崔 猛,翟應(yīng)虎,程榮超

(1.中國石油大學(xué)石油工程教育部重點實驗室,北京 102249;2.中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院,北京 100195)

多井信息綜合對比分析方法及其應(yīng)用

崔 猛1,2,翟應(yīng)虎1,程榮超2

(1.中國石油大學(xué)石油工程教育部重點實驗室,北京 102249;2.中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院,北京 100195)

針對目前鉆井信息管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)挖掘不夠和缺乏技術(shù)方案推薦等不足,以各油田井史及測、錄井資料為數(shù)據(jù)庫設(shè)計基礎(chǔ),采用交互式多井信息圖形對比及數(shù)據(jù)多維統(tǒng)計分析方式,提出基于多井信息綜合對比分析的鉆井優(yōu)化方法,并將其應(yīng)用于新一代分布式多井信息管理系統(tǒng);參考井優(yōu)選以地層及壓力差別分析結(jié)果為基礎(chǔ),井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計采用事故因子、復(fù)雜因子、井徑擴(kuò)大率因子及套管下深算法,鉆頭及鉆井參數(shù)最優(yōu)化采用 Jacobi迭代法。結(jié)果表明,多井信息綜合對比方法能為鉆前設(shè)計和鉆后分析提供理論與技術(shù)支持,在新疆油田的實際應(yīng)用驗證了其可行性和有效性。

鉆井信息;鉆井優(yōu)化;多井;綜合對比

鉆井工程是一項涉及多個學(xué)科領(lǐng)域的系統(tǒng)工程,每鉆完一口井都會獲取大量的技術(shù)資料信息,且同區(qū)塊的鉆井信息具有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。因此,準(zhǔn)確、實時、高效地獲取已完鉆井的井史、錄井、測井資料數(shù)據(jù)并對這些數(shù)據(jù)深度挖掘,是提高鉆井技術(shù)決策的科學(xué)性、優(yōu)化鉆井設(shè)計方案、預(yù)防并排除事故隱患的重要手段。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析方法對數(shù)據(jù)分析挖掘不夠,僅限于數(shù)據(jù)查詢及統(tǒng)計分析,且無法進(jìn)行技術(shù)方案推薦。筆者在分析目前鉆井信息管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,提出新一代鉆井優(yōu)化方法——“多井信息綜合對比分析”。該方法通過大量的數(shù)據(jù)挖掘工作,能夠?qū)崿F(xiàn)對鉆井?dāng)?shù)據(jù)的多維統(tǒng)計分析,并結(jié)合相應(yīng)的分析算法,推薦井身結(jié)構(gòu)、鉆頭等優(yōu)化方案。

1 方法原理及步驟

多井信息綜合對比分析方法以同區(qū)塊多口井的井史、錄井、測井資料為基礎(chǔ),以數(shù)據(jù)庫中同區(qū)塊內(nèi)與分析井的地層分層及地層壓力預(yù)測值相近的井作為參考井系列,對多口井鉆井相關(guān)數(shù)據(jù) (包括鉆井指標(biāo)、時效、鉆頭指標(biāo)、復(fù)雜與事故、材料、鉆井隊、井口數(shù)等)進(jìn)行對比分析。然后,設(shè)計并開發(fā)相應(yīng)算法,推薦分析井的井身結(jié)構(gòu)、鉆頭、鉆井參數(shù)等,從而為分析井提供優(yōu)化鉆井技術(shù)方案。

1.1 參考井確定算法

(1)構(gòu)建分析井及參照系列井的地層及壓力數(shù)據(jù)表,包括油田名稱、區(qū)塊名稱、地層名稱及其頂界深度和底界深度、地層壓力系數(shù)等。

(2)根據(jù)分析井地層與壓力數(shù)據(jù),分別與參照系列井中每口井相同層位的地層進(jìn)行對比,計算其地層深度差別與地層壓力差別。

令分析井與參照系列井中某口井具有相同的一個層位,X,Y分別為分析井該層位的頂界深度和厚度,M,N分別為參考井該層位的頂界深度和厚度,地層深度差別為 H,則

令 Z,W分別為分析井該層位底界壓力系數(shù)和深度增加 1 m后的壓力系數(shù),K,S分別為參考井該層位底界壓力系數(shù)和深度增加 1 m后的壓力系數(shù),地層壓力差為 P,則

(3)在同區(qū)塊中,取 Dc較小的前若干口井作為參考井,即

確定參考井是優(yōu)化方案推薦的基礎(chǔ),對已確定的參考井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析并結(jié)合相應(yīng)算法可對井身結(jié)構(gòu)、鉆頭及鉆井參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選推薦。

