钻井工程设计与工艺软件ANYDRILL1．0的研发与应用

石 林，蒋宏伟，周英操 赵 庆，张冬梅，连志龙（中国石油集团钻井工程技术研究院，北京100195）

钻井工程设计与工艺软件ANYDRILL1．0的研发与应用

石 林，蒋宏伟，周英操 赵 庆，张冬梅，连志龙（中国石油集团钻井工程技术研究院，北京100195）

对钻井工程设计与工艺软件包含的欠平衡／气体钻井设计与分析系统、控压钻井设计分析系统、地层压力预测分析与监测系统、岩石力学分析系统等多个功能系统做了详细的介绍。钻井工程设计与工艺软件完成多井次的现场测试，应用结果表明，钻井工程设计和工艺软件功能丰富、计算准确、使用方便，可较好地满足现场钻井工程设计与施工需要，为钻井工程提供技术支撑和技术指导。

钻井软件；软件系统；钻井设计；现场测试；现场应用

随着现代社会对石油不断增长的需求，钻井工程设计与施工越来越复杂。钻井工程从设计、施工到经验总结，对计算机辅助设计的依赖性正逐步增强。与国际先进的钻井软件研发水平相比，我国的钻井软件研发水平明显滞后，具体表现为软件体系分布散、生命周期短、影响范围小、规模水平低，不能完全满足油田钻井工程设计的需要。为了缩小与国外先进水平的差距，提高我国钻井工程核心竞争力、及时分析钻井施工状况、保障钻井安全、促进钻井施工决策的科学性，有必要开发我国自主品牌的钻井软件。“十一五”期间，中国石油集团钻井工程技术研究院联合中国石油集团长城钻探工程有限公司、中国石油大学（北京）、西南石油大学、东北石油大学、长江大学，共同承担了国家科技重大专项“钻井工程设计和工艺软件”课题，开展了自主创新研究，开发了具有自主知识品牌、功能全面的钻井工程设计与工艺软件ANYDRILL1．0，并进行了现场测试和应用。

1 钻井工程设计与工艺软件

钻井工程设计和工艺软件平台模块集成采用插件式技术，通过加入不同的插件，平台可以获得不同的钻井设计与分析能力；各个插件可以在系统中动态添加和删除，单个插件的维护不影响系统的总体运行和其他插件功能，可减少维护成本；各个插件之间没有干扰和影响，有利于各个软件之间的独立开发。钻井工程设计和工艺软件平台集成框架如图1所示。

1．1 欠平衡／气体钻井设计与分析系统

该系统适用于直井、定向井和水平井的设计、计算及分析。系统优选了精度较高、可行性较好的欠平衡钻井水力参数计算模型，可对环空、钻柱的水力参数进行分段计算，适应工程实际应用。系统可以对多种欠平衡钻井方式（气体、雾化、泡沫、充气和常规钻井液）进行钻前设计、随钻监控和完钻分析等全过程欠平衡钻井设计，具有动态设计、安全报警、泥浆帽钻井设计等功能。

图1 钻井工程设计和工艺软件整体框架

1．2 控压钻井设计与分析系统

该系统包含实时处理模块、施工与控制参数设计与模拟模块、数据库模块等，并配有相应的管理软件，可以对数据进行实时调用与控制；具有控制参数与模拟、施工分析、井底压力实时分析、回压控制实时分析等模块，调用相应的数据进行分析、模拟与预测；配有一套钻井数据采集装备，可以实时采集信息和实现远程控制。

该系统作为控压钻井装备的配套软件，提出了地面多级并联精细节流控压新方法，建立了切换过程的扰动控制数学模型；针对控压钻井存在双梯度循环摩阻和双梯度波动压力，建立了双梯度工况下控压钻井控制参数计算模型；研究出随钻压力测量系统（PWD）实时采集数据动态修正井底压力的计算方法。

1．3 地层压力预测分析与监测系统

该系统的主要功能是利用测井、录井、地震等资料确定地层压力，建立了利用声速检测地层压力的Fan简易方法和Fan综合解释方法，利用层速度资料进行压力计算及压力结果的可视化分析。实现从原始数据的计算机获取、资料自动处理及人机交互处理、地层压力分析计算、显示打印结果图件等一体化作业。不仅可以提高地层压力计算精度，而且可以减少人工资料处理工作量。

1．4 岩石力学分析系统

该系统利用全井段测井数据进行分层的孔隙压力、坍塌压力和破裂压力计算以及定向井井壁坍塌和破裂风险分析。系统可用于解决当前深井、超深井钻井碰到的岩石力学难题，分析井眼轨迹对定向井井壁稳定［1］的影响、建立盐膏层钻井液密度图版、并对岩石的可钻性做出预测分析。

1．5 钻柱力学分析系统

该系统用于直井、定向井和水平井的钻柱设计、计算和分析，建立钻柱摩阻扭矩、钻柱振动和钻柱极限延伸模型，对不同井型的钻柱设计与分析提供整套的解决方案。主要功能包括：钻柱摩阻扭矩分析、振动分析、强度分析、底部钻具组合力学分析及钻柱下入极限深度分析［2］等，为实现钻前设计和现场施工提供了依据。

1．6 钻井液设计及分析系统

该系统根据基础数据，对油井使用的钻井液体系、性能、配方进行设计，计算材料费用，输出设计文档。可以实现油井钻井液设计、邻井数据查询和钻井液常用计算等功能。该系统突破了以下关键技术：①多层系统架构技术的应用；②元数据技术的应用；③建立了钻井液知识库；④优化了钻井液设计流程。

