孟召蘭，車爭安，沈小軍，李曉蕾，徐華翔

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司鉆采工程研究院，天津 300459）

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一種基于系統(tǒng)思維的海上油氣田完井管柱設(shè)計方法

孟召蘭，車爭安，沈小軍，李曉蕾，徐華翔

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司鉆采工程研究院，天津 300459）

摘 要：為了降低設(shè)計工程師技術(shù)水平參差不齊對技術(shù)方案的質(zhì)量影響，通過多年來對海上油氣田完井工程方案編制的總結(jié)與提煉，建立了一套“從油氣藏基礎(chǔ)條件出發(fā)，分析功能需求，優(yōu)化工藝方式，明確上下游專業(yè)界面要求，多輪次方案討論，形成優(yōu)化方案”的系統(tǒng)性設(shè)計方法。該方法有助于設(shè)計師形成“自下而上”層層推進的思維模式，不缺不漏、全面高效地完成方案編制工作。

關(guān)鍵詞：海上油氣田；完井工程；設(shè)計；方法

海上油氣田開發(fā)是一個大的系統(tǒng)工程，油藏工程、鉆井工程、完井工程、采油工程和海洋工程做為其子系統(tǒng)，既相互制約，又相互配合，協(xié)同實現(xiàn)“高效開發(fā)”的共同目標。隨著專業(yè)的精細化劃分，海洋油氣田開發(fā)地質(zhì)油氣藏專業(yè)和海洋工程專業(yè)均形成了較為成熟的設(shè)計策略與技術(shù)[1-4]，而海上完井工程專業(yè)鮮有系統(tǒng)的設(shè)計方法和技術(shù)分享，從事該專業(yè)的設(shè)計工程師們往往局限于自身專業(yè)環(huán)境，存在忽略分項與全局配合的意識傾向，形成的技術(shù)方案往往出現(xiàn)顧此失彼、不能兼顧各專業(yè)要求、技術(shù)界面不能銜接等問題。本文以系統(tǒng)思維的整體觀為工作思維方法，以海上油氣井完井管柱設(shè)計為對象，把制定最優(yōu)化的設(shè)計方案轉(zhuǎn)化為以油氣藏基本條件為基礎(chǔ)，滿足各專業(yè)約束條件下的求解過程。通過梳理海洋完井設(shè)計思維模式及工作流程，對提高完井工程方案設(shè)計的系統(tǒng)性具有一定的引導作用。

1 整體性認識完井工程的作用

海上油氣田完井方案設(shè)計，是一項以油氣田地質(zhì)研究、油氣工程方案為基礎(chǔ)和依據(jù)，基于鉆井工程所形成的井眼軌跡和井身結(jié)構(gòu)，綜合考慮多專業(yè)因素，實現(xiàn)高效采油氣所需要的生產(chǎn)管柱功能設(shè)計的綜合性技術(shù)工作。將海洋五大工程相互關(guān)聯(lián)以圖1展示，從海洋油氣田開發(fā)全過程中，完井工程是油氣田系統(tǒng)開發(fā)中重要組成部分，向上承接了油氣田油藏工程開發(fā)要求，橫向銜接油氣井鉆井工程，向下作為采油（氣）工程高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的實現(xiàn)形式，也是海洋工程功能設(shè)計的服務(wù)對象。各個工程專業(yè)之間既相對獨立，又相互制約。因此，完井設(shè)計水平的高低，對油氣田開發(fā)能否達到預(yù)期目標具有決定性影響。

圖1 海上油氣田開發(fā)工程關(guān)聯(lián)圖

2 功能需求分析

功能分析，需要設(shè)計者以油藏工程方案為對象，分析油氣藏特征，預(yù)測油氣田開發(fā)將要面臨的工程問題，是“系統(tǒng)性設(shè)計”的邏輯起始點。通常油氣田功能性需求從以下幾個方面進行分析：

（1）儲層溫壓系統(tǒng)：異常溫壓系統(tǒng)儲層，預(yù)示著舉升方式的選擇（自噴還是人工舉升）、達到儲層保護目的完井液密度設(shè)計、入井工具的耐壓耐溫等級等方面的考慮；

（2）油氣藏構(gòu)造類型：斷塊型油氣藏，常出現(xiàn)天然地層能量下降快、邊界供給壓力不足的問題。因此，在人工舉升設(shè)計舉升能力時，需要附加有效揚程的安全余量，安全余量的取值大小可根據(jù)油氣藏注采方案以及單井開發(fā)年限綜合確定；

（3）油氣藏流體性質(zhì)：包括原油的黏度、油氣比、含蠟量、凝固點等，該類原油特征隱含了在油氣生產(chǎn)過程中將要出現(xiàn)的流動性問題，設(shè)計工程師需要預(yù)測問題出現(xiàn)的臨界條件，如井下溫度、壓力以及井筒深度，以便在完井管柱設(shè)計時預(yù)防性的安裝功能工具或優(yōu)選工藝措施；

