CN109386235A - 一种水平井钻井井眼轨迹优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水平井钻井井眼轨迹优化方法，属于油气开发技术领域。该优化方法包括以下步骤：确定与水平井钻井井眼轨迹优化相关的n个技术经济指标，技术经济指标包括至少一个工程技术指标和至少一个经济指标；建立m种水平井钻井井眼轨迹；分别获取每种水平井钻井井眼轨迹对应的每个技术经济指标的取值；对每种水平井钻井井眼轨迹对应的每个技术经济指标的取值进行归一化；确定每个技术经济指标的权重值；分别计算每种水平井钻井井眼轨迹的综合效用值，综合效用值为每种水平井钻井井眼轨迹中，每个技术经济指标的取值经过归一化后的数值与对应的权重值的乘积之和；根据每种水平井钻井井眼轨迹的综合效用值确定最优的水平井钻井井眼轨迹。

Description

一种水平井钻井井眼轨迹优化方法

技术领域

本发明涉及油气开发技术领域，特别涉及一种水平井钻井井眼轨迹优化方法。

背景技术

随着我国页岩气产业的蓬勃发展，页岩气平台钻井受到了越来越多的关注。页岩气平台钻井是指在一个井场同时钻多口井，具有井场占地面积小，人力和作业成本低，设备利用率高，作业效率高，钻井液可重复利用，多口井可同步压裂、有利于提高页岩气产能和采收率等优点。由于页岩气井多为水平井，因此，对于页岩气平台钻井来说，如何优化设计每口井的钻井井眼轨迹是实现页岩气平台钻井高效经济的关键。

现有技术中对于水平井钻井井眼轨迹的优化设计方法主要是从工程技术角度考虑，通过对水平井钻井井眼轨迹设计中的某个或者某几个工程技术指标进行优化来完成水平井钻井井眼轨迹的优化。例如，李绪阁于2010年发表在《中国石油大学(北京)》上的“定向井井眼轨道优化设计及软件开发”一文中指出：定向井井眼轨道优化设计所遵循的两个标准是井眼轨道最短和钻柱的摩阻扭矩最小。在本文中，将最短路径和最小摩阻扭矩进行综合考虑，保证设计的井眼轨道相对较短以降低施工成本，同时也保证其摩阻扭矩相对较小，减少事故和复杂情况的出现。殷晟于2014年发表在《西南石油大学》上的“川南地区页岩气水平井井眼轨迹优化设计研究”一文中指出：页岩气水平井在钻井过程中水平段的井壁稳定性和后期压裂增产作业是页岩气开发的关键。本文中，以岩石力学、钻井工程、地球物理测井和数学优化方法等多学科理论及技术为指导，并结合工区实际地质资料，分析得出井眼轨迹优化需要考虑的因素主要有水平段方位、水平段长度和水平段间的井距等。杨火海等于2014年发表在《油气田地面工程》上的“长宁地区页岩气水平井井眼轨迹优化设计”一文中指出：以宁201-X井为例，根据相关数据及测井资料选择优质页岩储层段，合理设计井斜角、井身剖面、曲率半径、造斜点、着陆点、井眼方位等数据，利用井眼轨迹设计软件设计出二维及三维的水平井井眼轨迹。

在实现本发明的过程中，本发明人发现现有技术中至少存在以下问题：现有技术的水平井钻井井眼轨迹优化方法仅考虑了工程技术因素，不能很好地满足页岩气平台钻井对高效经济方面的要求。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明实施例提供一种水平井钻井井眼轨迹优化方法，将根据本发明实施例提供的优化方法优化得到的井眼轨迹应用到页岩气平台钻井中，实现页岩气平台钻井的高效与经济。

