基于三维显示的钻井工程设计一体化系统研究及应用

张红娥

（山东胜软科技股份有限公司，山东东营 257000）

钻井是石油、天然气勘探与开发的主要手段，是勘探开发的先导。如何降低原油生产成本，是适应市场经济发展迫切需要解决的问题。因此，降低钻井成本成为降低原油生产成本的关键。新的钻井技术的出现，引起新的理论研究，随着时间的推进，理论更加成熟和贴近实际，工程设计软件不断跟随技术理论的变化并做出更新。钻井设计的科学性、先进性关系到一口井作业的成败和效益。科学钻井水平的提高，在一定程度上依靠钻井设计水平的提高。为实现钻井工程设计的一体化、科学化、信息化，钻井工程设计一体化系统应运而生。

1 钻井工程设计一体化系统的研究

随着计算机技术发展，勘探水平的提高，利用GAD 平台，采用Microsoft Visual Studio 2017，进行算法和图形研究，融合三维显示技术，融入钻井工程设计的最新科研成果，在建立数字化钻井工程设计数据库的基础上，开发包括专业模型、二维三维设计、设计书管理等全部功能模块的一体化钻井设计软件，解决钻井工程设计软件信息缺乏共享、信息综合利用水平低、钻井设计水平参差不齐以及设计成本高的实际问题。

系统充分考虑到石油工程领域的信息化要跨空间、跨时间、跨用户的共享，实现具有C/S 结构与B/S结构相结合、构件化集成的特点，建立满足钻井新技术、数据管理和科研需要的钻井工程数据平台，UML建模技术贯穿整个软件开发周期，使得本系统类似于硬件一样，可用不同的标准构件组装而成。同时系统与行业标准同步，便于计算模型的更新及系统的无缝升级。

系统的技术创新点：

（1）建立了构件化的IDDS 的系统构架，便于系统无缝升级；

（2）率先建立了适合钻井新技术、数据管理和科研需要的钻井工程设计数据平台，实现了信息共享和各阶段数据的充分利用，实现了可视化、交互式钻井工程设计；

（3）实现了斜面圆弧法、恒工具面角法、悬链线井段、弹性杆法等轨道设计方法，并对最常用的“柱面法”轨道设计方法进行了完善，关键参数可以任意组合进行求解；

（4）实现了一体化业务协同设计，支持多专业、分工、岗位的一体化业务设计，充分发挥集体智慧。

2 钻井工程设计一体化系统的模块分布

钻井工程设计一体化系统采用了成熟而先进的计算模型，专业数据可视化的集成与综合展示，保证了设计方案的最优化，具有十分丰富的模块，主要包括以下模块。

2.1 轨道设计

实现了柱面法、斜面法、恒工具面角法、悬链线法、弹性杆法等轨道设计方法，达到国内先进水平，以柱面法为例，如图1所示。

剖面类型有：直—增、直—增—稳、直—增—降、直—增—降—稳、直—增—稳—降、直—增—稳—降—稳、直—增—稳—增—稳，同时可选择进行二维或三维设计。剖面设计时，可从井口或侧钻点开始进行任意参数的轨道设计，在向导式操作指导下，任意增加若干个井段，设计出任意的轨道类型。

2.1.1 对常规中靶方式中“增（降）稳”中靶方式进行优化

优化前“增（降）稳”中靶方式只能求解“增（降）斜段最终井斜”作为已知条件的情况，优化后增加求解“第一增斜率”作为已知条件的情况。

2.1.2 增加对限定目标点处的井斜角，实现悬链线中靶方式的优化

悬链线型轨道设计[1]。

（1）链线的物理意义及其微分方程。悬链线通常是指不能承受任何弯矩和压力的柔性链状物在两端受一定的拉力约束时所形成的一段曲线。图2 所示为悬链线微元受力示意图，为一段悬链线微元的受力情况。

