一种基于多目标优化的深井复杂地层井身结构设计方法

摘要

本发明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。在本方案中，建立了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。

说明书

技术领域

本发明涉及深井复杂地层钻井技术领域，特别涉及一种基于多目标优化的深井复杂地层井身结构设计方法。

背景技术

井身结构设计是保障钻井安全高效进行的重要前提，合理的井身结构方案可以有效规避钻井作业过程中可能发生的钻井风险，如井涌、井漏、井壁坍塌以及卡钻等。井身结构设计在钻井工程中起着承上启下的作用，国内外广大石油科研人员在此领域内进行了多年探索，取得了一些研究成果，纵观其发展过程的历史轨迹，大致分为三个阶段：经验积累阶段、理论发展阶段、系统工程阶段。目前国内外井身结构设计方法正向系统工程的方向发展，基本思想是：将井身结构设计涉及的方方面面构成一个系统，再根据系统工程的原理及方法，由压力平衡关系(地层孔隙压力、地层破裂压力等)、工程约束条件(坍塌井段、漏失井段和卡钻井段)、事故发生概率等相关因素，采用风险决策技术，进行合理井身结构设计。

常规井身结构设计是一种系统局部优化方法，而解决复杂地质情况的井身结构设计方法则是系统全面优化方法，从质与量两方面都是全新的概念。

特别是，深层钻井的特殊性和地质条件的复杂及不确定性，是导致钻探过程频繁出现井下复杂情况的主要原因之一，这也对井身结构的设计带来了影响。

发明内容

有鉴于此，本发明提供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，能够降低风险发生概率，在设计阶段最大限度地保障钻井安全。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

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，则重新设计井身结构方案。

优选地，在所述步骤一中，待分析井地层压力不确定性定量描述，包括：

利用蒙特卡洛及不确定度理论，得到待分析井不同类型地层压力p

建立起待分析井地层压力随深度的概率分布模型。

优选地，所述利用蒙特卡洛及不确定度理论，得到待分析井不同类型地层压力p

累积概率为j

式中，p

根据概率统计理论，每一深度处地层压力的概率密度函数p

式中，

优选地，在所述步骤二中，待分析井安全钻井液密度窗口的建立，包括：

根据压力约束准则，确定待分析井安全钻井液密度上下限。

优选地，所述安全钻井液密度上下限包括：防井涌钻井液密度下限值ρ

所述根据压力约束准则，确定待分析井安全钻井液密度上下限，包括：

(1)防井涌钻井液密度下限值ρ

ρ

(2)防井壁坍塌钻井液密度下限值ρ

ρ

ρ

(3)防压差卡钻钻井液密度上限值ρ

(4)防井漏钻井液密度上限值ρ

ρ

式中，S

优选地，在所述步骤三中，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，包括：

根据安全钻井液密度上下限及其分布状态，基于广义应力与强度干涉的可靠度理论确定深度h处的井涌风险、井壁坍塌风险、钻进井漏风险、压差卡钻风险：

R

式中，R

优选地，在所述步骤三中，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之后，还包括：

步骤四、基于井身结构方案的风险评估结果，若风险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，则优化井身结构方案的施工参数。

