CN110826137A - 一种基于风险评估的深部复杂地层井身结构的设计方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于风险评估的深部复杂地层井身结构的设计方法，包括：1)初步确定套管层次及下深深度；2)计算得到的各层套管的风险系数；3)按照“浅层套管分担较多风险、深层套管分担较少风险”的原则，对各层套管的风险进行分析和协调：判断各次套管的风险系数是否大于安全阈值K；对下入深度校核：若第i层次套管的安全系数RNi＞K，则在上部套管层次中，选取安全系数最小的套管层次，加深其下入深度h；4)重复步骤2)‑3)，直至各层套管风险系数均小于安全阈值K。本发明将深层井身结构风险适度上移，为深部地层的套管层次和下深提供更多设计空间，最大程度降低整个井身结构的综合风险，为安全高效钻井提供保障。

Description

一种基于风险评估的深部复杂地层井身结构的设计方法
技术领域
本发明涉及一种基于风险评估的深部复杂地层井身结构的设计方法，属于油气钻井的技术领域。
背景技术
井身结构设计是钻井工程设计的重要内容之一，井身结构设计方案是否合理直接影响钻完井施工能否安全高效的实施。
影响井身结构设计的因素众多，主要包括：钻井液安全密度窗口、地质必封点、地质目标以及钻井成本等因素。经过国内外专家学者的研究与发展，逐步形成了自下而上、自上而下、自中间向两边以及混合设计的井身结构设计的基本方法，为不同地区、储层、工况的钻完井安全高效施工提供了保障。但随着油气勘探逐步向深海、深地领域进军，深部地层的复杂性及不确定性对井身结构设计带来了更大的挑战：如，地层压力的预测精度是井身结构设计是否合理的重要保障，但目前的钻前地层压力预测存在上部地层预测精度高、深部地层预测精度低的问题，导致在井身结构设计和施工过程中，浅部地层的井身结构安全性存在冗余，而深部地层由于钻前地层压力的预测误差较大，其井身结构安全性往往存在安全风险，施工过程中常因井身结构设计不完善出现井下复杂情况。另一方面，目前常用井身结构的设计系数是根据钻井设计手册和区域特点推荐一个取值范围，在设计中只能依据经验和区域钻井资料在这个取值范围内选择一个定值进行设计。导致整口井的设计系数是单一的数值，如果选择过大，那么对于浅部地层可能会有冗余；如果选择过小，那么对于深部地层可能会不足。
因此，有必要针对深部复杂地层钻井的特点、考虑不同井深的地层预测误差及各层井身结构的风险承担能力，基于风险评估的理念研发一套具备各层套管风险协调的井身结构设计方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明公开一种基于风险评估的深部复杂地层井身结构的设计方法。
发明概述：
本发明针对深部复杂地层钻井对深部地层信息掌握不足、井下复杂情况频发的特点，通过协调各层次套管所承担的风险，将深层井身结构风险适度上移，为深部地层的套管层次和下深提供更多设计空间，最大程度降低整个井身结构的综合风险，为安全高效钻井提供保障。
发明具体的技术方案如下：
一种基于风险评估的深部复杂地层井身结构的设计方法，其特征在于，包括：
1)初步确定套管层次及下深深度；
2)计算得到的各层套管的风险系数；
3)按照“浅层套管分担较多风险、深层套管分担较少风险”的原则，对各层套管的风险进行分析和协调：
判断各次套管的风险系数是否大于安全阈值K，根据目标井的安全需求，设定安全阈值K；
对下入深度校核：若第i层次套管的安全系数RNi＞K，则在上部套管层次中，选取安全系数最小的套管层次，加深其下入深度h；
4)重复步骤2)-3)，直至各层套管风险系数均小于安全阈值K。
根据本发明优选的，所述步骤1)初步确定套管层次及下深深度的方法，至少包括：
1-1)确定地质必封点；依据地质资料，确定必封层位；此处所述“必封点是井身结构设计中的一个必要环节，即通过分析地质资料以及区域的钻井资料，根据哪个层位、深度，地质比较复杂、容易出现井下事故的情况，确定封隔的层位，因此就必封点，实际施工时在此深度(层位)必须对应设计一层套管进行封隔；
1-2)初步确定安全压力窗口，根据钻前地层孔隙压力、地层破裂压力以及地层坍塌压力的预测结果，依据裸眼井段的压力平衡关系，初步确定安全压力窗口；