1.2 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)選算法

(1)根據(jù)已確定的若干口參考井,再結(jié)合每口井計算得出的事故因子、復(fù)雜因子、井徑擴(kuò)大率因子,最終確定可作為井身結(jié)構(gòu)優(yōu)選設(shè)計的參考井。

令事故因子為A,事故發(fā)生次數(shù)為 O,損失時間為 P(天 ),則

令復(fù)雜因子為 B,復(fù)雜發(fā)生次數(shù)為 Q,則

令井徑擴(kuò)大率因子為 C,平均井徑為 Dw,鉆頭直徑為 Db,則

(2)取 Gc值最小的井作為井身結(jié)構(gòu)優(yōu)選的參考井,即

Gcmin=A+B+C.(3)通過確定的參考井地質(zhì)數(shù)據(jù)及工程數(shù)據(jù)進(jìn)行井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,確定套管層次和每層套管的下入深度。套管下入深度確定方法[5]如下:

為了保證套管鞋處裸眼井段不被壓裂,通過計算地層破裂壓力梯度ρf確定中間套管下入深度。不發(fā)生井涌時,有

式中,ρpmax為設(shè)計井段最大地層孔隙壓力當(dāng)量密度,g/cm3;Sb為抽吸壓力允許值,g/cm3;Sg為激動壓力允許值,g/cm3;Sf為地層壓裂安全增值,g/cm3。

通過參考井所在地區(qū)的地層壓力和地層破裂壓力剖面圖,用試算法找出對應(yīng)的下入點深度。當(dāng)發(fā)生井涌時,有

式中,Hpmax為設(shè)計井段最大地層孔隙壓力點對應(yīng)的深度,m;Hni為套管下入深度點,m;Sk為井涌允許量,g/cm3。

若中間套管下深淺于初選點,則需下入尾管。尾管下入深度利用下式試算:

式中,ρpper為尾管下入井段最大地層孔隙壓力,g/cm3;Hi為套管下深,m;Hi+1為尾管下入到初始點深度,m。

表層套管下入深度由下式計算:

式中,ρfE為井涌時表層套管承受的壓力當(dāng)量密度,g/cm3;ρp為中間套管 Hi處的地層當(dāng)量密度,g/cm3;Hi-1為表層套管下深,m。

1.3 鉆頭及鉆井參數(shù)優(yōu)選算法

(1)根據(jù)分析井中某層位,到參照井中找出相應(yīng)層位。根據(jù)鉆頭下入井深和終止井深判斷屬于該層位的所有鉆頭。滿足①H1≥H3&H1≤H4,②H2≥H3&H2≤H4,③H1＜H3&H2＞H4(式中,H1為下入井深,m;H2為終止井深,m;H3為層位頂界深度,m;H4層位底界深度,m)中任意一個關(guān)系式,均納入屬于這個層位的鉆頭系列。

(2)令 T為參考井中所有同層位的每種鉆頭型號的鉆頭匯總,則

其中,映射 f為滿足第 1步中關(guān)系式中的任意一個。

根據(jù)當(dāng)前的分析層位,找出系列井中所有通過該層位的鉆頭,并按型號匯總,作為推薦的鉆頭系列。

(3)通過確定鉆井影響因素 (包括鉆壓、轉(zhuǎn)速、排量等參數(shù))及計算得出鉆頭的優(yōu)選指標(biāo) (包括鉆頭進(jìn)尺、機(jī)械鉆速、成本、機(jī)械比能等),根據(jù) Jacobi迭代原則,計算出每個影響鉆頭因素的系數(shù),最終優(yōu)選出滿足條件的鉆頭。具體算法如下:

設(shè)有矩陣滿足條件

FX=b. (2)式中,F為鉆頭影響因素矩陣;X為單個鉆頭的系數(shù)矩陣;b為單個鉆頭優(yōu)選指標(biāo)矩陣。

令一種型號的鉆頭在參考井中同一個層位使用數(shù)量為 n,優(yōu)選參數(shù)為機(jī)械鉆速,方程組表示為

選取單只鉆頭系數(shù)初始矩陣,代入式 (2)進(jìn)行迭代,設(shè)誤差精度為ε,最終得到單只鉆頭的綜合系數(shù)矩陣,包括鉆速、進(jìn)尺、成本及機(jī)械比能優(yōu)選指標(biāo)對應(yīng)的系數(shù)矩陣,即

