延長油田叢式井網加密水平井直井段交碰風險量化分析

楊全枝張曉斌吳迪劉云鄭自剛

1.陜西延長石油（集團）有限責任公司研究院；2.延長油田股份有限公司勘探開發技術研究中心；3.中國石油長慶油田分公司勘探開發研究院；4.中國石油天然氣勘探開發公司

延長油田叢式井網加密水平井直井段交碰風險量化分析

楊全枝1，2張曉斌3吳迪4劉云2鄭自剛3

1.陜西延長石油（集團）有限責任公司研究院；2.延長油田股份有限公司勘探開發技術研究中心；3.中國石油長慶油田分公司勘探開發研究院；4.中國石油天然氣勘探開發公司

為經濟有效開發低滲透、低豐度油藏，延長油田利用舊井場部署加密水平井進行調整開發，直井段叢式井網密集，交碰風險嚴峻。為準確地評價直井段交碰風險，從實鉆數據出發分析了延長油田水平井直井段軌跡水平位移偏差，并采用數學統計的方法對加密井直井段交碰風險進行量化，結果表明，直井段實鉆軌跡水平位移偏差在同一井深下符合正態分布，隨井深的增加，其均值和方差逐漸增大，正態分布形態越來越扁平，井眼位置不確定性越來越大。杏4003平34井應用結果表明，基于概率統計與可信度計算的直井段交碰風險定量分析，可較準確地判斷直井段井眼碰撞風險，為叢式井網加密水平井直井段軌跡設計提供了新的參考。

加密井網；直井段； 水平位移偏差； 井眼交碰概率； 延長油田

鄂爾多斯盆地延長油田大部分儲層屬于低滲、超低滲透油藏，早期采用大規模叢式井網壓裂開發后，產量遞減快，已達不到經濟有效開發的要求。近年來，隨著勘探開發工作的不斷深入，延長石油水平井技術發展迅速，大大提高了油井單井產量和油藏采收率，成為解決常規井開發“多井、低產、低效”的有效手段［1］。由于后備資源面積嚴重不足，為確保穩產千萬噸的目標，延長石油嘗試利用舊井場在老井區部署加密水平井進行調整開發，以提高油藏采收率。由于老井區叢式井網密集（井口最近距離僅有2 m），水平井加密鉆直井段交碰風險嚴峻［2］，井眼碰撞事故時有發生，定平2、靖平11井等多口水平井因為井眼碰撞事故導致井眼大修，甚至工程報廢，造成了重大經濟損失。

井眼碰撞是指在鉆井過程中空間上連續變化的2個井眼軌跡相交于一點［3］。井眼碰撞的類型主要分為平行碰撞、交叉碰撞等［4］。鉆井一般采用先鉆進后測斜的方式，直井段以平行碰撞為主，碰撞頻率較高；造斜段、深層斜井段交叉碰撞為主，碰撞頻率相對較低，而且很大程度受直井段軌跡控制的影響，因此直井段實鉆軌跡質量優劣是整個防碰作業的基礎。目前對于直井段防碰設計都是基于直井段井斜為0的假設［5］，而實際鉆井過程中由于難以保證井斜角為0，直井段經常會出現水平位移偏差，所以實際鉆井交碰風險往往高于設計值。為了更準確地評價延長油田水平井直井段交碰風險，保障直井段安全鉆進，筆者從實鉆數據分析出發，計算了延長油田水平井直井段軌跡水平位移偏差，并采用數理統計的方法對加密井直井段防交碰風險進行量化，從新的視角解決現場水平井直井段軌道設計的防碰問題。

1 直井段軌跡水平位移偏差

Horizontal displacement deviation of vertical hole section trajectory

直井段軌跡水平位移偏差影響因素很多，不僅與地層結構、傾角、鉆具、鉆井工藝等客觀因素有關，還與施工人員的技術水平、操作水平和責任心等主觀因素有關［6］。延長油田西部區塊整體地質情況基本相同，水平井設計執行統一的標準，市場準入隊伍裝備水平相差不多。以西部區塊水平井為例，對延長石油鄂爾多斯盆地油區已鉆水平井進行分析，將所選正常完鉆的90口水平井造斜點之前直井段設計與實鉆軌跡做水平切片掃描，步長10 m，將每一切片下的掃描數據作為一個樣本，分別求取樣本平均值和方差，作為該井深下的水平位移平均偏差和偏差離散程度，如圖1所示。為了獲取真實的實鉆水平位移偏差，選取進行單點測斜之前的直井段實鉆軌跡以排除測斜之后人為井眼軌跡控制的干擾。