1-3)采用常规“自上而下”设计方法、依据步骤1-1)和步骤1-2)的结果以及区域井身结构设计系数，初步确定套管层次及其下入深度。本发明主要关注深地钻探过程中，其深部地层的钻井风险比较突出的问题，因此采用“自上而下”方法，该方法使每层的套管下深下入最深，最大限度提高深部地层的设计窗口。
根据本发明优选的，所述步骤2)所述的计算得到的各层套管的风险系数的方法如下：
2-1)地层压力的概率化分布
地层压力Pi的预测误差ΔPi是井深H的函数：
ΔPi＝f(h)∈[Pi0，Pi1] (1)
在公式(1)中，Pi0为误差的下限值，Pi1为误差的上限值，i代表地层压力的类型；
将在钻前地层压力的预测精度随井深的增加而增大的特点引入本发明的方法中，地层压力的预测误差，是在设计之前他人给定的，本发明是对其进行了概率化分布；
其中，地层压力预测误差概率化分布，满足如下规律：
Figure BDA0002270715490000041
在公式(2)中，
Figure BDA0002270715490000042
为f(Pi)的标准差，依据预测精度选取，取值范围为(0，1)；在本发明中，地层压力的累积概率和其他井身结构设计系数的累积概率一起进行计算风险系数。其中，
Figure BDA0002270715490000043
的大小决定了概率化分布函数的“宽窄”，即预测函数上、下限的宽度，越宽说明真实的值就越有可能落入预测的区间，也就是说预测的精度越高，但预测范围大不利于设计。
本发明不需要得到具体的误差，就是通过选取不同的
Figure BDA0002270715490000044
值，来控制函数的预测精度。例如：
对于浅部地层，地层压力的预测精度高，为了增大井身结构的设计窗口，可适度减小预测函数上、下限的宽度，
Figure BDA0002270715490000051
在0.4-0.6之间选取；
对于深部地层，地层压力的预测精度低，为了降低井身结构的设计风险，可适度增加预测函数上、下限的宽度，
Figure BDA0002270715490000052
在0.6-0.8之间选取。
地层压力预测值Pi对应的累积概率为：
Figure BDA0002270715490000053
对于地层孔隙压力，预测误差为ΔPp∈[Pp0，Pp1]，对于地层破裂压力，预测误差为ΔPf∈[Pf0，Pf1]；
2-2)井身结构设计系数概率化分布
若井身结构设计系数K的取值范围为[K0，K1]，则其概率化分布公式如下：
Figure BDA0002270715490000054
在公式(4)中，σK为f(K)的标准差，依据目标井所在区域的钻井实际选取，取值范围为(0，1)；
若区域钻井实践中井下工程风险的发生频率较低，针对浅层的井身结构设计系数可以选择较小的σK值；若区域钻井实践中井下工程风险的发生频率较高，针对深层的井身结构设计系数可以选择较大的σK值；例如：对于浅部地层，σK在0.4-0.6之间选取；对于深部地层，σK在0.6-0.8之间选取；
设定一个可信度J，得到各设计系数K的分布区间为[f0(K)，fn(K)]，在该分布区间内，设计系数fi(K)对应的累积概率为：
井涌允Δ量Sk、Δ地层破裂压力安全系数Sf、附加钻井液密度Δρ和抽吸压力系数Sb的分布区间分别表示为：[f0(Sk)，fn(Sk)]、[f0(Sf)，fn(Sf)]、[f0(ρ)，fn(ρ)]、[f0(Sb)，fn(Sb)]；
根据本发明优选的，所述可信度J的取值为70％～95％；
目前常用井身结构设计系数是根据钻井设计手册和区域特点，推荐一个取值范围，在其中选取一个定值进行设计；本发明采用概率统计的方法，将区域井身结构设计系数概率化分布，且针对各套管层次的风险承担能力选取大小不同的设计系数；
2-3)第N层次套管、井深H处的井下工程风险计算
依据压力平衡关系计算井深H处的井下工程风险R(h)：
井涌风险：RJY(H)＝m[1-P(Pp(H))]×[1-P(fn(Sb))]×[1-P(fn(Δρ))](6)
其中，
Figure BDA0002270715490000062
井漏风险：RJL(H)＝m×P(Pf0(H))×[1-P(fn(Sk))]×[1-P(fn(Sf))](7)
其中，
Figure BDA0002270715490000071
式(6)、(7)中，ρm为钻井液当量密度，Hn-1为上一次套管鞋的深度；
2-4)各层次套管风险系数确定