根據(jù)式 (2),矩陣 F取單只鉆頭每個影響因素的平均值,計算出單個鉆頭優(yōu)選指標(biāo),即

式中,b1為鉆速,m/h;b2為鉆頭進(jìn)尺,m;b3為鉆頭成本,元 /只;b4為機(jī)械比能,Pa。

針對每個層位的所有鉆頭,根據(jù)綜合最優(yōu)算法,得

式中,Yi為綜合最優(yōu)鉆頭優(yōu)選參數(shù),各層位取最大綜合優(yōu)選參數(shù)的鉆頭作為分析井設(shè)計地層的推薦優(yōu)選鉆頭。

鉆頭的優(yōu)選過程是通過計算鉆壓、轉(zhuǎn)速、排量等參數(shù)的影響系數(shù),最終得出最優(yōu)推薦鉆頭系列。由于影響鉆頭參數(shù)的因素包括鉆壓、轉(zhuǎn)速、排量等鉆井參數(shù),因此優(yōu)選出的鉆頭對應(yīng)的鉆井參數(shù)可作為分析井推薦的鉆井參數(shù)。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)實現(xiàn)采用分布式體系架構(gòu),即通過瀏覽器 /Web發(fā)布服務(wù)器 /鉆井業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器三者之間的分區(qū)域部署,實現(xiàn)分布式通信應(yīng)用。用戶使用瀏覽器進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢、分析、事故診斷等業(yè)務(wù)。系統(tǒng)通過瀏覽器向 Web發(fā)布服務(wù)器發(fā)出業(yè)務(wù)請求 (Request),以AJAX(Asynchronous JavaScript and XML)技術(shù)作為發(fā)布服務(wù)器與瀏覽器之間的邏輯中間層,處理業(yè)務(wù)請求;通過異步提交方式并根據(jù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)需求向數(shù)據(jù)庫服務(wù)器發(fā)送請求,獲取相應(yīng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù);最終,數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中讀取后,再通過Web發(fā)布服務(wù)器將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,然后返回給客戶端瀏覽器?；跀?shù)據(jù)倉庫的思想,結(jié)合系統(tǒng)的應(yīng)用范圍,系統(tǒng)中還集成設(shè)計了復(fù)雜與事故處理、工程計算、鉆井手冊等模塊。此外,系統(tǒng)對跨平臺子系統(tǒng)的訪問采用WebService技術(shù)來實現(xiàn)互操作性,對于舊有的應(yīng)用子系統(tǒng),分 3種情況進(jìn)行分析處理:(1)對于功能實用的子系統(tǒng),通過接口方式將其與本系統(tǒng)對接或剝離,例如上面提到的工程計算、鉆井手冊等模塊;(2)對于功能過時、數(shù)據(jù)實用的子系統(tǒng),通過數(shù)據(jù)接口提取有價值的數(shù)據(jù)到本系統(tǒng),例如舍棄了新疆油田原有的井身結(jié)構(gòu)繪制模塊,但是提取了井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)并保存在數(shù)據(jù)庫中;(3)對于功能過時、數(shù)據(jù)也過時的子系統(tǒng),系統(tǒng)在開發(fā)過程中直接舍棄,例如權(quán)限管理模塊。

2.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫設(shè)計以油田井史數(shù)據(jù)、測井?dāng)?shù)據(jù)及錄井?dāng)?shù)據(jù)作為基礎(chǔ)。通過數(shù)據(jù)過濾,首先對其數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行檢查,提取數(shù)據(jù)錯誤字段,按照鉆井專業(yè)需求確定好字段的轉(zhuǎn)換邏輯規(guī)則并添加到參照數(shù)據(jù)表中,在數(shù)據(jù)過濾過程中通過邏輯描述將數(shù)據(jù)去偽存真。其次,完成源數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、匯總、聚集生成數(shù)據(jù)文件,再采用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)提供的裝載工具完成數(shù)據(jù)的裝載,并對裝載過程中產(chǎn)生的警告、錯誤、丟棄等信息產(chǎn)生提示,保證鉆井?dāng)?shù)據(jù)的正確、規(guī)范[9]。

2.2 交互式多井信息圖形對比

以圖形方式自動生成一口或多口井的主要信息,包括地層信息、井身結(jié)構(gòu)、地層壓力、鉆頭和鉆速、事故信息、施工進(jìn)度等。圖形中的數(shù)據(jù)項可橫向自動拖拽,并能對自動繪制的圖形手工縮放,自定義圖形展示內(nèi)容,導(dǎo)出圖形,顯示或隱藏圖形中的一部分。

