叢式井井眼防碰技術

汪嘉洋，華杰，劉冰

（中國石油大學＜華東＞石油工程學院，山東青島266580）

叢式井井眼防碰技術

汪嘉洋*，華杰，劉冰

（中國石油大學＜華東＞石油工程學院，山東青島266580）

叢式井在油田建設和采油方面有其優點，但是隨著單平臺內井口數目越來越多，在鉆井過程中井眼碰撞的風險越來越大。叢式井井眼防碰技術作為叢式井定向鉆井的配套技術，旨在降低叢式井井眼碰撞的風險。叢式井設計對于井眼防碰尤為重要。在設計中，采用鄰井距離掃描計算設計井眼軌道。在施工中，與井眼軌跡監測和預測相結合的鄰井距離掃描計算貫穿叢式井井眼軌跡的非安全區，尤其是直井段和定向造斜段。由于井眼軌跡誤差隨著井深的增加而增加，因此鄰井距離掃描計算有其不足之處。防碰測距可以直接降低鉆頭與鄰井距離及鉆頭位置的測量誤差。

叢式井；定向鉆井；井眼防碰；設計；鄰井距離掃描計算；防碰測距

叢式井是指一個鉆井平臺上，按一定井口間距鉆出2口或2口以上的一組井。它包括叢式定向井、叢式斜直井等，叢式定向井是將多口定向井和直井建在同一個井場上；叢式斜直井是將多口斜直井和直井建在同一個井場上。

它較好地克服了因地面條件所造成的各種限制，節省了工業占地，簡化了地面建設，減少了熱、電能損耗，節約了油田建設總投資，大大地加快了油田建設速度。而且，可以使整裝油田的開采井網更加合理、優配，增加油層的裸露面積，提高采收率。同時便于采油集中建站、集中管理。

隨著單平臺內井口數目越來越多，井與井易發生相碰。這樣會破壞已完成井的套管、井身質量低劣、填井重鉆等麻煩，嚴重影響該叢井的竣工工期與開發投產要求。

為解決防碰問題，應遵循叢式井平臺整體設計、平臺內定向井單井設計是關鍵，現場施工技術措施是保障的原則。現場施工技術主要包括：鄰井距離掃描計算、防碰測距、井眼軌跡控制、井眼軌跡預測以及對鉆進中異常現象［1］的判斷。

1　叢式井平臺整體設計

平臺的總體規劃［2-3］給出的是平臺位置和屬于該平臺的各井地下井位。如何把該平臺合理地轉化為各地下井位所對應的各口井井口位置（相應井數的點坐標值），確定地面與地下井位的一一對應關系，最大限度地利用地面有限平臺建造面積，保證地面與地下叢式井正常施工，是叢式井平臺整體設計的中心內容［4］。

解決這些問題的路線是：平臺位置初選—平臺井口分配方案優化—平臺位置確定。

1.1平臺井口位置初選

平臺井口位置初選指的是平臺井口位置的初步確定。平臺井口位置應圍繞以平臺位置中心坐標為基本點排列開，考慮排列方向、排列方式和井口間距3個問題。其中排列方向應既考慮當地氣候和風向又要兼顧大位移井。叢式井地面井口排列方式［5］應有利于各井組的鉆機相互支援，使達到總體鉆完井組的時間最短。井口間距［6］的選擇主要從安全的角度進行，一般遵循以下原則：

（1）滿足鉆機安全施工、修井作業和安裝采油設備的要求；

（2）2部或2部以上鉆機同時施工時，井排距不少于30m；

（3）滿足防碰要求，不會因軌跡偏移影響到鄰井施工；

（4）平臺上單井發生事故或火災時，處理過程不能對其他井造成影響。

1.2叢式井組井口分配

當井口位置確定時，通過叢式井組井口分配方案優化模型，確定地面井口位置與地下井位的一一對應關系。優化目標［2］：總水平位移之和最短、總井深長度最短、總井深長度與水平位移之和最短、總鉆井成本最低。