依据步骤2-3)中所计算的井深H处的井下工程风险，在该层次套管范围内，对其进行积分，求取第N层次套管的总体风险系数RN
Figure BDA0002270715490000072
式(8)中，Hn为第N层套管的最小深度；Hm为第N层套管的最大深度。
本发明的技术优势在于：
本发明通过将各设计系数以及地层压力预测误差进行概率化分布，针对不同深度选择不同精度的地层压力预测值和设计系数，可以弥补以上不足。同时，还可以据此计算各层套管的风险系数，协调各层次套管所承担的风险，综合降低整体的井身结构风险，对于深井复杂地层的井身结构设计有较大优势。本发明可以实现“浅层套管分担较多风险、深层套管分担较少风险”、各层次套管风险分担的井身结构设计方案，大大降低钻井过程中由于井身结构导致的安全风险。
附图说明
图1为本发明实施例中针对井身结构的具体设计对比图。
具体实施方式
以
Figure BDA0002270715490000081
井为例，介绍具体的实施方式。设计井深6500米，井涌允量Sk＝0.05g/cm3、地层破裂压力安全系数Sf＝0.04g/cm3、附加钻井液密度ρ＝0.05g/cm3、抽吸压力系数Sb＝0.04g/cm3。其地层压力剖面如图1所示。
按照本发明的步骤1)-3)，采用自上而下的方法初步确定该井的井身结构方案。
在步骤2)中，取地层压力预测误差的标准差
Figure BDA0002270715490000082
得到地层孔隙压力和地层破裂压力的误差累积概率公式分别如下：
地层孔隙压力：
地层破裂压力：
Figure BDA0002270715490000084
根据该地区邻井的钻井经验，4000m-5000m深度区间井下易发生井涌、井漏，因此，对于深度大于4000m的井身结构设计系数，选取
Figure BDA0002270715490000085
其他深度选取
Figure BDA0002270715490000086
设定可信度J＝90％，得到各系数的分布区间及累积概率计算公式分别如下：
井涌允量：分布区间为
Figure BDA0002270715490000087
累积概率公式为
Figure BDA0002270715490000088
地层破裂压力安全系数：分布区间为
Figure BDA0002270715490000091
累积概率公式为
Figure BDA0002270715490000092
附加钻井液密度：分布区间为
Figure BDA0002270715490000093
累积概率公式为
Figure BDA0002270715490000094
抽吸压力系数：分布区间为
Figure BDA0002270715490000095
累积概率公式为
根据本发明中的步骤2-3)，本实施例中，共5层套管，分别计算各层套管不同井深处的井下工程风险：
第一层套管：井涌风险RJY＝0；井漏风险RJL＝0；
第二层套管：井涌风险
井漏风险RJL＝0；
第三层套管：井涌风险
Figure BDA0002270715490000099
Figure BDA00022707154900000910
井漏风险
Figure BDA00022707154900000911
第四层套管：井涌风险
Figure BDA0002270715490000101
井漏风险
第五层套管：井涌风险
Figure BDA0002270715490000104
Figure BDA0002270715490000105
井漏风险
根据本发明中的步骤2-4)，求取各层套管的总体风险系数：
Figure BDA0002270715490000107
Figure BDA0002270715490000108
根据本发明中的步骤3)-步骤4)：
①：根据实际情况，设定安全阈值K＝0.5，则第二层套管总体风险系数大于该值；
②：第一层套管增加下深50m；
③：若第i层次套管的安全系数RNi＞K，则在上部套管层次中，选取安全系数最小的套管层次，加深其下入深度h；
④：直至各层套管风险系数均小于安全阈值K。
为了体现本发明的技术优势，利用对比例与本发明的实施例进行对比，其中表1中所述的对比例是指按本发明的步骤1)-2)所形成的对比技术方案。
表1：
Figure BDA0002270715490000111