（4）油層物理特征：包括油氣藏有效滲透率、埋深、巖石顆粒膠結(jié)物等，該類數(shù)據(jù)反映了儲層的致密程度，是判斷油氣井是否存在出砂風險，以及是否需要考慮壓裂等增產(chǎn)措施的關(guān)鍵參數(shù)。

3 管柱功能配置與優(yōu)化

3.1 功能配置與優(yōu)化原則

這一環(huán)節(jié)的目的是將需求分析確定的完井功能需求轉(zhuǎn)化為更為清晰的實現(xiàn)方式。設(shè)計師必須清楚需要做什么，做到什么程度，有哪些工程限制因素[5]。前面我們理清了海洋油氣田開發(fā)幾大工程間的相互關(guān)系，在進行完井工程設(shè)計時，完井工程設(shè)計功能配置需遵循幾項基本原則：

第一項原則，界定管柱基本功能。首先明確油氣藏工程對目標井的功能定義，如產(chǎn)出井（包括油井、油氣井、水源井）或注入井（包括注水井、注聚井、注氣井），一旦確定了井別，也就確定了完井管柱大的功能設(shè)計類型；

第二項原則，整體性原則。要求在設(shè)計完井工程方案時應(yīng)將一口井涉及到的油氣藏、鉆井、生產(chǎn)以及平臺環(huán)境作為一個系統(tǒng)進行考慮，建立全盤考慮問題的思維模式，提前預(yù)判，制定具有預(yù)防性的可實施方案；

第三項原則，動態(tài)性原則。完井方案的制定應(yīng)隨著時間的發(fā)展不斷改進，因時而變、因事而變、因需求而變。

3.2 功能設(shè)計內(nèi)容

油水井完井管柱設(shè)計應(yīng)考慮以下因素[6-8]：（1）滿足生產(chǎn)過程中流量、壓力、溫度以及井下管柱受力、密封等方面的要求；（2）具有防止突發(fā)井噴的安全設(shè)施，如井下安全閥、油套環(huán)空封隔器；（3）具有動態(tài)監(jiān)測井下壓力、溫度的能力；（4）具有井筒流動安全保障的能力，如防砂、防蠟、防腐、防垢、防鹽、洗井、沖洗、沖砂、解堵等；（5）具備壓裂、酸化改造地層，開展增產(chǎn)措施的能力。為了避免在設(shè)計過程中，對各要素的遺漏，顧此失彼，特形成方案設(shè)計邏輯思維路徑，如圖2所示。

圖2 完井管柱設(shè)計邏輯思維路徑

油氣藏基本特征是管柱設(shè)計的基礎(chǔ)和功能來源。油氣藏的構(gòu)造特點、溫壓系數(shù)、流體性質(zhì)等隱含了開發(fā)過程中可能出現(xiàn)的問題。比如，儲層的溫度高低關(guān)系到井下工具的耐溫等級，如射孔彈的火藥類型，封隔器耐溫等級（主要是密封橡膠部件），電潛泵以及電纜耐溫等級以及入井的各種液體的老化時間；儲層的壓力系數(shù)，尤其是衰竭油氣田低壓系數(shù)時，預(yù)示著設(shè)計者需要關(guān)注儲層在鉆完井作業(yè)時的漏失情況，打開儲層后井內(nèi)工作液是否選用暫堵型、低密度完井液（如泡沫型完井液），降低完井作業(yè)環(huán)節(jié)的井筒漏失風險，完井管柱則需要考慮防漏失工具的選用。為了較為直觀的表述這個過程，建立各因素系統(tǒng)性邏輯關(guān)系如圖3所示。

