以采油优先的一体化设计与应用

郭吉民 王凤清 张战敏 谢 江 吴赞美 马凤芹

（1.中国石油华北油田公司采油工艺研究院，河北任丘 062552；2. 华北油田公司第一采油厂，河北任丘 062552）

抽油机井杆管偏磨的原因可以大致的概括为2种：一是由于井眼弯曲导致杆管产生偏磨，对于斜井、定向井或局部存在较大狗腿度的直井，井眼弯曲是导致杆管产生偏磨的根本原因，井眼弯曲导致杆管偏磨的机理，目前认识比较充分；二是由于抽油杆柱屈曲导致杆管产生偏磨，对于一些井斜角不大、方位角变化明显的直井，由于系统设计不合理或运行状态变差而恶化了抽油杆柱的受力状态，使抽油杆柱在油管内屈曲而导致杆管产生偏磨［1-3］。经统计，华北油田2011 年由于上述2 种原因导致的井眼弯曲井数达2 782 口（斜井2 362 口、直井420 口），占开井数的74.7%。其中，杆管偏磨原因导致检泵比例占总作业井次的55.13%，给油田后期开发带来了较大的经济损失和人力资源浪费。不仅如此，由于井身结构不合理还导致后期采油措施难度增大，作业次数增加，管理维护成本上升，油井寿命降低。在油井的整个生命周期中，投入产出比下降，经济效益差。因此，如何在钻井工艺设计之初，先期考虑优化井身轨迹，以利于后期采油的需要，是一个迫切需要解决的问题。

1 传统工艺设计现状及流程

在油田开发中，传统的做法是：遵照钻井地质设计的要求进行钻井工艺设计，重点考虑了钻井工艺的要求，而对后期的完井、举升工艺设计的要求并未系统考虑，另外举升工艺也没有对钻井设计提出明确的设计要求。完井工艺与举升工艺设计是根据钻井部门提供的实际井身剖面与井眼轨迹，被动地完成完井工艺与举升工艺设计。传统工艺设计流程是：钻井地质设计→钻井工艺设计→完井工艺实施→举升工艺设计，并进行采油生产作业［4-6］。

2 以采油优先的一体化设计模式的理念及目标

华北油田提出“以采油优先的钻井一体化优化设计”的新理念：在钻井工艺设计之初就考虑井身剖面对后期完井、采油的影响，从采油、完井、钻井的优先级顺序进行钻井工艺设计，建立钻井服务于采油的设计理念。

以采油优先的钻井一体化设计的目标：主要针对抽油机井从钻井、完井到采油的全过程管理，从钻井设计时就进行抽油机举升井身剖面优化，建立从前期钻井、完井到后期采油及增产措施的一体化优化模式，实现钻井工艺设计与后期采油的有机结合，形成油井的综合评价体系。

一体化设计模式的流程：钻井工程设计单位接到钻井地质设计后，在综合考虑地质、成本等方面的因素后，在钻井工艺可接受的井眼轨迹变化范围（窗口）内作出多套井眼轨迹及剖面设计方案，采油工程设计单位再对各设计方案进行相应的采油方面的力学计算，提出钻井工程设计应采用的最优井眼轨迹及剖面。钻井工程设计单位在此基础上完成全部钻井工程设计。

3 一体化设计模式的方法及应用

3.1 主要内容

（1）井身剖面综合优化设计技术。对于任何一个油藏，可能的轨迹变化窗口往往很多，造斜点垂深可以在不同垂深位置窗口内连续变化；造斜点以下的井眼剖面类型及其具体参数也是无穷组合的。如何综合考虑钻井与举升工艺的要求，建立井身剖面的优化设计方法是值得深入研究的课题。

（2）井身剖面评价优化技术。该项研究的基本思想是：由钻井工艺设计提供多套井眼轨迹及剖面设计方案，采油设计单位对给定的剖面进行评价，优选出最适合于举升工艺的一套井身剖面设计方案。

