一种开发井井身结构设计方法与流程

1.本发明属于石油工程领域，具体而言，涉及一种开发井井身结构设计方法。


背景技术：

2.井身结构是钻井设计的关键参数，对钻井施工的风险有决定性作用。目前井身结构的设计方法有以下几种：
①
通过地层三压力剖面来决定，以地层易失稳的井深作为地质必封点、以钻进中钻井液密度大于地层破裂压力的井深作为工程必封点，再考虑井涌余量、下套管时是否发生卡套管等因素，确定井身结构。
②
罗军等，在硕士论文《深井井身结构设计风险评价方法研究》提出的，运用模糊隶属度函数评价法,将钻井过程中的事故复杂发生的可能性归为[0,1]中,分别评价了井漏、溢流、坍塌和压差卡钻风险,建立了深井井身结构设计整体风险评价模型,可以实现在不同程度的地层压力误差下的定量风险评价。根据评价结果的等级,确定是否优化井身结构或者钻井中提前做好处理事故复杂准备,同时为改进井身结构时钻井液密度选择提供参考。
③
胜亚楠等，在论文《基于钻前风险预测的井身结构优化方法》中提出的，首先基于邻井资料求取了待钻目标井含可信度的地层压力剖面,再利用钻井风险评价方法对待钻目标井井身结构设计方案进行评价,在钻前预测出可能发生的工程风险,并基于预测结果优化井身结构设计方案,规避钻井风险的发生。
④
李莹莹等，在论文《基于地层信息不确定性的钻井设计风险评估方法研究》提出的，首先通过已钻井资料对已钻地层进行处理和分析,定量描述含可信度区间的地层压力纵向剖面,评估未钻井的复杂情况的分类和分布概率,最后得出待钻目标井在实钻过程中可能发生的风险,并基于预测结果优化井身结构设计方案,将钻井风险发生的可能性控制在最低程度。以上方法都很复杂，也没有考虑投资的问题，并且也没考虑到，在处理风险过程中，复杂发生概率会出现变化，如果时间很长，可能引起复杂发生的概率大幅增加，并且不同层位的复杂会同时出现，其复杂发生的周期也会发生变化，会导致投资发生变化；复杂的发生会有互相影响的，如果复杂发生的概率太大，即使处理周期非常短，也会导致其它层位的复杂出现，从而导致复杂的发生概率和处理周期发生变化，会导致投资变化。以上方法会产生误差，影响井身结构的优选。
[0003]
专利cn202010776936.9《一种基于多目标优化的深井复杂地层井身结构设计方法》，公开了一种基于多目标优化的深井复杂地层井身结构设计方法，包括：步骤一、待分析井地层压力不确定性定量描述；步骤二、待分析井安全钻井液密度窗口的建立；步骤三、针对待分析井某套特定的井身结构方案进行风险定量评估；若风险定量评估结果小于风险预设值，则选用特定的井身结构方案；若风险定量评估结果大于或等于风险预设值，则重新调整井身结构方案。基于可靠度理论的套管层次及下深潜在风险评估方法，以对不同方案的井身结构进行风险评估，从而选择风险最小的方案；同时，也可以通过对施工参数进行优化，降低风险发生概率，在设计阶段最大限度地保障钻井安全。它没有考虑在处理风险过程中，复杂发生概率会出现变化，如果时间很长，可能引起复杂发生的概率大幅增加，并且不同层位的复杂会同时出现，其复杂发生的周期也会发生变化，会导致投资发生变化；复杂的
发生会有互相影响的，如果复杂发生的概率太大，即使处理周期非常短，也会导致其它层位的复杂出现，从而导致复杂的发生概率和处理周期发生变化，会导致投资变化。
[0004]
专利cn202120043045.2《一种适用于复杂地层条件的井身结构》，公开了一种适用于复杂地层条件的井身结构，具有从上至下顺序间隔分布的第一必封点、第二必封点和第三必封点，在第二必封点和第三必封点之间存在上下间隔分布的第一风险点和第二风险点，适用于复杂地层条件的井身结构包括第一开次套管、第二开次套管、第三开次套管、第四开次套管、第五开次套管以及第六开次套管，第一开次套管、第二开次套管、第三开次套管、第四开次套管、第五开次套管以及第六开次套管分别下入至第一必封点、第二必封点、第一风险点、第二风险点、第三必封点以及油气目的层。能合理增加套管层次，通过井身结构扩展安全钻达目的层，实现勘探开发目的。它没有考虑在处理风险过程中，复杂发生概率会出现变化，如果时间很长，可能引起复杂发生的概率大幅增加，并且不同层位的复杂会同时出现，其复杂发生的周期也会发生变化，会导致投资发生变化；复杂的发生会有互相影响的，如果复杂发生的概率太大，即使处理周期非常短，也会导致其它层位的复杂出现，从而导致复杂的发生概率和处理周期发生变化，会导致投资变化。


