本书针对油井优化领域的需求，系统地介绍了各种油井优化方法，不仅可以帮助工程师们更好地了解油井的生产状况，还可以为油井的改造和优化提供有力的理论支持。本书共分为12 章，分别介绍了油井优化的数字孪生技术、基本概念、数学模型、优化方法、数据挖掘技术以及实际应用案例等。

Rasool Khosravanian 在挪威斯塔万格大学能源与石油工程系（IEP）工作，主要负责在钻井和油井组织中实施数字化。研究方向包括大规模优化、数据挖掘、人工智能（AI）、大型项目管理、工程经济学、风险和不确定性分析。在克尔曼大学获得钻井和采矿工程学士学位，在伊朗科技大学工业工程硕士和博士学位。2011年至2018年在阿米尔卡比尔理工大学（德黑兰理工学院）担任教员和助理教授。在国际期刊与会议上发表了数十篇论文。
杨向同，男，高级工程师，集团钻井工程试油测试高级技术专家（2017-2019），现任中国石油集团工程技术研究院有限公司井下作业研究所所长，负责试油、完井、储层改造相关科研工作。工作以来负责实施国家重大专项2项，参与实施1项，作为课题长负责股份重大专项2项，勘探与生产公司项目3项，油田级项目10余项。出版专著10部，译著3部，国内外期刊发表论文68篇，其中国际论文32篇，SCI/EI收录15篇。在SPE年会、国际石油技术大会等重要国际学术会议发表会议论文12篇，其中进行会议宣讲5篇。近五年已授权发明专利14项。获得软件著作权6项。牵头组织《油气井管柱完整性管理》等3项行业标准的制修订。近五年共获得各种奖励11项，其中国家技术发明二等奖1项，省部级1等奖4项，二等奖3项。

