鉆井工程風險評估與控制系統的設計與軟件研發

勝亞楠 管志川

中國石油大學(華東)石油工程學院

隨著油氣勘探開發逐步向深井復雜地層以及海洋深水邁進，鉆井工程設計及施工風險越來越突出［1-2］。為了保障鉆井安全，國內外鉆井服務公司開發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域長期處于領先地位，如Schlumberger公司的NDS系統、挪威Statoil ASA公司的 eDrilling 系統、Baker Hughes公司的 RNS系統等［3-5］。國內的石油高校和軟件公司也開發了一系列鉆井工程軟件，但是總的來看國內有關鉆井風險評估技術的研究尚處于起步階段，配套的理論技術、設備及軟件等與國外還存在著較大差距［6-10］。為提高國內鉆井風險評估技術水平、縮小與國外的差距，經過長期的研究，開發了一套集“鉆前風險預測、鉆進風險監控和鉆后風險總結”于一體的鉆井工程風險評估與控制系統，可以實現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測以及鉆后的風險總結，為鉆前優化鉆井工程設計方案、鉆中規避鉆進過程中的工程風險和鉆后風險總結分析提供技術指導和科學依據［11-13］。

1 系統總體功能

鉆井工程風險評估與控制系統整體結構如圖1所示。

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

2 系統主要組成

鉆井工程風險評估與控制系統的組成包括5個子系統。

2.1 含不確定度鉆井地質力學參數鉆前描述及隨鉆更新子系統

該模塊主要功能是構建區域含不確定度鉆井地質力學參數三維模型，可以使鉆井工程技術人員更加清晰地了解區塊內鉆井地質力學參數的空間分布及變化規律，為鉆前工程設計風險的分析與評估提供必要的基礎數據。

2.2 鉆前工程設計風險評估與控制子系統

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

2.3 鉆井作業過程動態風險評估與控制子系統

按照進行動態風險評估的數據來源，可以將該模塊分為2大模塊：基于錄井資料的動態風險評估模塊和基于隨鉆測井資料的動態風險評估模塊。基于錄井資料的動態風險平估模塊包含3個子模塊：錄井資料實時接收模塊、動態風險評估模塊以及風險處理措施知識庫模塊。可以實現錄井資料的實時接收、動態風險發生類型及烈度的判斷以及風險調控措施的及時制定。基于隨鉆測井資料的動態風險評估模塊包含3個子模塊：鉆前模型修正與更新子模塊、井底循環當量鉆井液密度不確定性分析子模塊以及鉆井作業動態風險概率計算子模塊。該子模塊可以實現對鉆前模型的修正及動態風險發生類型和烈度的判斷。

2.4 鉆后工程風險總結與分析子系統

鉆后風險總結模塊又分為2大模塊：鉆井地質力學參數區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力學參數模型構建模塊以及鉆井作業過程動態風險評估模塊相連接，將修正結果直接導入含不確定度鉆井地質力學參數模型構建模塊以及鉆井作業過程動態風險評估模塊。

2.5 鉆井工程風險數據庫子系統

選用 Microsoft SQL Server 2008 構建鉆井風險數據庫，鉆井工程風險數據庫系統主要有4大功能模塊：系統安全模塊、數據管理模塊、數據庫備份與恢復模塊、數據查詢模塊。數據庫主要功能包括更新數據、添加、存儲和刪除等，可以實現對數據科學化、數字化管理；同時，也可以指導鉆井工程設計，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果精細化設計鉆井液密度以及其他相關配套技術的優選；可以指定風險規避和處理方案，如基于鄰井相似井的鉆井實踐，優化鉆井參數規避風險；以及基于數據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 系統關鍵技術

3.1 含不確定度鉆井地質力學參數鉆前描述及隨鉆更新技術

綜合考慮超深層油氣地質的復雜性、解釋資料的不完備性以及數學模型的精度對地質特征參數的影響，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力學參數不確定性量化表征方法。在此基礎上，利用地質統計學理論建立區域含不確定度鉆井地質力學參數三維模型，并結合可視化算法實現模型的三維可視化。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數據進行篩選、處理，通過理論計算、實驗驗證及統計分析，基于貝葉斯理論建立鉆前模型的實時更新機制，從而對鉆井地質力學參數模型實時更新，為風險評估提供更為準確的基礎數據。

3.2 鉆前工程設計風險評估與控制技術

對于一口待鉆井，在鉆前評估其鉆井設計方案是否足夠安全是十分必要的，一旦發現可能引發的工程風險，可在鉆前對設計進行合理調整，從而降低風險的發生概率甚至規避風險。在構建的區域含不確定鉆井地質力學參數鉆前模型的基礎上，根據待鉆井井眼軌跡設計結果，從模型中獲取沿井眼軌跡的鉆井地質力學參數結果，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上，構建含不確定度安全鉆井液密度窗口。依據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計不足而導致涌、漏、塌、卡等風險發生的概率及烈度的模型，形成套管層次及下深設計風險定量評估方法。根據建立的鉆前工程設計風險概率計算模型，可以對待鉆井的井身結構設計方案進行風險評估；如果無風險，則可以按照原設計方案進行鉆井施工；如果風險高，則必須調整井身結構方案，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，可以在鉆前設計階段最大限度規避井身結構設計不足導致的相關風險。