技术实现要素：

[0005]
井身结构的确定应综合考虑投资和工程风险，采用邻井出现复杂的深度，作为待优化井发生复杂的深度。这样方法存在误差，即使和邻井井深相同的位置，其地质分层可能不同，复杂发生的概率也不同，因此基于井深统计复杂发生的概率，误差很大。针对这个问题，本发明采用邻井复杂发生的井深在地层中位置的比例，是基于地质分层来表述复杂发生的井深参数，更加精确。
[0006]
本发明提供了一种开发井井身结构设计方法，包括：
[0007]
(1)建立区块风险发生的概率数据库，概率数据库中包括复杂发生的井深比例、复杂发生的概率、复杂发生处理的周期；
[0008]
(2)建立设计井复杂风险数据库，风险数据库包括设计井发生的井深、复杂发生的概率、复杂处理的周期；
[0009]
(3)建立井身结构设计优化方法，采用待选方案投资率、总复杂发生率、总复杂处理周期的乘积，作为判断目标方案的方法。
[0010]
其中，步骤(1)包括：
[0011]
将邻井发生复杂的井深，转换为在各层位中的位置比例；复杂发生的概率为同一地层位置出现的复杂次数之和除以样本数量；复杂处理的周期为同一地层位置出现的复杂的处理周期之和。
[0012]
其中，步骤(2)包括：
[0013]
复杂数据库中的井深比例转换为设计井发生的井深；复杂发生的概率和复杂处理的周期按复杂数据库取值。
[0014]
其中，步骤(3)包括：待选方案投资率、总复杂发生率、总复杂处理周期的乘积最小的方案为目标方案。
[0015]
其中，步骤(1)包括：
[0016]
统计和计算分析已钻井复杂发生的井号、复杂发生的井深、处理的时间数据，包
含：井号ai，井深hj，复杂处理时间tj，非人为复杂发生的次数sj，复杂发生的概率为fi，复杂处理的时间为ti,相关样本井的数量p,发生复杂所在地质层位的顶为cj，发生复杂所在地质层位的底为c
j+1
；
[0017]
建立已钻井情况数据库矩阵x：(ai，hj，tj，sj，cj，c
j+1
)；
[0018]
复杂发生的在地层中的cj位置：
[0019]
将复杂发生地层的位置bilij初始化处理，表示为n+bilij，n为地层序列，从地面开始第一层为0，第二个层位记为1，依次类推，记为bilik；若bilik相同，则认为是同一地层相同位置，令同一地层相同位置数量为m；
[0020]
计算在同一地层相同位置的不同复杂类型综合风险发生的概率：
[0021][0022]
计算在同一地层相同位置的不同复杂类型的综合风险处理的时间：
[0023][0024]
建立处复杂发生的概率的数据库y矩阵：(bilik，fk，tk)；
[0025]
其中，ai为目标区块的井号；hj为在井号ai中复杂发生的井深；tj在井号ai中井深hj处复杂发生处理的时间；sj为在井号ai中井深hj处，非人为复杂发生的次数；bilij为复杂发生在层位中的位置。
[0026]
其中，步骤(2)包括：
[0027]
建立设计井b数据库矩阵z(hb，c
vb
，c
vb+1
，y(b,2)，y(b，3))；
[0028]
设计井在井深hb出现复杂,该地质层位的顶部斜深为c
vb
,该地质层位的底部斜深c
vb+1
，hb＝[z(b,3)-z(b,2)]
·
[y(b,1)-n]+z(b-2)，表示为z(b，1)＝hb；
[0029]
n为地层序列，从地面开始第一层为0，第二个层位记为1，依次类推；
[0030]
