鉆井數(shù)據(jù)分析的金字塔模型

田 銳

（中國石油西部鉆探國際鉆井公司，新疆烏魯木齊830000）

1 概述

目前用于分析的鉆井數(shù)據(jù)來自基地數(shù)據(jù)庫或鉆井現(xiàn)場，這2種不同來源的數(shù)據(jù)需要不同的工具以及鉆井數(shù)據(jù)分析方法。為了使用這些方法引進了許多概念和理論，雖然這些概念和理論擴充了鉆井知識，然而缺乏統(tǒng)一的框架來分析鉆井數(shù)據(jù)。因而，用當前的知識構(gòu)架一種用于鉆井數(shù)據(jù)分析的金字塔模型是一個有效的分析鉆井數(shù)據(jù)的方法。本文主要論述這個模型的構(gòu)成部分，把現(xiàn)有的分析鉆井數(shù)據(jù)的方法分配到金字塔的各個部分，可以使鉆井數(shù)據(jù)分析明確化。成為一個積累特定區(qū)塊的鉆井知識的便捷模式。隨著對鉆井數(shù)據(jù)的使用需求的增加，鉆井數(shù)據(jù)分析模型的內(nèi)涵也會不斷地加深。

鉆井工程的決策問題基本上屬于非結(jié)構(gòu)化和半結(jié)構(gòu)化問題，決策過程和決策方法沒有規(guī)律可循或有一定規(guī)律可循，但又不能完全確定[1]。把當前的經(jīng)驗、工具和理論放在金字塔的相應部分，可以用結(jié)構(gòu)性的方法分析整個過程，這樣有助于做出正確的決策。

2 鉆井數(shù)據(jù)分析金字塔模型

圖1描述了一個特定區(qū)塊鉆井知識的組成部分。這些知識記述了鉆井工程師的具體工作，可以幫助鉆井工程師實現(xiàn)具體鉆井目標（如井眼軌跡控制）。鉆井工程知識是鉆井數(shù)據(jù)分析模型的靈魂，而這些知識可以用金字塔結(jié)構(gòu)來構(gòu)架。

圖1 石油鉆井工程知識構(gòu)成[2]

金字塔結(jié)構(gòu)的模型如圖2所示。由圖2可知，金字塔的各層的上面一層決定相鄰的下面一層，最后鉆井數(shù)據(jù)分析工具使用所得的數(shù)據(jù)又影響上面各層，反饋箭頭越往上，這個模型對分析的結(jié)果影響越大。

這個框架提供了一個方便的模式去構(gòu)架鉆井知識、分析工具及系統(tǒng)，便于在油田做鉆井數(shù)據(jù)分析。

3 金字塔模型各組成部分

3.1 鉆井數(shù)據(jù)分析工具的使用

鉆井工程師使用分析工具來分析鉆井現(xiàn)場數(shù)據(jù)、基地數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)等鉆井信息以便提高鉆井能力，所分析的鉆井數(shù)據(jù)可分為歷史鉆井數(shù)據(jù)和實時鉆井數(shù)據(jù)。通過分析歷史鉆井數(shù)據(jù)可以預測以后鉆井過程中可能遇到的問題。但大多數(shù)情況下現(xiàn)場收集鉆井數(shù)據(jù)時沒有考慮質(zhì)量，也沒有明確考慮日后用于數(shù)據(jù)分析及其他用途[4]。一個SPE工作組做過如何使用現(xiàn)場數(shù)據(jù)的研究[5]，他們強調(diào)數(shù)據(jù)的標準化，保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量以便用于輔助決策。這樣，在鉆井現(xiàn)場應當有一個質(zhì)量保證系統(tǒng)以確保所收集數(shù)據(jù)的準確性。實時鉆井數(shù)據(jù)主要用于實時優(yōu)化井眼軌跡和地質(zhì)模型，以便實時優(yōu)化鉆井進程。

圖2 金字塔結(jié)構(gòu)模型[3]

3.2 鉆井數(shù)據(jù)分析所用的工具

鉆井數(shù)據(jù)分析使用計算或測量工具分析歷史鉆井數(shù)據(jù)或?qū)崟r數(shù)據(jù)。分析歷史數(shù)據(jù)的工程軟件包已經(jīng)得到開發(fā)和使用，然而實時數(shù)據(jù)的分析主要依賴于現(xiàn)場控制中心的工作人員綜合現(xiàn)場鉆井資料以及測井資料等來分析鉆井數(shù)據(jù)。