建立大型叢式井組的井口分配方案優化模型時，應在井口分配原則［6］指導下選擇合適的目標函數及優化指標。

有利于叢式井組防碰設計與施工的井口分配原則：

（1）按照位置相似原則對井口和地質目標分區，同一個區域內的井口優先分配給該區域內的地質目標。對于大型人工島平臺來說，推薦做法是以井口區中心為原點，將井口區分成多個象限，每個象限內的井口優先分配給該象限內的地質目標點。

（2）前排井口（面向地質目標點）應分配給位移大、埋深較淺的地質目標，后排井口（背向地質目標點）應分配給位移小、埋深較深的地質目標。換言之，用外圍的井口打位移大、較淺的地質目標，用中間的井口打位移較小、較深的地質目標。

（3）使井口與目標點連線在水平投影圖上不相交或少相交，各井設計方位線在水平投影圖上盡可能呈放射狀分布。

平臺井口位置的初選方案不同，計算的優化結果也不同。綜合比較不同的優化結果，確定最終的平臺井口位置和相應的井口分配方案。

2　單井軌道防碰設計

完成平臺整體設計之后，平臺上各井的垂深、位移、方位也相應確定下來，下步便是單井軌道防碰設計［4］。

單井軌道設計［8］就是根據地層特點，合理選擇井身結構、剖面類型，設計出適合當前施工條件下，安全快速地鉆達預定井位的軌道參數以指導現場施工。井眼軌道參數有造斜點位置、增降斜率、最大井斜角等，并按需要以一定間隔給出軌道上的位置參數（斜深、垂深、位移、南北及東西坐標）和井斜參數（井斜角、方位角）。

由于平臺整體設計好后，其各井井眼軌道有可能相互干擾。因此，在設計時要考慮防碰問題，搞好軌道防碰掃描，便于鉆井施工有利于提高鉆井效率及減少井下復雜情況，這是平自叢式井軌道設計的關鍵，同時也直接關系到鉆井施工過程安全，井且是鉆井施工成敗的關鍵。

井眼軌道參數的選擇：

（1）造斜點。由于密集井口的井口距一般都小于5m，各井眼的上部直井段都處于防碰高度危險區內，是最容易發生碰撞的井段。因此，在設計井眼軌道時，必須首先確定造斜點的可取范圍［9］。造斜點的上限可選擇在地層相對穩定且易于造斜地層，下限可根據下式確定。

式中：H——井眼可能碰撞深度，m；

S——井口間距，井口中心距離減去鉆頭距離，m；

α——為井斜角，一般上部直井段井深小于1000m時，井斜角可取0.5°（儀器精度誤差+其他因素誤差）。

在允許的造斜點深度范圍內，同排鄰井的造斜點深度應相差50m左右。如果是多排井口，并實施同向鉆井，那么，對應后排井口井眼的造斜點應深于前排井口井眼造斜點100m以上，使井眼軌跡形成垂直深度差距。

（2）井眼曲率的選擇。井眼曲率不宜過小，以免造斜井段過長，增加軌跡控制的工作量。井眼曲率也不宜過大，以免造成鉆具偏磨、摩阻過大、產生鍵槽和給其他井下作業（如測井、固井、射孔、采油等）帶來困難。常規定向井設計時，應控制井眼曲率最大值最好在1.5°/30m～4°/30m之間，最大不超過5°/30m。

為了保證造斜鉆具和套管安全、順利下井，必須對設計剖面的井眼曲率進行校核。應該使井身剖面的最大井眼曲率小于井下動力鉆具組合和下井套管抗彎曲強度允許的最大曲率值［5］。

井眼曲率的選擇還應考慮造斜工具的實際造斜能力。

（3）最大井斜角［5］。大量定向井鉆井實踐證明，當井斜角小于15°時，方位不穩定，容易漂移。當井斜角大于45°時，測井和完井作業施工難度較大，扭方位困難，轉盤扭矩大，攜巖難度較大，并易發生井壁坍塌等現象，發生阻卡的幾率較高。所以，一般將常規定向井的最大井斜角盡可能控制在15°～45°之間。

