钻井工程设计与工艺软件的发展现状

张冬梅 周英操 赵庆 蒋宏伟 连志龙 赵亦朋 宋鹏 周泊奇

（中国石油集团钻井工程技术研究院，北京100195）

钻井工程设计与工艺软件的发展现状

张冬梅 周英操 赵庆 蒋宏伟 连志龙 赵亦朋 宋鹏 周泊奇

（中国石油集团钻井工程技术研究院，北京100195）

介绍国内外钻井工程设计与工艺软件特点。经过“十一五”科技攻关，国内已经开发出具有自主知识产权的钻井工程设计与工艺软件，初步解决了我国钻井软件长期依赖于国外软件的局面，基本满足国内油田钻井工程设计与施工分析的需要。

钻井工程；软件系统；钻井设计；钻井软件

随着现代社会对石油的需求不断增长，石油勘探开发表现出全球化特点，钻井施工区域遍布世界各地，钻井工程设计与施工越来越复杂。钻井工程从设计、施工到经验总结，每一环节都需要进行各种计算分析，例如钻井方案设计、钻井工程数据分析、钻井风险分析与控制、钻井施工实时优化等等，都需要专用软件提供支持，钻井工程对软件的依赖性逐步增强。下面详细介绍国内外钻井工程软件的发展现状。

1 国外钻井工程软件研发现状

从20世纪80年代开始国外已经推出多种商业化的钻井工程软件产品。目前通用的钻井设计和分析软件主要有Landmark、Schlumberger和Paradigm。这几款钻井设计软件代表了国际上钻井设计软件的最高水平，实现了模块化和三维可视化设计。

1.1 Landmark软件

Landmark软件是美国Halliburton公司开发的专业钻井工程服务软件。它是一套知识集成系统，主要功能是利用所集成的知识协助用户进行专业分析并做出智能决策。该系统主要功能模块包括：WellPlan、Compass、CasingSeat、StressCheck、WellCat、WellCost、OpenWire、OpenWells、Profile、Data Analyzer和iWellFile等。这些功能模块可大大改进钻井设计,预防卡钻和钻具事故，降低钻井成本和钻井风险。其中WellPlan、Compass在我国油田得到广泛应用。

（1）WellPlan模块具有以下功能：计算在不同的井眼轨迹中应用不同的管串组合（钻具和套管串）的摩阻和扭矩值，得出施工可行性的结论；利用与扭矩/阻力程序相同的钻柱模式，可以精确计算出摩擦力和其他结果；利用有限单元分析和受力频率反映技术模拟和鉴定临界钻速及钻具中的高应力集中；利用有限单元分析技术预测、模拟和分析各种旋转和导向钻具组合的钻井特性；提供完整的循环系统分析，钻头水眼优选，压力损耗和抽吸激动压力计算；可动态模拟由于钻杆运动引起的井下波动压力；预测最大流体侵入量，设计合适的套管程序以保证可承受最大压力，提供灵敏度分析和实际压井所需的技术支持以及实现固井过程模拟等多种功能。

（2）Compass应用软件能够进行复杂井眼轨迹设计和分析,支持多目标水平井设计，实现数据编辑、数据输入及图形显示完全一体化。它具有以下功能：可观察井眼轨迹动态变化;可根据特定的条件(包括狗腿、连续增斜和扭方位剖面类型)制定好计划，并按计划进行施工；测量数据可以用工业标准方法进行输入和处理,该软件提供了井眼轨迹控制功能，用户可据此在早期轨迹设计及施工轨迹跟踪过程中发现问题，帮助现场决策，从而加快钻井速度，降低钻井成本［1］。主要功能模块包括轨迹设计、测斜分析、防碰扫描和最近距离计算。

1.2 DrillingOffice软件

斯伦贝谢公司的钻井工程设计软件能够实现钻井工程设计的科学化和计算机化，设计内容主要包括以下几个方面：

（1）Well Design—井眼轨迹设计；

（2）Survey Editor—测斜计算;

（3）Close Approach—防碰扫描;

（4）DrillViz—三维可视化钻井显示;

（5）BHA—钻具与井筒编辑;

（6）DrillSafe—摩阻、扭矩、钻井趋势分析;

（7）Hydraulics—水力学分析。

1.3 Paradigm软件

Paradigm软件提供从钻井靶区选取、井网设计、单井钻井工程设计等基本的钻井应用以及地质导向高级应用的一系列软件产品。Paradigm的钻井应用包为Windows平台下的应用程序，通过高效的功能整合，提供用户高效的工作效率和生产效率。Paradigm钻井产品主要由以下两个基础产品组成：OpsLink 和 Sysdrill。