优选地，所述施工参数包括：钻井液性能参数、钻井液密度参数和/或钻井液钻进参数。

优选地，在所述步骤四之后，还包括：

步骤五、基于上宽下严、风险分担的原则，建立井身结构设计方案；所述井身结构设计方案包括：

(1)表层套管下深范围的确立；

(2)第一竖直条带带宽的确立；

(3)带的延伸和折叠；

(4)套管层次及下深范围的确立。

优选地，所述(1)表层套管下深范围的确立，包括：

根据地层岩性资料及可参考邻井表层套管的下深数据，综合考虑确定表层套管下深范围为D

所述(2)第一竖直条带带宽的确立，包括：

将带宽为B

与水平条带类似，称

所述(3)带的延伸和折叠，包括：

与第一水平条带和第一竖直条带的确立方法类似，将第一竖直条带向下延伸，与曲线

式中，L

所述(4)套管层次及下深范围的确立，包括：

每一层套管的下深范围分别为相应的水平条带的顶边和底边。

从上述的技术方案可以看出，本发明提供的基于多目标优化的深井复杂地层井身结构设计方法，具有如下的有益效果：

1、考虑了深井复杂地层钻井地质环境的不确定性，用于井身结构设计的地层压力剖面(或安全钻井液密度窗口上下限)不再是单一的定值，而是具有概率分布特征的区间；这样的处理方式使得地层压力更符合井下实际情况，更有利于进行井身结构设计；

2、建立了基于可靠度理论的套管层次及下深潜在风险评估方法，可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。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的基于多目标优化的深井复杂地层井身结构设计流程图；

图2为本发明实施例提供的以上宽下严、风险分担为原则的井身结构设计方法示意图。

具体实施方式

为克服背景技术所存在的缺陷，本发明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，基于深层油气钻探不确定性复杂地质环境定量描述方法，构建深井含可信度地层压力剖面，并利用基于广义应力与强度干涉的可靠性理论对井身结构方案的潜在工程风险进行定量评估；结合不同井身结构方案下钻井施工过程的数值模拟结果，分析各主要施工参数对特定方案潜在风险的影响规律，确定主要施工参数、套管层次及下深等因素与井下工程风险的相互制约关系；以各层套管风险分担、上宽下严、调施工参数与调井身结构相结合的原则，采用决策树等方法建立适用于深井复杂地层的基于多目标优化的井身结构设计方法。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供的基于多目标优化的深井复杂地层井身结构设计方法，如图1所示，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，则重新设计井身结构方案。

从上述的技术方案可以看出，本发明实施例提供的基于多目标优化的深井复杂地层井身结构设计方法，具有如下的有益效果：

1、考虑了深井复杂地层钻井地质环境的不确定性，用于井身结构设计的地层压力剖面(或安全钻井液密度窗口上下限)不再是单一的定值，而是具有概率分布特征的区间；这样的处理方式使得地层压力更符合井下实际情况，更有利于进行井身结构设计；

2、建立了基于可靠度理论的套管层次及下深潜在风险评估方法，可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。

进一步地，在本方案的步骤一中，利用蒙特卡洛及不确定度理论，得到待分析井不同类型地层压力p

步骤一、待分析井地层压力不确定性定量描述：

地层孔隙、坍塌和破裂压力是进行井身结构设计的基础数据，针对深井复杂地层特殊的地质条件，利用蒙特卡洛及不确定度理论，可以得到不同类型地层压力p

式中，p

根据概率统计理论，每一深度处地层压力的概率密度函数p

式中，

通过上述步骤，即可建立起待分析井地层压力(包括地层孔隙压力、地层破裂压力、地层坍塌压力)随深度的概率分布模型。

进一步地，在本方案的步骤二中，根据压力约束准则，确定待分析井安全钻井液密度上下限。本方案的步骤二如此设计，以便于有助于实现合理的井身结构设计，安全钻井液密度上下限包括：防井涌钻井液密度下限值ρ

步骤二、待分析井安全钻井液密度窗口的建立：

根据压力约束准则，确定安全钻井液密度上下限的表达式如下所示：

(1)防井涌钻井液密度下限值ρ

ρ

(2)防井壁坍塌钻井液密度下限值ρ

ρ

ρ

(3)防压差卡钻钻井液密度上限值ρ

(4)防井漏钻井液密度上限值ρ

ρ

式中，S

进一步地，在本方案的步骤三中，根据安全钻井液密度上下限及其分布状态，基于广义应力与强度干涉的可靠度理论确定深度h处的井涌风险、井壁坍塌风险、钻进井漏风险、压差卡钻风险。本方案的步骤三如此设计，以便于有助于提高井身结构方案风险定量评估的可靠度。如图1所示，具体地：

