以采油優先的一體化設計與應用

郭吉民 王鳳清 張戰敏 謝 江 吳贊美 馬鳳芹

（1.中國石油華北油田公司采油工藝研究院，河北任丘 062552；2. 華北油田公司第一采油廠，河北任丘 062552）

抽油機井桿管偏磨的原因可以大致的概括為2種：一是由于井眼彎曲導致桿管產生偏磨，對于斜井、定向井或局部存在較大狗腿度的直井，井眼彎曲是導致桿管產生偏磨的根本原因，井眼彎曲導致桿管偏磨的機理，目前認識比較充分；二是由于抽油桿柱屈曲導致桿管產生偏磨，對于一些井斜角不大、方位角變化明顯的直井，由于系統設計不合理或運行狀態變差而惡化了抽油桿柱的受力狀態，使抽油桿柱在油管內屈曲而導致桿管產生偏磨［1-3］。經統計，華北油田2011 年由于上述2 種原因導致的井眼彎曲井數達2 782 口（斜井2 362 口、直井420 口），占開井數的74.7%。其中，桿管偏磨原因導致檢泵比例占總作業井次的55.13%，給油田后期開發帶來了較大的經濟損失和人力資源浪費。不僅如此，由于井身結構不合理還導致后期采油措施難度增大，作業次數增加，管理維護成本上升，油井壽命降低。在油井的整個生命周期中，投入產出比下降，經濟效益差。因此，如何在鉆井工藝設計之初，先期考慮優化井身軌跡，以利于后期采油的需要，是一個迫切需要解決的問題。

1 傳統工藝設計現狀及流程

在油田開發中，傳統的做法是：遵照鉆井地質設計的要求進行鉆井工藝設計，重點考慮了鉆井工藝的要求，而對后期的完井、舉升工藝設計的要求并未系統考慮，另外舉升工藝也沒有對鉆井設計提出明確的設計要求。完井工藝與舉升工藝設計是根據鉆井部門提供的實際井身剖面與井眼軌跡，被動地完成完井工藝與舉升工藝設計。傳統工藝設計流程是：鉆井地質設計→鉆井工藝設計→完井工藝實施→舉升工藝設計，并進行采油生產作業［4-6］。

2 以采油優先的一體化設計模式的理念及目標

華北油田提出“以采油優先的鉆井一體化優化設計”的新理念：在鉆井工藝設計之初就考慮井身剖面對后期完井、采油的影響，從采油、完井、鉆井的優先級順序進行鉆井工藝設計，建立鉆井服務于采油的設計理念。

以采油優先的鉆井一體化設計的目標：主要針對抽油機井從鉆井、完井到采油的全過程管理，從鉆井設計時就進行抽油機舉升井身剖面優化，建立從前期鉆井、完井到后期采油及增產措施的一體化優化模式，實現鉆井工藝設計與后期采油的有機結合，形成油井的綜合評價體系。

一體化設計模式的流程：鉆井工程設計單位接到鉆井地質設計后，在綜合考慮地質、成本等方面的因素后，在鉆井工藝可接受的井眼軌跡變化范圍（窗口）內作出多套井眼軌跡及剖面設計方案，采油工程設計單位再對各設計方案進行相應的采油方面的力學計算，提出鉆井工程設計應采用的最優井眼軌跡及剖面。鉆井工程設計單位在此基礎上完成全部鉆井工程設計。

3 一體化設計模式的方法及應用

3.1 主要內容

（1）井身剖面綜合優化設計技術。對于任何一個油藏，可能的軌跡變化窗口往往很多，造斜點垂深可以在不同垂深位置窗口內連續變化；造斜點以下的井眼剖面類型及其具體參數也是無窮組合的。如何綜合考慮鉆井與舉升工藝的要求，建立井身剖面的優化設計方法是值得深入研究的課題。

（2）井身剖面評價優化技術。該項研究的基本思想是：由鉆井工藝設計提供多套井眼軌跡及剖面設計方案，采油設計單位對給定的剖面進行評價，優選出最適合于舉升工藝的一套井身剖面設計方案。

3.2 主要方法

（1）完井工程。在以采油優先的一體化設計模式中，完井方式的選擇必須提前考慮后期采油的需要，使所采用的完井方式對后期采油最為有利。不同的油藏，其儲集層類型、地質狀況、巖層特性差異很大。因此，不僅需要考慮油藏本身的特點如儲層類型、巖石特性、流體物性以及擬采用的舉升方式等因素，還要考慮前期投入、后期維護性成本等經濟指標因素，進行綜合評價，優選出最適合后期采油的完井方式，達到保護油氣層，提高油藏最終采收率的目的。在實際應用中，一般采用軟件仿真的方法實現完井方式的優選。在此基礎上，根據后期采油的需要，有針對性的選擇合理的完井方式，不僅最大限度地使油氣層受損害最低，充分利用地層能量，而且便于人工舉升和實施選擇性增產措施的條件，預防地層出砂等問題，有效延長油氣井生命周期。

（2）采油工程。采油工藝設計的主要任務是根據鉆井工程設計單位給出的合理范圍內的若干條井眼軌跡，分析這些井眼軌跡對后期采油工程的影響，進行抽油桿、抽油管力學計算，分析桿管的受力情況，本著油井防偏磨的最終目的確定最優的井眼軌跡，提出井眼軌跡的優化方案。

