一種基于系統(tǒng)思維的海上油氣田完井管柱設(shè)計(jì)方法

孟召蘭，車爭(zhēng)安，沈小軍，李曉蕾，徐華翔

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司鉆采工程研究院，天津 300459）

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一種基于系統(tǒng)思維的海上油氣田完井管柱設(shè)計(jì)方法

孟召蘭，車爭(zhēng)安，沈小軍，李曉蕾，徐華翔

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司鉆采工程研究院，天津 300459）

摘 要：為了降低設(shè)計(jì)工程師技術(shù)水平參差不齊對(duì)技術(shù)方案的質(zhì)量影響，通過(guò)多年來(lái)對(duì)海上油氣田完井工程方案編制的總結(jié)與提煉，建立了一套“從油氣藏基礎(chǔ)條件出發(fā)，分析功能需求，優(yōu)化工藝方式，明確上下游專業(yè)界面要求，多輪次方案討論，形成優(yōu)化方案”的系統(tǒng)性設(shè)計(jì)方法。該方法有助于設(shè)計(jì)師形成“自下而上”層層推進(jìn)的思維模式，不缺不漏、全面高效地完成方案編制工作。

關(guān)鍵詞：海上油氣田；完井工程；設(shè)計(jì)；方法

海上油氣田開發(fā)是一個(gè)大的系統(tǒng)工程，油藏工程、鉆井工程、完井工程、采油工程和海洋工程做為其子系統(tǒng)，既相互制約，又相互配合，協(xié)同實(shí)現(xiàn)“高效開發(fā)”的共同目標(biāo)。隨著專業(yè)的精細(xì)化劃分，海洋油氣田開發(fā)地質(zhì)油氣藏專業(yè)和海洋工程專業(yè)均形成了較為成熟的設(shè)計(jì)策略與技術(shù)[1-4]，而海上完井工程專業(yè)鮮有系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和技術(shù)分享，從事該專業(yè)的設(shè)計(jì)工程師們往往局限于自身專業(yè)環(huán)境，存在忽略分項(xiàng)與全局配合的意識(shí)傾向，形成的技術(shù)方案往往出現(xiàn)顧此失彼、不能兼顧各專業(yè)要求、技術(shù)界面不能銜接等問(wèn)題。本文以系統(tǒng)思維的整體觀為工作思維方法，以海上油氣井完井管柱設(shè)計(jì)為對(duì)象，把制定最優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)化為以油氣藏基本條件為基礎(chǔ)，滿足各專業(yè)約束條件下的求解過(guò)程。通過(guò)梳理海洋完井設(shè)計(jì)思維模式及工作流程，對(duì)提高完井工程方案設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性具有一定的引導(dǎo)作用。

1 整體性認(rèn)識(shí)完井工程的作用

海上油氣田完井方案設(shè)計(jì)，是一項(xiàng)以油氣田地質(zhì)研究、油氣工程方案為基礎(chǔ)和依據(jù)，基于鉆井工程所形成的井眼軌跡和井身結(jié)構(gòu)，綜合考慮多專業(yè)因素，實(shí)現(xiàn)高效采油氣所需要的生產(chǎn)管柱功能設(shè)計(jì)的綜合性技術(shù)工作。將海洋五大工程相互關(guān)聯(lián)以圖1展示，從海洋油氣田開發(fā)全過(guò)程中，完井工程是油氣田系統(tǒng)開發(fā)中重要組成部分，向上承接了油氣田油藏工程開發(fā)要求，橫向銜接油氣井鉆井工程，向下作為采油（氣）工程高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)形式，也是海洋工程功能設(shè)計(jì)的服務(wù)對(duì)象。各個(gè)工程專業(yè)之間既相對(duì)獨(dú)立，又相互制約。因此，完井設(shè)計(jì)水平的高低，對(duì)油氣田開發(fā)能否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)具有決定性影響。

圖1 海上油氣田開發(fā)工程關(guān)聯(lián)圖

2 功能需求分析

功能分析，需要設(shè)計(jì)者以油藏工程方案為對(duì)象，分析油氣藏特征，預(yù)測(cè)油氣田開發(fā)將要面臨的工程問(wèn)題，是“系統(tǒng)性設(shè)計(jì)”的邏輯起始點(diǎn)。通常油氣田功能性需求從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析：