鉆井數(shù)據(jù)分析工具和軟件用于解決鉆井的難點。這些工具需要盡量多的數(shù)據(jù)以便用于數(shù)據(jù)分析。然而，由于鉆井數(shù)據(jù)的質(zhì)量參差不齊，需要改進數(shù)據(jù)的傳輸方式以保證數(shù)據(jù)安全和保密。在井場，應加強鉆井數(shù)據(jù)的收集和處理工作，包括傳感器的設(shè)計、校對及輸出裝置。要使用現(xiàn)場數(shù)據(jù)，主要依靠工具或軟件的發(fā)展，比如虛擬網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)顯示及提升硬件設(shè)施來收集和處理大量的數(shù)據(jù)。

3.3 鉆井數(shù)據(jù)分析的方法

分析方法可使理論具有可操作性。分析鉆井數(shù)據(jù)的方法有成本和時間表現(xiàn)方法、具體表現(xiàn)方法以及質(zhì)量表現(xiàn)方法。

成本、時間表現(xiàn)方法：這些方法用于鉆井過程的整體評價，其目的是優(yōu)化鉆井時間，從而減少建井成本。如：

（1）鉆井表現(xiàn)曲線，它是吸收了學習曲線理論而引入的一種方法。它吸收鄰井經(jīng)驗并用一個數(shù)學模型來規(guī)范化，模型的系數(shù)用來衡量鉆井難度，學習能力，以及執(zhí)行情況。

（2）技術(shù)極限用來“描述在給定的參數(shù)下的最佳鉆井狀態(tài)”[6]。這種方法的核心是建立一個在當前技術(shù)條件下的最佳狀況的理論井。理論井的各部分施工都由各自領(lǐng)域的專家來決策，這個專家意見可以量化“可節(jié)省的時間”。這樣在鉆下一口井時可確定達到技術(shù)極限的目標。

（3）最佳復合時間。它把鉆井過程按照時間順序分為安裝設(shè)備、裝鉆頭、起下鉆以及鉆進過程及其他過程。通過對比鉆井數(shù)據(jù)，這種方法尋求每個過程的最優(yōu)時間。所有過程的最優(yōu)時間的總和為最佳復合時間。

（4）完善井分析法是利用一個數(shù)據(jù)叫做PW時間（perfect well），這個時間是完成鉆井某項工序的最短時間。用這個時間除以真實鉆井時間得到一個無因次參數(shù)叫做PW比率。這個參數(shù)以統(tǒng)一的標準對比不同條件下的施工時間。

具體表現(xiàn)方法：它用來評價具體的鉆井工況或工具。這些評價方法引入了一些新術(shù)語。例如：

（1）鉆井指數(shù)用來評價鉆頭性能。它分析4個無因次參數(shù)，將所得數(shù)據(jù)與基準鉆頭(鉆頭指數(shù)等于1)作對比。這種方法依靠對巖石力學性能和地層特性評價以及基準鉆頭信息的準確性。另外，也可通過鉆頭成本和鉆井指數(shù)確定鉆頭的經(jīng)濟指數(shù)。

（2）PDC鉆頭的選型。其選型應盡量與所鉆地層搭配。這種方法需要用地層參數(shù)如孔隙度、聲波時差及其他參數(shù)評價地層特性。由這些特性及PDC鉆頭的外形特征確定理想鉆頭的切削齒的數(shù)量和大小，然后把理想鉆頭和市場上現(xiàn)有的鉆頭特征做對比，提出推薦鉆頭選型。當所有的推薦鉆頭由設(shè)計指數(shù)分級后，由性能指數(shù)和經(jīng)濟指數(shù)確定最終的鉆頭選型。

（3）定向井鉆井難度指數(shù)用來評價鉆定向井的相對難度。它用一系列用于表征定向井鉆井難度的參數(shù)來衡量（這些參數(shù)的大小使用“問答法”來確定），使用統(tǒng)計學方法分析這些鉆井數(shù)據(jù)。這個指數(shù)可以幫助使用者估計鉆難度相當?shù)亩ㄏ蚓你@井難度。

