钻杆尺寸。

3.5.7 分井段、分地层钻进参数优化

邻井分析，同等条件下，优选机速、趟钻进尺和轨迹控制表现好的机械参数范围（钻压、钻速）。钻头、工具推荐最大参数范围内，强化机械参数和水力参数（属于实时优化，作为设计钻参优化里的一个手段方法），泥岩及研磨性低的地层，做地层机速敏感性试验，优选机械参数，砂砾岩，研磨性强的地层，监测分析MSE，优选MSE接近CCS的机械参数，优选水力参数（排量、钻头比水功率），依据环空返速初选排量（小斜度及以上井段0.5～1.2m，大斜度及以下井段0.8～1.2m），上部松软地层及褐色泥岩地层，优选比水功率≥2Hp/in2，分析ECD、分析立压，最终优选排量和比水功率。

3.5.8 分开次完井作业优化

通井工艺技术优化（倒划眼起钻、通井节点及次数、通井钻具组合、扶正器选择、短起下钻、井筒清洁循环时间、循环及划眼参数等）优选下套管方式。借助专业钻井软件模拟分析评估下套管摩阻系数fmax（常规法最大允许下套管摩阻系数），根据统计获得该区块类似井实际平均下套管摩阻系数f实际（作为参考），如f实际≤fmax，意味着常规法下套管问题不大，f实际＞fmax，意味着常规法下套管存在问题，需要从轨迹/钻井液体系/井眼尺寸/水平段长等方面进行优化，或选择漂浮/旋转/漂浮+旋转下套管（对漂浮下套管进行最大允许摩阻系数分析，对旋转下套管扭矩进行模拟分析）。优选下套管工具，套管扶正器，及优化引鞋管柱，优化固井工艺技术。根据漏失压力，优化固井排量（塞流固井），双级密度固井，分级固井等，井下复杂事故预防措施（井漏、井壁失稳、粘卡）。

4 结束语

钻井工程设计优化措施通常会涉及业主设计、专业组织设计以及二者之间的协作设计。其中，业主设计在各个模式之下所涉及的内容、深度以及调整量之间都具有极为紧密的关联，并且设计者人数以及类型之间也有所不同。多数情况下，并行合同等项目工作的集成性越低，那么所牵涉的设计内容越多，优化与调整的内容以及设计者数量配置也就越多。