根据悬链线的物理意义，我们可以得到如下的力学平衡方程：

由∑X=0，我们有：

由∑Y=0，我们有：

从式（1）可以看出，悬链线截面上任意一点轴向拉力在x方向上的分量都相等，因此，若令Tx=T·sinα，则方程（2）两边同除以Tx，整理后可得：

若令a=Tx/q，将式（3）写成微分形式则有：

式（4）即为控制悬链线形状的微分方程，其中参数a可以看作是表征悬链线形状的特征参数，在此我们称为悬链线常数，只要a给定，悬链线形状就确定了。

（2）悬链线轨道设计有关的几个公式。一段悬链线bc，两端的井斜角分别为αb、αc，悬链线上任意一点到b点的长度为l，如图3 所示，悬链线上任意一点的参数与b点参数之间的关系可以通过以下几个公式来表示。

①井斜角之间的关系。对式（4）分离变量后在αb和a之间积分可得：

②垂深之间的关系。对式（4）分离变量后两边分别乘以cosα，然后在αb和a之间积分可得：

③水平位移之间的关系。对式（4）分离变量后两边分别乘以sinα，然后在αb和a之间积分可得：

④悬链线上任意一点的造斜率表达式。式（4）两边分别除以dl可得悬链线上任意一点的造斜率K的表达式为：

2.1.3 基于三维可视化的设计及应用

采用GAD 平台，利用Microsoft Visual Studio 2017，开发语言C#，算法和图形模块采用C++，将参考井与所有比较井的设计轨迹和实钻轨迹绘出以三维方式显示出来，参考井井号作为第一个井号，其余井号代表比较井。

2.2 井身结构设计

井身结构设计能够确定套管的下入层次、下入深度、水泥浆返深、水泥环厚度、生产套管尺寸及钻头尺寸。原则是有效地保护储集层，避免产生井漏、井榻、卡钻等井下复杂情况和事故。为安全、优质、高速和经济钻井创造条件。

井身结构设计子系统提供可视化图形设计功能，完成一口井的井身结构设计，同时完成地层岩性剖面和破裂压力梯度曲线、孔隙压力梯度曲线、井身结构图的自动绘制，并就井身结构设计数据结合轨道设计数据实时绘制井身结构图。

支持尾管、筛管、组合筛管（尾管筛管、筛管尾管）、裸眼等完井方式。图中能够反映尾管回接、同层套管变径。

2.3 钻头及钻井参数设计

钻井作业的主要工具是钻头，选择的钻头是否合适将直接影响单井成本和钻井作业的经济效益。影响钻头选择的因素有：井深、地层类型和性能、井眼尺寸、泥浆类型、钻机成本、钻头成本等等。此外，由于各开次尤其是各地层的钻头设计及钻井参数都是建立在对已钻井统计数据的基础上的。系统建立了分区块的钻头数据库，进行已钻井的钻头设计及实钻数据资料的维护及管理，这样，在进行钻头设计后能自动优选并提供相应最优方案供设计者抉择。

以地层岩石的可钻性级值作为理论依据，设计人员结合自己油田的实际情况，选择不同的计算岩石可钻性级值的方法（“岩石物理特性参数法”、“井深回归计算法”、“测井声波速度计算法”）计算设计钻进井段的平均岩石可钻性级值，确定钻头型号。

2.4 钻具组合设计

对一口井的多套钻具组合进行设计、对钻柱整体变形和受力情况进行分析，计算钻柱各截面处的载荷（外挤、内压、轴向力、摩阻、扭矩、弯曲应力、综合应力等），并采用杆的大位移理论、弹性接触模型、半解析法、迭代方法等理论，进行滑动钻井、起钻、下钻等工况下钻柱强度自动校核，就计算结果绘制载荷沿井深变化曲线图。此外，还可对尾管钻具进行抗拉强度校核、对定向井、水平井井下专用工具、打捞工具进行选择设计。

