勝亞楠 管志川

中國石油大學(華東)石油工程學院

隨著油氣勘探開發(fā)逐步向深井復雜地層以及海洋深水邁進，鉆井工程設(shè)計及施工風險越來越突出［1-2］。為了保障鉆井安全，國內(nèi)外鉆井服務公司開發(fā)了一系列鉆井風險評估軟件。國外知名的石油工程服務公司在這一領(lǐng)域長期處于領(lǐng)先地位，如Schlumberger公司的NDS系統(tǒng)、挪威Statoil ASA公司的 eDrilling 系統(tǒng)、Baker Hughes公司的 RNS系統(tǒng)等［3-5］。國內(nèi)的石油高校和軟件公司也開發(fā)了一系列鉆井工程軟件，但是總的來看國內(nèi)有關(guān)鉆井風險評估技術(shù)的研究尚處于起步階段，配套的理論技術(shù)、設(shè)備及軟件等與國外還存在著較大差距［6-10］。為提高國內(nèi)鉆井風險評估技術(shù)水平、縮小與國外的差距，經(jīng)過長期的研究，開發(fā)了一套集“鉆前風險預測、鉆進風險監(jiān)控和鉆后風險總結(jié)”于一體的鉆井工程風險評估與控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對井下復雜與事故的鉆前工程風險預測和鉆進過程中的工程風險監(jiān)測以及鉆后的風險總結(jié)，為鉆前優(yōu)化鉆井工程設(shè)計方案、鉆中規(guī)避鉆進過程中的工程風險和鉆后風險總結(jié)分析提供技術(shù)指導和科學依據(jù)［11-13］。

1 系統(tǒng)總體功能

鉆井工程風險評估與控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鉆井工程風險評估與控制系統(tǒng)Fig.1 Drilling engineering risk evaluation and control system

2 系統(tǒng)主要組成

鉆井工程風險評估與控制系統(tǒng)的組成包括5個子系統(tǒng)。

2.1 含不確定度鉆井地質(zhì)力學參數(shù)鉆前描述及隨鉆更新子系統(tǒng)

該模塊主要功能是構(gòu)建區(qū)域含不確定度鉆井地質(zhì)力學參數(shù)三維模型，可以使鉆井工程技術(shù)人員更加清晰地了解區(qū)塊內(nèi)鉆井地質(zhì)力學參數(shù)的空間分布及變化規(guī)律，為鉆前工程設(shè)計風險的分析與評估提供必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.2 鉆前工程設(shè)計風險評估與控制子系統(tǒng)

鉆前工程設(shè)計風險評估模塊可以對待鉆井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進行風險評估，定量評估因套管層次及下深設(shè)計不足而導致涌、漏、塌、卡等風險發(fā)生的概率及烈度，得到沿井深分布的風險概率剖面，直觀顯示風險發(fā)生的層位及嚴重程度。同時，也可以針對待鉆井的地質(zhì)力學參數(shù)特征，設(shè)計出滿足無風險的井身結(jié)構(gòu)。該模塊的功能就是在鉆前設(shè)計階段最大限度地規(guī)避由于井身結(jié)構(gòu)設(shè)計不足導致可能發(fā)生的相關(guān)鉆井工程風險。

2.3 鉆井作業(yè)過程動態(tài)風險評估與控制子系統(tǒng)

按照進行動態(tài)風險評估的數(shù)據(jù)來源，可以將該模塊分為2大模塊：基于錄井資料的動態(tài)風險評估模塊和基于隨鉆測井資料的動態(tài)風險評估模塊?；阡浘Y料的動態(tài)風險平估模塊包含3個子模塊：錄井資料實時接收模塊、動態(tài)風險評估模塊以及風險處理措施知識庫模塊?？梢詫崿F(xiàn)錄井資料的實時接收、動態(tài)風險發(fā)生類型及烈度的判斷以及風險調(diào)控措施的及時制定?；陔S鉆測井資料的動態(tài)風險評估模塊包含3個子模塊：鉆前模型修正與更新子模塊、井底循環(huán)當量鉆井液密度不確定性分析子模塊以及鉆井作業(yè)動態(tài)風險概率計算子模塊。該子模塊可以實現(xiàn)對鉆前模型的修正及動態(tài)風險發(fā)生類型和烈度的判斷。

