郭吉民 王鳳清 張戰(zhàn)敏 謝 江 吳贊美 馬鳳芹

（1.中國(guó)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(jī)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(dǎo)致桿管產(chǎn)生偏磨，對(duì)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(dǎo)致桿管產(chǎn)生偏磨的根本原因，井眼彎曲導(dǎo)致桿管偏磨的機(jī)理，目前認(rèn)識(shí)比較充分；二是由于抽油桿柱屈曲導(dǎo)致桿管產(chǎn)生偏磨，對(duì)于一些井斜角不大、方位角變化明顯的直井，由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理或運(yùn)行狀態(tài)變差而惡化了抽油桿柱的受力狀態(tài)，使抽油桿柱在油管內(nèi)屈曲而導(dǎo)致桿管產(chǎn)生偏磨［1-3］。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，華北油田2011 年由于上述2 種原因?qū)е碌木蹚澢當(dāng)?shù)達(dá)2 782 口（斜井2 362 口、直井420 口），占開井?dāng)?shù)的74.7%。其中，桿管偏磨原因?qū)е聶z泵比例占總作業(yè)井次的55.13%，給油田后期開發(fā)帶來了較大的經(jīng)濟(jì)損失和人力資源浪費(fèi)。不僅如此，由于井身結(jié)構(gòu)不合理還導(dǎo)致后期采油措施難度增大，作業(yè)次數(shù)增加，管理維護(hù)成本上升，油井壽命降低。在油井的整個(gè)生命周期中，投入產(chǎn)出比下降，經(jīng)濟(jì)效益差。因此，如何在鉆井工藝設(shè)計(jì)之初，先期考慮優(yōu)化井身軌跡，以利于后期采油的需要，是一個(gè)迫切需要解決的問題。

1 傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及流程

在油田開發(fā)中，傳統(tǒng)的做法是：遵照鉆井地質(zhì)設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行鉆井工藝設(shè)計(jì)，重點(diǎn)考慮了鉆井工藝的要求，而對(duì)后期的完井、舉升工藝設(shè)計(jì)的要求并未系統(tǒng)考慮，另外舉升工藝也沒有對(duì)鉆井設(shè)計(jì)提出明確的設(shè)計(jì)要求。完井工藝與舉升工藝設(shè)計(jì)是根據(jù)鉆井部門提供的實(shí)際井身剖面與井眼軌跡，被動(dòng)地完成完井工藝與舉升工藝設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)流程是：鉆井地質(zhì)設(shè)計(jì)→鉆井工藝設(shè)計(jì)→完井工藝實(shí)施→舉升工藝設(shè)計(jì)，并進(jìn)行采油生產(chǎn)作業(yè)［4-6］。

2 以采油優(yōu)先的一體化設(shè)計(jì)模式的理念及目標(biāo)

華北油田提出“以采油優(yōu)先的鉆井一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)”的新理念：在鉆井工藝設(shè)計(jì)之初就考慮井身剖面對(duì)后期完井、采油的影響，從采油、完井、鉆井的優(yōu)先級(jí)順序進(jìn)行鉆井工藝設(shè)計(jì)，建立鉆井服務(wù)于采油的設(shè)計(jì)理念。

以采油優(yōu)先的鉆井一體化設(shè)計(jì)的目標(biāo)：主要針對(duì)抽油機(jī)井從鉆井、完井到采油的全過程管理，從鉆井設(shè)計(jì)時(shí)就進(jìn)行抽油機(jī)舉升井身剖面優(yōu)化，建立從前期鉆井、完井到后期采油及增產(chǎn)措施的一體化優(yōu)化模式，實(shí)現(xiàn)鉆井工藝設(shè)計(jì)與后期采油的有機(jī)結(jié)合，形成油井的綜合評(píng)價(jià)體系。

一體化設(shè)計(jì)模式的流程：鉆井工程設(shè)計(jì)單位接到鉆井地質(zhì)設(shè)計(jì)后，在綜合考慮地質(zhì)、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(nèi)作出多套井眼軌跡及剖面設(shè)計(jì)方案，采油工程設(shè)計(jì)單位再對(duì)各設(shè)計(jì)方案進(jìn)行相應(yīng)的采油方面的力學(xué)計(jì)算，提出鉆井工程設(shè)計(jì)應(yīng)采用的最優(yōu)井眼軌跡及剖面。鉆井工程設(shè)計(jì)單位在此基礎(chǔ)上完成全部鉆井工程設(shè)計(jì)。