2.5 固井设计

依照SY/T5322-2000标准套管柱强度设计方法，采用三轴强度设计，进行直井与定向井的套管强度设计，按井型和套管类型计算有效外载。充分考虑了盐岩蠕变地层（塑性地层），当套管处于塑性地层段时，按照上覆岩层压力计算外挤压力。充分考虑套管变径、尾管回接等情况，实现了图形可视化的拖放式套管自动选择与强度校核，如图4所示。

套管强度设计前要求轨道设计、井身结构设计已经完成，根据井身结构选择套管名称，程序将自动从井身结构设计结果提取对应该层套管下深、套管顶深、水泥返高，需要输入或选择的计算参数有：油气井井型、固（完）井时钻井液密度、下次钻进最大钻井液密度、下次钻进最小钻井液密度（完井液密度）、地层水密度（0～1.05）、天然气相对密度、地层压力梯度、破裂压力梯度、岩石泊松系数（0～0.5）、掏空系数（0～1）、抗挤设计系数、抗内压设计系数、抗拉设计系数。在编辑数据时，对于数值型数据键盘输入非数值无效。对于套管柱强度设计完成井，切换套管名称，则自动将数据库中相应设计结果（图和表）提取出来。

对于导管、表层套管，有效内压力计算在SY/T5322-2000所述方法上做了如下调整：计算管鞋处的最大压力时，按钻下一层井眼可能使用的最大泥浆密度和地层破裂压力梯度中的较大值。

对于塑性/流动性盐（页）岩地层，点击“套管强度设计”窗体上按钮，可进入如下界面，输入塑性/流动性盐（页）岩地层压力数据。强度计算时，若勾选‘塑变地层’，程序将自动判断对应层次套管下入井段是否处于塑性/流动性盐（页）岩地层，若处于塑变地层段则按对应垂深的上覆压力梯度计算外挤力。

2.6 设计书管理功能

设计书管理功能主要是设计书的输出，采用Aspose.Words技术，实现自动生成图文并茂、符合最新行标的钻井工程设计书，实现与国际接轨，实现设计的规范化。

Aspose.Words技术支持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的情况下生成、修改、转换和打印文档。在项目中使用Aspose.Words可以有以下好处：

（1）格式转换。Aspose.Words转换功能强大，将固井设计技术难点、各开次井控要求等RTF格式内容进行转换。

（2）文档对象模型。通过丰富的API 以编程方式访问所有的文档元素和格式，允许创建、修改、提取、复制、分割、加入和替换文件内容。

（3）文件渲染。在服务器端，将WORD 文档直接转换为PDF、SWF 格式，同样转换文档页面为图像格式，或者.NET Graphics 对象，这些功能可以与Microsoft.Word相媲美。

（4）报表。可以从对象或者数据源填充模版生成文件。

系统充分考虑了探井、开发井的差异性，可灵活快速定制设计书的格式，将文本输出有效的控制。输出文本涵盖整个钻井工程设计业务模块，系统对数据进行优化处理，保证了数据的稳定性，让整体设计的完成变得更加全面。该模版能完全实现用户的个性化定制，以提升工作效率。

3 钻井工程设计一体化系统的应用情况

钻井工程设计一体化系统（简称IDDS）现已经投入使用，到目前为止已经圆满完成了所有下达的设计任务。平均单井设计工期缩短58%，应用效果显著。不仅适用于一般的生产井，同时重点针对进行不同地区、不同井别、不同井深、不同井型的各类型井的钻井工程设计。

4 结束语

钻井工程设计一体化系统（简称IDDS）是一个钻井设计智能化软件，在国内首次实现了网络化、标准化和可视化的钻井工程设计，提高了设计效率和质量。不仅在设计速度上有了很大的提高，计算结果更加准确，而且设计内容也更为全面，同时设计书生成更灵活。目前使用该软件设计的生产井已经投入生产运行，进一步增强了钻井工程设计的科学性和准确性。为我国的石油勘探开发做出了较大的贡献。