2 国内钻井工程软件研发现状

目前，国内在管理、分析、共享和应用钻井工程信息资源方面的工作明显滞后。我国的钻井软件研发与国外先进水平相比差距逐年加大。国内油田所使用的钻井软件基本上是通过项目研究形式，与石油院校合作开发而成，主要包括钻井工程常规设计与分析方面的软件。

2.1 Navigator Drilling Studio软件

北京怡恒阳光科技发展有限公司开发的Navigator Drilling Studio（定向井水平井设计与计算分析系统）是一套用于陆上和海上定向井水平井设计和工程分析的计算机辅助系统。其中，TDFEA摩阻扭矩分析软件是针对井眼内的钻柱受力建模，采用有限元方法进行力学分析，可对定向井和水平井进行分析。

2.2 Tadpro软件

Tadpro软件是由北京奥格特技术有限公司开发研制的摩阻和扭矩分析软件，该软件可进行各种类型井眼钻压设计，钻柱强度校核，各种工况的管柱弯曲状态、摩阻扭矩及大钩载荷、钻机负荷预测。

2.3 钻井工程设计一体化系统（IDDS）

北京超思唯科公司开发的钻井工程设计一体化系统（IDDS）井身结构设计模块可绘制地层岩性剖面图、地层破裂压力梯度曲线、地层孔隙压力梯度曲线，并根据井身结构设计数据和井眼轨道设计数据绘制井身结构图。

2.4 欠平衡钻井设计和监测软件

欠平衡钻井设计和监测软件是北京奥尔创新石油工程技术有限公司研发的软件，能预测充足的井眼清洗能力，并可在保持欠平衡情况下将机械钻进速度提高到最高速。使用新的岩屑携带能力计算方法，欠平衡钻井设计和监测软件考虑了岩屑的累积效应。

3 钻井工程设计与工艺软件

为了缩小与国外技术的差距，提高我国钻井工程核心竞争力，及时分析钻井施工状况，保障钻井安全，促进钻井施工决策的科学性，有必要建立我国自主品牌的钻井软件。中国石油集团钻井工程技术研究院开展了自主创新研究，开发了一套具有自主知识品牌、功能全面的钻井工程软件系统。

3.1 软件的功能模块

钻井工程设计和工艺软件平台模块集成采用插件式技术，通过加入不同的插件使平台获得不同的能力，各个插件可以在系统中动态添加和删除，单个插件的维护不影响系统的总体运行和其他插件功能，可减少维护成本。各个插件之间没有干扰和影响，有利于各个软件之间的独立开发。

（1）控压钻井设计与分析系统。控压钻井设计与分析系统通过控制地面节流管汇，来控制回压，最终达到控制井底压力的目的，从而在钻井全过程各种施工工况下保证井筒环空中钻井液当量密度恒定。该系统包括控压钻井数据管理模块、控压钻井数据监测模块和控压钻井计算分析模块等多个功能模块，可以满足液态流体井底恒定压力的控压钻井设计及分析需要。

（2）欠平衡/气体钻井设计与分析系统。欠平衡/气体钻井设计及分析系统适用于直井、定向井和水平井进行设计、计算及分析。该系统可以实现气体欠平衡钻井、雾化欠平衡钻井、泡沫欠平衡钻井、充气欠平衡钻井和液相欠平衡钻井等多种欠平衡钻井设计。

（3）地层压力预测分析与监测系统。地层压力预测分析与监测系统的主要功能是分别利用测井、录井、地震等资料确定地层压力，另外还可利用层速度资料进行压力计算及压力结果的可视化分析，实现一条龙作业：原始数据的计算机获取——资料自动处理及人机交互处理——地层压力分析计算——显示打印结果图件。这样不仅可以提高地层压力计算精度，而且可以减少人工处理资料的工作量。

（4）岩石力学分析系统。岩石力学分析系统利用全井段测井数据进行分层的孔隙压力、坍塌压力和破裂压力计算以及定向井井壁坍塌和破裂风险分析。系统可用于解决当前深井、超深井钻井碰到的岩石力学难题，分析井眼轨迹对定向井井壁稳定的影响，建立盐膏层钻井液密度图版，并对岩石的可钻性做出预测分析。

