4.1.1 设计信息子模块

设计信息子模块主要用于存储当前设计井眼的具体参数。如图4.1所示，设计信息子模块分为基础数据、地层岩层分布和地层压力梯度图3个板块。

图4.1 设计信息子模块结构划分

（1）基础数据板块

在基础数据板块中，用户需要就区域地质概况、地理环境资料和基本钻井参数3个方向对当前设计钻井进行定义，具体需要定义的资料如表4.1所示。基础板块填写截图如图4.2所示。

（2）地层岩层分布板块

地层岩层分布板块中，参考石油钻井设计中将划分出地层和岩层两层结构。用户首先需要将当前设计钻井深度内的地层按地质年代的不同划分为若干地层；而后依次向每个地层中添加岩层，在添加时需指明添加岩层的类型、名称、底界深、地温梯度、压力梯度和破裂压力梯度；确定整个钻井深度的岩层分布后，软件自动调用地质岩性数据库将各岩层的特征（包括可钻性、硬度、密度、孔隙度、泊松比、研磨性、松散性、裂隙性、水敏性

表4.1 基础数据板块填写资料表

图4.2 基础信息填写界面

和弹塑性）展现出来以供用户修改（图4.3）。

图4.3 岩层特征修改界面

（3）地层压力梯度图板块

为了计算井身结构和对后续的套管设计进行校核，软件设计过程中进行了地层压力梯度和地层破裂压力梯度图的绘制（图4.4）。压力梯度图的绘制采用了最新的HTML5技术，因此允许用户在页面上直接调节图形，包括图幅大小、坐标轴刻度大小、两条图线的颜色和线宽。软件自动保存用户调节好的图像并在设计报告中显示。

图4.4 压力梯度图绘制展示

4.1.2 井身结构子模块

井身结构设计子模块逻辑流程如图4.5所示，在该子模块中软件首先给出计算井身结构需要的计算参数供用户确定。根据石油钻井规范SYT5431—2008《井身结构设计方法》，需要用户确定的计算参数包括井眼抽吸压力当量密度、井眼激动压力当量密度、地层破裂压力安全允许值、溢流允许值、正常及异常地层压差卡钻临界值六大参数。用户确定计算参数后，软件结合设计信息子模块中自动绘制的地层压力梯度图可计算出当前设计井眼的井身结构。软件计算出井眼结构后交由用户审核，用户可根据经验自行修改。用户审核通过后软件类似的采用HTML5技术自动绘制井身结构图如图4.6所示，该图中包含了井深刻度标尺、地层标尺、井身结构和套管结构4大内容。

最后为了结合科学钻井过程中可能出现的超前裸眼钻进等技术，在获取经用户确定的井眼结构图后软件会要求用户设计每段井身结构中的施工程序，用户可从全面钻进、取心钻进、扩孔钻进、下套管与固井和下活动套管几个步骤中为每一段井身结构选择合理的程序。

图4.5 井身结构设计子模块逻辑流程

图4.6 软件绘制井身结构图

4.1.3 设备选择子模块

设备选择子模块提供了两类主要设备的选择：钻机及其配套设备和固控设备图4.7。

图4.7 设备选择子模块逻辑流程

钻机及其配套设备选择时需要用户首先确定钻机类型，用户可在地质钻机、石油钻机和特种钻机之间选择需要使用的类型；确定类型后软件根据设计信息子模块填写的设计井深查询钻探设备数据库即可将合适类型、合适深度的钻机列表供用户选择。由于石油钻井中相关规范的设置（SYT6724—2008《石油钻机和修井机基本配置》），用户若选择了石油钻机软件可直接配套相应的设备；而地质岩心钻探中尚无此规范的设置，因此用户还需要根据其钻机型号自行从钻探设备库中选择配套的设备。

软件设计固控设备选择子模块时参考石油钻井规范（SYT6223—2005《钻井液净化设备配套安装使用和维护》），由当前设计井眼的井深可以直接列出必须设备和可选设备列表供用户参考，由用户选择需要添加的固控设备（图4.8）。

图4.8 钻井设备选择子模块截图

4.1.4 钻具组合子模块

如图4.9所示，在钻具组合子模块中，用户需要对先前井身结构设计子模块中的每一个井段设计钻具软件设计将钻具分为3类进行设计，用户除了选择钻具类型和位置外，还需要编辑填写相应的钻具特征用于后续的计算。