3　淺表層井眼軌跡控制技術

由于叢式井井口距一般都小于5m，造斜點低于500～600m，加之各鄰井造斜點深度上下錯開50m左右。因此，不可避免的會出現淺表層定向造斜。在淺表層定向鉆井施工中，嚴格控制井眼軌跡保證在其自身安全圓柱內鉆井尤為重要。直井段與造斜段的軌跡控制需要防斜打直鉆進技術淺、表層大井眼定向技術作為保障。

3.1直井段防斜打直鉆進技術

直井段是防碰作業的基礎，因此防斜打直鉆具的選擇十分重要。

在地層造斜效應不太嚴重的情況下，采用常規的滿眼鉆具組合，可以采用較大的鉆壓，從而增加鉆頭的機械能量以提高破巖效率和鉆進速度。需要注意的是：滿眼鉆具組合只適合于防斜或穩斜，而絕不可以用于糾斜作業。

在易斜地區打直井時，采用鐘擺鉆具組合［10］，通過“吊打”來實現防斜或糾斜，但制約了機械鉆速。

3.2大井眼定向技術

在表層大井眼定向［11］過程中，考慮到地層軟，井徑擴大率大，容易使單彎扶正塊失去作用，故選用帶彎接頭的動力鉆具進行定向造斜。定向過程中為防止造斜率過高，采用了改變工具面角度和分段復合鉆進等方法來控制造斜率。

而且，由于井眼間距較小，磁干擾比較嚴重，井眼防碰采取先對鄰井防碰井段進行陀螺測量，然后進行鄰井距離掃描計算。當避開磁干擾后，再采用有線隨鉆測量的方式鉆井，以達到防碰的目的。

3.3繞障與預斜

對于表層防碰形勢嚴峻的部分井來說，表層預斜是不錯的選擇。因此，設計時進行了繞障處理，人為使軌跡在上部井段向四周發散，及早遠離平臺和井眼密集區域，減輕中上部井段的防碰壓力［12］。

4　井眼軌跡預測與鄰井距離掃描

目前的鉆井軌跡監測技術的不足是不能實現連續監測；監測儀器的方向參數傳感器離鉆頭有一段距離（一般為4～17m）；測量與顯示不同步。導致測點與鉆頭之間存在盲區。在施工中需要及時了解當前鉆頭的方向參數及待鉆井眼延伸趨勢，目前的監測技術都無法實現。定向鉆井施工過程中，預測正鉆井待鉆井眼與鄰井井眼是否相碰十分重要［13］。

若以正鉆井離當前井底最近一點的井斜、方位隨井深變化趨勢來預測待鉆井段軌跡，則主要有下列4種情況：

（1）保持井斜、方位不變——穩斜、穩方位；

（2）以該點井斜變化趨勢改變井斜，又以該點方位變化趨勢改變方位——變斜、變方位；

（3）只以該點井斜變化趨勢改變井斜，而方位保持不變——變斜、穩方位；

（4）井斜保持不變，而方位以該點方位變化趨勢改變——穩斜、變方位。

上述待鉆井眼軌跡分析，目的是由給定預測井深Li確定該井深下井眼相對于井口的坐標（Hi，Ni，Ei）。通過鄰井距離掃描計算預測待鉆井眼與鄰井井眼有無碰撞的危險。分析步驟如下：

（1）井眼軌跡計算。求解待鉆井眼軌跡方程組。通過插值法算出鄰井井眼軌跡。

（2）鄰井距離掃描。通過通過鄰井距離掃描，可以確定正鉆井待鉆井眼軸線上任意一點F1i（H1i，N1i，E1i）與鄰井井眼軸線上一點F2i（H2i，N2i，E2i），同時求出兩點間的距離及相對方位，進而在極坐標平面上做出鄰井距離掃描圖。