質(zhì)量表現(xiàn)方法：這種方法旨在尋找一種手段來整合不同的分析方法，這種方法可以用于風險分析。比如：

（1）井眼質(zhì)量是一種綜合了解儲層損害、鉆井相互影響以及井眼穩(wěn)定性等因素的方法?？梢杂糜嬎銠C程序來估計井眼質(zhì)量，主要是關(guān)于鉆完井的條件、潛在風險以及影響井眼質(zhì)量的其他因素等方面，使用井眼數(shù)據(jù)、鉆井經(jīng)驗、概率網(wǎng)絡(luò)以及專家知識等來預測井眼質(zhì)量。估測值可以幫助設(shè)定鉆井參數(shù)，從而提高鉆井質(zhì)量。

（2）因果模型用來估計事故復雜發(fā)生的原因。它結(jié)合了風險管理理論和原因/事件分析方法。這種方法旨在尋找事故發(fā)生的系統(tǒng)、人員等因素。

3.4 鉆井數(shù)據(jù)分析的理論

鉆井數(shù)據(jù)分析的理論都是借用其它領(lǐng)域的理論或概念，比如來自制造行業(yè)的學習曲線理論或來自石油相關(guān)領(lǐng)域的理論或概念；使用概率或統(tǒng)計學理論來評估風險；用“問答法”來吸取專家知識；以及新興的人工智能理論，比如知識系統(tǒng)、機械學習法或?qū)嵗到y(tǒng)等。使用這些理論可以評估鉆井時間、代價、風險等的影響因素。

這些理論主要分析歷史鉆井數(shù)據(jù)，而對實時鉆井數(shù)據(jù)的分析卻不多，主要是由于實時數(shù)據(jù)的分析意味著實時操作。然而，大量的數(shù)據(jù)收集儲存后就成了歷史數(shù)據(jù)。從這些數(shù)據(jù)中找到有用信息需要怎樣分析以及哪些理論？這個似乎很難把握，也取決于鉆井數(shù)據(jù)分析的目的和原則。

3.5 鉆井數(shù)據(jù)分析的觀點

任何模型都是基于特定的目的和原則指導實踐，這是金字塔結(jié)構(gòu)中的各個階段的基礎(chǔ)。鉆井數(shù)據(jù)分析模型的目的是在鉆井設(shè)計或鉆井施工過程中輔助決策，提供一個系統(tǒng)的分析鉆井信息的方法。目前鉆井數(shù)據(jù)分析時鉆井數(shù)據(jù)的使用有2個方面。第一個方面是只分析基地數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)。這種情況下假設(shè)歷史鉆井數(shù)據(jù)是可靠的，可以用來進行鉆井后分析的目的。相反，第二個方面致力于分析實時數(shù)據(jù)。這種情況下假設(shè)實時數(shù)據(jù)是準確的。

4 具體應用

山前高陡構(gòu)造防斜打快是一直困擾著鉆井工程技術(shù)人員的難題。山前構(gòu)造帶具有地層傾角大、結(jié)構(gòu)復雜、極易發(fā)生井斜的特點，造成鉆井周期長，勘探成本高，直接影響了勘探開發(fā)的速度和進展。使用金字塔結(jié)構(gòu)來分析山前構(gòu)造鉆井的歷史和實時數(shù)據(jù)，用結(jié)構(gòu)性的方法可以更好地利用和積累山前構(gòu)造防斜打快鉆井知識，從而輔助鉆井設(shè)計和實時決策，提高山前構(gòu)造鉆井能力。本文以偏軸鉆具防斜打快為例來具體說明。

觀點：這代表這個模型的目的和原則。防斜打快的目的是在充分認識地層等諸種因素的影響規(guī)律的基礎(chǔ)上，試圖采取合理的措施（如優(yōu)選底部鉆具組合與操作參數(shù)），阻止或糾正鉆頭過大偏離垂直方向（重力方向），將實鉆井眼軌跡有效地控制在可允許的井斜和井眼曲率范圍內(nèi)，并且不犧牲鉆壓，能夠快速鉆井。然而，防斜打快的原則是變化的。比如偏軸鉆具防斜打快技術(shù)，克服了常規(guī)防斜鉆具防斜效果差、鉆速低的缺點[7]，它改變了傳統(tǒng)的防斜觀念與方法，建立了高陡構(gòu)造條件下全新的防斜打快鉆井模式?；谛碌姆佬贝蚩斓脑瓌t，這需要相應的調(diào)整鉆井設(shè)計。這個技術(shù)又需要新的理論來支撐。