具体而言，包括以下的技术方案：

本发明实施例提供了一种水平井钻井井眼轨迹优化方法，包括以下步骤：

确定与水平井钻井井眼轨迹优化相关的n个技术经济指标，n为大于或者等于2的整数，所述技术经济指标包括至少一个工程技术指标和至少一个经济指标；

建立m种水平井钻井井眼轨迹，m为大于或者等于2的整数；

分别获取每种所述水平井钻井井眼轨迹对应的每个所述技术经济指标的取值；

对每种所述水平井钻井井眼轨迹对应的每个所述技术经济指标的取值进行归一化；

确定每个所述技术经济指标的权重值；

分别计算每种所述水平井钻井井眼轨迹的综合效用值，所述综合效用值为每种所述水平井钻井井眼轨迹中，每个所述技术经济指标的取值经过归一化后的数值与对应的权重值的乘积之和；

根据每种所述水平井钻井井眼轨迹的综合效用值确定最优的水平井钻井井眼轨迹。

可选地，所述工程技术指标包括摩阻、扭矩、狗腿度、造斜率、水平段长度、地层研磨性、地层可钻性级值、储层钻遇率以及事故复杂率。

可选地，所述经济指标包括：钻井周期、钻井成本以及环境评价综合指数。

可选地，所述对每种所述水平井钻井井眼轨迹对应的每个所述技术经济指标的取值进行归一化，包括：

采用公式(1)、公式(2)或者公式(3)对每个所述技术经济指标的取值进行归一化；

其中，a_ij表示第i种水平井钻井井眼轨迹中第j个技术经济指标的取值，max[a_ij]为各水平钻井井眼轨迹中第j个技术经济指标的取值中的最大值，min[a_ij]为各水平钻井井眼轨迹中第j个技术经济指标的取值中的最小值，r^*为介于第j个技术经济指标的取值中的最大值和最小值之间的预设中值，b_ij为第i种水平井钻井井眼轨迹中第j个技术经济指标的取值经过归一化后的数值；

1≤i≤m且i为整数，1≤j≤n且j为整数。

可选地，所述确定每个所述技术经济指标的权重值，包括：

确定每个所述技术经济指标对于水平井井眼轨迹优化的重要性，并对各个所述技术经济指标对于所述水平井井眼轨迹优化的重要性进行两两比较，对每两个所述技术经济指标对于水平井井眼轨迹优化的重要性之间的差距进行赋值，所赋的值为v或v为1～9之间的整数，两个所述技术经济指标之间的差距越小，v的取值越小；差距越大，v的取值越大；

利用以下公式计算每个所述技术经济指标的权重值：

C_kl＝lgP_kl (4)，

其中，P_kl表示对第k个技术经济指标和第l个技术经济指标对于水平井井眼轨迹优化的重要性之间的差距所赋的值，N表示比较赋值总数，1≤N≤n(n-1)，W_k表示第k个技术经济指标的权重值；

1≤k≤n且k为整数，1≤l≤n且l为整数，1≤u≤N且u为整数。

可选地，所述根据每种所述水平井钻井井眼轨迹的综合效用值确定最优的水平井钻井井眼轨迹，包括：

对m种所述水平井钻井井眼轨迹的综合效用值进行排序，其中综合效用值最大的水平井钻井井眼轨迹即为所述最优的水平井钻井井眼轨迹。

本发明实施例提供的技术方案的有益效果：

本发明实施例提供的水平井钻井井眼轨迹优化方法中综合考虑了工程技术因素和经济因素对水平井钻井井眼轨迹优化的影响，将本发明实施例提供的优化方法应用到页岩气平台钻井的井眼轨迹优化中，有利于实现页岩气平台钻井的高效与经济。

本发明实施例提供的优化方法不仅仅适用于页岩气井，对其他油井、气井均适用。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。除非另有定义，本发明实施例所用的所有技术术语均具有与本领域技术人员通常理解的相同的含义。