管柱功能性實現(xiàn)形式的優(yōu)化過程分為5個環(huán)節(jié)，如圖4和圖5所示。以完井工具的選型及優(yōu)化為例，第一環(huán)節(jié)是油氣藏特征分析，其目的是落實儲層開發(fā)條件，掌握原油性質(zhì)；第二環(huán)節(jié)明確完井功能需求，提出目標油氣藏需要解決的井筒開發(fā)難題，如高含蠟原油，則相應(yīng)的面臨生產(chǎn)管柱析蠟堵塞的難題；第三個環(huán)節(jié)是尋求解決手段，在眾多的石油工具中尋找可以提供該項完井功能的工具，諸如，針對有析蠟風險的井，可以選擇機械式的防蠟防垢器，也可以采用熱動力學原理通過注入化學藥劑來降低蠟晶的聚集；第四個環(huán)節(jié)需要進行方案的論證，這是工具優(yōu)選的核心，優(yōu)選的程度和深度是工程師考慮因素全面與否與關(guān)鍵與否的體現(xiàn)。在此過程中，考慮的因素包括上下游專業(yè)的工程限制條件、待選完井工具實施時需配套條件的成本、成熟度等因素。以防蠟防垢系統(tǒng)的優(yōu)選為例，通過前三個環(huán)節(jié)，確定可以選擇井筒內(nèi)注化學藥劑、管柱中安裝防蠟防垢器等多種解決方案，在進行優(yōu)選時，可以通過考慮海上生產(chǎn)平臺是否有化學藥劑注入系統(tǒng)，防蠟防垢器的市場供貨渠道是否廣泛、功能是否可靠，目標井套管尺寸是否有足夠的空間安裝防蠟防垢器等這些次要限制因素來剔除不能實施的防蠟防垢方案；第五環(huán)節(jié)技術(shù)方案審核，經(jīng)過企業(yè)內(nèi)部各層級的技術(shù)方案討論、審查、反饋以及修改完善之后，最終形成一份階段性的最優(yōu)技術(shù)方案。該方案既滿足了油氣藏開發(fā)的需求，又兼顧了實施過程中專業(yè)與專業(yè)之間的相互制約因素，獲得了系統(tǒng)的全局利益最大化，其經(jīng)濟性、科學合理性也得到了保證，達到了油田開發(fā)目標，形成了一個閉路鏈接。

圖3 油氣藏特征影響完井管柱功能設(shè)計關(guān)系圖

同時，在這個環(huán)狀流程的背后，還隱藏著時間因素。隨著時間的推移，以上5個環(huán)節(jié)的關(guān)鍵性因素、解決手段甚至系統(tǒng)工程的目的都會發(fā)生變化，此時，各工作環(huán)節(jié)的內(nèi)容都要因時而變。

3.3 人工舉升設(shè)計

人工舉升設(shè)計是完井工程設(shè)計中的核心之一，它是完井工程實現(xiàn)油氣藏單井配產(chǎn)產(chǎn)量的手段。在方案編制時，選擇哪種人工舉升方式，需要考慮多重因素，其中關(guān)鍵因素是油氣藏特征基礎(chǔ)和單井預(yù)測產(chǎn)能。地層流體中油、氣和水三相的含量可以影響不同舉升方式的工作效率，限定適用性，諸如，在高油氣比的油井中，氣舉采油相比于電潛泵類采油方式更能充分利用地層能量，且舉升效率也高；地層壓力預(yù)測數(shù)據(jù)直接決定了油氣藏動態(tài)節(jié)點分析中的動液面深度，可以預(yù)測地層的供液能力和所需要的舉升揚程，決定了補充能量的多少。優(yōu)選舉升方式，其方法包括優(yōu)缺點羅列法、經(jīng)濟成本對比法和實施難易對比法等。優(yōu)選的過程，就是不斷的兼顧各次要因素，以及由此帶來的成本分析的過程。人工舉升方式優(yōu)選系統(tǒng)流程見圖6。

圖4 完井工具選型及優(yōu)化系統(tǒng)邏輯圖示

圖5 油管尺寸優(yōu)選系統(tǒng)邏輯圖示

4 設(shè)計質(zhì)量控制流程

基于“PDCA”持續(xù)改進的質(zhì)量控制管理模型，建立了海上油氣田技術(shù)方案編制工作流程模型。高效的流程設(shè)計是確保設(shè)計方案保質(zhì)、保量完成的重要質(zhì)控形式，其工作節(jié)點應(yīng)高度貼合企業(yè)自身的質(zhì)控手段和程序[9]，完井工程方案編制工作及審批流程如圖7。

圖6 人工舉升方式優(yōu)選系統(tǒng)邏輯圖示

圖7 海上油氣藏井完井工程方案編制工作流程圖示

5 結(jié)束語

系統(tǒng)化思維，是一種高效的方案設(shè)計邏輯模式，抓住邏輯的出發(fā)點和關(guān)鍵路徑，建立一套考量多重影響因素的設(shè)計方法，可以讓諸多工程因素和環(huán)節(jié)按系統(tǒng)要求層次性地加以考慮，使得工程師高效整合資源。把系統(tǒng)思維的邏輯方法應(yīng)用于我國海上油氣井的完井工程設(shè)計工作，將有效提高設(shè)計方案的全面性與可行性。

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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

中圖分類號：TE257

文獻標識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1008-2336.2016.01.078

文章編號：1008-2336（2016）01-0078-05

收稿日期：2015-12-17；改回日期：2016-01-07

第一作者簡介：孟召蘭，女，1985年生，工程師，畢業(yè)于中國石油大學（華東）石油工程專業(yè)，從事海上油氣井完井工程方案編制及科研工作。E-mail: mengzhl@cnooc.com.cn。