圖1 直井段實鉆軌跡的水平位移偏差均值和方差隨井深的變化關系Fig.1 Relationship of mean and variance of horizontal displacement derivation in the actual drilling trajectory of vertical hole section vs.hole depth

圖1中可以看到總體上直井段軌跡水平位移偏差均值和方差隨井深的增加而逐漸增大。不同井深段，水平位移偏差均值和方差變化趨勢不同，基本呈線性分布。淺層（0～400 m）為特有的第四系黃土地層，地層土質疏松、未成巖，縱向裂縫發育， 正常鉆進容易發生井斜，水平位移偏差變化較大，而方差變化趨勢較小，說明水平位移偏差分布比較集中；白堊系上部（400～700 m）地層為砂質泥巖、粉砂巖、細砂巖，巖性穩定，井斜易控，水平位移偏差變化較小，700 m下部大型交錯層理狀發育，含細礫巖，鉆進井斜不易控制，水平位移偏差變化最大，并且方差變化趨勢比較大，此時水平位移偏差分布比較分散。為了便于分析，同一定地層范圍內，可以認為在同一深度每口井的直井段軌跡水平位移偏差相互獨立，互不影響，呈隨機性分布，對實鉆軌跡每一切片下的掃描數據樣本，做出水平位移偏差分布的頻率直方圖，隨機抽取100 m、200 m、500 m、800 m 4個切片深度數據，如圖 2所示。

圖 2 直井段軌跡水平位移偏差點的頻率直方圖和正態曲線Fig.2 Frequency histogram and normal curve of horizontal displacement derivation point in the trajectory of vertical hole section

由圖 2 可以看出，直井段軌跡水平位移偏差符合正態分布。隨著井深的增加，水平位移數據偏差范圍越來越大，頻率分布越來越分散，正態分布形態越來越扁平，井眼位置不確定性也越來越大，不利于井眼防碰。

2 直井段交碰風險定量分析

Quantitative analysis on collision risk of vertical hole section

為描述井眼交碰概率與井眼間距的關系，建立模型如圖3所示。直井段鉆井若發生井眼碰撞，井眼間距一定小于等于兩井井眼半徑之和。要滿足這一要求，需要2個必要條件，一是在鉆井施工過程中向鄰井發生偏斜，二是直井段軌跡水平位移偏差足夠大［7］。

圖3 井眼交碰概率與井眼間距的關系Fig.3 Relationship between hole collision probability and hole spacing

2.1 井眼交碰概率

Hole collision probability

在鉆井O1井眼向鄰井O2傾斜的夾角a滿足以下關系

由于鉆井是一個動態的過程，以每次接立柱（30 m）為一個計算節點，則在鉆井O1井眼向鄰井O2傾斜的概率為

式中，R1、R2分別為O1、O2井眼半徑，m；D為井眼間距，m，Di為第i個單根下井眼水平位移偏差。

由于直井段軌跡在不同井深段，水平位移偏差均值基本呈線性分布，在某一深度h下，直井段軌跡水平位移偏差Di（h）為

式中a、b可通過區域樣本數據擬合結果得到，若在鉆井O1在直井段與鄰井O2在深度H下發生碰撞，則

此時井眼發生碰撞的概率為

2.2 井眼碰撞可信度分析

Confidence analysis on hole collision

由于直井段軌跡水平位移偏差符合正態分布，在某一深度下，直井段軌跡水平位移偏差x的概率密度函數f（x）為

式中，μ和σ2分別為樣本X～N（μ，σ2）的均值和方差。

對公式（3）積分，則可計算出直井段軌跡水平位移偏差不小于r的概率F（r）。

則在鉆井O1在直井段與鄰井O2在碰撞深度H下發生碰撞時水平位移偏差的可信度為

3 實例分析

Case study

延長油區內地表為典型的黃土高原丘陵溝壑地貌，地形以塬梁峁為主，黃土覆蓋層因長期流水侵蝕切割，溝谷縱橫、梁峁相間。2015年延長石油利用舊叢式井場在老油區部署大量加密水平井進行調整開發，現以西部油區杏子川采油廠杏4003平34井為例， 對延長油田叢式井網加密水平井直井段交碰風險分析。

由圖1樣本數據和式（3）擬合得到0～920 m井段內直井段軌跡水平位移偏差的分段函數。

杏4003平34井直井段設計鉆頭直徑222.3 mm，完鉆鄰井套管直徑139.7 mm，井口間距見表1。將在擬合區間范圍內的數據代入式（5）和式（8）計算，結果如表1所示。