此时设计井hb处的复杂发生的概率为y(k,2),处理的周期为y(k，3)，则令z(b，2)＝y(k，2)，同理令z(b，3)＝y(k，3)；
[0031]
建立复杂概率和复杂处理时间的数据库：
[0032]
v[z(b，1),z(b,4),z(b,5)]。
[0033]
其中，步骤(3)包括：
[0034]
令井底深度为m0，本开次的井眼直径为qs，下一开次的井眼直径为q
x
，本开次的套管外径为φ1，下开次套管外径为φ2；
[0035]
以套管下至m0，作为基准方案，其投资作为基准投资u；
[0036]
方案k的套管下深下至m
0-kδh，在数据库v中，如果存在m
0-kδh≤v(b,1)≤m0，则选择相应的复杂发生概率v(b，2)，复杂处理周期v(b，3),且有m个点；方案k周期为d；
[0037]
方案的投资率表示为方案k的投资uk与基准方案投资u的比值；
[0038][0039]
其中，kδh为井身结构优化的步长zj为每方钻井液成本；gj每方固井水泥浆成本；vs是本开次井眼的机械钻速，m/h；v
x
是下一开次井眼的机械钻速，m/h；shixiao为纯钻时效；rf是与钻井中周期相关的费用；tg为本开次套管和下一开次套管的价格差，单位是元/t；
[0040]
方案k总复杂发生率fk：
[0041][0042]
方案k总复杂发生处理周期比例tk：
[0043][0044]
建立互成120
°
角的坐标轴：oa、ob、oc；射线oa为方案的投资率fangank，射线0b为总复杂发生率fk，射线oc为总复杂处理周期tk；采用三角形面积s
δabc
作为比较参数，若s
δabc
值小，方案是综合投资、复杂发生率、复杂处理周期三个因素的最优方案；若没有复杂，即发生率和复杂处理周期为0，则s
δabc
为方案的投资率；
[0045][0046]
本技术实施例开发井井身结构设计方法具有如下有益效果：
[0047]
①
井身结构的确定应综合考虑投资和工程风险，采用邻井出现复杂的深度，作为待优化井发生复杂的深度。这样方法存在误差，即使和邻井井深相同的位置，其地质分层可能不同，复杂发生的概率也不同，因此基于井深统计复杂发生的概率，误差很大。针对这个问题，本发明采用邻井复杂发生的井深在地层中位置的比例，是基于地质分层来表述复杂发生的井深参数，更加精确。
②
在处理风险过程中，复杂发生概率会出现变化，如果时间很长，可能引起复杂发生的概率大幅增加，并且不同层位的复杂会同时出现，其复杂发生的周期也会发生变化，会导致投资发生变化；复杂的发生会有互相影响的，如果复杂发生的概率太大，即使处理周期非常短，也会导致其它层位的复杂出现，从而导致复杂的发生概率和处理周期发生变化，会导致投资变化。针对这些问题，本发明采用投资率和发生总概率的乘积，作为复杂发生概率对投资的影响；采用投资率和复杂处理周期的乘积，作为复杂处理周期对投资的影响；采用复杂总发生率和复杂处理周期的乘积，作为复杂处理周期和发生概率整体对投资的影响，将三者相加，作为风险处理和发生成本的定量评价标准，方案对比更加全面和准确。
③
简化设计方法，也便于使用计算机编程实现。
附图说明
[0048]
图1为本技术实施例中方案投资率、总复杂发生率、复杂处理总周期的示意图；
[0049]
图2为本技术实施例开发井井身结构设计方法流程示意图。
具体实施方式
[0050]
下面结合附图和实施例对本技术进行进一步的介绍。
[0051]
实施例一
[0052]
如图1-2所示，本技术开发井井身结构设计方法包括：(1)建立区块风险发生的概率数据库，概率数据库中包括复杂发生的井深比例、复杂发生的概率、复杂发生处理的周期；(2)建立设计井复杂风险数据库，风险数据库包括设计井发生的井深、复杂发生的概率、复杂处理的周期；(3)建立井身结构设计优化方法，采用待选方案投资率、总复杂发生率、总复杂处理周期的乘积，作为判断目标方案的方法。
[0053]