2.4 鉆后工程風險總結(jié)與分析子系統(tǒng)

鉆后風險總結(jié)模塊又分為2大模塊：鉆井地質(zhì)力學參數(shù)區(qū)域模型更新模塊和風險評估模型更新模塊。該模塊與含不確定度鉆井地質(zhì)力學參數(shù)模型構(gòu)建模塊以及鉆井作業(yè)過程動態(tài)風險評估模塊相連接，將修正結(jié)果直接導入含不確定度鉆井地質(zhì)力學參數(shù)模型構(gòu)建模塊以及鉆井作業(yè)過程動態(tài)風險評估模塊。

2.5 鉆井工程風險數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)

選用 Microsoft SQL Server 2008 構(gòu)建鉆井風險數(shù)據(jù)庫，鉆井工程風險數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)主要有4大功能模塊：系統(tǒng)安全模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)庫備份與恢復模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊。數(shù)據(jù)庫主要功能包括更新數(shù)據(jù)、添加、存儲和刪除等，可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)科學化、數(shù)字化管理；同時，也可以指導鉆井工程設(shè)計，如選擇合理的套管與鉆頭系列、確定套管層次和下深范圍、基于鄰井地層壓力和風險分析結(jié)果精細化設(shè)計鉆井液密度以及其他相關(guān)配套技術(shù)的優(yōu)選；可以指定風險規(guī)避和處理方案，如基于鄰井相似井的鉆井實踐，優(yōu)化鉆井參數(shù)規(guī)避風險；以及基于數(shù)據(jù)庫存儲的風險處理措施制定風險處理預案，及時控制風險程度的惡化，降低事故帶來的危害。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 含不確定度鉆井地質(zhì)力學參數(shù)鉆前描述及隨鉆更新技術(shù)

綜合考慮超深層油氣地質(zhì)的復雜性、解釋資料的不完備性以及數(shù)學模型的精度對地質(zhì)特征參數(shù)的影響，通過收集地震資料、測井資料，基于不確定度等理論，筆者研究建立了鉆井地質(zhì)力學參數(shù)不確定性量化表征方法。在此基礎(chǔ)上，利用地質(zhì)統(tǒng)計學理論建立區(qū)域含不確定度鉆井地質(zhì)力學參數(shù)三維模型，并結(jié)合可視化算法實現(xiàn)模型的三維可視化。通過對鉆井過程中的隨鉆測井、隨鉆測量和實鉆測試等相關(guān)數(shù)據(jù)進行篩選、處理，通過理論計算、實驗驗證及統(tǒng)計分析，基于貝葉斯理論建立鉆前模型的實時更新機制，從而對鉆井地質(zhì)力學參數(shù)模型實時更新，為風險評估提供更為準確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.2 鉆前工程設(shè)計風險評估與控制技術(shù)