3.2 主要方法

（1）完井工程。在以采油优先的一体化设计模式中，完井方式的选择必须提前考虑后期采油的需要，使所采用的完井方式对后期采油最为有利。不同的油藏，其储集层类型、地质状况、岩层特性差异很大。因此，不仅需要考虑油藏本身的特点如储层类型、岩石特性、流体物性以及拟采用的举升方式等因素，还要考虑前期投入、后期维护性成本等经济指标因素，进行综合评价，优选出最适合后期采油的完井方式，达到保护油气层，提高油藏最终采收率的目的。在实际应用中，一般采用软件仿真的方法实现完井方式的优选。在此基础上，根据后期采油的需要，有针对性的选择合理的完井方式，不仅最大限度地使油气层受损害最低，充分利用地层能量，而且便于人工举升和实施选择性增产措施的条件，预防地层出砂等问题，有效延长油气井生命周期。

（2）采油工程。采油工艺设计的主要任务是根据钻井工程设计单位给出的合理范围内的若干条井眼轨迹，分析这些井眼轨迹对后期采油工程的影响，进行抽油杆、抽油管力学计算，分析杆管的受力情况，本着油井防偏磨的最终目的确定最优的井眼轨迹，提出井眼轨迹的优化方案。

①利用层次分析法（AHP）确定定向井井身剖面评价指标体系［7-8］。井身剖面优选是多因素共同作用的结果。针对这种情况，考虑引入层次分析法（即AHP法）确定定向井井身剖面评价指标。作为一种广为应用的多指标、多方案优化决策理论，AHP 法以复杂的决策问题作为整体系统目标，将其分解成若干组成要素，且根据这些要素间的支配关系构建有序递进的阶梯结构模型（目标子层）；对比确定各子层要素对上层要素的优先权重，以加权和递阶的方法合并各优选方案对系统目标的总权重，并根据其数值大小完成优化决策。AHP 法这种基于层次权重定量优化的分析模式适用于井身剖面优选问题的研究。

定向井井身剖面的评价指标可划分成3个层次，依次为目标层、准则层和指标层，如图1 所示。目标层主要表征了作为研究对象的复杂多目标决策问题中的实际系统目标；准则层体现了系统目标优化决策时须予以考评的各目标子层，这些组成要素也是优化决策的具体体现；指标层则是对上述目标层和准则层的细化和延展。

图1 抽油机举升井身剖面评价指标

通过分析，对于后期采用抽油机举升的油井，定向井的井身剖面评价指标体系大体可以划分为3 个方面：第一是投资和费用，指在油井的整个生命周期中油井注定和可能发生的费用的综合，包括前期的钻井费用，后期的采油费用；第二是井眼轨迹基本参数，包括井深、井斜角、方位角等；第三是对后期抽油机举升采油的影响程度，指的是井眼轨迹对后期采油杆管柱可能产生的影响。

②基于模糊评价法的定向井井身剖面评价［9-11］。定向井评价指标体系中各指标是从多方面对井身剖面优劣进行考察和评判的，且不同单因素评价指标对井眼轨迹整体优劣的作用程度存在较大差异，因此进行定向井井眼轨迹优化决策的关键是获得合理有效的单因素指标权重。根据AHP 法以井眼轨迹优化作为实际系统目标，钻井进尺等指标作为构成目标子层的基本要素，由单因素指标权重合理评定诸要素对系统目标的权重，确定井眼轨迹优劣影响程度的评判数值。见图2。

图2 一体化设计采油井眼轨迹的优化流程

根据模糊评判法的基本原理，建立了一套井眼设计轨迹优选评价系统，通过对比计算不同井眼设计轨迹的性能评价指标，就可以优选出最佳的井眼设计轨迹。

③单目标参数优选。分别按照钻井进尺（斜深）、造斜点位置、最大井斜角、扶正器数量及杆管间正压力对每条钻井轨迹进行排序，按由优到劣的顺序进行排序。

假如存在n 条井眼轨迹，第1 条轨迹（最优轨迹）计分为n 分，第2 条轨迹计分为n–1 分，以此类推，最后一条轨迹的计分为1 分，如果有2 个或者多条轨迹的目标参数值相同，则这些轨迹的得分进行算术平均。