1．7 固井工程设计与分析系统

该系统用于常规井、水平井、深井超深井、含塑性蠕变地层井、小井眼井等多种井型的套管柱强度［3］设计、套管居中设计、下套管设计与模拟、管串结构设计、固井流体性能设计、用量计算、注水泥流变性设计、注水泥模拟、气窜预测、挤水泥设计、固井工程事后分析，输出符合石油天然气行业标准的固井施工设计报告、固井施工报告及固井工程事后分析报告，能满足现场固井工程设计与施工的需要。应用该软件功能模块可提高注水泥施工设计的科学性与准确性，能较好地满足固井施工设计需要，对于指导注水泥施工具有重要的实际意义。

1．8 钻井数据库管理系统

数据库内容齐全，涵盖了钻井业务各个环节信息；扩充了数据库的结构分类，辅助库为软件提供更好的帮助；优化数据库表间关系，降低数据冗余；数据间约束合理、明确，保证了数据完整性；表项字段包括中文、英文、曾用名对照；数据统一采用国际单位制入库，便于管理和数据移植。数据库管理软件采用树形目录、页签式的界面管理方式，界面友好、简洁、易于操作；新颖的基于数据透视的统计分析功能；简洁、实用的数据导入／导出功能；实现了辅助库的统一管理；支持历史数据回放，直观、形象；安全的用户权限管理，系统更安全。

1．9 钻井实时监控与技术决策系统

该系统架构扩展性强，支持后期开发其他钻井复杂事故软件模块。建立了钻井风险BP神经网络识别法和模糊综合评价法，使用这2种钻井风险推理方法，可以相互弥补各自的不足，使得钻井风险推理更具参考性和准确性。利用钻井风险因素量化分析和风险推理相结合的风险实时识别模型，开发出来的钻井风险推理软件可以实时诊断和预测部分钻井风险，能实现部分钻井风险实时监控、预测和评价，并在现场得到了验证。

2 应用效果

钻井工程设计与工艺软件已经在大港、辽河等油田现场开展了应用测试，应用300多井次。结果表明，钻井工程设计和工艺软件功能丰富、计算准确、使用方便，可较好地满足现场钻井工程设计与施工需要；可为钻井工程提供技术支撑；通过地层压力预测与监测系统和岩石力学分析系统建立3个压力（孔隙压力、坍塌压力和破裂压力）剖面、安全钻井液密度窗口和盐膏层钻井液密度图版。在此基础上再进行钻柱力学分析、钻井液设计等各种工程设计，可为待钻完井设计提供科学决策依据，对加快安全钻井进程和油田开发具有十分重要的现实意义。

2．1 兴古X井应用实例

兴古X井为开发井，井型为水平井，设计井深4661．54m（斜深）。完钻原则：水平段进尺1000m完钻，完钻层位是太古界，构造名称为辽河断陷盆地西部凹陷中南段兴隆台潜山兴古七断块区，地理位置在辽宁省盘锦市兴隆台区。该井在2823m处使用的钻井液具体性能数据见表1。

表1 钻井液性能参数表

在钻至2823m时软件提前识别出一处井漏，钻井实时监控与技术决策系统提示井漏风险可能性较大，在钻至2825m时现场人员发现井漏，并决定起钻堵漏。软件预测结果与钻井现场实际情况完全相符。软件计算分析结果如图2所示。

图2 井漏风险实时预测界面

2．2 塔里木哈X井应用实例

该井位于哈拉哈塘南构造带上的哈拉一号背斜高点上，是一口预探直井，井深6368m。该井在5315～5340m之间的下第三系发生井漏，此井段所用钻井液密度在1．05～1．25g／cm3之间。利用地层压力预测监测系统计算该段压力梯度当量密度为：1．03～1．19g／cm3，说明所用钻井液密度过大是造成井漏的主要原因。该地层段为正常压力层段，系统的检测结果符合实际地层压力梯度值范围，应用效果符合现场实际要求。图3为哈X井的压力剖面图。

3 结 语

图3 哈X井地层压力分布剖面图

钻井工程设计与工艺软件以国内自主研究原始创新、集成创新为主，形成一套具有自主知识产权的钻井软件，初步构建了钻井工程设计和工艺软件平台，为我国钻井技术的信息化、自动化、智能化发展提供了有效技术支持，改变了过去国内单项钻井软件系统数据库各自独立造成的“信息孤岛”局面，使得钻井各个设计部门的信息得以充分共享，实现钻井设计和施工一体化、基地和现场一体化以及多学科协作一体化，提高钻井工程技术人员的设计效率、作业质量和决策水平，降低钻井风险和费用，提高我国钻井工程设计和工艺软件领域的自主创新能力和原创性技术的研发能力，增强了中国石油钻井工程核心竞争力。

［1］侯冰，陈勉，卢虎，等．库车山前下第三系漏失原因分析及堵漏方法［J］．石油钻采工艺，2009，31（4）：40～44．

［2］闫铁，马红滨，谷玉堂，等．钻柱在水平分支井段中的摩阻力分析［J］．科学技术与工程，2010，22（10）：5378～5380．

［3］黄志强．固井实时监测系统研究［J］．石油天然气学报，2009，31（2）：89～91．

［编辑］ 萧 雨

TE22

A

1000－9752（2012）06－0108－04

2012－02－10

国家科技重大专项（2011ZX05021－006）。

石林（1957－），男，1982年石油大学（华东）毕业，教授级高级工程师，现从事钻井工程技术研究及管理工作。