理論：這是防斜打快技術(shù)的最主要的方面，這里面包括大量的理論和術(shù)語，并且需要對物理現(xiàn)象的詳細了解。偏軸鉆具防斜打快技術(shù)需要對偏軸接頭進行力學強度理論分析以便用于具體操作方法的實施。比如運用縱橫彎曲連續(xù)梁理論和達朗伯原理，建立偏軸鐘擺鉆具組合動力學分析模型，來評價鉆具組合的防斜（糾斜）能力和偏軸接頭附近的偏磨程度[8]。

方法：這包括一些有條理的步驟，這些步驟可使理論具有可操作性。為了實施偏軸鉆具防斜打快技術(shù)，鉆井工程師需要了解并掌握偏軸鉆具防斜打快的方法，以便達到防斜打快的目標。比如如何在特定的井眼和地質(zhì)環(huán)境下使用這個技術(shù)、使用效果分析、偏軸距的確定、鉆井參數(shù)的確定等。通過鉆井表現(xiàn)曲線吸收臨井偏軸鉆具防斜打快的經(jīng)驗，確定數(shù)學模型的系數(shù)，來衡量防斜打直鉆井難度、學習能力等。而這些步驟需要相應的分析工具。

工具：這是用于偏軸鉆具防斜打快的手工或電腦計算系統(tǒng)。有些非常簡單，如一些數(shù)據(jù)表或分析表；有些卻非常復雜或很費時，比如通過有限元軟件分析，對帶偏軸接頭的下部鉆具組合的鉆頭側(cè)向力隨時間變化的趨勢和鉆具任意截面的運動軌跡進行全面的動態(tài)仿真研究，確定為達到好的防斜效果所需的鉆具結(jié)構(gòu)參數(shù)（偏軸距）和鉆井參數(shù)（鉆壓、轉(zhuǎn)速）[9]。采用非線性動力有限元法和威爾遜-θ法進行偏軸組合的瞬態(tài)動力學分析計算，用動態(tài)規(guī)劃進行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，并開發(fā)專用設(shè)計計算軟件，能計算任一時刻偏軸組合的位移、速度、加速度等參數(shù)[10]。不管怎樣，現(xiàn)場數(shù)據(jù)的總量和質(zhì)量對分析結(jié)果的質(zhì)量有重要影響，而分析結(jié)果的質(zhì)量可以輔助鉆井設(shè)計及實時決策。

工具的使用：通過工具使用所得的數(shù)據(jù)可以積累鉆井經(jīng)驗，某項技術(shù)在特定區(qū)塊的應用范圍得以驗證后，可以加快該技術(shù)的不斷完善。比如，通過對偏軸鉆具防斜打快技術(shù)在塔里木山前構(gòu)造的使用的結(jié)果分析，可以重新考慮使用的工具、方法、理論及其使用的原則和假設(shè)等是否符合這個區(qū)塊。這樣，通過這個反饋機制可以加快該技術(shù)在山前構(gòu)造具體區(qū)塊應用的成熟。

5 總結(jié)與建議

5.1 結(jié)論

本文在論述了一種鉆井數(shù)據(jù)分析的模型，把鉆井知識、工具等分配到這個金字塔模型里面，可以用結(jié)構(gòu)性的方法分析整個過程，用于輔助決策。雖然鉆井數(shù)據(jù)分析是一個新事物，但它的發(fā)展所得的利益將會使其得到更多人的支持。同時鉆井技術(shù)發(fā)展很快，目前的鉆井數(shù)據(jù)分析方法可能不能完全滿足以后的需求。它需要隨著環(huán)境的變化而不斷發(fā)展。

5.2 建議

（1）明確鉆井數(shù)據(jù)的使用范圍，這樣有助于正確選擇分析的工具、方法及理論，同時有助于收集有用的信息。

（2）鉆井數(shù)據(jù)分析工具主要用于分析歷史數(shù)據(jù)，應加強對現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)的及時利用。

（3）需要不斷研究出新的理論和方法以分析大量的鉆井數(shù)據(jù)。

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