畢雪亮，張楠，陳勛，趙英楠，杜婕妤，李紫劍

（1.東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點實驗室，黑龍江 大慶 163318；2.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司井下作業(yè)分公司，黑龍江 大慶 163453；3.中國石油華北油田公司采油四廠，河北 任丘 062552；4.東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318）

基于模糊綜合評判法的欠平衡鉆井方式優(yōu)選

畢雪亮1，張楠1，陳勛1，趙英楠2，杜婕妤3，李紫劍4

（1.東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點實驗室，黑龍江 大慶 163318；2.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司井下作業(yè)分公司，黑龍江 大慶 163453；3.中國石油華北油田公司采油四廠，河北 任丘 062552；4.東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318）

欠平衡鉆井是一種提高鉆速、發(fā)現(xiàn)和保護(hù)儲層的鉆井技術(shù)，也是一項投資較大的系統(tǒng)工程。在實施欠平衡鉆井前，對待評估地層進(jìn)行不同欠平衡鉆井方式的篩選評價，可提高鉆井的成功率和經(jīng)濟效益，有效避免工程投資風(fēng)險?；诓煌菲胶忏@井方式的優(yōu)缺點和適應(yīng)性，綜合選擇了多個技術(shù)性和經(jīng)濟性參數(shù)作為評價指標(biāo)，利用隸屬函數(shù)將參數(shù)量化，引入加權(quán)模糊評判運算模型，建立了簡便的欠平衡鉆井方式優(yōu)選模糊綜合評判模型。評判模型對不同的欠平衡鉆井方式進(jìn)行了量化判斷，克服了以往主觀認(rèn)識定性評價的缺陷。最后以大慶油田外圍地區(qū)為對象進(jìn)行實例計算，模型評價結(jié)果與現(xiàn)場情況符合較好。

欠平衡鉆井；模糊綜合評判；優(yōu)選；層次分析

0 引言

欠平衡鉆井技術(shù)在提高勘探開發(fā)水平、降低鉆井成本、減少油氣層傷害、保護(hù)環(huán)境等許多方面具有優(yōu)勢，但是也有技術(shù)難度高、作業(yè)環(huán)境惡劣、對員工素質(zhì)要求高等難點［1-2］。欠平衡鉆井需要考慮的因素比常規(guī)鉆井更多、更復(fù)雜，其中大部分因素在鉆前是未知風(fēng)險因素和隨機因素，而且各因素之間的關(guān)系是模糊的，沒有絕對明確的界限，具有模糊性［3］。因此，必須結(jié)合不同地層和欠平衡鉆井工程的特點［4-6］，利用模糊數(shù)學(xué)理論，在分析各種單因素的基礎(chǔ)上，對不同欠平衡鉆井方式的技術(shù)和經(jīng)濟因素進(jìn)行評價，得出一個綜合的量化指標(biāo)，以便在開發(fā)前對欠平衡鉆井有一個定性和定量的評價認(rèn)識［7-8］，從而為科學(xué)決策提供依據(jù)。

1 欠平衡鉆井影響因素

1.1 地質(zhì)因素

地質(zhì)因素是影響欠平衡鉆井設(shè)計和施工的基本因素。通過分析地層與構(gòu)造特性（巖性剖面、構(gòu)造特征）和巖石特性（理化特性、微觀結(jié)構(gòu)、孔隙度、滲透率），能夠全面掌握所鉆地質(zhì)對象的特征。通過地質(zhì)工程基礎(chǔ)評價，可以選擇一些關(guān)鍵制約因素作為欠平衡評價指標(biāo)［9］。例如：地層巖性是否滿足欠平衡井眼穩(wěn)定的要求，一般情況下，欠平衡流體密度越小，對井壁的有效支撐作用越小，井眼失穩(wěn)風(fēng)險就越大；地層產(chǎn)出大量H2S等有毒或酸性氣體時，為了井下安全不宜選擇含有液相的欠平衡循環(huán)流體；鉆遇水層時，應(yīng)考慮不同欠平衡方式的臨界攜水量，氣體鉆井的臨界攜水量最小，充氣鉆井的臨界攜水量最大，泡沫鉆井的臨界攜水量在兩者之間。

1.2 水力因素

循環(huán)流程設(shè)計是欠平衡鉆井順利開展的基礎(chǔ)。水力設(shè)計的基本要求是清潔井眼（即確保巖屑由井底環(huán)空返排出地面）、維持井眼穩(wěn)定、減輕地層傷害，以及不超出管材和地面設(shè)備的壓力限制和速度限制范圍［10］。循環(huán)流程設(shè)計與井眼軌跡、井身結(jié)構(gòu)、鉆具組合、注氣量、注液量、注入壓力、地層流體產(chǎn)出、井底巖屑性質(zhì)等密切相關(guān)。

1.3 安全因素

當(dāng)井筒中碳?xì)浠衔锱c空氣的混合物組分在燃點范圍內(nèi)，并且具有爆炸條件時，如泥餅圈、井下火花、鉆柱上的小孔或沖蝕，井下就可能發(fā)生燃爆。鉆鋌和鉆頭被熔化或燒毀，給鉆井帶來巨大的損失。