①利用層次分析法（AHP）確定定向井井身剖面評價指標體系［7-8］。井身剖面優選是多因素共同作用的結果。針對這種情況，考慮引入層次分析法（即AHP法）確定定向井井身剖面評價指標。作為一種廣為應用的多指標、多方案優化決策理論，AHP 法以復雜的決策問題作為整體系統目標，將其分解成若干組成要素，且根據這些要素間的支配關系構建有序遞進的階梯結構模型（目標子層）；對比確定各子層要素對上層要素的優先權重，以加權和遞階的方法合并各優選方案對系統目標的總權重，并根據其數值大小完成優化決策。AHP 法這種基于層次權重定量優化的分析模式適用于井身剖面優選問題的研究。

定向井井身剖面的評價指標可劃分成3個層次，依次為目標層、準則層和指標層，如圖1 所示。目標層主要表征了作為研究對象的復雜多目標決策問題中的實際系統目標；準則層體現了系統目標優化決策時須予以考評的各目標子層，這些組成要素也是優化決策的具體體現；指標層則是對上述目標層和準則層的細化和延展。

圖1 抽油機舉升井身剖面評價指標

通過分析，對于后期采用抽油機舉升的油井，定向井的井身剖面評價指標體系大體可以劃分為3 個方面：第一是投資和費用，指在油井的整個生命周期中油井注定和可能發生的費用的綜合，包括前期的鉆井費用，后期的采油費用；第二是井眼軌跡基本參數，包括井深、井斜角、方位角等；第三是對后期抽油機舉升采油的影響程度，指的是井眼軌跡對后期采油桿管柱可能產生的影響。

②基于模糊評價法的定向井井身剖面評價［9-11］。定向井評價指標體系中各指標是從多方面對井身剖面優劣進行考察和評判的，且不同單因素評價指標對井眼軌跡整體優劣的作用程度存在較大差異，因此進行定向井井眼軌跡優化決策的關鍵是獲得合理有效的單因素指標權重。根據AHP 法以井眼軌跡優化作為實際系統目標，鉆井進尺等指標作為構成目標子層的基本要素，由單因素指標權重合理評定諸要素對系統目標的權重，確定井眼軌跡優劣影響程度的評判數值。見圖2。

圖2 一體化設計采油井眼軌跡的優化流程

根據模糊評判法的基本原理，建立了一套井眼設計軌跡優選評價系統，通過對比計算不同井眼設計軌跡的性能評價指標，就可以優選出最佳的井眼設計軌跡。

③單目標參數優選。分別按照鉆井進尺（斜深）、造斜點位置、最大井斜角、扶正器數量及桿管間正壓力對每條鉆井軌跡進行排序，按由優到劣的順序進行排序。

假如存在n 條井眼軌跡，第1 條軌跡（最優軌跡）計分為n 分，第2 條軌跡計分為n–1 分，以此類推，最后一條軌跡的計分為1 分，如果有2 個或者多條軌跡的目標參數值相同，則這些軌跡的得分進行算術平均。

④多目標參數綜合評價。計算軌跡的綜合得分，假如鉆進總進尺、造斜點位置、最大井斜角、扶正器數量及桿管間正壓力的得分分別是f1、f2、f3、f4、f5，則軌跡的綜合得分為

上式中的c1，c2，c3、c4、c5為其權重，系統中要求可變，作為系統配置的一部分。

計算軌跡的無因次得分

式中，n 為軌跡數量。

以雁63-61x 井為例進行說明，通過錄入3 條不同井眼軌跡參數（包括井深、井斜角、方位角），進行井眼軌跡優選，可得到如圖3 所示的綜合評價結果。

圖3 雁63-61x 井軌跡優化設計結果

圖3 中展示了不同井眼軌跡對應的正壓力均方根、扶正器個數、鉆井進尺具體數值，以及綜合評價得分。結果表明，3 條設計軌道的扶正器個數和鉆井進尺差別不大，設計軌道2 的正壓力均方根最小，優于其他2 條軌道，綜合得分最高。因此優選設計軌道2。

3.3 應用情況

截至2012 年11 月1 日，已經完成了584 口井1 758 條鉆井井眼設計軌跡優選，通過計算每條井眼軌跡在不同采油條件下的桿管受力分析、扶正器數量，結合鉆進進尺等多種因素，綜合優選井眼軌跡，通過應用前后井眼軌跡的評價結果可以看出，在地質數據基本相同的情況下，優化后的井眼軌跡桿管柱正壓力減小30%以上，桿管摩擦力減小，所需扶正器數量減少，油井的系統效率提高10%以上。

4 結論

（1）以采油優先的一體化設計可以在鉆井設計初期考慮井眼軌跡對后期采油的影響，提前避免部分對采油不利的因素，最大限度地滿足采油的需要。

（2）以采油優先的一體化模式建立了井身軌跡的評價指標體系和評價方法，為合理設計井眼軌跡，充分考慮采油的需求，提供了可靠的依據。

（3）以采油優先的一體化設計模式確立了“鉆井服務于采油，以采油為中心”的設計理念，從整個油井的生命周期考慮問題，實現了油井生命期內的效益最大化，而不是僅從節約鉆井成本的角度片面衡量其經濟效益。

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