3.3 鉆井作業過程動態風險評估與控制技術

針對復雜地質環境下鉆井作業過程中井下工程風險預測誤差大且缺乏有效調控方法的問題，通過建立鉆井作業動態風險評估方法、以及動態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控方案數據庫的形式為現場的風險預警和規避方案的制定進行有效指導。通過開展鉆井過程中信息數據源分析，在鉆前模型基礎上，結合測井、錄井、隨鉆測量和鉆井等相關信息，基于貝葉斯理論修正與更新鉆前模型，從而實現對待鉆井井眼軌跡上的鉆井地質力學參數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當量密度；在此基礎上，根據筆者構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；無風險的話繼續鉆進；如果有風險，通過調整鉆進參數改變井底鉆井液循環當量密度來規避和控制風險，直到滿足安全需求后繼續鉆進。

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

3.4 鉆后工程風險總結與分析技術

一口井施工結束后，通過對整個周期內獲取的所有數據與信息進行總結分析，建立鉆井工程風險知識庫，為后續鉆井方案的制定提供技術支持。鉆井工程風險總結的主要工作是對比現場工程風險與風險評估結果，分析風險評估方法的適應性，修正并改進風險評估模型。利用鉆井地質力學參數實測值或者測井解釋結果，修正鉆井地質力學參數計算公式中的模型系數，并結合已鉆井資料或區域地震資料，不斷修正并完善區域鉆井地質力學參數模型，不斷降低模型的不確定度，為后續待鉆井工程設計方案的風險評估提供更為準確的基礎數據。同時，收集并整理在整個鉆井周期內與工程風險相關的數據與資料，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控方案數據庫的形式為后續鉆井工程設計方案的制定以及風險預警和規避進行有效指導。

3.5 鉆井工程風險數據庫設計技術

整個鉆井工程周期內的多源信息數據流依次為，鉆前-鉆中-鉆后。鉆前信息主要包括：區域地震資料、鄰井測井、巖心試驗、壓力測試、井史報告和事故統計資料等。依據鉆前信息，完成待鉆井工程設計方案的制定，在設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。基于鉆中信息，可以修正并完善鉆前設計方案，規避和調控鉆進過程中發生的風險。一口井施工結束后，通過對整個周期內獲取的所有數據與信息進行總結分析，建立鉆井工程風險知識庫，為后續鉆井方案的制定提供技術支持。鉆井工程風險數據庫結構如圖2所示。

4 軟件編制與現場應用

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生井涌風險。在實際鉆井過程中，在鉆至相應井深位置時，現場人員發現小涌，及時采取了相應措施，避免了風險進一步惡化。軟件預測結果與鉆井現場實際情況相吻合。

(1)含不確定度鉆井地質力學參數模型構建模塊。該模塊主要功能是構建區域含不確定度鉆井地質力學參數三維模型，有利于工程技術人員更加清晰地了解區塊內地層壓力的空間分布及變化規律；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力學參數剖面，為鉆前工程設計風險評估提供必要的地層壓力信息數據。

(2)鉆前工程設計風險評估模塊。鉆前工程設計風險評估模塊可以對待鉆井井身結構設計方案進行風險評估，定量計算風險發生的概率及烈度，得到沿井深分布的風險概率剖面，直觀顯示風險發生的層位及嚴重程度，如果無風險，則可以按照原設計方案進行鉆井施工；如果風險高，則必須調整井身結構設計方案，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力學參數特征，設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)鉆井作業過程動態風險評估模塊。按照進行動態風險評估的數據來源，可以將該模塊分為2大模塊：基于錄井資料的動態風險評估與控制模塊和基于隨鉆測井資料的動態風險評估與控制模塊。基于錄井資料的動態風險評估與控制模塊包含3個子模塊：錄井數據實時接收模塊、動態風險評估模塊以及風險控制知識庫模塊。可以實現錄井資料的實時接收、動態風險發生類型及烈度的判斷以及風險控制措施的及時制定。基于隨鉆測井資料的動態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動態風險評估與控制子模塊。可以實現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生概率，在風險發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據庫的形式為規避方案的制定進行有效指導。

(4)鉆后工程風險總結與分析模塊。鉆后風險總結模塊又分為2大模塊：鉆井地質力學參數區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力學參數模型構建模塊以及鉆井作業過程動態風險評估模塊相連接，將修正結果直接導入含不確定度鉆井地質力學參數模型構建模塊以及鉆井作業過程動態風險評估模塊。

(5)鉆井工程風險數據庫。選用Microsoft SQL Server 2008構建鉆井風險數據庫，鉆井工程風險數據庫系統主要有4大功能模塊：系統安全模塊、數據管理、數據備份與恢復模塊、查詢與分析模塊。數據庫主要功能包括更新數據、添加、存儲和刪除等，可以實現對數據科學化、數字化管理；同時，也可以指導后續鉆井工程設計，如套管與鉆頭系列方案的優選、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果精細化設計鉆井液密度以及其他相關配套技術的優選；可以制定風險規避和處理方案，如基于鄰井的鉆井實踐優化鉆井參數規避風險；以及基于數據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 鉆井工程風險數據庫結構Fig.2 Structure of drilling engineering risk database

5 結論與建議

(1)開發研究的鉆井工程風險評估與控制系統軟件，集“鉆前風險預測、鉆進風險監控和鉆后風險總結”于一體，可以實現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測、鉆后的風險經驗總結，為鉆前優化鉆井工程設計方案、鉆中規避鉆進過程中的工程風險和鉆后風險分析提供技術指導和科學依據。

(2)系統涉及大量地質數據及工程數據，為確保風險評價結果的準確性，需要與地質人員進行充分的合作與溝通；同時隨著一個區塊不斷開發，要及時完善和更新地質模型及風險評估模型。