1.4 經(jīng)濟因素

欠平衡鉆井技術(shù)使用的先決條件，是能夠保護(hù)油氣層并創(chuàng)造效益。誤用欠平衡鉆井技術(shù)，不僅降低工程經(jīng)濟效益，還影響對該技術(shù)的認(rèn)識。相對于傳統(tǒng)鉆井技術(shù)，欠平衡鉆井技術(shù)具有前期投入高、但鉆井效率也高的特點，因此需要對使用欠平衡鉆井技術(shù)的成本和效益進(jìn)行分析。

然而，影響欠平衡工程經(jīng)濟性的很多因素是模糊不確定的。國內(nèi)外多個油氣田的欠平衡鉆井實踐證明［11］，鉆頭壽命和機械鉆速相對于傳統(tǒng)鉆井得到提高。氣體鉆井的鉆速提高了6～10倍，泡沫鉆井和充氣鉆井的鉆速提高了2～5倍。同時，欠平衡鉆井技術(shù)能有效降低甚至消除循環(huán)漏失和卡鉆問題，減少井下問題的處理時間，縮短整個鉆井周期。由于欠平衡鉆井過程對地層的傷害顯著降低，即使不采取增產(chǎn)措施，油井初期的產(chǎn)能也高于傳統(tǒng)鉆井方式。但是，直接定量描述這些變化是比較困難的。

對欠平衡鉆井成本的定量分析相對容易。成本分析主要包括設(shè)備和人員成本，以及前期培訓(xùn)和工程管理費用。

2 模糊綜合評價模型

模糊綜合評價是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，應(yīng)用模糊關(guān)系合成原理［12-13］，將一些邊界不清、不易定量的因素定量化，從多個因素對被評價事物隸屬等級狀況進(jìn)行綜合性評價的一種方法。其基本原理為：首先確定被評判對象的因素（指標(biāo)）集和評價（等級）集；再分別確定各個因素的權(quán)重及它們的隸屬度向量，獲得模糊評判矩陣；最后把模糊評判矩陣與因素的加權(quán)系數(shù)矩陣進(jìn)行模糊運算并進(jìn)行歸一化，得到模糊評價綜合結(jié)果。

2.1 欠平衡評價指標(biāo)

欠平衡鉆井作為工程項目，影響其鉆井方式選擇的因素多，所以每個因素的權(quán)重可能變得很小。為了既不失眾多因素所提供的信息，又能得出符合實際的結(jié)果，根據(jù)每個因素分屬于不同層次的特點進(jìn)行分組，然后進(jìn)行多層次模糊綜合評判［14-15］。由于鉆井工程技術(shù)的經(jīng)濟效益最終表現(xiàn)在技術(shù)可行和經(jīng)濟效益2個方面，而每個方面又由若干評價指標(biāo)決定。所以，根據(jù)欠平衡鉆井影響因素分析，將主要考慮的因素進(jìn)行分層：目標(biāo)層（最優(yōu)欠平衡方式）、主準(zhǔn)則層（技術(shù)性、經(jīng)濟性）u=（u1，u2）、分準(zhǔn)則層1（必要性、可行性、成本、效益）u1=（u11，u12），u2=（u21，u22）和分準(zhǔn)則層2（提速潛力、減少地層傷害等）u11=（u111，u112，u113）等，建立最優(yōu)欠平衡評價系統(tǒng)遞階層次結(jié)構(gòu)（見圖1）。目標(biāo)層表示所要評價的對象，主準(zhǔn)則層為評價對象包含的因素類別，分準(zhǔn)則層為各類因素所包含的單因素。

2.2 權(quán)重系數(shù)

圖1 最優(yōu)欠平衡評價系統(tǒng)遞階層次結(jié)構(gòu)（括號內(nèi)數(shù)字為權(quán)重系數(shù)）

權(quán)重wi與wij可由專家調(diào)查法和層次分析法（AHP）確定。本文采用專家調(diào)查法對劃分的三級指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)進(jìn)行確定，具體見圖1。

2.3 構(gòu)造模糊關(guān)系評判矩陣

首先，對評價指標(biāo)體系中每一層的各個元素進(jìn)行單因素評價。評價方法的分類很多，按照評價與所使用信息特征的關(guān)系，可分為基于數(shù)據(jù)的評價、基于模型的評價、基于專家知識的評價以及基于數(shù)據(jù)、模型、專家知識的評價。根據(jù)各評價方法所依據(jù)的理論基礎(chǔ)，這里把綜合評價方法大體分為3大類：專家評價方法、運籌學(xué)與其他數(shù)學(xué)方法、混合方法。

然后，通過對評價結(jié)果的整理、統(tǒng)計，即可得到單因素模糊評判矩陣。其中，m為評價指標(biāo)集U中元素的個數(shù)，n為評價集V中元素的個數(shù)。R就是指標(biāo)集U到評價集V的一個模糊關(guān)系，表示指標(biāo)ui對抉擇等級vj的隸屬度。