本发明实施例提供了一种水平井钻井井眼轨迹优化方法，该优化方法包括以下步骤：

步骤S1，确定与水平井钻井井眼轨迹优化相关的n个技术经济指标，n为大于或者等于2的整数，技术经济指标包括至少一个工程技术指标和至少一个经济指标。

步骤S2，建立m种水平井钻井井眼轨迹，m为大于或者等于2的整数。

步骤S3，分别获取每种水平井钻井井眼轨迹对应的每个技术经济指标的取值。

步骤S4，对每种水平井钻井井眼轨迹对应的每个技术经济指标的取值进行归一化。

步骤S5，确定每个技术经济指标的权重值。

步骤S6，分别计算每种水平井钻井井眼轨迹的综合效用值，综合效用值为每种水平井钻井井眼轨迹中，每个技术经济指标的取值经过归一化后的数值与对应的权重值的乘积之和。

步骤S7，根据每种水平井钻井井眼轨迹的综合效用值确定最优的水平井钻井井眼轨迹。

本发明实施例提供的水平井钻井井眼轨迹优化方法是一种基于模糊数学决策理论的优化方法，该优化方法中，综合考虑了工程技术因素和经济因素对水平井钻井井眼轨迹优化的影响，将本发明实施例提供的优化方法应用到页岩气平台钻井的井眼轨迹优化中，有利于实现页岩气平台钻井的高效与经济。

在步骤S1中，可以结合实际钻井情况来确定与水平井钻井井眼轨迹优化相关的技术经济指标。其中，工程技术指标包括但不限于摩阻、扭矩、狗腿度、造斜率、水平段长度、地层研磨性、地层可钻性级值、储层钻遇率以及事故复杂率。经济指标包括但不限于钻井周期、钻井成本以及环境综合指数。

可以理解的是，本发明实施例提供的优化方法中，所确定的技术经济指标应当为可以量化的指标，即可以用具体的数值来表征的指标。

在步骤S2中，可以通过本领域常用的模拟软件来建立水平井钻井井眼轨迹。相应地，在步骤S3中，每种水平井钻井井眼轨迹对应的每个技术经济指标的取值则通过软件模拟或者根据工程实际经验预测得到。

可将每种水平井钻井井眼轨迹对应的每个技术经济指标的取值用矩阵A记录，该矩阵A具体为：

其中，m表示步骤S2中建立的水平井钻井井眼轨迹的数量，n表示步骤S1中确定的技术经济指标的数量，矩阵A中，每一行为一种水平井钻井井眼轨迹对应的各个技术经济指标的取值。

进一步地，在步骤S4中，可以采用公式(1)、公式(2)或者公式(3)对每个技术经济指标的取值进行归一化：

其中，a_ij表示第i种水平井钻井井眼轨迹中第j个技术经济指标的取值，max[a_ij]为各水平钻井井眼轨迹中第j个技术经济指标的取值中的最大值，min[a_ij]为各水平钻井井眼轨迹中第j个技术经济指标的取值中的最小值，r^*为介于第j个技术经济指标的取值中的最大值和最小值之间的预设中值，b_ij为第i种水平井钻井井眼轨迹中第j个技术经济指标的取值经过归一化后的数值；

1≤i≤m且i为整数，1≤j≤n且j为整数。

公式(1)适用于希望指标的取值越大越好的情况，举例来说，井壁稳定性的取值越高说明井壁稳定性越好，因此，对井壁稳定性的取值进行归一化应采用上述公式(1)。

公式(2)适用于希望指标的取值越小越好的情况，举例来说，摩阻越小，越有利于减小钻井过程中钻柱与井壁之间的接触力，因此，对摩阻的取值进行归一化应采用上述公式(2)。

公式(3)适用于希望指标的取值越接近某一中值越好，举例来说，扭矩这个指标一般在18000N·m左右，太低输出动力不够，太高超过钻具极限，因此扭矩这个指标就是靠近18000N·m是最好的。

可以理解的是，不同的技术经济指标分别进行归一化，也就是分别对矩阵A中每一列的数据进行归一化。

可以通过以下矩阵B记录各个技术经济指标的取值经过归一化的数值：

B＝[b_ij]m×n，其中b_ij表示第i种水平井钻井井眼轨迹中第j个技术经济指标的取值经过归一化后的数值，1≤i≤m且i为整数，1≤j≤n且j为整数。

进一步地，在步骤S5中，各个技术经济指标对应的权重值对于最终确定最优的井眼轨迹有重要的作用。应当结合工程实际来确定各技术经济指标的权重值。可以理解的是，各个技术经济指标对应的权重值之和应为1。