本发明采用邻井复杂发生的井深在地层中位置的比例，是基于地质分层来表述复杂发生的井深参数，更加精确。
[0054]
实施例二
[0055]
如图1-2所示，本发明公开了油气钻井领域内的一种开发井井身结构优化方法，包括：1)建立区块风险发生的概率数据库，数据库中主要包括复杂发生的井深比例、复杂发生的概率、复杂发生处理的周期。将邻井发生复杂的井深，转换为在各层位中的位置比例；复杂发生的概率为同一地层位置出现的复杂次数之和除以样本数量；复杂处理的周期为同一地层位置出现的复杂的处理周期之和。2)建立设计井复杂风险数据库，数据库包括设计井发生的井深、复杂发生的概率、复杂处理的周期。复杂数据库中的井深比例转换为设计井发生的井深；复杂发生的概率和复杂处理的周期按复杂数据库取值。3)建立井身结构设计优化方法，采用待选方案投资率、总复杂发生率、总复杂处理周期的乘积，作为判断最优方案的方法，即乘积最小，方案最优。本方法也便于使用计算机编程实现。
[0056]
(1)建立区块风险发生的概率数据库
[0057]
统计和计算分析已钻井复杂发生的井号、复杂发生的井深、处理的时间等数据，包含：井号ai，井深hj(垂深)，复杂处理时间tj，非人为复杂发生的次数sj，复杂发生的概率为fi，复杂处理的时间为ti(同一个深度发生2次以上复杂，处理时间合并处理；将处理复杂的主材消耗等其它费用，全部转化为周期),相关区块邻井的数量p,发生复杂所在地质层位的顶为cj(垂深)，发生复杂所在地质层位的底为c
j+1
(垂深)。
[0058]
建立已钻井情况数据库矩阵x：(ai，hj，tj，sj，cj，c
j+1
)。
[0059]
复杂发生的在地层中的cj位置：
[0060]
将复杂发生地层的位置bilij初始化处理，表示为n+bilij，n为地层序列，从地面开始第一层为0，第二个层位记为1，依次类推，记为bilik。若bilik相同，则认为是同一地层相同位置，令同一地层相同位置数量为m。
[0061]
计算在同一地层相同位置的不同复杂类型综合风险发生的概率：
[0062][0063]
计算在同一地层相同位置的不同复杂类型的综合风险处理的时间：
[0064][0065]
建立处复杂发生的概率的数据库y矩阵：(bilik，fk，tk)。
[0066]
其中，ai为目标区块的井号；hj为在井号ai中复杂发生的井深；tj在井号ai中井深hj处复杂发生处理的时间；sj为在井号ai中井深hj处，非人为复杂发生的次数；bilij为复杂发生在层位中的位置。
[0067]
(2)建立设计井复杂风险数据库
[0068]
建立设计井b数据库矩阵z(hb，c
vb
，c
vb+1
，y(b,2)，y(b，3))
[0069]
设计井在井深hb出现复杂,该地质层位的顶部斜深为c
vb
,该地质层位的底部斜深c
vb+1
，hb＝[z(b,3)-z(b,2)]
·
[y(b,1)-n]+z(b-2)，表示为z(b，1)＝hb。
[0070]
n为地层序列，从地面开始第一层为0，第二个层位记为1，依次类推。
[0071]
此时设计井hb处的复杂发生的概率为y(k,2),处理的周期为y(k，3)，则令z(b，2)＝y(k，2)，同理令z(b，3)＝y(k，3)；
[0072]
建立复杂概率和复杂处理时间的数据库：
[0073]
v[z(b，1),z(b,4),z(b,5)]
[0074]
(3)建立井身结构设计优化方法
[0075]
令井底深度为m0，本开次的井眼直径为qs，下一开次的井眼直径为q
x
，本开次的套管外径为φ1，下开次套管外径为φ2。
[0076]
以套管下至m0，作为基准方案，其投资作为基准投资u。
[0077]
方案k的套管下深下至m
0-kδh，在数据库v中，如果存在m
0-kδh≤v(b,1)≤m0，则选择相应的复杂发生概率v(b，2)，复杂处理周期v(b，3),且有m个点。方案k周期为d。
[0078]
方案的投资率表示为方案k的投资uk与基准方案投资u的比值。