本模型的評語共分5個等級。具體的評價集為：V=（v1，v2，v3，v4，v5）=（非常滿意，滿意，一般，不滿意，非常不滿意），且每個評價等級與相應(yīng)的判斷尺度對應(yīng)，具體見表1。

最后，將加權(quán)系數(shù)矩陣與模糊關(guān)系矩陣合成，分別得到技術(shù)性和經(jīng)濟性因素的模糊綜合評判結(jié)果矩陣。

表1 評價等級尺度

3 應(yīng)用分析

大慶油田外圍某區(qū)塊儲層類型為砂礫巖儲層，儲層具有低壓、低孔、低滲的特性，主力氣層壓力系數(shù)1.0左右，孔隙類型以粒間孔、溶孔和裂縫型為主，孔隙度一般為2%～5%，滲透率0.040×10-3～2.574×10-3μm2，為低孔低滲致密儲層。地層總體上比較穩(wěn)定，在深層不同層位存在致密砂巖、砂礫巖、火山巖、花崗巖及變質(zhì)巖風(fēng)化殼等5大類儲層。儲層的主要損害方式為敏感性礦物的水敏性損害、近井壁處的固相損害和水鎖損害，鉆井壓差、鉆井液濾失量、儲層浸泡時間及濾液性質(zhì)是儲層損害的主要影響因素。實鉆井試井資料表明，該區(qū)塊地層巖石可鉆性差，研磨性強，硬度高，地層壓力系數(shù)較低，地層穩(wěn)定性較好；完井測井解釋、試油結(jié)果表明，上部地層沒有出水記錄。

結(jié)合該區(qū)塊的動靜態(tài)資料和現(xiàn)場專家意見，給出了氣體鉆井、泡沫鉆井和充氣鉆井對每一項評價因素的模糊關(guān)系綜合評判（見表2）。

表2 大慶外圍某區(qū)塊欠平衡鉆井模糊關(guān)系綜合評判

由表2可以看出，第2層技術(shù)必要性的模糊關(guān)系矩陣為

由圖1可知，技術(shù)必要性的3個參數(shù)的加權(quán)系數(shù)矩陣為A11=（0.4，0.3，0.3），將加權(quán)系數(shù)矩陣與模糊關(guān)系矩陣合成B11=A11·R11，同理可求得B12，B21，B22，B1，B2。最后對主準(zhǔn)則層進(jìn)行評判：

B=A·R=（0.749，0.682，0.685） （3）

由式（3）計算結(jié)果可知，在該地區(qū)應(yīng)用欠平衡鉆井時，選擇氣體鉆井方式的成功率和經(jīng)濟技術(shù)效益最好，其次為充氣鉆井、泡沫鉆井。

目前在該地區(qū)已經(jīng)完鉆的XS1，XS6，XS5等9口欠平衡井，二開井段幾乎都應(yīng)用氣體鉆井，效果良好，機械鉆速比鉆井液鉆井高2～8倍，井下復(fù)雜情況減少，鉆井周期縮短，鉆井成本節(jié)約；在三開井段試驗性地實施了氣體鉆井，遇到地層出水量較大后改為充氣鉆井或鉆井液鉆井，所鉆9口井的工業(yè)氣流產(chǎn)量很高。這說明模型評價結(jié)果與實際符合率較高。

4 結(jié)論

1）欠平衡鉆井工程是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及的因素多，且具有模糊性，利用模糊綜合評價法研究欠平衡鉆井方式的優(yōu)選是十分必要的，也是可行的。

2）必須根據(jù)研究區(qū)塊具體的資料情況，在充分考慮欠平衡鉆井技術(shù)應(yīng)用諸多影響因素的基礎(chǔ)上，分層次進(jìn)行模糊評判。

3）利用模糊綜合評價模型對優(yōu)選欠平衡鉆井方式進(jìn)行量化，克服了以往憑主觀認(rèn)識進(jìn)行定性判斷的不足，真正實現(xiàn)了科學(xué)優(yōu)化選擇。

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（編輯 趙衛(wèi)紅）

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

國家科技重大專項課題“鉆井工程設(shè)計與工藝軟件”（2011ZX05021-006）

TE21

：A

10.6056/dkyqt201501026

2014-06-06；改回日期：2014-11-18。

畢雪亮，男，1971年生，教授，碩士生導(dǎo)師，SPE會員，中國石油學(xué)會會員，1991年獲大慶石油學(xué)院鉆井工程專業(yè)工學(xué)學(xué)士學(xué)位，1998年獲大慶石油學(xué)院油氣井工程專業(yè)工學(xué)碩士學(xué)位，2008年獲大慶石油學(xué)院油氣井工程專業(yè)工學(xué)博士學(xué)位，主要從事油氣井工程技術(shù)的科研和教學(xué)工作。E-mail：bixl@163.com。

畢雪亮，張楠，陳勛，等.基于模糊綜合評判法的欠平衡鉆井方式優(yōu)選［J］.斷塊油氣田，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.