在本发明实施例一种具体的实施方式中，可应用灰色理论中的灰色关联度法来确定各个技术经济指标的权重值，以使最终确定的最优的井眼轨迹更加符合实际。

首先，确定每个技术经济指标对于水平井井眼轨迹优化的重要性，并对各个技术经济指标对于水平井井眼轨迹优化的重要性进行两两比较，对每两个技术经济指标对于水平井井眼轨迹优化的重要性之间的差距进行赋值，所赋的值为v或v为1～9之间的整数，两个所述技术经济指标之间的差距越小，v的取值越小；差距越大，v的取值越大。

可以按照表1中的标准进行赋值。

表1

标度	含义
		1	表示两指标相比，具有同样重要性
3	表示两指标相比，一个指标比另一个指标稍微重要
		5	表示两指标相比，一个指标比另一个指标明显重要
7	表示两指标相比，一个指标比另一个指标强烈重要
		9	表示两指标相比，一个指标比另一个指标极端重要
2，4，6，8	上述两相邻判断的中值

在进行重要性确定和重要性比较时，可以在符合工程实际的基础上，参照业内专家的意见，从而使最终确定的权重值更加准确。

可以理解的是，对于n个技术经济指标来说，将得到n(n-1)个比较结果。

举例来说，通过A、B、C、D、E这五个技术经济指标对井眼轨迹进行优化，则在分别确定了A、B、C、D、E这五个技术经济指标对经验轨迹优化的重要性之后，对分别对A和B、A和C、A和D、A和E、B和A、C和A、D和A、E和A、B和C、B和D、B和E、C和B、D和B、E和B、C和D、C和E、D和C、E和C、D和E以及E和D进行两两比较，并对比较结果进行赋值，得到20个比较结果。

可以将比较结果通过判断矩阵P来记录：P＝[P_kl]，P_kl表示对第k个技术经济指标和第l个技术经济指标对于水平井井眼轨迹优化的重要性之间的差距所赋的值。

例如，当k＝1、l＝2时，P₁₂表示第1个技术经济指标和第2个技术经济指标对于水平井井眼轨迹优化的重要性之间的差距，如果第1个技术经济指标比第2个技术经济指标稍微重要，则P₁₂＝3；当k＝2、l＝1时，也就是，当k和l的取值互换后，对应的对重要性所赋的值互为倒数。

之后，利用以下公式计算得到每个技术经济指标的权重值：

C_kl＝lgP_kl (4)，

其中，P_kl表示对第k个技术经济指标和第l个技术经济指标对于水平井井眼轨迹优化的重要性之间的差距所赋的值，N表示比较赋值总数，1≤N≤n(n-1)，W_k表示第k个技术经济指标的权重值。

1≤k≤n且k为整数，1≤l≤n且l为整数，1≤u≤N且u为整数。

其中，上述公式(4)～(6)是为了构造一个与矩阵B等价的判断矩阵

可以通过权重矩阵W记录计算得到的各个技术经济指标的权重值：W＝[W₁，W₂，…,W_n]^T。

在步骤S6中，分别计算每种水平井钻井井眼轨迹的综合效用值，综合效用值为每种水平井钻井井眼轨迹中，每个技术经济指标的取值经过归一化后的数值与对应的权重值的乘积之和，也就是矩阵B和矩阵W相乘。也就是每种井眼轨迹通过以下公式计算：

其中，i＝1，2，3，…，m。

在步骤S7中，在得到每个井眼轨迹的综合效用值后，可对各井眼轨迹的综合效用值进行排序，根据实际需要选择合适的综合效用值对应的井眼轨迹进行钻井。一般来说，综合效用值最大的水平井钻井井眼轨迹为最优的水平井钻井井眼轨迹，即E_最优＝max[E_i]。

综上，本发明实施例提供的水平井钻井井眼优化方法中，在紧密结合工程实际的基础上，综合考虑影响水平井钻井井眼轨迹优化的多种技术经济指标，将模糊数学的有关原理，系统地应用于水平井钻井井眼轨迹的优化决策中。同时在各技术经济指标的权重值的确定上，综合考虑工程实际和专家意见，并应用了灰色理论中的灰色关联度法。通过模糊数学与灰色理论的有机结合，使最终得到的优化结果更加符合实际需要。将本发明实施例提供的优化方法应用到页岩气平台钻井的井眼轨迹优化中，有利于实现页岩气平台钻井的高效与经济。