F1i（H1i，N1i，E1i）為正鉆井待鉆井眼軌跡井深為Li時的點坐標。井深為Li時，垂深H1i，南北分量N1i、東西分量E1i。

根據鄰井距離掃描［14］的不同原理，鄰井井眼軸線點F2i（H2i，N2i，E2i）的求解有以下3種方法：

①鄰井法面距離掃描。過正鉆井待鉆井眼軸線上任意一點F1i（H1i，N1i，E1i）的切線的法面與鄰井井眼軸線的交點，即為F2i（H2i，N2i，E2i）；

②鄰井最近距離掃描。以正鉆井待鉆井眼軸線上任意一點F1i（H1i，N1i，E1i）為球心，做半徑不同的無數同心球，其中與鄰井井眼軸線剛好接觸的球的半徑即為2井最近距離，接觸點即為F2i（H2i，N2i，E2i）；

③鄰井平面距離掃描。過正鉆井待鉆井眼軸線上參考點F1i（H1i，N1i，E1i）做水平面，水平面與鄰井井眼軸線相交的點，即為F2i（H2i，N2i，E2i）。

（3）軌跡控制。當掃描距離接近兩井井眼軌跡計算誤差橢球半徑之和時，重新進行防碰設計，進而調整井斜、方位進行井眼軌跡控制以達到遠離鄰井井眼的目的。

5　防碰測距

鄰井距離掃描掃描是通過兩相鄰井眼軌跡上的兩空間點連線所確定的距離和掃描角確定相鄰井眼是否存在碰撞的風險。防碰測距是通過數據采集確定相鄰兩井間的相對距離和位置。

5.1地面防碰監測

地面防碰監測系統［15］的工作原理：鉆頭在破碎巖石的過程中會在井底處產生振動波，該振動波不但會沿著在鉆井的鉆柱向上傳播，還會通過地層和套管傳至在鉆井和鄰井的套管頭上。通過安裝在在鉆井和風險鄰井套管頭部位的傳感器，采集鉆破碎巖石時產生的振動波，然后對振動信號進行分析處理，當鉆頭振動信號的幅值超過防碰報警閥值時，軟件系統發出報警信息，實現監測系統預測鉆頭鄰井套管碰撞風險的功能。

5.2聲波測距

聲波測距［16］的工作原理：通過在成井中放置3個以上的水聲傳感器檢測震動能量，根據能量的變化特征分析判斷鉆頭到成井的實際距離的變化趨勢。測量點隨著新井鉆進深度而變化，但傳感器的相對距離是固定的。這樣，通過震動能量變化計算出鉆頭與成井距離的變化，當這個距離小于某個距離時，報警預警，以防事故發生，其原理示意圖如圖1所示。

圖1　聲波測距原理圖

5.3磁測距

磁測距技術［17］包括“無源”技術和“有源”技術。無源磁測距技術有時被稱為靜磁技術。通常是指采用放置在新井中的測量裝置測量老井中的余磁或剩磁。有源磁測距技術通常是指在老井和新井中的一個井測量另一個井內形成的一個或多個磁場。

在有源磁測距技術中，磁場源可以是恒定的，也可以是變化的。

恒定磁場測量方案：信號發生設備置于地下，分別可以選擇永磁體或者直流電；測量設備同樣置于地下，即SWMD磁通門測量設備。

變化磁場測量方案：信號發生設備置于地下，測量設備同樣置于地下。變化磁場源可以由電磁鐵例如通過交流電的變化電信號驅動以產生變化磁場的螺線管組成。作為備選方案，變化磁場源也可以由被旋轉以產生變化磁場的永久磁鐵組成。

6　結論

為解決防碰問題，應遵循叢式井平臺整體設計、平臺內定向井單井設計是關鍵，現場施工技術措施是保障的原則。在設計中，通過整體防碰設計和單井軌道防碰設計，達到降低井眼碰撞的風險。在定向鉆井過程中，直井段和定向造斜段是防碰的關鍵井段，要嚴格控制上部井段的井眼軌跡，通過鄰井距離掃描（或防碰測距）反映正鉆井眼相對于鄰井的距離和位置，以便及時調整井斜和方位進行控制。而當表層防碰形勢嚴峻時，表層預斜可以減輕中上部井段的防碰壓力。

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TE21

A

1004-5716（2016）10-0029-04

2015-11-05

2015-11-09

汪嘉洋（1992-），男（漢族），山西運城人，中國石油大學（華東）在讀碩士研究生，研究方向：油氣井力學、信息與控制。