（5）钻柱力学分析系统。钻柱力学分析系统用于直井、定向井和水平井的钻柱设计、计算及分析，主要功能包括钻柱摩阻扭矩分析、振动分析、强度分析、底部钻具组合力学分析及钻柱下入极限深度分析等，可为实现钻前设计和现场施工提供依据。

（6）钻井液设计及分析系统。钻井液设计与分析系统能够根据输入的基础数据，对油井所使用的钻井液体系、性能、配方进行设计，并能计算材料费用，输出设计文档。该系统可以实现油井钻井液设计、邻井数据查询和钻井液常用计算等功能。

（7）固井工程设计与分析系统。固井工程设计与分析系统可以实现管柱设计，下套管设计，模拟注水泥设计，模拟挤水泥与打水泥塞设计以及固井质量评价等功能。另外，首次在固井软件中开发了固井工程事后分析功能模块，该模块为固井施工情况分析、固井复杂情况诊断与处理、固井施工质量评价提供了便捷有效的工具。

（8）钻井数据库管理系统。数据库内容齐全，涵盖了钻井业务各个环节信息。扩充了数据库的结构分类，辅助库为软件提供了更好的帮助。优化数据库表间关系，降低数据冗余。数据间约束合理、明确，保证了数据完整性，表项字段包括中文、英文、曾用名对照。数据统一采用国际单位制入库，便于管理和数据移植。数据库管理软件采用树形目录、页签式的界面管理方式，界面友好、简洁、易于操作。基于数据透视的统计分析功能比较新颖，数据导入/导出功能简洁、实用。该系统实现了辅助库的统一管理，支持历史数据回放，直观形象。用户权限管理比较安全，系统更安全。

3.2 应用效果

钻井工程设计与工艺软件已在现场开展了应用测试。测试结果显示，钻井工程设计和工艺软件功能丰富、计算准确、使用方便，可较好地满足现场钻井工程设计与施工的需要，可为陆上油气勘探开发示范工程和复杂深井钻井工程提供技术支撑。通过地层压力预测与监测系统和岩石力学分析系统建立了三个压力（孔隙压力、坍塌压力和破裂压力）剖面、安全钻井液密度窗口和盐膏层钻井液密度图版。在此基础上再进行钻柱力学分析、钻井液设计，可以为待钻完井设计提供科学决策依据，对加快安全钻井进程和油田开发具有十分重要的现实意义。

4 结 语

钻井工程设计和工艺软件改变了国内单项钻井软件系统数据库各自独立造成的“信息孤岛”局面，使得钻井各个设计部门的信息得以充分共享，实现钻井设计和施工一体化、基地和现场一体化以及多学科协作一体化，提高钻井工程技术人员的设计效率、作业质量和决策水平，降低钻井风险和费用，提高我国钻井工程设计和工艺软件领域的自主创新能力和原创性技术研发能力。钻井工程设计和工艺软件对于增强中国钻井技术在国内外市场中的核心竞争力具有十分重要的现实意义。

[1]华远信,张桂强,朱伟鸿,孟会堂.COMPASS、WELL PLAN软件在钻井设计和施工中的应用[J].西南石油学院学报，2004,26（1）：83-86.

[2]李大伟.对中石油专业应用软件的现状分析与发展思考[J].石油工业计算机应用，2008(4):2-5.

[3]董振国.美国钻井信息管理系统DFW[J].计算机应用，1996,10（5）：34-36.

[4]李大伟,刘海英.关于石油工业软件工程化的思考[J].中国石油勘探，2000(5):32-36.

Abstract：This paper makes a detailed description about domestic and foreign drilling engineering design and technology software.After"11th five-year plan",our country has already developed drilling engineering design and technology software with independent intellectual property rights,and solves our long-term dependence on foreign drilling software situation,which meets the domestic drilling engineering design needs basically.

Key words：drilling engineering;software system;drilling design;drilling software

Development in Drilling Engineering Design and Technology Software

ZHANG DongmeiZHOU Ying caoZHAO QingJIANG Hongwei LIAN Zhilong ZHAO Yipeng SONG Peng ZHOU Boqi
(Drilling Engineering&Technology Research Institute,CNPC,Beijing 100195)

TE242

A

1673-1980（2012）02-0066-03

2011-10-24

国家科技重大专项“钻井工程设计和工艺软件”（2011ZX05021-006）

张冬梅（1984-），女，工程师，硕士，研究方向为钻井信息工程与钻井软件开发。