步骤三、针对某套特定的井身结构方案进行风险定量评估：

根据安全钻井液密度上下限及其分布状态，4种风险：井涌风险R

R

式中，R

进一步地，在本方案的步骤三中，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之后，还包括：

步骤四、基于井身结构方案的风险评估结果，若风险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，则优化井身结构方案的施工参数。本方案的步骤四如此设计，以便于降低钻井工程风险。如图1所示，具体地：

步骤四、基于风险评估结果，通过优化施工参数，以便于降低风险：

如果风险评估结果超出存在风险，则通过调整施工参数(如优化设计钻井液性能及密度，以及精细化控制钻进参数，减小抽吸、激动压力等措施)，分析各主要施工参数对特定井身结构设计方案风险的影响规律，确定主要施工参数、套管层次及下深等因素与井下工程风险的相互制约关系，通过优化施工参数，从而降低风险。

进一步地，在本方案的步骤四之后，还包括：

步骤五、基于上宽下严、风险分担的原则，建立井身结构设计方案；所述井身结构设计方案包括：

(1)表层套管下深范围的确立；

(2)第一竖直条带带宽的确立；

(3)带的延伸和折叠；

(4)套管层次及下深范围的确立。

本方案的步骤五针对深井复杂地层的特殊钻井地质条件，提出了上宽下严、风险分担的原则，上部套管尽可能地分担下部套管的风险，从而降低下部恶劣地质环境施工作业的风险。如图1所示，具体地：

步骤五、基于上宽下严、风险分担的原则，提出基于多目标优化的井身结构设计方案：

对于深井复杂地层钻井而言，由于对地层信息的了解程度有限，为了给后续钻进留有较大的调整空间，基于上宽下严、风险分担的原则，采用自上而下的井身结构设计方法，使得每一层套管下至最深，上部套管尽可能地多承担下部套管的风险，这样可以最大限度地保障钻井安全；同时，如果钻遇到异常复杂地层，可以通过增加一层备用套管的方法，降低钻井复杂事故的发生概率。

按照上述步骤建立出的含可信度的泥浆密度上下限剖面，如图2所示，图中

(1)表层套管下深范围(第一水平带带宽)的确立

根据地层岩性资料及可参考邻井表层套管的下深数据，综合考虑确定表层套管下深范围为D

(2)第一竖直条带带宽的确立

将带宽为B

与水平条带类似，称

(3)带的延伸和折叠

与第一水平条带和第一竖直条带的确立方法类似，将第一竖直条带向下延伸，与曲线

式中，L

(4)套管层次及下深范围的确立

从上可知，套管层次及下深的设计结果不再是单一的数值，而是一个区间。每一层套管的下深范围分别为相应的水平条带的顶边和底边。且套管层次可能也会发生变化。从设计结果(如图2和表1)中可以看出第四层次套管的最深下深D

表1套管层次及下深设计结果

表2四层次方案每一层套管层次及下深所需达到的要求

下面再对本发明的技术方案作进一步介绍：

基于深层油气钻探不确定性复杂地质环境定量描述方法，构建待分析井含可信度地层压力剖面，在此基础上，结合裸眼井段压力约束准则，构建用于定量评估井身结构方案潜在风险的安全钻井液密度窗口；然后，结合可靠性理论方法，对任意一套井身结构方案进行风险定量评估；如果评价出存在风险，则通过调整施工参数(如优化设计钻井液性能及密度，以及精细化控制钻进参数，减小抽吸、激动压力等措施)，分析各主要施工参数对特定方案潜在风险的影响规律，确定主要施工参数、套管层次及下深等因素与井下工程风险的相互制约关系；最终，以风险协调、上宽下严的原则，采用决策树等方法建立适用于深井复杂地层的基于多目标优化的井身结构设计方法。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。