图4.9 钻具组合设计子模块逻辑流程

1）钻头。由于钻头直接关系到后续规程参数的设计，因此在钻具设计时需要将钻头划为一类进行设计。本软件在设计过程中将钻头分为牙轮、PDC和金刚石钻头3类进行设计，除钻头尺寸外每类钻头需要填写的特征如表4.2所示。

表4.2 钻头分类及其需要填写的特征

2）无需校核直接添加的钻具。此类钻具包括除钻头、钻铤和钻杆外所有钻具。在软件设计过程中，允许用户自行添加的钻具包括取心钻具、扩孔器、稳定器、螺杆钻具、涡轮钻具、冲击器、随钻震击器、钻柱减震器。用户可从钻探设备库中调出符合当前设计井眼尺寸的相关钻具任意添加。

3）需要校核强度的钻具。钻具组合设计子模块需要校核强度的钻具为钻铤和钻杆，在用户设计过程中软件自动依据材料力学和相关规程规范（SYT6288—2007《钻杆和钻铤选用做法》、SYT6427—1999《钻柱设计和操作限度的推荐做法》）对用户选择的钻铤和钻杆自动进行校核。如果强度设计不符合安全要求，软件会提示并要求用户重新设计钻铤和钻杆，直到符合要求为止（图4.10）。

图4.10 钻具组合子模块运行界面截图

4.1.5 钻井液设计子模块

如图4.11所示，在钻井液设计子模块中，与钻具组合子模块类似，用户需要逐一设计每一个井段的钻井液。与常规钻井液设计方法不同的是在本模块中独创地加入了对地层的推断。在用户确定需要进行设计的井段后，软件根据当前设计井段的岩层分布即可推理出当前设计井段的地层属性，并由此判定地层属于钻井作业中常见六大地层（破碎性地层、膨胀性地层、水溶性地层、坚硬地层、漏失性地层和常规地层）中的哪一种。借助钻井基础数据库中的钻井液相关信息，即可给出系统推荐的钻井液体系。若用户同意系统的推理并采用推荐的钻井液体系，即可直接调用该体系的配方和性能信息做相应的修改完成钻井液体系、配方设计；若用户不同意系统推荐的钻井液体系，也可根据施工经验自行创建新体系。如图4.12所示，当前地层系统判定为普通地层，因此自动给出了常规钻井液膨润土浆的体系和配方。

图4.11 钻井液设计子模块逻辑流程图

图4.12 钻井液体系、配方设计界面截图

完成钻井液体系、配方设计之后，为了体现本软件用于科学钻井的特征，特加入包括基本计算、水力计算和流型计算三大钻井液计算功能（图4.13）。对于基本计算功能，根据用户设计钻井液配方时指定的材料用量和井眼口径及井段深度，软件自动完成材料用量的计算。当然，在用户指定加重剂（稀释剂）的前提下，系统自动根据其密度和设计井段钻井液用量完成加重稀释的计算。参考SYT 6613—2005《钻井液流变学与水力学计算程序推荐作法》，根据前面已设计的钻具组合，软件能够进行水力计算。由于宾汉流体计算精度低于幂律流体，而卡森流体和赫巴流体尚没有成熟的计算公式可采用，出于计算精度的考虑，软件在设计时直接采用幂律流体参数进行水力计算，而没有进行其他流体的水力计算。对流型参数的计算而言，软件中设计了常规公式计算和回归计算两种方式，用户只需输入当前井段设计钻井液的六速旋转黏度计试验参数即可进行流型参数的计算和判断。软件钻井液计算功能截图如图4.14至图4.16所示。

图4.13 钻井液计算内容示意

图4.14 钻井液基本计算截图

4.1.6 钻井参数设计子模块

钻井参数设计子模块主要是为了确定井身结构中每一个井段的钻井参数，包括钻压、转速和泵量。如图4.17所示，在钻井参数设计子模块中设计了常规计算和优化计算两种计算方法以供用户自由选用。常规计算方法是根据DZT0227—2010《地质岩心钻探规范》、SYT5234—2004《优选参数钻井基本方法及应用》和相关教材而编写，可直接根据用户在钻具组合子模块设计的钻头特征计算出适宜的钻井参数；当用户选择进行优化计算时，软件根据当前设计井段地层类似钻井液设计模块中进行地层属性的推断，并利用模糊数学的理论研发出的优化算法对常规计算结果进行优化，得到范围更小更精确的参数值，优化计算的结果如图4.18所示。