本领域技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅是为了便于本领域的技术人员理解本发明的技术方案，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种水平井钻井井眼轨迹优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

确定与水平井钻井井眼轨迹优化相关的n个技术经济指标，n为大于或者等于2的整数，所述技术经济指标包括至少一个工程技术指标和至少一个经济指标；

建立m种水平井钻井井眼轨迹，m为大于或者等于2的整数；

分别获取每种所述水平井钻井井眼轨迹对应的每个所述技术经济指标的取值；

对每种所述水平井钻井井眼轨迹对应的每个所述技术经济指标的取值进行归一化；

确定每个所述技术经济指标的权重值；

分别计算每种所述水平井钻井井眼轨迹的综合效用值，所述综合效用值为每种所述水平井钻井井眼轨迹中，每个所述技术经济指标的取值经过归一化后的数值与对应的权重值的乘积之和；

根据每种所述水平井钻井井眼轨迹的综合效用值确定最优的水平井钻井井眼轨迹。

2.根据权利要求1所述的水平井钻井井眼轨迹优化方法，其特征在于，所述工程技术指标包括：摩阻、扭矩、狗腿度、造斜率、水平段长度、地层研磨性、地层可钻性级值、储层钻遇率以及事故复杂率。

3.根据权利要求1所述的水平井钻井井眼轨迹优化方法，其特征在于，所述经济指标包括：钻井周期、钻井成本以及环境综合指数。

4.根据权利要求1～3任一项所述的水平井钻井井眼轨迹优化方法，其特征在于，所述对每种所述水平井钻井井眼轨迹对应的每个所述技术经济指标的取值进行归一化，包括：

采用公式(1)、公式(2)或者公式(3)对每个所述技术经济指标的取值进行归一化；

其中，a_ij表示第i种水平井钻井井眼轨迹中第j个技术经济指标的取值，max[a_ij]为各水平钻井井眼轨迹中第j个技术经济指标的取值中的最大值，min[a_ij]为各水平钻井井眼轨迹中第j个技术经济指标的取值中的最小值，r^*为介于第j个技术经济指标的取值中的最大值和最小值之间的预设中值，b_ij为第i种水平井钻井井眼轨迹中第j个技术经济指标的取值经过归一化后的数值；

1≤i≤m且i为整数，1≤j≤n且j为整数。

5.根据权利要求1～3任一项所述的水平井钻井井眼轨迹优化方法，其特征在于，所述确定每个所述技术经济指标的权重值，包括：

确定每个所述技术经济指标对于水平井井眼轨迹优化的重要性，并对各个所述技术经济指标对于所述水平井井眼轨迹优化的重要性进行两两比较，对每两个所述技术经济指标对于水平井井眼轨迹优化的重要性之间的差距进行赋值，所赋的值为v或v为1～9之间的整数，两个所述技术经济指标之间的差距越小，v的取值越小；差距越大，v的取值越大；

利用以下公式计算每个所述技术经济指标的权重值：

C_kl＝lgP_kl (4)，

其中，P_kl表示对第k个技术经济指标和第l个技术经济指标对于水平井井眼轨迹优化的重要性之间的差距所赋的值，N表示比较赋值总数，1≤N≤n(n-1)，W_k表示第k个技术经济指标的权重值；

1≤k≤n且k为整数，1≤l≤n且l为整数，1≤u≤N且u为整数。

6.根据权利要求1～3任一项所述的水平井钻井井眼轨迹优化方法，其特征在于，所述根据每种所述水平井钻井井眼轨迹的综合效用值确定最优的水平井钻井井眼轨迹，包括：

对m种所述水平井钻井井眼轨迹的综合效用值进行排序，其中综合效用值最大的水平井钻井井眼轨迹即为所述最优的水平井钻井井眼轨迹。