（1）儲(chǔ)層溫壓系統(tǒng)：異常溫壓系統(tǒng)儲(chǔ)層，預(yù)示著舉升方式的選擇（自噴還是人工舉升）、達(dá)到儲(chǔ)層保護(hù)目的完井液密度設(shè)計(jì)、入井工具的耐壓耐溫等級(jí)等方面的考慮；

（2）油氣藏構(gòu)造類型：斷塊型油氣藏，常出現(xiàn)天然地層能量下降快、邊界供給壓力不足的問(wèn)題。因此，在人工舉升設(shè)計(jì)舉升能力時(shí)，需要附加有效揚(yáng)程的安全余量，安全余量的取值大小可根據(jù)油氣藏注采方案以及單井開發(fā)年限綜合確定；

（3）油氣藏流體性質(zhì)：包括原油的黏度、油氣比、含蠟量、凝固點(diǎn)等，該類原油特征隱含了在油氣生產(chǎn)過(guò)程中將要出現(xiàn)的流動(dòng)性問(wèn)題，設(shè)計(jì)工程師需要預(yù)測(cè)問(wèn)題出現(xiàn)的臨界條件，如井下溫度、壓力以及井筒深度，以便在完井管柱設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)防性的安裝功能工具或優(yōu)選工藝措施；

（4）油層物理特征：包括油氣藏有效滲透率、埋深、巖石顆粒膠結(jié)物等，該類數(shù)據(jù)反映了儲(chǔ)層的致密程度，是判斷油氣井是否存在出砂風(fēng)險(xiǎn)，以及是否需要考慮壓裂等增產(chǎn)措施的關(guān)鍵參數(shù)。

3 管柱功能配置與優(yōu)化

3.1 功能配置與優(yōu)化原則

這一環(huán)節(jié)的目的是將需求分析確定的完井功能需求轉(zhuǎn)化為更為清晰的實(shí)現(xiàn)方式。設(shè)計(jì)師必須清楚需要做什么，做到什么程度，有哪些工程限制因素[5]。前面我們理清了海洋油氣田開發(fā)幾大工程間的相互關(guān)系，在進(jìn)行完井工程設(shè)計(jì)時(shí)，完井工程設(shè)計(jì)功能配置需遵循幾項(xiàng)基本原則：

第一項(xiàng)原則，界定管柱基本功能。首先明確油氣藏工程對(duì)目標(biāo)井的功能定義，如產(chǎn)出井（包括油井、油氣井、水源井）或注入井（包括注水井、注聚井、注氣井），一旦確定了井別，也就確定了完井管柱大的功能設(shè)計(jì)類型；

第二項(xiàng)原則，整體性原則。要求在設(shè)計(jì)完井工程方案時(shí)應(yīng)將一口井涉及到的油氣藏、鉆井、生產(chǎn)以及平臺(tái)環(huán)境作為一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行考慮，建立全盤考慮問(wèn)題的思維模式，提前預(yù)判，制定具有預(yù)防性的可實(shí)施方案；

第三項(xiàng)原則，動(dòng)態(tài)性原則。完井方案的制定應(yīng)隨著時(shí)間的發(fā)展不斷改進(jìn)，因時(shí)而變、因事而變、因需求而變。

3.2 功能設(shè)計(jì)內(nèi)容

油水井完井管柱設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下因素[6-8]：（1）滿足生產(chǎn)過(guò)程中流量、壓力、溫度以及井下管柱受力、密封等方面的要求；（2）具有防止突發(fā)井噴的安全設(shè)施，如井下安全閥、油套環(huán)空封隔器；（3）具有動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)井下壓力、溫度的能力；（4）具有井筒流動(dòng)安全保障的能力，如防砂、防蠟、防腐、防垢、防鹽、洗井、沖洗、沖砂、解堵等；（5）具備壓裂、酸化改造地層，開展增產(chǎn)措施的能力。為了避免在設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)各要素的遺漏，顧此失彼，特形成方案設(shè)計(jì)邏輯思維路徑，如圖2所示。