图4.15 钻井液水力计算截图

图4.16 基于回归的流型参数计算截图

图4.17 钻井参数设计子模块逻辑流程

图4.18 钻井参数设计子模块优化计算结果截图

4.1.7 固井设计子模块

在石油工业中，固井设计几乎和钻井设计平级，可见其包含的内容之广泛。因此，在本软件的设计中将固井设计简化为如图4.19所示结构，只保留了钻井过程中需要的三大固井步骤：套管强度设计、套管串结构设计和注水泥设计。

图4.19 固井设计子模块结构划分

1）套管强度设计。套管强度设计主要是校核在井身结构设计中计划采用的套管是否能够满足使用过程中的强度要求。在此功能中软件从钻井基础数据库中读出用户选用的套管各项指标，参考规范SYT5322—2000《套管柱强度设计方法》，对套管进行抗外挤、抗拉和抗内压强度校核，若强度不能满足要求，软件会要求用户更改套管设计直到符合要求后才能继续下面的设计。套管强度校核设计截图如图4.20所示。

图4.20 套管强度校核设计截图

2）套管串结构设计。套管串结构设计的核心是根据不同的固井方式而选择不同的套管串附件和扶正器。软件设置了4种不同的固井方式：常规固井、分级固井、内管固井和尾管固井。当用户选择不同的固井方式后，系统自动从钻井基础数据库中读出该固井方式下推荐的套管串附件列表和扶正器使用方案，而后用户可根据经验进行编辑选用。套管串结构设计截图如图4.21所示。

图4.21 套管串结构设计截图

3）注水泥设计。类似于钻井液选型配方子模块，注水泥设计中需要首先进行配方设计。用户需要自主从数据库中选取固井水泥浆需要的材料搭配而成水泥浆。而后参考SYT5480—1992《注水泥流变性设计》对设计水泥浆进行性能计算。最后根据套管串结构设计中确定的固井方式确定不同的注水泥工艺完成整个固井设计子模块。注水泥设计截图如图4.22所示。

图4.22 注水泥设计截图

4.1.8 完井设计子模块

在软件研发过程中，完井设计子模块偏重于完井液的设计。由于完井液同钻井液类似，但不用钻井液复杂的计算，因此该模块算法和逻辑上更类似于钻井液的配方选型模块。如图4.23所示，用户在该模块中需要确定要设计的完井液属于三大类共9种完井液中的哪一种，选定完井液类型之后，软件自动从钻井基础数据库中调出该种完井液的配方（图4.24）。类似于钻井液的选型配方设计，用户在完井液配方设计时也可根据施工经验自行添加需要的材料。

图4.23 完井液类型设计

图4.24 完井液配方设计截图

4.1.9 事故预防子模块

如图4.25所示，事故预防子模块仍然以井身结构为基础分段进行设计。用户确定要设计事故的井段后，软件直接调用出该井段在钻井液子模块中推断得出的地层属性，并根据该地层属性直接判断出可能发生的事故列表。用户从事故列表中根据经验确定最有可能发生的事故，而后软件从数据库中直接给出该类事故常见的预防措施以供用户编辑完成事故预防子模块。通过本模块设计好的井眼事故预防方案如图4.26所示。

图4.25 事故预防子模块逻辑流程

图4.26 事故预防子模块显示截图

4.1.10 施工组织管理子模块

施工组织管理子模块主要用途是生成钻井设计中常见的组织管理措施，具体包括4个方面的内容：健康要求、安全要求、环境要求和管理措施。钻井基础数据库中内置了常见的施工组织管理要求，用户在操作此模块进行施工组织管理设计时直接将数据库中常见要求选出进行修改编辑即可。如图4.27所示为施工组织管理子模块显示截图。

图4.27 施工组织管理子模块显示截图

4.1.11 施工进度子模块

用户在进行施工进度设计时，软件自动读取当前设计井眼井身结构信息，并结合每个井段的施工工序生成一张空白的施工进度表，用户只需按照经验填写每个工序可能需要耗费的时间，而后软件类似地通过HTML5技术直接将施工进度图绘制出（如图4.28显示），用户在施工进度图上任意指向一个点均可查看该点位设计的生产时间和井深。