對于一口待鉆井，在鉆前評估其鉆井設(shè)計方案是否足夠安全是十分必要的，一旦發(fā)現(xiàn)可能引發(fā)的工程風險，可在鉆前對設(shè)計進行合理調(diào)整，從而降低風險的發(fā)生概率甚至規(guī)避風險。在構(gòu)建的區(qū)域含不確定鉆井地質(zhì)力學參數(shù)鉆前模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)待鉆井井眼軌跡設(shè)計結(jié)果，從模型中獲取沿井眼軌跡的鉆井地質(zhì)力學參數(shù)結(jié)果，即含不確定度的地層孔隙壓力、地層坍塌壓力和地層破裂壓力區(qū)間剖面。然后基于井筒壓力平衡原理，在地層壓力剖面的基礎(chǔ)上，構(gòu)建含不確定度安全鉆井液密度窗口。依據(jù)裸眼井段壓力平衡原理，建立用于定量評估因套管層次及下深設(shè)計不足而導致涌、漏、塌、卡等風險發(fā)生的概率及烈度的模型，形成套管層次及下深設(shè)計風險定量評估方法。根據(jù)建立的鉆前工程設(shè)計風險概率計算模型，可以對待鉆井的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進行風險評估；如果無風險，則可以按照原設(shè)計方案進行鉆井施工；如果風險高，則必須調(diào)整井身結(jié)構(gòu)方案，再對新方案重新進行風險評估，直到滿足要求。同時，建立了基于風險管控的套管層次及下入深度確定方法，可以在鉆前設(shè)計階段最大限度規(guī)避井身結(jié)構(gòu)設(shè)計不足導致的相關(guān)風險。

3.3 鉆井作業(yè)過程動態(tài)風險評估與控制技術(shù)

針對復雜地質(zhì)環(huán)境下鉆井作業(yè)過程中井下工程風險預測誤差大且缺乏有效調(diào)控方法的問題，通過建立鉆井作業(yè)動態(tài)風險評估方法、以及動態(tài)風險管理與控制方法，最大限度提高鉆井過程中對風險的評估精度，并通過井下工程風險及其調(diào)控方案數(shù)據(jù)庫的形式為現(xiàn)場的風險預警和規(guī)避方案的制定進行有效指導。通過開展鉆井過程中信息數(shù)據(jù)源分析，在鉆前模型基礎(chǔ)上，結(jié)合測井、錄井、隨鉆測量和鉆井等相關(guān)信息，基于貝葉斯理論修正與更新鉆前模型，從而實現(xiàn)對待鉆井井眼軌跡上的鉆井地質(zhì)力學參數(shù)進行實時的更為精確的預測；或者，基于灰色預測理論預測得到鉆頭前方待鉆地層的地層壓力。同時，通過建立井筒壓力及ECD定量計算模型和不確定性分析方法，得到鉆頭位置上含不確定度的鉆井液循環(huán)當量密度；在此基礎(chǔ)上，根據(jù)筆者構(gòu)建的風險概率定量模型，得到鉆進到鉆頭位置處時涌、漏、塌、卡風險的概率；無風險的話繼續(xù)鉆進；如果有風險，通過調(diào)整鉆進參數(shù)改變井底鉆井液循環(huán)當量密度來規(guī)避和控制風險，直到滿足安全需求后繼續(xù)鉆進。

如果缺少隨鉆測井資料，也可以根據(jù)綜合錄井資料進行動態(tài)風險評估。確定工程風險對應的綜合錄井特征參數(shù)，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于PSO優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡的鉆井動態(tài)風險評估模型。然后，通過收集區(qū)域已鉆井錄井資料以及事故分析統(tǒng)計報告等，分析不同井下工況及異常情況下綜合錄井特征參數(shù)的變化規(guī)律，采用歸一化處理構(gòu)建模型訓練樣本；利用訓練樣本訓練建立的動態(tài)風險評估模型，使其風險預測精度不斷提高。最后，基于建立的鉆井動態(tài)風險評估模型，在對錄井資料的監(jiān)測分析的基礎(chǔ)上，實時判斷井下風險類型及概率，在風險發(fā)生的早期給出預警信息，及時指導風險調(diào)控措施的開展。

3.4 鉆后工程風險總結(jié)與分析技術(shù)