圖2 完井管柱設(shè)計(jì)邏輯思維路徑

油氣藏基本特征是管柱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和功能來(lái)源。油氣藏的構(gòu)造特點(diǎn)、溫壓系數(shù)、流體性質(zhì)等隱含了開發(fā)過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題。比如，儲(chǔ)層的溫度高低關(guān)系到井下工具的耐溫等級(jí)，如射孔彈的火藥類型，封隔器耐溫等級(jí)（主要是密封橡膠部件），電潛泵以及電纜耐溫等級(jí)以及入井的各種液體的老化時(shí)間；儲(chǔ)層的壓力系數(shù)，尤其是衰竭油氣田低壓系數(shù)時(shí)，預(yù)示著設(shè)計(jì)者需要關(guān)注儲(chǔ)層在鉆完井作業(yè)時(shí)的漏失情況，打開儲(chǔ)層后井內(nèi)工作液是否選用暫堵型、低密度完井液（如泡沫型完井液），降低完井作業(yè)環(huán)節(jié)的井筒漏失風(fēng)險(xiǎn)，完井管柱則需要考慮防漏失工具的選用。為了較為直觀的表述這個(gè)過(guò)程，建立各因素系統(tǒng)性邏輯關(guān)系如圖3所示。

管柱功能性實(shí)現(xiàn)形式的優(yōu)化過(guò)程分為5個(gè)環(huán)節(jié)，如圖4和圖5所示。以完井工具的選型及優(yōu)化為例，第一環(huán)節(jié)是油氣藏特征分析，其目的是落實(shí)儲(chǔ)層開發(fā)條件，掌握原油性質(zhì)；第二環(huán)節(jié)明確完井功能需求，提出目標(biāo)油氣藏需要解決的井筒開發(fā)難題，如高含蠟原油，則相應(yīng)的面臨生產(chǎn)管柱析蠟堵塞的難題；第三個(gè)環(huán)節(jié)是尋求解決手段，在眾多的石油工具中尋找可以提供該項(xiàng)完井功能的工具，諸如，針對(duì)有析蠟風(fēng)險(xiǎn)的井，可以選擇機(jī)械式的防蠟防垢器，也可以采用熱動(dòng)力學(xué)原理通過(guò)注入化學(xué)藥劑來(lái)降低蠟晶的聚集；第四個(gè)環(huán)節(jié)需要進(jìn)行方案的論證，這是工具優(yōu)選的核心，優(yōu)選的程度和深度是工程師考慮因素全面與否與關(guān)鍵與否的體現(xiàn)。在此過(guò)程中，考慮的因素包括上下游專業(yè)的工程限制條件、待選完井工具實(shí)施時(shí)需配套條件的成本、成熟度等因素。以防蠟防垢系統(tǒng)的優(yōu)選為例，通過(guò)前三個(gè)環(huán)節(jié)，確定可以選擇井筒內(nèi)注化學(xué)藥劑、管柱中安裝防蠟防垢器等多種解決方案，在進(jìn)行優(yōu)選時(shí)，可以通過(guò)考慮海上生產(chǎn)平臺(tái)是否有化學(xué)藥劑注入系統(tǒng)，防蠟防垢器的市場(chǎng)供貨渠道是否廣泛、功能是否可靠，目標(biāo)井套管尺寸是否有足夠的空間安裝防蠟防垢器等這些次要限制因素來(lái)剔除不能實(shí)施的防蠟防垢方案；第五環(huán)節(jié)技術(shù)方案審核，經(jīng)過(guò)企業(yè)內(nèi)部各層級(jí)的技術(shù)方案討論、審查、反饋以及修改完善之后，最終形成一份階段性的最優(yōu)技術(shù)方案。該方案既滿足了油氣藏開發(fā)的需求，又兼顧了實(shí)施過(guò)程中專業(yè)與專業(yè)之間的相互制約因素，獲得了系統(tǒng)的全局利益最大化，其經(jīng)濟(jì)性、科學(xué)合理性也得到了保證，達(dá)到了油田開發(fā)目標(biāo)，形成了一個(gè)閉路鏈接。

圖3 油氣藏特征影響完井管柱功能設(shè)計(jì)關(guān)系圖

同時(shí)，在這個(gè)環(huán)狀流程的背后，還隱藏著時(shí)間因素。隨著時(shí)間的推移，以上5個(gè)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵性因素、解決手段甚至系統(tǒng)工程的目的都會(huì)發(fā)生變化，此時(shí)，各工作環(huán)節(jié)的內(nèi)容都要因時(shí)而變。

