基于三維顯示的鉆井工程設(shè)計(jì)一體化系統(tǒng)研究及應(yīng)用

張紅娥

（山東勝軟科技股份有限公司，山東東營 257000）

鉆井是石油、天然氣勘探與開發(fā)的主要手段，是勘探開發(fā)的先導(dǎo)。如何降低原油生產(chǎn)成本，是適應(yīng)市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展迫切需要解決的問題。因此，降低鉆井成本成為降低原油生產(chǎn)成本的關(guān)鍵。新的鉆井技術(shù)的出現(xiàn)，引起新的理論研究，隨著時間的推進(jìn)，理論更加成熟和貼近實(shí)際，工程設(shè)計(jì)軟件不斷跟隨技術(shù)理論的變化并做出更新。鉆井設(shè)計(jì)的科學(xué)性、先進(jìn)性關(guān)系到一口井作業(yè)的成敗和效益?？茖W(xué)鉆井水平的提高，在一定程度上依靠鉆井設(shè)計(jì)水平的提高。為實(shí)現(xiàn)鉆井工程設(shè)計(jì)的一體化、科學(xué)化、信息化，鉆井工程設(shè)計(jì)一體化系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

1 鉆井工程設(shè)計(jì)一體化系統(tǒng)的研究

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，勘探水平的提高，利用GAD 平臺，采用Microsoft Visual Studio 2017，進(jìn)行算法和圖形研究，融合三維顯示技術(shù)，融入鉆井工程設(shè)計(jì)的最新科研成果，在建立數(shù)字化鉆井工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，開發(fā)包括專業(yè)模型、二維三維設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)書管理等全部功能模塊的一體化鉆井設(shè)計(jì)軟件，解決鉆井工程設(shè)計(jì)軟件信息缺乏共享、信息綜合利用水平低、鉆井設(shè)計(jì)水平參差不齊以及設(shè)計(jì)成本高的實(shí)際問題。

系統(tǒng)充分考慮到石油工程領(lǐng)域的信息化要跨空間、跨時間、跨用戶的共享，實(shí)現(xiàn)具有C/S 結(jié)構(gòu)與B/S結(jié)構(gòu)相結(jié)合、構(gòu)件化集成的特點(diǎn)，建立滿足鉆井新技術(shù)、數(shù)據(jù)管理和科研需要的鉆井工程數(shù)據(jù)平臺，UML建模技術(shù)貫穿整個軟件開發(fā)周期，使得本系統(tǒng)類似于硬件一樣，可用不同的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件組裝而成。同時系統(tǒng)與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)同步，便于計(jì)算模型的更新及系統(tǒng)的無縫升級。

系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)：

（1）建立了構(gòu)件化的IDDS 的系統(tǒng)構(gòu)架，便于系統(tǒng)無縫升級；

（2）率先建立了適合鉆井新技術(shù)、數(shù)據(jù)管理和科研需要的鉆井工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)平臺，實(shí)現(xiàn)了信息共享和各階段數(shù)據(jù)的充分利用，實(shí)現(xiàn)了可視化、交互式鉆井工程設(shè)計(jì)；

（3）實(shí)現(xiàn)了斜面圓弧法、恒工具面角法、懸鏈線井段、彈性桿法等軌道設(shè)計(jì)方法，并對最常用的“柱面法”軌道設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了完善，關(guān)鍵參數(shù)可以任意組合進(jìn)行求解；

（4）實(shí)現(xiàn)了一體化業(yè)務(wù)協(xié)同設(shè)計(jì)，支持多專業(yè)、分工、崗位的一體化業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮集體智慧。

2 鉆井工程設(shè)計(jì)一體化系統(tǒng)的模塊分布

鉆井工程設(shè)計(jì)一體化系統(tǒng)采用了成熟而先進(jìn)的計(jì)算模型，專業(yè)數(shù)據(jù)可視化的集成與綜合展示，保證了設(shè)計(jì)方案的最優(yōu)化，具有十分豐富的模塊，主要包括以下模塊。

2.1 軌道設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)了柱面法、斜面法、恒工具面角法、懸鏈線法、彈性桿法等軌道設(shè)計(jì)方法，達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平，以柱面法為例，如圖1所示。

