基于Isight多目标优化的深水钻井井身结构设计方法研究.docx

基于Isight多目标优化的深水钻井井身结构设计方法研究

温欣周英操蒋宏伟连志龙廖茂林

（中国石油集团钻井工程技术研究院，北京，102206）

摘要深水钻井中井身结构设计一直以来都是钻井工程中的基础和重点。本文针对深水钻井

井身结构设计中钻井液密度窗口较窄、设计系数选取经验性太强等问题，对安全钻井液密度

窗口进行了形态分析，根据安全窗口上下限曲线的特点和难点，基于自上而下的设计方法，

建立起井身结构设计核心算法，并引入钻井液密度修正机制，实现了套管层次和下深的精细

自动设计；利用Isight软件建立起井身结构的多目标优化模型，以套管层次和总下深为优化

目标，对井身结构设计中的设计参数进行了优化。结果表明：与常规的井身结构设计相比，

多目标优化为井身结构设计提供了一种新的方法，实现了对井身结构的闭环设计，对井身结

构的各类设计参数进行自动精细优化，避免了单纯经验性选取所来的误差，优化结果更加可

靠，节约了密度窗口，并降低了设计成本。

关键词井身结构深水钻井套管下深套管层次Isight多目标优化

1引言

目前，陆地油气开发相对比较成熟，我国很多传统老油田已经进入产量衰退阶段，含水

率逐步升高，整体效益下降。因此，作为陆地资源的补充，深水油气资源的开发是未来的石

油工业的一个重要领域[1]，我国南海同样也蕴含着十分可观的油气资源[2]。

然而，由于深水环境的特殊性，深水钻井井身结构的设计面临很多挑战，比如海水温度

场变化过大、窄密度窗口、设计参数难以精确确定等问题[3-5]。多年来，为了解决钻井过程

中所遇到的井下复杂情况，国内外的专家学者提出了多种井身结构的设计方法[6-10]，并在现

场应用中取得了效果。然而，传统的井身结构设计方法未能充分考虑深水钻井过程中的特殊

工况，不能完全满足深水钻井工程设计的要求，需要针对深水钻井提出一套新的设计方法。

本文主要通过研究深水钻井过程中钻井液密度窗口的形态，充分考虑其特点和难点，建立起

一套基于自上而下设计方法的核心算法，并基于Isight的多目标优化方法，以套管层次最少

和套管总下深最大为目标，对井身结构设计参数进行了优化设计，以期对钻井工程实际提供

参考。

2井身结构核心算法设计

井身结构设计是钻井工程的基础和重点，关系着一口井的作业安全与质量。井身结构设

计的本质为：在安全钻井液密度窗口上下限所规定的设计空间内，按照一定方向和次序对套

管的层次及下深进行设计。然而在工程实际中的设计空间是不规则的，如图1所示，这就意

味着无法建立起相关的函数关系来精确计算每一层的套管下深，这也给后续的定量优化设计

带来了诸多困难。因此，有必要建立起一套井身结构的核心算法来克服上述难题。

图1井身结构设计空间示意图

传统的井身结构设计通常采用自上而下或者自下而上的设计方法，二者的适用条件各有

不同。对于自上而下设计方法而言，每一层套管下得更深，适用于对地层条件了解还不够透

彻的勘探井。考虑到我国南海目前尚处于初期勘探阶段，因此设计算法以自上而下设计方法

为基础进行研究。

2.1设计特点与难点

在井身结构设计当中，设计空间为安全密度窗口上下限所包络的不规则区域，其形状存

在着随机性和凹凸性。如图2所示，通过分析钻井液安全密度窗口曲线的特点可以总结得出

以下规律：若地层破裂压力过高，则导致安全窗口的上限曲线存在外凸现象（如图2中的类

型①）；钻遇异常高压地层，孔隙压力高于趋势线，最终也表现为安全窗口下线曲线的外凸

（如图2中的类型②）。

图2钻井液安全密度窗口曲线特点

以上这些特点最终会给井身结构核心算法的设计带来两大难点。第一，如图3（a）所

示，若安全窗口上限存在外凸现象，则导致设计出的下一开次钻井液密度ρ2明显大于

正常

趋势线情况下的ρ1，存在，如图3（b）所示，如果安

压漏下部井段薄弱地层的风险。第二

全窗口下线存深H1小于套管

在外凸现象，则使得所设计的下一开次的套管下正常趋势线的

下不提前封隔异常压力地层。

深H2，不得

（a）（b）

图3钻井液安全密度窗口曲线难点

2.2算法设计思路

通过分析钻井液安全密度窗口曲线特点和难点，基于自上而下的设计方法，提出了一套

用于井身结构设计的算法，能够实现井身结构的自动化设计，为后续的精细优化调整奠定了

基础。

在该算法中，将井身结构设计的本质归结为安全密度窗口上下限与钻井液设计线的交点

问题。如图4所示，算法总共分为以下四个步骤：①钻井液密度判别：保证所选取用于迭代

计算的钻井液密度处于安全窗口内。②安全窗口下限交点判别：通过数组运算判断钻井液密

度设计线是否与安全窗口下限有交点。③安全窗口上限交点判别：与步骤②类似，通过数组

运算判断钻井液密