3 一體化設(shè)計(jì)模式的方法及應(yīng)用

3.1 主要內(nèi)容

（1）井身剖面綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)。對(duì)于任何一個(gè)油藏，可能的軌跡變化窗口往往很多，造斜點(diǎn)垂深可以在不同垂深位置窗口內(nèi)連續(xù)變化；造斜點(diǎn)以下的井眼剖面類型及其具體參數(shù)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(yōu)化設(shè)計(jì)方法是值得深入研究的課題。

（2）井身剖面評(píng)價(jià)優(yōu)化技術(shù)。該項(xiàng)研究的基本思想是：由鉆井工藝設(shè)計(jì)提供多套井眼軌跡及剖面設(shè)計(jì)方案，采油設(shè)計(jì)單位對(duì)給定的剖面進(jìn)行評(píng)價(jià)，優(yōu)選出最適合于舉升工藝的一套井身剖面設(shè)計(jì)方案。

3.2 主要方法

（1）完井工程。在以采油優(yōu)先的一體化設(shè)計(jì)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(duì)后期采油最為有利。不同的油藏，其儲(chǔ)集層類型、地質(zhì)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(diǎn)如儲(chǔ)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(hù)性成本等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)因素，進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，優(yōu)選出最適合后期采油的完井方式，達(dá)到保護(hù)油氣層，提高油藏最終采收率的目的。在實(shí)際應(yīng)用中，一般采用軟件仿真的方法實(shí)現(xiàn)完井方式的優(yōu)選。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)后期采油的需要，有針對(duì)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(shí)施選擇性增產(chǎn)措施的條件，預(yù)防地層出砂等問題，有效延長(zhǎng)油氣井生命周期。

（2）采油工程。采油工藝設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是根據(jù)鉆井工程設(shè)計(jì)單位給出的合理范圍內(nèi)的若干條井眼軌跡，分析這些井眼軌跡對(duì)后期采油工程的影響，進(jìn)行抽油桿、抽油管力學(xué)計(jì)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(yōu)的井眼軌跡，提出井眼軌跡的優(yōu)化方案。

①利用層次分析法（AHP）確定定向井井身剖面評(píng)價(jià)指標(biāo)體系［7-8］。井身剖面優(yōu)選是多因素共同作用的結(jié)果。針對(duì)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(píng)價(jià)指標(biāo)。作為一種廣為應(yīng)用的多指標(biāo)、多方案優(yōu)化決策理論，AHP 法以復(fù)雜的決策問題作為整體系統(tǒng)目標(biāo)，將其分解成若干組成要素，且根據(jù)這些要素間的支配關(guān)系構(gòu)建有序遞進(jìn)的階梯結(jié)構(gòu)模型（目標(biāo)子層）；對(duì)比確定各子層要素對(duì)上層要素的優(yōu)先權(quán)重，以加權(quán)和遞階的方法合并各優(yōu)選方案對(duì)系統(tǒng)目標(biāo)的總權(quán)重，并根據(jù)其數(shù)值大小完成優(yōu)化決策。AHP 法這種基于層次權(quán)重定量?jī)?yōu)化的分析模式適用于井身剖面優(yōu)選問題的研究。

定向井井身剖面的評(píng)價(jià)指標(biāo)可劃分成3個(gè)層次，依次為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層，如圖1 所示。目標(biāo)層主要表征了作為研究對(duì)象的復(fù)雜多目標(biāo)決策問題中的實(shí)際系統(tǒng)目標(biāo)；準(zhǔn)則層體現(xiàn)了系統(tǒng)目標(biāo)優(yōu)化決策時(shí)須予以考評(píng)的各目標(biāo)子層，這些組成要素也是優(yōu)化決策的具體體現(xiàn)；指標(biāo)層則是對(duì)上述目標(biāo)層和準(zhǔn)則層的細(xì)化和延展。

圖1 抽油機(jī)舉升井身剖面評(píng)價(jià)指標(biāo)