剖面類型有：直—增、直—增—穩(wěn)、直—增—降、直—增—降—穩(wěn)、直—增—穩(wěn)—降、直—增—穩(wěn)—降—穩(wěn)、直—增—穩(wěn)—增—穩(wěn)，同時可選擇進(jìn)行二維或三維設(shè)計(jì)。剖面設(shè)計(jì)時，可從井口或側(cè)鉆點(diǎn)開始進(jìn)行任意參數(shù)的軌道設(shè)計(jì)，在向?qū)讲僮髦笇?dǎo)下，任意增加若干個井段，設(shè)計(jì)出任意的軌道類型。

2.1.1 對常規(guī)中靶方式中“增（降）穩(wěn)”中靶方式進(jìn)行優(yōu)化

優(yōu)化前“增（降）穩(wěn)”中靶方式只能求解“增（降）斜段最終井斜”作為已知條件的情況，優(yōu)化后增加求解“第一增斜率”作為已知條件的情況。

2.1.2 增加對限定目標(biāo)點(diǎn)處的井斜角，實(shí)現(xiàn)懸鏈線中靶方式的優(yōu)化

懸鏈線型軌道設(shè)計(jì)[1]。

（1）鏈線的物理意義及其微分方程。懸鏈線通常是指不能承受任何彎矩和壓力的柔性鏈狀物在兩端受一定的拉力約束時所形成的一段曲線。圖2 所示為懸鏈線微元受力示意圖，為一段懸鏈線微元的受力情況。

根據(jù)懸鏈線的物理意義，我們可以得到如下的力學(xué)平衡方程：

由∑X=0，我們有：

由∑Y=0，我們有：

從式（1）可以看出，懸鏈線截面上任意一點(diǎn)軸向拉力在x方向上的分量都相等，因此，若令Tx=T·sinα，則方程（2）兩邊同除以Tx，整理后可得：

若令a=Tx/q，將式（3）寫成微分形式則有：

式（4）即為控制懸鏈線形狀的微分方程，其中參數(shù)a可以看作是表征懸鏈線形狀的特征參數(shù)，在此我們稱為懸鏈線常數(shù)，只要a給定，懸鏈線形狀就確定了。

（2）懸鏈線軌道設(shè)計(jì)有關(guān)的幾個公式。一段懸鏈線bc，兩端的井斜角分別為αb、αc，懸鏈線上任意一點(diǎn)到b點(diǎn)的長度為l，如圖3 所示，懸鏈線上任意一點(diǎn)的參數(shù)與b點(diǎn)參數(shù)之間的關(guān)系可以通過以下幾個公式來表示。

①井斜角之間的關(guān)系。對式（4）分離變量后在αb和a之間積分可得：

②垂深之間的關(guān)系。對式（4）分離變量后兩邊分別乘以cosα，然后在αb和a之間積分可得：

③水平位移之間的關(guān)系。對式（4）分離變量后兩邊分別乘以sinα，然后在αb和a之間積分可得：

④懸鏈線上任意一點(diǎn)的造斜率表達(dá)式。式（4）兩邊分別除以dl可得懸鏈線上任意一點(diǎn)的造斜率K的表達(dá)式為：

2.1.3 基于三維可視化的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

采用GAD 平臺，利用Microsoft Visual Studio 2017，開發(fā)語言C#，算法和圖形模塊采用C++，將參考井與所有比較井的設(shè)計(jì)軌跡和實(shí)鉆軌跡繪出以三維方式顯示出來，參考井井號作為第一個井號，其余井號代表比較井。

2.2 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠確定套管的下入層次、下入深度、水泥漿返深、水泥環(huán)厚度、生產(chǎn)套管尺寸及鉆頭尺寸。原則是有效地保護(hù)儲集層，避免產(chǎn)生井漏、井榻、卡鉆等井下復(fù)雜情況和事故。為安全、優(yōu)質(zhì)、高速和經(jīng)濟(jì)鉆井創(chuàng)造條件。

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)子系統(tǒng)提供可視化圖形設(shè)計(jì)功能，完成一口井的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時完成地層巖性剖面和破裂壓力梯度曲線、孔隙壓力梯度曲線、井身結(jié)構(gòu)圖的自動繪制，并就井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)合軌道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)實(shí)時繪制井身結(jié)構(gòu)圖。