一口井施工結(jié)束后，通過對整個周期內(nèi)獲取的所有數(shù)據(jù)與信息進行總結(jié)分析，建立鉆井工程風險知識庫，為后續(xù)鉆井方案的制定提供技術(shù)支持。鉆井工程風險總結(jié)的主要工作是對比現(xiàn)場工程風險與風險評估結(jié)果，分析風險評估方法的適應性，修正并改進風險評估模型。利用鉆井地質(zhì)力學參數(shù)實測值或者測井解釋結(jié)果，修正鉆井地質(zhì)力學參數(shù)計算公式中的模型系數(shù)，并結(jié)合已鉆井資料或區(qū)域地震資料，不斷修正并完善區(qū)域鉆井地質(zhì)力學參數(shù)模型，不斷降低模型的不確定度，為后續(xù)待鉆井工程設(shè)計方案的風險評估提供更為準確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。同時，收集并整理在整個鉆井周期內(nèi)與工程風險相關(guān)的數(shù)據(jù)與資料，隨著風險評估模型中訓練樣本的增加，不斷提高工程風險及其烈度的評估精度，并通過井下工程風險及其調(diào)控方案數(shù)據(jù)庫的形式為后續(xù)鉆井工程設(shè)計方案的制定以及風險預警和規(guī)避進行有效指導。

3.5 鉆井工程風險數(shù)據(jù)庫設(shè)計技術(shù)

整個鉆井工程周期內(nèi)的多源信息數(shù)據(jù)流依次為，鉆前-鉆中-鉆后。鉆前信息主要包括：區(qū)域地震資料、鄰井測井、巖心試驗、壓力測試、井史報告和事故統(tǒng)計資料等。依據(jù)鉆前信息，完成待鉆井工程設(shè)計方案的制定，在設(shè)計階段最大限度地保證鉆井安全。鉆進過程中能夠獲取的資料主要包括：隨鉆資料、上部已鉆井段的測井資料以及綜合錄井資料等?；阢@中信息，可以修正并完善鉆前設(shè)計方案，規(guī)避和調(diào)控鉆進過程中發(fā)生的風險。一口井施工結(jié)束后，通過對整個周期內(nèi)獲取的所有數(shù)據(jù)與信息進行總結(jié)分析，建立鉆井工程風險知識庫，為后續(xù)鉆井方案的制定提供技術(shù)支持。鉆井工程風險數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4 軟件編制與現(xiàn)場應用

采用編程語言VB.net、MATLAB以及SQL Server 2008完成了鉆井工程風險評估與控制軟件編制。以中海油海外某氣田X井為例進行實例分析，1 800 m 以及 2 150 m 處預先識別出可能發(fā)生井涌風險。在實際鉆井過程中，在鉆至相應井深位置時，現(xiàn)場人員發(fā)現(xiàn)小涌，及時采取了相應措施，避免了風險進一步惡化。軟件預測結(jié)果與鉆井現(xiàn)場實際情況相吻合。

(1)含不確定度鉆井地質(zhì)力學參數(shù)模型構(gòu)建模塊。該模塊主要功能是構(gòu)建區(qū)域含不確定度鉆井地質(zhì)力學參數(shù)三維模型，有利于工程技術(shù)人員更加清晰地了解區(qū)塊內(nèi)地層壓力的空間分布及變化規(guī)律；同時，可以從模型中提取出待鉆目標井的含不確定度的鉆井地質(zhì)力學參數(shù)剖面，為鉆前工程設(shè)計風險評估提供必要的地層壓力信息數(shù)據(jù)。

(2)鉆前工程設(shè)計風險評估模塊。鉆前工程設(shè)計風險評估模塊可以對待鉆井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進行風險評估，定量計算風險發(fā)生的概率及烈度，得到沿井深分布的風險概率剖面，直觀顯示風險發(fā)生的層位及嚴重程度，如果無風險，則可以按照原設(shè)計方案進行鉆井施工；如果風險高，則必須調(diào)整井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，再對新方案重新進行風險評估，直到滿足要求。同時，也可以針對待鉆井的鉆井地質(zhì)力學參數(shù)特征，設(shè)計出滿足無風險鉆井要求的待鉆井套管層次及下入深度范圍。