4.1.12 施工预算子模块

不同于地质行业常用的定额预算，软件设计中采用更加精确详细的多级单项预算方式。如图4.29所示，在钻前工程费、钻井工程费、固井工程费和完井工程费四个一级大项的基础上又进一步划分了若干二级小项，进行详细的施工预算设计。用户在进行施工预算设计时系统根据用户已进行的设计自动形成完整的施工预算设计表，用户只需按项目填写即可完成。

图4.28 施工进度图绘制示例

图4.29 施工预算子模块费用划分示意图

相比国外的钻井工程设计软件，国内的研发水平明显不在一个层次上，而且差距有越来越大的趋势。根据可查询到的资料文献显示，国内油田所使用的钻井设计软件基本是通过项目的形式与科研院校合作开发，但这些软件完全达不到商业应用的级别，最多只能在单个油田进行小规模的试用。而国内真正形成商业化的钻井相关软件并不多，具体包括：

1）西安新生代石油软件有限公司开发的钻井信息管理与工程服务系统：主要功能包括数据库管理、报表生成、完井报告、统计分析、工程计算、工具手册和系统维护等。

2）北京超思维科石油软件开发有限责任公司的井场信息管理系统：大多被中国石化及所属单位采用，融合了IADC钻井生产管理、安全管理、钻井设备管理、井控管理和固井管理等5大类报表。

3）西部世纪软件股份有限公司的石油工程技术服务信息管理平台：支持多平台，是面向石油工程服务的石油工程技术服务管理信息平台软件。

4）中国石油大学石油天然气工程学院的钻井工程监测与信息服务系统：在胜利油田和新疆各油田应用较多，具有实时数据采集、井场工程计算、井场数据库管理和报表自动生成等特点。

5）北京怡恒阳光科技发展有限公司开发的Navigator Drilling Studio（定向井水平井设计与计算分析系统）是一套用于陆上和海上定向井水平井设计和工程分析的计算机辅助系统。其中，TDFEA摩阻扭矩分析软件针对井眼内的钻具受力建模。

6）北京奥格特技术有限公司开发研制的摩阻和扭矩分析软件，该软件可进行各种类型井眼钻压设计，钻柱强度校核，各种工况的管柱弯曲状态、摩阻扭矩及大钩载荷、钻机负荷预测。

7）北京超思维科公司开发的钻井工程设计一体化系统（IDDS）井身结构设计模块可绘制地层岩性剖面图、地层破裂压力梯度曲线、地层孔隙压力梯度曲线，并根据井身结构设计数据和井眼轨迹设计数据绘制井身结构图。

8）北京奥尔创新石油工程技术有限公司研发的欠平衡钻井设计和监测软件，能预测充足的井眼清洗能力，并可在保持欠平衡情况下将机械钻进速度提高到最高速。使用最新的岩屑携带能力计算方法，欠平衡钻井设计和监测软件考虑了岩屑的积累效应。

9）中国石油集团钻井工程技术研究所研发的ANYDRILL钻井工程设计与工程软件平台系统，采用插件式技术，不同的插件具有不同的功能。可供选用的插件包括：控压钻井设计与分析系统、地层压力预测分析与监测系统、岩石力学分析系统、钻井液设计及分析系统、固井工程设计及分析系统、欠平衡（气体）钻井设计与分析系统、钻柱力学分析系统、钻井数据库管理系统、钻井实时监控与技术决策系统。

结合对国内外钻井设计软件的调研分析，可知不管是国内还是国外软件，均具有以下特点：

1）专注于模块。现有的钻井设计软件均专注于某一特定模块的设计，而没有专注于整个钻井设计的流程。

2）与网络的连接少。除了在钻井现场与传感器连接的硬件网络，现有的钻井设计软件与互联网的连接较少，不利于数据的共享和软件的发展。

3）需要安装客户端。所有的钻井设计软件均需要在使用的计算机上安装客户端，必须在满足客户端的硬件和系统环境的要求下软件才能正常运行，具有较高的使用门槛。

4）无法自动生成设计报告。只有少数几个软件具有自动生成报告的能力，但其自动生成的报告还需要设计人员的再编辑才能归档，无形中增加了不必要的工作量。

用TSSD，画出来的结构施工图规范、漂亮，现在设计院一般都用它。PKPM是用来计算的画图一般不用它画，TSSD是在CAD的基础上添加了很多专门结构的功能，如画主梁和次梁只要输如梁宽就可以直接画出，而且主次梁的搭接方

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