第1章 数字孪生、自动化和实时中心 1
1.1 数字孪生技术 1
1.1.1 数字孪生 1
1.1.2 五维数字孪生模型 4
1.1.3 数字孪生的价值 5
1.1.4 数字孪生开发中使用的建模
基础 6
1.1.5 使用数字孪生监测钻井
作业井 6
1.1.6 钻井数字孪生的概念 10
1.2 钻井自动化 11
1.2.1 自动化级别 12
1.2.2 建模 12
1.2.3 数据通信 13
1.2.4 自动化模式 13
1.3 实时中心 15
1.3.1 协同井规划 17
1.3.2 井工程和规划 17
1.3.3 实时数据整合和可视化 17
1.3.4 实时监控和干预 17
1.3.5 预测建模 18
1.3.6 钻井优化和详细技术分析 18
1.3.7 培训和指导 18
1.3.8 数据管理和归档 18
1.4 小结 19
1.5 习题 19
第2章 油井优化 22
2.1 最优化的数学模型 22
2.1.1 最优化基本原理 22
2.1.2 几何规划法 25
2.1.3 多目标最优化 25
2.1.4 随机最优化 26
2.1.5 鲁棒最优化 27
2.2 油井最优化 28
2.2.1 钻井问题 28
2.2.2 生产问题 40
2.2.3 井控最优化 43
2.3 小结 43
2.4 习题 44
第3章 井筒摩阻优化 50
3.1 井筒摩阻的基本模型 50
3.1.1 直井段摩阻 52
3.1.2 弯曲井筒段的摩阻 54
3.1.3 二维摩阻建模 56
3.1.4 三维摩阻建模 59
3.1.5 组合轴向运动和旋转 60
3.2 井筒摩阻的高级模型 61
3.3 摩阻模型在油井中的应用 62
3.3.1 曲率半径井道模型 62
3.3.2 DLS 63
3.3.3 悬链线模型 64
3.4 使用解析摩阻模型设计油井 66
3.4.1 造-稳斜井论述 66
3.4.2 构建修正悬链线井剖面 68
3.4.3 大位移井轨迹比较 69
3.4.4 超大位移井设计 70
3.4.5 二维井径优化 71
3.5 小结 72
3.6 习题 73
第4章 井眼轨迹优化 75
4.1 介绍 75
4.2 可能影响最优井眼轨迹的约束 75
4.2.1 地质力学约束 76
4.2.2 防碰约束 78
4.2.3 探井约束 79
4.2.4 井控约束 79
4.3 井眼轨迹优化 81
4.3.1 单目标优化三维井眼轨迹
设计 81
4.3.2 双目标优化三维井眼轨迹
设计 86
4.4 防止井筒失稳的井眼轨迹优化 89
4.4.1 倾角和方位角的约束范围 89
4.4.2 获得最优井眼轨迹的算法 91
4.4.3 井眼轨迹优化 93
4.5 小结 95
4.6 习题 96
第5章 井筒水力学和井眼清洁：优化
和数字化 98
5.1 水力优化 98
5.1.1 介绍 98
5.1.2 水力系统 98
5.1.3 水力优化 104
5.1.4 最佳喷嘴和流量选择 106
5.1.5 针对各种井型提出的优化
标准 109
5.2 井眼清洁 110
5.2.1 参数对井眼清洁的影响 110
5.2.2 岩屑运输机制 112
5.2.3 井眼清洁模型 112
5.2.4 岩屑运输和沉降 114
5.3 井眼清洁效率实时评估 116
5.3.1 井眼清洁策略 116
5.3.2 实时建模 118
5.3.3 携屑指数 119
5.4 控压钻井的新方法 120
5.4.1 Reelwell钻井法 120
5.4.2 井眼清洁和井筒风险降低
服务 125
5.5 小结 125
5.6 习题 126
第6章 机械比能和钻井效率 128
6.1 机械比能介绍 128
6.1.1 钻井效率 128
6.1.2 低效率的原因 128
6.1.3 钻井效率区域 131
6.1.4 机械比能的趋势分析 131
6.2 机械比能：下一代数字化钻井
优化 134
6.2.1 通过实时监测机械比能最大化
钻速 134
6.2.2 水力机械比能 143
6.2.3 岩性预测水力机械比能 144
6.2.4 孔隙压力预测的水力机械
比能 148
6.3 岩石可钻性评估 152
6.3.1 可钻性d指数 152
6.3.2 地层可钻性预测 153
6.4 钻井系统机械比能外的能量 157
6.4.1 评估能量损失 157
6.4.2 钻柱中的能量流 159
6.4.3 钻井能量理论 160
6.5 小结 162
6.6 习题 163
第7章 基于数据驱动机器学习的ROP
实时预测解决方案 166
7.1 引言 166
7.2 实时数据管道 168
7.3 钻速优化工作流 169
7.3.1 传感器 169
7.3.2 机器学习模型 170
7.3.3 远程操作中心 170
7.3.4 钻井平台控制系统 171
7.3.5 自动化控制台 172
7.4 统计和数据驱动的钻速模型 172
7.4.1 多元线性回归 172
7.4.2 自适应的神经模糊推理系统
模型 177
7.4.3 决策树模型 185
7.4.4 多层感知器神经网络模型 189
7.4.5 径向基函数神经网络模型 191
7.4.6 支持向量回归模型 192
7.5 小结 196
7.6 习题 197
第8章 套管设置深度优化的高级方法
和技术 204
8.1 简介 204
8.2 问题陈述 204
8.2.1 套管和钻头的选择 206
8.2.2 油井成本预测 206
8.2.3 挑战 207
8.3 数学方法：不确定情况下的套管
柱放置优化 208
8.3.1 不确定性的来源 209
8.3.2 效用函数 209
8.3.3 套管点选择问题决策树 209
8.3.4 完整方法论 210
8.3.5 油田案例 212
8.4 多标准方法：套管座选择
方法 215
8.4.1 套管座选择标准 216
8.4.2 情景 222
8.4.3 数字例子 223
8.5 实时方法：利用远程实时监测井
的套管座优化 224
8.5.1 钻前压力预测 225
8.5.2 钻探时的压力预测 226
8.5.3 墨西哥湾油井案例研究 227
8.6 技术方法：使用非常规钻井方法
减少套管数量 231
8.6.1 无立管钻井 232
8.6.2 管理压力钻井技术 234
8.7 小结 237
8.7.1 数学方法 237
8.7.2 多标准方法 237
8.7.3 实时方法 238
8.7.4 技术方法 238
8.8 习题 238
第9章 数字井设计和建井中的数据
挖掘 242
9.1 数据挖掘技术 242
9.1.1 数据挖掘简介 242
9.1.2 数据挖掘技术 243
9.1.3 聚类 244
9.1.4 分类 248
9.2 数据挖掘在数字钻井工程中的
应用 249
9.2.1 数据挖掘应用于实时钻井 249
9.2.2 流变特性对钻速的影响 252
9.2.3 使用数据挖掘的井涌检测 255
9.3 小结 258
9.4 习题 259
第10章 基于决策的完井优化 262
10.1 基本概念 262
10.1.1 多标准决策问题 263
10.1.2 多标准决策问题的基本
表述 264
10.1.3 方法分类 264
10.1.4 选择适当的多标准决策
方法 270
10.2 基于决策的完井优化 272
10.2.1 高速气井完井设计的选择 272
10.2.2 水力压裂候选井选择参数 286
10.2.3 酸化生产井和层选择 289
10.3 小结 293
10.4 习题 294
第11章 蒙特卡罗模拟在井筒稳定性
优化中的应用 296
11.1 基本多元统计 296
11.1.1 均值 296
11.1.2 方差 297
11.1.3 协方差 297
11.1.4 相关系数 297
11.1.5 偏度系数 298
11.1.6 峰度系数 298
11.1.7 四分值 299
11.1.8 概率密度函数 299
11.1.9 累积分布函数 299
11.1.10 百分点函数 300
11.1.11 分布函数 300
11.1.12 置信系数和置信水平 303
11.2 井筒稳定性的不确定性评估 304
11.2.1 不确定性传播 304
11.2.2 井筒稳定性的安全泥浆重量
窗口 304
11.2.3 井地质力学模型设计 307
11.2.4 应力转换和计算方程 308
11.2.5 井眼破坏 310
11.2.6 概率分布 310
11.3 数值计算案例 311
11.4 小结 320
11.5 习题 321
第12章 基于案例推理方法(CBR)的
数字油井规划与建设 324
12.1 基本概念 324

12.1.1 知识库系统 324
12.1.2 基于案例分析的知识库
系统 325
12.1.3 基于规则分析的知识库
系统 330
12.1.4 基于案例推理和基于规则
推理的集成 332
12.1.5 基于案例分析的知识密集型
系统 332
12.1.6 本体工程 333
12.2 基于案例推理方法在数字油井
建设规划中的应用 335
12.2.1 基于案例的油井设计体系
结构 335
12.2.2 基于案例的钻井液推理 344
12.3 小结 350
12.4 习题 351