[0079][0080]
其中，kδh为井身结构优化的步长zj为每方钻井液成本；gj每方固井水泥浆成本；vs是本开次井眼的机械钻速，m/h；v
x
是下一开次井眼的机械钻速，m/h；shixiao为纯钻时效；rf是与钻井中周期相关的费用(包括钻机日费、技术服务费、井控装置使用费等)；tg为本开次套管和下一开次套管的价格差，单位是元/t。
[0081]
方案k总复杂发生率fk：
[0082][0083]
方案k总复杂发生处理周期比例tk：
[0084][0085]
建立互成120
°
角的坐标轴：oa、ob、oc。射线oa为方案的投资率fangank，射线0b为总复杂发生率fk，射线oc为总复杂处理周期tk。采用三角形面积s
δabc
作为比较参数，若s
δabc
值小，方案是综合投资、复杂发生率、复杂处理周期等三个因素的最优方案。若没有复杂，即发生率和复杂处理周期为0，则s
δabc
为方案的投资率。
[0086][0087]
井身结构的确定应综合考虑投资和工程风险，采用邻井出现复杂的深度，作为待优化井发生复杂的深度。这样方法存在误差，即使和邻井井深相同的位置，其地质分层可能不同，复杂发生的概率也不同，因此基于井深统计复杂发生的概率，误差很大。针对这个问题，本发明采用邻井复杂发生的井深在地层中位置的比例，是基于地质分层来表述复杂发生的井深参数，更加精确。
[0088]
在处理风险过程中，复杂发生概率会出现变化，如果时间很长，可能引起复杂发生的概率大幅增加，并且不同层位的复杂会同时出现，其复杂发生的周期也会发生变化，会导致投资发生变化；复杂的发生会有互相影响的，如果复杂发生的概率太大，即使处理周期非常短，也会导致其它层位的复杂出现，从而导致复杂的发生概率和处理周期发生变化，会导致投资变化。针对这些问题，本发明采用投资率和发生总概率的乘积，作为复杂发生概率对投资的影响；采用投资率和复杂处理周期的乘积，作为复杂处理周期对投资的影响；采用复杂总发生率和复杂处理周期的乘积，作为复杂处理周期和发生概率整体对投资的影响，将三者相加，作为风险处理和发生成本的定量评价标准，方案对比更加全面和准确。
[0089]
本技术简化设计方法，也便于使用计算机编程实现。
[0090]
实施例三
[0091]
某区块有a1、a2、a3、a4等4口邻井，设计井为b井。a1、a2、a3井复杂发生情况如表1。
[0092]
表1邻井复杂表
[0093][0094]
1、建立复杂数据库矩阵x：(ai，hj，tj，sj，cj，c
j+1
)：
[0095][0096]
2、建立处复杂发生的概率的数据库y矩阵：(bilik，fk，tk)
[0097]
假设es为最上面的地层，n取值为0；ed为为第二个地层，n取1；ef为从第三个地层，n取2。
[0098][0099][0100][0101][0102][0103][0104]
[0105]
由于有4口邻井，故p取4。因y(1，1)和y(3,1)值相同，故认为是相同地层同一位置，将其合并为y(1，1)；y(2，1)不变，将y(4,1)改为y(3,1)；y(5，1)和y(6,1)值相同，故认为是相同地层同一位置，将其合并为y(4,1)；将y(7,1)改为y(5,1)。复杂发生的概率：
[0106][0107][0108][0109][0110][0111]
复杂发生时间，如上所述，相同地层同一位置，合并处理。
[0112]
形成数据库矩阵y：
[0113][0114][0115][0116][0117][0118][0119]
3、开展井身结构的优化
[0120]
设计井b井地质分层为表2
[0121]
表2设计井地质分层深度(斜深)
[0122]
[0123]
建立设计井复杂概率数据矩阵z(hb，c
vb
，c
vb+1
，gailvb，zhouqib)
[0124][0125]
z(1,1)＝h1＝[z(1,3)-z(1,2)]
·
