钻井能耗数学模型的研究与应用.pdf

试验 硼究 ， T e s t i n g＆R e s e a r c h 钻井能耗数学模型的研究与应用 毛 青 霞 中国石化中原油田分公司技术监测中心 摘要 以中原油 田文南区块为例 ，统计分析 了历年钻井井史和 能耗数据 ，通过数学回归的 方法建立 了一个用于评价钻井能耗的标准井模型 ，来作为评价钻井单位能耗 的指标 。经现场应 用证 明，钻井 能耗数学模型与现场 实际生产能耗 的复合 率较 高，符合钻井 工程特定工况的要 求，为钻井企业的能源配置和节能降耗提供 了依据 ，对进一步的推广应用奠定 了理论基础。 关键词钻井能耗数 学模型 影响因子 能耗规律 D 0I 1 o． 3 9 6 9 ／ i ． i s s n． 2 0 9 5 1 4 9 3． 2 0 1 5． 0 0 6． 0 0 2 近 年 来 ，通 过 引进 钻 井 新 设 备 、淘 汰 老 化 设 备 ，不断应用钻井新技术 ，推广应用节能减排新技 术 等措施 ，钻 井企 业在 控 制能 源 消耗 方 面做 了很 多 工 作⋯ 。但 是 ，在石 油 钻 井 施 工 企 业 中 ，能耗 上 升 的趋势仍然很严重 ，能源消耗带来的成本压力越来 越 大 。钻 井企 业 能耗 控 制 与 国外 先进 水 平 相 比有 很大差距 ，在能源节约与资源综合利用上仍然存在 很 多 问题 。随 着油 田的深 入开 发 ，有 必要 针 对钻 井 系统 能 源消 耗 的情 况 ，结 合钻 井 生产 作业 的各项 因 素 ，建 立钻 井标 准 工作 量 能耗 的 计算 方法 ，较 准确 地预测单井钻井能耗和变化趋势 ，这将有助于钻井 企业 能 耗 的测算 、评价 和 考核 ，对钻 井企 业 的节能 降耗 、挖 潜增 效 、降 低成 本具 有重 要 的意 义 。 1 钻井 能耗模 型的建 立 钻井 工 程受 地 质条 件 、地 层 可钻 性 、井 型 、井 别 、井 身结 构 、使 用设 备 、采 用 的技 术 与工 艺 、施 工 管 理 等 众 多 因 素 的影 响 ，其 能 源 消 耗 量 差 别 很 大 ，导致 钻 井 工作 量 以及 能耗 情 况缺 乏 可 比性 ；所 以 ，建 立一 个 用于评 价 钻 井能 耗 的标 准井 模 型 ，通 过 数学 方 法 研 究 钻 井标 准 工 作 量 能 耗 的 计 算方 法 ， 来作 为评 价钻 井单 位 能耗相 对 合理 的指 标 。 以 中原 油 田文南 区块 为例 ，在常 规状 态 下建 立 一 个 标 准井 ，作 为计 量 标 尺 ，把 其他 各井 在 钻井 过 程 中产 生 的能耗 折算 到 标 准井 上 ，便 于用 统 一 的标 准进 行衡 量 对 比。以标 准 井为 基 础 ，把实 际 发 生 的 作 者简介 毛青霞 ，2 0 0 9 年 毕业于 中国石油大学 华东 ，从 事油 田节能研 究与能 源审计 工作 ，E ma i l y a n g c t 1 2 6 ． c o m，地址 河 南 省 濮 阳市 华龙 区 五一 路 3 7 1 号 中原 油 田分 公 司技 术 监测 中心 ， 4 5 7 0 01 。 能 耗 经折 算后 与标 准井进 行 对 比，可 以更 直观 地 了 解不 同地 区 、不 同地层 、不 同井 身结构 ，不 同井 深 、井型 、井别 等 的基 本能 耗情 况 ，揭 示 出能 耗 差 异 ，实 现 对节 能降 耗控 制 的 目的 。 2 0 1 3 、2 0 1 4 年 中原 油 田钻 井 四公 司能 耗统 计 数 据 表 明 ，钻 井过 程 消耗 的能 源 种类 包括 柴 油 、天 然 气 、电 力 、水 等 ，其 中柴 油 消耗 量 占综 合 能 耗 的 9 0 ％以上 ，因此 以柴 油 作 为介 质 ，选 择 5 个 不 可 变 影 响 因素 ，即井 别 、地 层可 钻 性 、井深 、井型 、井 身结 构 ，作 为标 准 井能 耗计 算 的影 响 因子 。具 体 假 设 如下 ◇ 井 别 开 发井 ； ◇ 井深 区块平 均井 深 m ； ◇ 井身结构 区块常规井身结构 ； ◇ 技术 条件 常规钻 井方 式 和常规 钻井 技术 ； ◇ 施工条件 无复杂情况与事故 ，生产 时效 1 0 0 ％ 。 1 ． 1 影 响 因子 与钻井 能耗 模型 的关 系 针 对 以上 5 个 不可 变 能 耗影 响 因子进 行 详 细 的 分析 和研 究 ，建立 了以下能 耗数 学模 型 ，即 P ／ 1 式 中 P单井标准工作量能耗 ； A、B、C、D、E的综合 折算值A为 井 别影 响 系数 ； B为地 层可 钻性 折算 影 响系数 ； C 为井 深 影 响 系 数 ； D为 井 型 影 响 系数 ； E为井 身 结 构影 响 系数 。 1 ． 