支持尾管、篩管、組合篩管（尾管篩管、篩管尾管）、裸眼等完井方式。圖中能夠反映尾管回接、同層套管變徑。

2.3 鉆頭及鉆井參數(shù)設(shè)計(jì)

鉆井作業(yè)的主要工具是鉆頭，選擇的鉆頭是否合適將直接影響單井成本和鉆井作業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。影響鉆頭選擇的因素有：井深、地層類型和性能、井眼尺寸、泥漿類型、鉆機(jī)成本、鉆頭成本等等。此外，由于各開次尤其是各地層的鉆頭設(shè)計(jì)及鉆井參數(shù)都是建立在對已鉆井統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上的。系統(tǒng)建立了分區(qū)塊的鉆頭數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行已鉆井的鉆頭設(shè)計(jì)及實(shí)鉆數(shù)據(jù)資料的維護(hù)及管理，這樣，在進(jìn)行鉆頭設(shè)計(jì)后能自動優(yōu)選并提供相應(yīng)最優(yōu)方案供設(shè)計(jì)者抉擇。

以地層巖石的可鉆性級值作為理論依據(jù)，設(shè)計(jì)人員結(jié)合自己油田的實(shí)際情況，選擇不同的計(jì)算巖石可鉆性級值的方法（“巖石物理特性參數(shù)法”、“井深回歸計(jì)算法”、“測井聲波速度計(jì)算法”）計(jì)算設(shè)計(jì)鉆進(jìn)井段的平均巖石可鉆性級值，確定鉆頭型號。

2.4 鉆具組合設(shè)計(jì)

對一口井的多套鉆具組合進(jìn)行設(shè)計(jì)、對鉆柱整體變形和受力情況進(jìn)行分析，計(jì)算鉆柱各截面處的載荷（外擠、內(nèi)壓、軸向力、摩阻、扭矩、彎曲應(yīng)力、綜合應(yīng)力等），并采用桿的大位移理論、彈性接觸模型、半解析法、迭代方法等理論，進(jìn)行滑動鉆井、起鉆、下鉆等工況下鉆柱強(qiáng)度自動校核，就計(jì)算結(jié)果繪制載荷沿井深變化曲線圖。此外，還可對尾管鉆具進(jìn)行抗拉強(qiáng)度校核、對定向井、水平井井下專用工具、打撈工具進(jìn)行選擇設(shè)計(jì)。

2.5 固井設(shè)計(jì)

依照SY/T5322-2000標(biāo)準(zhǔn)套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，采用三軸強(qiáng)度設(shè)計(jì)，進(jìn)行直井與定向井的套管強(qiáng)度設(shè)計(jì)，按井型和套管類型計(jì)算有效外載。充分考慮了鹽巖蠕變地層（塑性地層），當(dāng)套管處于塑性地層段時，按照上覆巖層壓力計(jì)算外擠壓力。充分考慮套管變徑、尾管回接等情況，實(shí)現(xiàn)了圖形可視化的拖放式套管自動選擇與強(qiáng)度校核，如圖4所示。

套管強(qiáng)度設(shè)計(jì)前要求軌道設(shè)計(jì)、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，根據(jù)井身結(jié)構(gòu)選擇套管名稱，程序?qū)⒆詣訌木斫Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果提取對應(yīng)該層套管下深、套管頂深、水泥返高，需要輸入或選擇的計(jì)算參數(shù)有：油氣井井型、固（完）井時鉆井液密度、下次鉆進(jìn)最大鉆井液密度、下次鉆進(jìn)最小鉆井液密度（完井液密度）、地層水密度（0～1.05）、天然氣相對密度、地層壓力梯度、破裂壓力梯度、巖石泊松系數(shù)（0～0.5）、掏空系數(shù)（0～1）、抗擠設(shè)計(jì)系數(shù)、抗內(nèi)壓設(shè)計(jì)系數(shù)、抗拉設(shè)計(jì)系數(shù)。在編輯數(shù)據(jù)時，對于數(shù)值型數(shù)據(jù)鍵盤輸入非數(shù)值無效。對于套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)完成井，切換套管名稱，則自動將數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)設(shè)計(jì)結(jié)果（圖和表）提取出來。