④多目标参数综合评价。计算轨迹的综合得分，假如钻进总进尺、造斜点位置、最大井斜角、扶正器数量及杆管间正压力的得分分别是f1、f2、f3、f4、f5，则轨迹的综合得分为

上式中的c1，c2，c3、c4、c5为其权重，系统中要求可变，作为系统配置的一部分。

计算轨迹的无因次得分

式中，n 为轨迹数量。

以雁63-61x 井为例进行说明，通过录入3 条不同井眼轨迹参数（包括井深、井斜角、方位角），进行井眼轨迹优选，可得到如图3 所示的综合评价结果。

图3 雁63-61x 井轨迹优化设计结果

图3 中展示了不同井眼轨迹对应的正压力均方根、扶正器个数、钻井进尺具体数值，以及综合评价得分。结果表明，3 条设计轨道的扶正器个数和钻井进尺差别不大，设计轨道2 的正压力均方根最小，优于其他2 条轨道，综合得分最高。因此优选设计轨道2。

3.3 应用情况

截至2012 年11 月1 日，已经完成了584 口井1 758 条钻井井眼设计轨迹优选，通过计算每条井眼轨迹在不同采油条件下的杆管受力分析、扶正器数量，结合钻进进尺等多种因素，综合优选井眼轨迹，通过应用前后井眼轨迹的评价结果可以看出，在地质数据基本相同的情况下，优化后的井眼轨迹杆管柱正压力减小30%以上，杆管摩擦力减小，所需扶正器数量减少，油井的系统效率提高10%以上。

4 结论

（1）以采油优先的一体化设计可以在钻井设计初期考虑井眼轨迹对后期采油的影响，提前避免部分对采油不利的因素，最大限度地满足采油的需要。

（2）以采油优先的一体化模式建立了井身轨迹的评价指标体系和评价方法，为合理设计井眼轨迹，充分考虑采油的需求，提供了可靠的依据。

（3）以采油优先的一体化设计模式确立了“钻井服务于采油，以采油为中心”的设计理念，从整个油井的生命周期考虑问题，实现了油井生命期内的效益最大化，而不是仅从节约钻井成本的角度片面衡量其经济效益。

［1］ 龚伟安.定向斜井井眼轨迹对钻采工艺和油井产量的影响［J］.石油钻采工艺， 1995， 17（6）：7-12.

［2］ 李汉周，杨海滨，马建杰，等.抽油井管杆偏磨与井眼轨迹的关系［J］.钻采工艺，2009，32（3）：81-82.

［3］ 周金葵，李效新.钻井工程［M］.北京：石油工业出版社，2008-02.

［4］ 张琪.采油工程原理与设计［M］.东营：中国石油大学出版社，2000-09.

［5］ 袁进平，齐奉忠.国内完井技术现状及研究方向建议［J］.钻采工艺，2007，30（3）：3-6.

［6］ 马卫国，杨新冰，张利华，等.抽油杆管偏磨成因及解决措施研究综述［J］.石油矿场机械，2009，38（1）：22-26.

［7］ 刘宇旗，刘飞，白仲岗.浅谈如何在采油工程管理中利用分析法［J］.中国石油和化工标准与质量，2011，31（12）：159.

［8］ 隋义勇，樊昊.利用层次分析法评价油田采油生产状况［J］.油气田地面工程，2010，29（4）：24-25.

［9］ 金菊良，魏一鸣，丁晶.基于改进层次分析法的模糊综合评价模型［J］.水利学报，2004，3（3）：65-69.

［10］ 王志国，李东明，许涛.抽油泵故障树及模糊综合评判组合分析研究［J］.石油学报，2003，24（6）：87-89.

［11］ 吴建发，郭建春，赵金洲.压裂酸化选井模糊综合评判方法［J］.石油钻采工艺， 2004，26（2）：54-55.