2.3 多方案對比統(tǒng)計分析

指定油田、區(qū)塊、時間區(qū)間、井別、井型、井深范圍、鉆井公司、項目部、鉆頭類型等條件進(jìn)行方案對比分析。這些條件可以全部存在,也可以部分存在,滿足條件的一個統(tǒng)計,稱為一個統(tǒng)計方案,可以多個方案同時進(jìn)行對比統(tǒng)計分析,統(tǒng)計結(jié)果以圖表和數(shù)據(jù)展示。

2.4 復(fù)雜事故診斷

將幾十年來在預(yù)防和處理鉆井復(fù)雜情況中積累、總結(jié)的實踐經(jīng)驗查詢及展示?；诳尚哦纫蜃拥牟淮_定性推理方法的鉆井復(fù)雜情況與井下事故推理機(jī)制提供鉆井復(fù)雜事故診斷。

2.5 鉆井技術(shù)方案推薦

鉆井技術(shù)方案推薦是鉆井技術(shù)人員做鉆井設(shè)計時的參考依據(jù),通過分析、對比多口井的井史、測井、錄井?dāng)?shù)據(jù)和相應(yīng)的算法,推薦出分析井的井身結(jié)構(gòu)、鉆頭及鉆井參數(shù)。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

分布式多井信息管理系統(tǒng)已在新疆各油田部署應(yīng)用,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,滿足了實際應(yīng)用的需求。多井信息對比展示的內(nèi)容包括地層、套管、地層壓力、鉆頭、施工進(jìn)度、井斜圖、事故、垂直投影圖信息,也可進(jìn)行單項信息對比分析。圖 1為多井信息對比分析示意圖,圖 2為新疆油田 146井區(qū)金 402與金 403井井身結(jié)構(gòu)專項對比分析。多井信息對比分析展示結(jié)果可反應(yīng)出很多信息,例如:施工快慢與鉆井液、地層、鉆頭、深度的關(guān)系,套管與所封固的地層、事故關(guān)系,鉆頭的選型與地層關(guān)系等,這些信息能為該區(qū)塊新井設(shè)計提供實用的參考依據(jù)及經(jīng)驗教訓(xùn)。

圖 1 多井信息綜合對比分析示意圖Fig.1 Schematic draw ing of multi-well data comprehensive analysis

圖 2 新疆油田金 402、金 403井?dāng)?shù)據(jù)圖形化對比分析Fig.2 W ell profile data comparison analysis for Jin 402 and Jin 403 wells in Xinjiang O ilfield

多方案統(tǒng)計分析對比可提供不同區(qū)塊、年度、井段、鉆頭等方案對比統(tǒng)計分析展示,每個方案中可增添井型、井別、完鉆層位、項目組、井深范圍、鉆井公司等限定條件。通過不同條件對比分析,鉆井技術(shù)人員更加清晰、直觀地了解每個區(qū)塊的鉆井技術(shù)指標(biāo)、時效指標(biāo)及每口井的實際數(shù)據(jù)等,為鉆井設(shè)計提供參考依據(jù)。表 1為新疆油田 J80和 J230區(qū)塊方案對比分析結(jié)果。

取分析數(shù)據(jù)庫中新疆油田西北緣老區(qū) 20口已完鉆鉆井?dāng)?shù)據(jù)中的白 22井作為分析井進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,根據(jù)白 22井的地層數(shù)據(jù)及地層壓力數(shù)據(jù)確定參考井,將優(yōu)化計算后的鉆頭、井身結(jié)構(gòu)、鉆具組合、鉆井液等技術(shù)方案與現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)對比,結(jié)果證明推薦的優(yōu)選結(jié)果比白 22井現(xiàn)場應(yīng)用實際情況更合理。表 2是設(shè)計 1的套管優(yōu)選和分析井部分層段鉆頭優(yōu)選結(jié)果。

表 1 新疆油田 J80和 J230區(qū)塊方案統(tǒng)計分析結(jié)果Table 1 Scheme statistical analysis results for block J 80 and block J 230 in Xinjiang O ilfield

表 2 套管優(yōu)選和部分層段鉆頭優(yōu)選推薦結(jié)果Table 2 Opt im ization and recommendation results for cas ing and bit type for part of formations

4 結(jié) 論

(1)基于多井信息對比分析的鉆井優(yōu)化方法,通過對井史、測井及錄井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘,有效結(jié)合定性與定量方法,使技術(shù)方案推薦結(jié)果與現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果更加一致。

(2)該方法已經(jīng)應(yīng)用到新疆油田分布式多井信息管理系統(tǒng)中,系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確、實時地查詢并統(tǒng)計分析鉆井?dāng)?shù)據(jù),形成不同區(qū)域、不同井型或不同鉆井方式前提下可行的鉆井方案、措施以及復(fù)雜情況提示及事故處理方法。

(3)提出的鉆井優(yōu)化方法需在今后現(xiàn)場應(yīng)用過程中不斷修正,完善其算法,充分將現(xiàn)場經(jīng)驗與測井、錄井、井史數(shù)據(jù)分析結(jié)果相結(jié)合,使其計算更加準(zhǔn)確,更加符合現(xiàn)場實際需求。

[1] 徐英卓.協(xié)同式遠(yuǎn)程鉆井事故診斷與處理系統(tǒng)研究[J].石油學(xué)報,2003,24(5):84-87.