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

②基于模糊評(píng)價(jià)法的定向井井身剖面評(píng)價(jià)［9-11］。定向井評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中各指標(biāo)是從多方面對(duì)井身剖面優(yōu)劣進(jìn)行考察和評(píng)判的，且不同單因素評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)井眼軌跡整體優(yōu)劣的作用程度存在較大差異，因此進(jìn)行定向井井眼軌跡優(yōu)化決策的關(guān)鍵是獲得合理有效的單因素指標(biāo)權(quán)重。根據(jù)AHP 法以井眼軌跡優(yōu)化作為實(shí)際系統(tǒng)目標(biāo)，鉆井進(jìn)尺等指標(biāo)作為構(gòu)成目標(biāo)子層的基本要素，由單因素指標(biāo)權(quán)重合理評(píng)定諸要素對(duì)系統(tǒng)目標(biāo)的權(quán)重，確定井眼軌跡優(yōu)劣影響程度的評(píng)判數(shù)值。見圖2。

圖2 一體化設(shè)計(jì)采油井眼軌跡的優(yōu)化流程

根據(jù)模糊評(píng)判法的基本原理，建立了一套井眼設(shè)計(jì)軌跡優(yōu)選評(píng)價(jià)系統(tǒng)，通過對(duì)比計(jì)算不同井眼設(shè)計(jì)軌跡的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，就可以優(yōu)選出最佳的井眼設(shè)計(jì)軌跡。

③單目標(biāo)參數(shù)優(yōu)選。分別按照鉆井進(jìn)尺（斜深）、造斜點(diǎn)位置、最大井斜角、扶正器數(shù)量及桿管間正壓力對(duì)每條鉆井軌跡進(jìn)行排序，按由優(yōu)到劣的順序進(jìn)行排序。

假如存在n 條井眼軌跡，第1 條軌跡（最優(yōu)軌跡）計(jì)分為n 分，第2 條軌跡計(jì)分為n–1 分，以此類推，最后一條軌跡的計(jì)分為1 分，如果有2 個(gè)或者多條軌跡的目標(biāo)參數(shù)值相同，則這些軌跡的得分進(jìn)行算術(shù)平均。

④多目標(biāo)參數(shù)綜合評(píng)價(jià)。計(jì)算軌跡的綜合得分，假如鉆進(jìn)總進(jìn)尺、造斜點(diǎn)位置、最大井斜角、扶正器數(shù)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(quán)重，系統(tǒng)中要求可變，作為系統(tǒng)配置的一部分。

計(jì)算軌跡的無因次得分

式中，n 為軌跡數(shù)量。

以雁63-61x 井為例進(jìn)行說明，通過錄入3 條不同井眼軌跡參數(shù)（包括井深、井斜角、方位角），進(jìn)行井眼軌跡優(yōu)選，可得到如圖3 所示的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。

圖3 雁63-61x 井軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

圖3 中展示了不同井眼軌跡對(duì)應(yīng)的正壓力均方根、扶正器個(gè)數(shù)、鉆井進(jìn)尺具體數(shù)值，以及綜合評(píng)價(jià)得分。結(jié)果表明，3 條設(shè)計(jì)軌道的扶正器個(gè)數(shù)和鉆井進(jìn)尺差別不大，設(shè)計(jì)軌道2 的正壓力均方根最小，優(yōu)于其他2 條軌道，綜合得分最高。因此優(yōu)選設(shè)計(jì)軌道2。

3.3 應(yīng)用情況

截至2012 年11 月1 日，已經(jīng)完成了584 口井1 758 條鉆井井眼設(shè)計(jì)軌跡優(yōu)選，通過計(jì)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(shù)量，結(jié)合鉆進(jìn)進(jìn)尺等多種因素，綜合優(yōu)選井眼軌跡，通過應(yīng)用前后井眼軌跡的評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出，在地質(zhì)數(shù)據(jù)基本相同的情況下，優(yōu)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(shù)量減少，油井的系統(tǒng)效率提高10%以上。

4 結(jié)論

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

（2）以采油優(yōu)先的一體化模式建立了井身軌跡的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)方法，為合理設(shè)計(jì)井眼軌跡，充分考慮采油的需求，提供了可靠的依據(jù)。

（3）以采油優(yōu)先的一體化設(shè)計(jì)模式確立了“鉆井服務(wù)于采油，以采油為中心”的設(shè)計(jì)理念，從整個(gè)油井的生命周期考慮問題，實(shí)現(xiàn)了油井生命期內(nèi)的效益最大化，而不是僅從節(jié)約鉆井成本的角度片面衡量其經(jīng)濟(jì)效益。

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