[y(1,1)-0]+z(1，2)＝1160
[0126]
z(1,2)＝h2＝[z(2,3)-z(2,2)]
·
[y(2,1)-1]+z(2，2)＝1285
[0127]
z(1,3)＝h3＝[z(3,3)-z(3,2)]
·
[y(3,1)-1]+z(3，2)＝1320
[0128]
z(1,4)＝h4＝[z(4,3)-z(4,2)]
·
[y(4,1)-1]+z(4，2)＝1390
[0129]
z(1,5)＝h5＝[z(5,3)-z(5,2)]
·
[y(5,1)-2]+z(5，2)＝1700
[0130]
建立复杂概率和复杂处理时间的数据库：v[z(b，1),z(b,4),z(b,5)]
[0131][0132]
b井井底深度为1800m，本开次的井眼直径为0.311m，下一开次的井眼直径为0.2159m，本开次的套管外径为244.5，本开次的钻速为16m/h,下一开次的钻速为22m/h，钻井液成为0.2万/m3，固井水泥浆成本为0.5万/m3；是本开次井眼的机械钻速，m/h；是下一开次井眼的机械钻速，m/h；纯钻时效为40％；为与钻井中周期相关的费用(包括钻机日费、技术服务费、井控装置使用费等)，按30钻机取值8万/天；为本开次套管和下一开次套管的价格差，取值0.02元/m，按取值300m。基准投资为300万。
[0133]
方案一：k取1，套管下深下至1800m-300m＝1400m，周期d为12天。在数据库v中，存在1800》v(5，1)≥1400。故方案一间存在发生复杂的概率，则选择相应的复杂发生概率v(5，2)＝0.25，复杂处理周期v(5，3)＝1，参与方案二的计算，因只有1个点，故w＝1。
[0134]
方案1的投资率表示为投资uk与基准方案投资u的比值。
[0135][0136]
方案1总复杂发生率f1：
[0137]
f1＝0.25
[0138]
方案1总复杂发生处理周期比例t1：
[0139][0140][0141]
方案二：k取2，套管下深下至1800m-600m＝1200m，周期d为12天。在数据库v中，存在1800》v(5，1)、v(4，1)、v(3，1)、v(2，1)≥1200。故方案一间存在发生复杂的概率，则选择相应的复杂发生概率v(5，2)＝0.25、v(4，2)＝0.75、v(3，2)＝0.5、v(2，2)＝0.5，复杂处理周期v(5，3)＝1、v(4，3)＝1.3、v(3，3)＝1、v(2，3)＝1，参与方案二的计算，因只有4个点，故w＝1。
[0142]
方案二的投资率表示为方案的投资uk与基准方案投资u的比值。
[0143][0144]
方案二总复杂发生率f2：
[0145]
0.25+0.75+0.5+0.5＝3
[0146]
方案二总复杂发生处理周期比例t2：
[0147][0148][0149]sδ方案一
《s
δ方案二
[0150]
故方案一为优选方案。
[0151]
本技术中，石油工程钻井方案实施以前，在设计阶段对井身结构进行优化，确保待钻井投资成本低、施工风险低。
[0152]
本发明中，复杂发生的深度更精确。本发明采用邻井复杂发生的井深在地层中位置的比例，是基于地质分层来表述复杂发生的井深参数，更加精确。
[0153]
本发明方案对比更加全面和准确。本发明采用投资率和发生总概率的乘积，作为复杂发生概率对投资的影响；采用投资率和复杂处理周期的乘积，作为复杂处理周期对投资的影响；采用复杂总发生率和复杂处理周期的乘积，作为复杂处理周期和发生概率整体对投资的影响，将三者相加，作为风险处理和发生成本的定量评价标准，考虑的更加全面，也更加准确。
[0154]
本发明方法更加简便。本发明将同一地层出现的多个复杂发生概率和复杂处理时间进行合并，一个地层位置对应一个复杂处理时间和复杂发生概率，简化计算的参数。
[0155]
以上介绍仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。