對于導(dǎo)管、表層套管，有效內(nèi)壓力計(jì)算在SY/T5322-2000所述方法上做了如下調(diào)整：計(jì)算管鞋處的最大壓力時，按鉆下一層井眼可能使用的最大泥漿密度和地層破裂壓力梯度中的較大值。

對于塑性/流動性鹽（頁）巖地層，點(diǎn)擊“套管強(qiáng)度設(shè)計(jì)”窗體上按鈕，可進(jìn)入如下界面，輸入塑性/流動性鹽（頁）巖地層壓力數(shù)據(jù)。強(qiáng)度計(jì)算時，若勾選‘塑變地層’，程序?qū)⒆詣优袛鄬?yīng)層次套管下入井段是否處于塑性/流動性鹽（頁）巖地層，若處于塑變地層段則按對應(yīng)垂深的上覆壓力梯度計(jì)算外擠力。

2.6 設(shè)計(jì)書管理功能

設(shè)計(jì)書管理功能主要是設(shè)計(jì)書的輸出，采用Aspose.Words技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自動生成圖文并茂、符合最新行標(biāo)的鉆井工程設(shè)計(jì)書，實(shí)現(xiàn)與國際接軌，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的規(guī)范化。

Aspose.Words技術(shù)支持Doc、Docx、RTF、HTML、OpenDocument、PDF、XPS、EPUB 和其他格式。使用Aspose.Words可以在不使用Microsoft.Word的情況下生成、修改、轉(zhuǎn)換和打印文檔。在項(xiàng)目中使用Aspose.Words可以有以下好處：

（1）格式轉(zhuǎn)換。Aspose.Words轉(zhuǎn)換功能強(qiáng)大，將固井設(shè)計(jì)技術(shù)難點(diǎn)、各開次井控要求等RTF格式內(nèi)容進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

（2）文檔對象模型。通過豐富的API 以編程方式訪問所有的文檔元素和格式，允許創(chuàng)建、修改、提取、復(fù)制、分割、加入和替換文件內(nèi)容。

（3）文件渲染。在服務(wù)器端，將WORD 文檔直接轉(zhuǎn)換為PDF、SWF 格式，同樣轉(zhuǎn)換文檔頁面為圖像格式，或者.NET Graphics 對象，這些功能可以與Microsoft.Word相媲美。

（4）報(bào)表?？梢詮膶ο蠡蛘邤?shù)據(jù)源填充模版生成文件。

系統(tǒng)充分考慮了探井、開發(fā)井的差異性，可靈活快速定制設(shè)計(jì)書的格式，將文本輸出有效的控制。輸出文本涵蓋整個鉆井工程設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)模塊，系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，保證了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，讓整體設(shè)計(jì)的完成變得更加全面。該模版能完全實(shí)現(xiàn)用戶的個性化定制，以提升工作效率。

3 鉆井工程設(shè)計(jì)一體化系統(tǒng)的應(yīng)用情況

鉆井工程設(shè)計(jì)一體化系統(tǒng)（簡稱IDDS）現(xiàn)已經(jīng)投入使用，到目前為止已經(jīng)圓滿完成了所有下達(dá)的設(shè)計(jì)任務(wù)。平均單井設(shè)計(jì)工期縮短58%，應(yīng)用效果顯著。不僅適用于一般的生產(chǎn)井，同時重點(diǎn)針對進(jìn)行不同地區(qū)、不同井別、不同井深、不同井型的各類型井的鉆井工程設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語

鉆井工程設(shè)計(jì)一體化系統(tǒng)（簡稱IDDS）是一個鉆井設(shè)計(jì)智能化軟件，在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準(zhǔn)化和可視化的鉆井工程設(shè)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。不僅在設(shè)計(jì)速度上有了很大的提高，計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確，而且設(shè)計(jì)內(nèi)容也更為全面，同時設(shè)計(jì)書生成更靈活。目前使用該軟件設(shè)計(jì)的生產(chǎn)井已經(jīng)投入生產(chǎn)運(yùn)行，進(jìn)一步增強(qiáng)了鉆井工程設(shè)計(jì)的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。為我國的石油勘探開發(fā)做出了較大的貢獻(xiàn)。