2影 响 因子 的解释 和说 明 井 别 影 响 系数 A 以 开 发 井 为标 准 井 ，系 数 2 h i 5 年 第 6 期 石 油 石 化 节 能l 3 ■ 试 验 曩 究 ， Testin g R ese orch 为 1 。 地 层 可 钻 性 折 算 影 响 系 数 B 原 石 油 工 业 部 1 9 8 7 年 确定 了我 国石 油 系统 岩石 可钻 性 测定 及 分类 方法。我 国将地层可钻性按 的整数值分为 l 0 级。 K l o g X 2 式 中 可钻 性 级值 ； 钻 时 钻 速 。 因此 ， 与钻时 成对数关系， 2 ～与能耗成 正 比。标 准井 的 地层 可钻 性 适 中 ，设 标 准井 的可 钻 性等级为 5 ，则其他实测井的地层 可钻性影响系数 B为 Xd Kd B- 3 井 深 影 响系 数 C 标 准井 井深 选 取 区块平 均 井 深 ，系数 为 1 。 井型影响系数 D 按照钻井井眼轨迹轴线方 向 划分 ，可分为三类 直 井 按钻 井 设计 规 定 ，采 用一 般 的钻 井工 艺 和 手段 ，井 斜 标 准 在 规 定要 求 的范 围 内所 钻 的 井 ， 它 的特点 是井 眼 轨迹 大体 是垂 直 的 。 定 向 井 1口井 特 定 的设计 目标 点 ，在 一个 既 定的方向上与井 口垂线偏离一定距离的井。 水平井 当井斜角大于或等于8 6 。以后 ，水平 段 在 目的 层 位 中继 续 沿 着 一 条 设 计 的 井 眼轨 迹 钻 井 ，并 延 伸一 定 的长度 ，称 为水 平井 。 井 身 结 构 影 响 系 数 E 按 区 块 统 计 为 一 个 常数 。 1 ． 3 影 响 因子 的计 算 根据 钻 井工 程 理论 与技 术 的理 论 ， B因 子 与 可 钻 性 级 值 和钻 时 分 别 存 在 函 数 关 系 ，即 Bf x 4 由 公 式 2 对 上 述 公 式 进 行 简 化 ， 则 B厂 。 通 过 对 中原油 田文 南 区块 1 7 0口已钻 井 的总 能 耗 散 点 图 图 1 进行 分 析 ，证 明该 区块 随井 深 的 增 加 ，地 层 可 钻 性 变 差 ，能耗 与 可 钻 性 成 正 比关 系 ，当然 能耗 与钻 时也 必然 存 在正 比的函数 关系 。 其 他 4项 影 响 因 子 ， 因 具 体 的 井 深 、井 身 结 构 、井型、井别等情 况的不同，无法准确计算其数 值 ，需要 将 其 折算 成 当量 钻 时来 换算 。 由此 ，引入 模糊 数 学单 项 、多 项 线性 或其 他 回归 方法 ，用历 年 已知 的数据通 过数理 回归 ，计算 出未来未知 的数值 。 4 1 w w w ．s y s h j n ．c o m 咖 咖 耋 枷 叠 2 O O O 砌． I m e 0 0 0 井基a嘲／ ■ 图 1 中原油 田文 南区块 1 7 0口井 能耗散点 图 当变量 为 多个 不 确 定 子集 ⋯ 时 ，就 要 用 到模 糊数 学 中的模 糊线 性 回归 。模糊 数 学线 性 回 归 由 以下 公 式表 示 y A 。 X A ⋯ A 代 表 1 E l 井 的组 合 回归 的 问题是 利用 区块 已知 m 口井 的数 据 区 块 多 口 井 的 数 据 ， 即 用 ， ，⋯， X ；i 1 ，2 ⋯ ，m 去 估 计 回 归 系数 A ． 。单 井 平 均 能耗 与钻 时 的变量 关 系见 表 1 。 表 1 单 井 平 均 能 耗 l ， 和 钻 时 变 量 关 系 Y X X X，X 单 井平 均能耗井别地层可钻性井深 井型井身结构 其他因素 统计值 模糊数 模糊 数 模糊数 模糊数模糊 数 模糊数 完 钻 周 期 当量 钻 时 是 分 别 对 钻 时 的 影 响度 合 成 ，即 是 ， 、 、 ， 、 、 ⋯ ⋯ 的 模糊集合。 通过绘制能耗一 钻时散点图 ，可以获得 回归曲 线 ，选择拟合度更高的计算公式确定能耗趋势 ，发 现对于中原油 田文南 区块 ，选择多项式 回归公式的 拟合度 更高 ；由此 ，选择计算 公式 Y 0 ． 0 0 9 4 1 ． 8 4 7 2 1 0 ． 3 3 2 作为文南 区块的钻井能耗数学模 型 ，如 图 2 所 示 。 1 1 1 0 1 4 0 1 2 O 1 0 0 耋 8∞0 ∞ ∞ O 0 O 2 0 3 O 4 0 5 0 e 0 t J il／ i n - g O 幕列1 多项式 系列1 一 线性 系列1 J i l l 系刊1 图2 中原油 田文 南区块回归曲线 2 钻井 能耗模型 的现场应用 为验证钻井能耗数学模 型的实际应用效果和符 合 率 ，选 择 中原 油 田文 南 区块 2 5口新 井 未 统 计 到散 点 图 进 行计 算 验证 ， 目的是 验证 文 南 区块 标