结合表1和图1可知，经本发明所述方法处理设计后，所述5个层次的套管风险均低于安全阈值K＝0.5，浅部地层套管的下入深度更深，减少了深部地层裸眼井段的深度(第4和第5层套管的下入深度)，有利于降低深部地层钻井的井下风险，实现了将深部套管层次的风险转移至浅部套管层次，降低了整体风险。

Claims (3)

1.一种基于风险评估的深部复杂地层井身结构的设计方法，其特征在于，包括：
1)初步确定套管层次及下深深度；
2)计算得到的各层套管的风险系数；
3)按照“浅层套管分担较多风险、深层套管分担较少风险”的原则，对各层套管的风险进行分析和协调：
判断各次套管的风险系数是否大于安全阈值K；
对下入深度校核：若第i层次套管的安全系数RNi＞K，则在上部套管层次中，选取安全系数最小的套管层次，加深其下入深度h；
4)重复步骤2)-3)，直至各层套管风险系数均小于安全阈值K。
2.根据权利要求1所述的一种基于风险评估的深部复杂地层井身结构的设计方法，其特征在于，所述步骤1)初步确定套管层次及下深深度的方法，至少包括：
1-1)确定地质必封点；
1-2)初步确定安全压力窗口，根据钻前地层孔隙压力、地层破裂压力以及地层坍塌压力的预测结果，依据裸眼井段的压力平衡关系，初步确定安全压力窗口；
1-3)采用常规“自上而下”设计方法、依据步骤1-1)和步骤1-2)的结果以及区域井身结构设计系数，初步确定套管层次及其下入深度。
3.根据权利要求1所述的一种基于风险评估的深部复杂地层井身结构的设计方法，其特征在于，所述步骤2)所述的计算得到的各层套管的风险系数的方法如下：
2-1)地层压力的概率化分布
地层压力Pi的预测误差ΔPi是井深H的函数：
ΔPi＝f(H)∈[Pi0，Pi1] (1)
在公式(1)中，Pi0为误差的下限值，Pi1为误差的上限值，i代表地层压力的类型；
其中，地层压力预测误差概率化分布，满足如下规律：
Figure FDA0002270715480000021
在公式(2)中，
Figure FDA0002270715480000022
为f(Pi)的标准差，依据预测精度选取，取值范围为(0，1)；
地层压力预测值Pi对应的累积概率为：
Figure FDA0002270715480000023
对于地层孔隙压力，预测误差为ΔPp∈[Pp0，Pp1]，对于地层破裂压力，预测误差为ΔPf∈[Pf0，Pf1]；
2-2)井身结构设计系数概率化分布
若井身结构设计系数K的取值范围为[K0，K1]，则其概率化分布公式如下：
Figure FDA0002270715480000031
在公式(4)中，σK为f(K)的标准差，依据目标井所在区域的钻井实际选取，取值范围为(0，1)；
设定一个可信度J，得到各设计系数K的分布区间为[f0(K)，fn(K)]，在该分布区间内，设计系数fi(K)对应的累积概率为：
Figure FDA0002270715480000032
井涌
Figure FDA0002270715480000035
Sk、Δ地层破裂压力安全系数Sf、附加钻井液密度Δρ和抽吸压力系数Sb的分布区间分别表示为：[f0(Sk)，fn(Sk)]、[f0(Sf)，fn(Sf)]、[f0(ρ)，fn(ρ)]、[f0(Sb)，fn(Sb)]；
2-3)第N层次套管、井深H处的井下工程风险计算
依据压力平衡关系计算井深H处的井下工程风险R(h)：
井涌风险：RJY(H)＝m[1-P(Pp(H))]×[1-P(fn(Sb))]×[1-P(fn(Δρ))](6)
其中，
Figure FDA0002270715480000033
井漏风险：RJL(H)＝m×P(Pf0(H))×[1-P(fn(Sk))]×[1-P(fn(Sf))](7)
其中，
Figure FDA0002270715480000034
式(6)、(7)中，ρm为钻井液当量密度，Hn-1为上一次套管鞋的深度；
2-4)各层次套管风险系数确定
依据步骤2-3)中所计算的井深H处的井下工程风险，在该层次套管范围内，对其进行积分，求取第N层次套管的总体风险系数RN
Figure FDA0002270715480000041
式(8)中，Hn为第N层套管的最小深度；Hm为第N层套管的最大深度。
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