XU Ying-zhuo.Cooperative remote control system for diagnosing and treating drilling accident[J].Acta Petrolei Sinica,2003,24(5):84-87.

[2] 王斌,屈紅剛.基于數(shù)據(jù)庫的綜合柱狀圖繪制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機(jī)工程與應(yīng)用,2006,104(3):104-106.

WANGBin,QU Hong-gang.Design and implecation of synthesis column map drawing system based on database[J].Computer engineering and application,2006,104(3):104-106.

[3] 崔惠萍.網(wǎng)絡(luò)化鉆井事故診斷與處理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計[J].計算機(jī)工程與設(shè)計,2007,28(21):5308-5310.

CUI Hui-ping.Diagnosis and process system of drilling accident on network[J].Computer engineering and design,2007,28(21):5308-5310.

[4] 樊洪海,紀(jì)榮藝.新一代鉆井井史管理系統(tǒng)的設(shè)計與展望[J].石油鉆探技術(shù),2008,36(2):1-3.

FAN Hong-hai,JI Rong-yi.Design and outlook of well drilling historymanagement system[J].Petroleum Drilling Technologies,2008,36(2):1-3.

[5] 陳庭根,管志川.鉆井工程理論與技術(shù) [M].東營:石油大學(xué)出版社,2000:251-265.

[6] 王湘波,王家華.基于Web Services的分布式儲層建模系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].中國石油大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2008,32(4):152-155.

WANG Xiang-bo,WANG Jia-hua.Design and implementation of web services based on distributed system of reservoirmodeling[J].Journalof the ChinaUniversityof Petroleum(Edition of Natural Science),2008,32(4):152-155.

[7] 戴永壽,張欣欣.鉆井井場信息共享系統(tǒng)的設(shè)計于研究[J].天然氣工業(yè),2008,28(8):67-69.

DA I Yong-shou,ZHANG Xin-xin.Design and research on the information sharing system for drilling well site[J].Natural Gas Industry,2008,28(8):67-69.

[8] ZHANG Ning-sheng.An application of a multi-tier data warehouse in oil and gas drilling information management[J].Petroleum Science,2004,1(4):1-4.

[9] SHIDEED MA.Creative utilization for oracle database to meet petroleum engineering′s needs[R].SPE 93279,2005.

[10] MIRIR.Developmentof artificial neural networks to predict differential pipe sticking in Iranian offshore oil field[R].SPE 108500,2007.

Multi-well data comprehensive analysismethod and its application

CUIMeng1,2,ZHA I Ying-hu1,CHENG Rong-chao2

(1.MOE Key Laboratory of Petroleum Engineering in China University of Petroleum,Beijing102249,China;2.CNPC D rilling Research Institute,Beijing100195,China)

In view of the deficiency of present well drilling data management system in data mining and technology scheme recommendation,a new drilling opt imization scheme formulti-well data comprehensive comparison and analysiswasproposed on the basisofwell history data,logging data andmud logging data of each oil field.The interactivemulti-well data graphical comparison andmultidimensional data statistic analysismodewere introduced.The schemewas applied in the distributed system developed formulti-well data management.The analytical results of formation and pressure difference were used as the foundation for optimal selection of reference wells.The factors for accident,complexity and hole diameter enlargement rate,aswell as the casing point algorithm,were used to optimize wellbore profile.Meanwhile,the Jacobi iteration method was used to opt imize bit type and recommend drilling parameters.Application results show that the new method can provide technical and theoretical support for pre-drilling design and post-drilling analysis,and its feasibility and reliability were demonstrated in XinjiangOilfield.

drilling infor mation;drilling optimization;multi-well;comprehensive comparison

TE 22;TP31

A >

10.3969/j.issn.1673-5005.2010.06.016

1673-5005(2010)06-0085-06

2010-09-20

國家重大專項課題(2008ZX05021-002)

崔猛(1980-),男 (漢族),黑龍江齊齊哈爾人,博士研究生,主要從事鉆井工程技術(shù)研究。

(編輯 韓國良)