(3)鉆井作業(yè)過程動態(tài)風險評估模塊。按照進行動態(tài)風險評估的數(shù)據(jù)來源，可以將該模塊分為2大模塊：基于錄井資料的動態(tài)風險評估與控制模塊和基于隨鉆測井資料的動態(tài)風險評估與控制模塊。基于錄井資料的動態(tài)風險評估與控制模塊包含3個子模塊：錄井數(shù)據(jù)實時接收模塊、動態(tài)風險評估模塊以及風險控制知識庫模塊?？梢詫崿F(xiàn)錄井資料的實時接收、動態(tài)風險發(fā)生類型及烈度的判斷以及風險控制措施的及時制定?；陔S鉆測井資料的動態(tài)風險評估與控制模塊包含3個子模塊：鉆前模型修正與更新子模塊、井底循環(huán)當量鉆井液密度計算與不確定性分析子模塊以及鉆井作業(yè)動態(tài)風險評估與控制子模塊?？梢詫崿F(xiàn)對鉆前模型的修正與更新、實時判斷井下風險類型并預測風險發(fā)生概率，在風險發(fā)生的早期給出預警信息，并通過井下工程風險及其控制方案數(shù)據(jù)庫的形式為規(guī)避方案的制定進行有效指導。

(4)鉆后工程風險總結(jié)與分析模塊。鉆后風險總結(jié)模塊又分為2大模塊：鉆井地質(zhì)力學參數(shù)區(qū)域模型更新模塊和風險評估模型更新模塊。該模塊與含不確定度鉆井地質(zhì)力學參數(shù)模型構(gòu)建模塊以及鉆井作業(yè)過程動態(tài)風險評估模塊相連接，將修正結(jié)果直接導入含不確定度鉆井地質(zhì)力學參數(shù)模型構(gòu)建模塊以及鉆井作業(yè)過程動態(tài)風險評估模塊。

(5)鉆井工程風險數(shù)據(jù)庫。選用Microsoft SQL Server 2008構(gòu)建鉆井風險數(shù)據(jù)庫，鉆井工程風險數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)主要有4大功能模塊：系統(tǒng)安全模塊、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)備份與恢復模塊、查詢與分析模塊。數(shù)據(jù)庫主要功能包括更新數(shù)據(jù)、添加、存儲和刪除等，可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)科學化、數(shù)字化管理；同時，也可以指導后續(xù)鉆井工程設(shè)計，如套管與鉆頭系列方案的優(yōu)選、套管層次和下深范圍大致確定、基于鄰井地層壓力和風險分析結(jié)果精細化設(shè)計鉆井液密度以及其他相關(guān)配套技術(shù)的優(yōu)選；可以制定風險規(guī)避和處理方案，如基于鄰井的鉆井實踐優(yōu)化鉆井參數(shù)規(guī)避風險；以及基于數(shù)據(jù)庫存儲的風險處理措施制定風險處理預案，及時控制風險程度的惡化，降低事故帶來的危害。

圖2 鉆井工程風險數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of drilling engineering risk database

5 結(jié)論與建議

(1)開發(fā)研究的鉆井工程風險評估與控制系統(tǒng)軟件，集“鉆前風險預測、鉆進風險監(jiān)控和鉆后風險總結(jié)”于一體，可以實現(xiàn)對井下復雜與事故的鉆前工程風險預測、鉆進過程中的工程風險監(jiān)測、鉆后的風險經(jīng)驗總結(jié)，為鉆前優(yōu)化鉆井工程設(shè)計方案、鉆中規(guī)避鉆進過程中的工程風險和鉆后風險分析提供技術(shù)指導和科學依據(jù)。

(2)系統(tǒng)涉及大量地質(zhì)數(shù)據(jù)及工程數(shù)據(jù)，為確保風險評價結(jié)果的準確性，需要與地質(zhì)人員進行充分的合作與溝通；同時隨著一個區(qū)塊不斷開發(fā)，要及時完善和更新地質(zhì)模型及風險評估模型。