3.3 人工舉升設(shè)計(jì)

人工舉升設(shè)計(jì)是完井工程設(shè)計(jì)中的核心之一，它是完井工程實(shí)現(xiàn)油氣藏單井配產(chǎn)產(chǎn)量的手段。在方案編制時(shí)，選擇哪種人工舉升方式，需要考慮多重因素，其中關(guān)鍵因素是油氣藏特征基礎(chǔ)和單井預(yù)測(cè)產(chǎn)能。地層流體中油、氣和水三相的含量可以影響不同舉升方式的工作效率，限定適用性，諸如，在高油氣比的油井中，氣舉采油相比于電潛泵類采油方式更能充分利用地層能量，且舉升效率也高；地層壓力預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)直接決定了油氣藏動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)分析中的動(dòng)液面深度，可以預(yù)測(cè)地層的供液能力和所需要的舉升揚(yáng)程，決定了補(bǔ)充能量的多少。優(yōu)選舉升方式，其方法包括優(yōu)缺點(diǎn)羅列法、經(jīng)濟(jì)成本對(duì)比法和實(shí)施難易對(duì)比法等。優(yōu)選的過(guò)程，就是不斷的兼顧各次要因素，以及由此帶來(lái)的成本分析的過(guò)程。人工舉升方式優(yōu)選系統(tǒng)流程見(jiàn)圖6。

圖4 完井工具選型及優(yōu)化系統(tǒng)邏輯圖示

圖5 油管尺寸優(yōu)選系統(tǒng)邏輯圖示

4 設(shè)計(jì)質(zhì)量控制流程

基于“PDCA”持續(xù)改進(jìn)的質(zhì)量控制管理模型，建立了海上油氣田技術(shù)方案編制工作流程模型。高效的流程設(shè)計(jì)是確保設(shè)計(jì)方案保質(zhì)、保量完成的重要質(zhì)控形式，其工作節(jié)點(diǎn)應(yīng)高度貼合企業(yè)自身的質(zhì)控手段和程序[9]，完井工程方案編制工作及審批流程如圖7。

圖6 人工舉升方式優(yōu)選系統(tǒng)邏輯圖示

圖7 海上油氣藏井完井工程方案編制工作流程圖示

5 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)化思維，是一種高效的方案設(shè)計(jì)邏輯模式，抓住邏輯的出發(fā)點(diǎn)和關(guān)鍵路徑，建立一套考量多重影響因素的設(shè)計(jì)方法，可以讓諸多工程因素和環(huán)節(jié)按系統(tǒng)要求層次性地加以考慮，使得工程師高效整合資源。把系統(tǒng)思維的邏輯方法應(yīng)用于我國(guó)海上油氣井的完井工程設(shè)計(jì)工作，將有效提高設(shè)計(jì)方案的全面性與可行性。

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A Design Method for Offshore Oil and Gas Well Completion Pipe String Based on Systematic Thoughts

MENG Zhaolan, CHE Zheng’an, SHEN Xiaojun, LI Xiaolei, XU Huaxiang
（Drilling & Production Research Institute of CNOOC EnerTech, Tianjin 300452, China）

Abstract：In order to reduce the influence on the quality of technical solutions due to the difference in the technical level of design engineers, through summary and refinement on offshore engineering program for oil and gas well completion, a set of systemic design method has been set up. The design method is as follows: on the basis of reservoir conditions, analyze the functional requirements, optimize completion process, make clear about professional interface requirements, discuss about scheme for several rounds and optimize the scheme. This method is helpful to the design engineer to promote the thinking mode of "bottom-up" layer by layer, not missing， and also helpful to efficient completion of program design.

Keywords：offshore oil and gas field； well completion； design； method

中圖分類號(hào)：TE257

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1008-2336.2016.01.078

文章編號(hào)：1008-2336（2016）01-0078-05

收稿日期：2015-12-17；改回日期：2016-01-07

第一作者簡(jiǎn)介：孟召蘭，女，1985年生，工程師，畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程專業(yè)，從事海上油氣井完井工程方案編制及科研工作。E-mail: mengzhl@cnooc.com.cn。