表1 交碰風險定量分析Table 1 Quantitative analysis on collision risk

從表1可以看出，杏4003平34井與鄰井發生碰撞的預測井深與直井段最短間距成正相關，直井段最短間距越小，井眼發生碰撞的井深越淺。根據分析，杏4003平34在直井段鉆進最先與4003-11井在572.42 m處可能發生碰撞，與此時井眼碰撞的風險概率和可信度都較高，說明風險真實存在，此時鉆井作業需采取相應的防碰干預措施。因此，為確保安全鉆井，水平井設計在550 m直井段處造斜，水平井軌跡如圖4所示，現場施工過程中上部直井段無碰撞異常情況發生，作業安全。

圖4 杏4003平34井井眼軌跡示意圖Fig.4 Schematic hole trajectory of horizontal well Xing 4003 Ping 34

4 結論

Conclusions

（1）直井段實鉆軌跡水平位移偏差均值和方差隨井深的增加而逐漸增大，不同井深段，水平位移偏差均值和方差變化趨勢不同，基本呈線性分布。

（2）直井段實鉆軌跡水平位移偏差在同一井深下符合正態分布，隨著井深增加，其正態分布形態越來越扁平，井眼位置不確定性越來越大。

（3）設計井發生碰撞的預測井深與直井段最短間距成正相關，直井段最短間距越小，井眼發生碰撞的井深越淺。

（4）基于概率與可信度計算的直井段交碰風險定量分析可較準確地判斷直井段井眼碰撞風險，可為叢式井網加密水平井直井段軌道設計提供參考。

References:

［1］楊全枝，于小龍，馬振鋒，徐小龍，許佳.延長油田淺層高密井網水平井防碰繞障技術 ［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2016，43（1）：40-43.YANG Quanzhi,YU Xiaolong,MA Zhenfeng,XU Xiaolong,XU Jia.Study on anti-collision technology of horizontal wells in shallow infill wells drilling in Yanchang Oilfield ［J］.Exploration Engineering（Rock& Solid Drilling and Tunneling）,2016,43（1）: 40-43.

［2］陶紅勝，楊全枝，于小龍，馬振鋒.鄂爾多斯盆地東部低淺層滲透油藏大位移水平井鉆井實踐［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2015，42（2）：37-40.TAO Hongsheng,YANG Quanzhi,YU Xiaolong,MA Zhenfeng.Drilling practice of large extended reach horizontal well in shallow low permeability reservoirs of eastern Ordos Basin ［J］.Exploration Engineering（Rock& Solid Drilling and Tunneling）,2015,42（2）: 37-40.

［3］劉永旺， 管志川， 史玉才， 魏凱，張蘇，邵冬冬.井眼防碰技術存在的問題及主動防碰方法探討［J］.石油鉆采工藝， 2011， 33（6）：14-18.LIU Yongwang,GUAN Zhichuan,SHI Yucai,WEI Kai,ZHANG Su,SHAO Dongdong.Discussion on problems of wellbore anti-collision technology and active anticollision methods［J］.Oil Drilling & Production Technology,2011,33（6）: 14-18.

［4］楊全枝.基于鉆頭振動信號分析的井間距離識別方法研究［D］.青島：中國石油大學（華東），2013.YANG Quanzhi.Study on well distance detection based on drill bit vibration signal analysis［D］.Qingdao:China University of Petroleum （East China）,2013.

［5］韓志勇.定向井設計與計算［M］.北京：石油工業出版社，1989.HAN Zhiyong.Directional well design and calculation［M］.Beijing: Petroleum Industry Press,1989.

［6］胡中志，徐小峰，侯怡，李然，沈園園，潘俊英.基于概率分析的密集叢式井組造斜窗口確定方法［J］.石油鉆采工藝，2011，33（1）：24-26.HU Zhongzhi,XU Xiaofeng,HOU Yi,LI Ran,SHEN Yuanyuan,PAN Junying.Method for determining the kick off window of dense cluster well group based on probability analysis［J］.Oil Drilling & Production Technology,2011,33（1）: 24-26.

［7］劉永旺，管志川，王偉，史玉才，尤小榮.叢式井組直井段交碰風險評價及設計優化 ［J］.中國安全生產科學技術，2015，11（10）：85-89.LIU Yongwang,GUAN Zhichuan,WANG Wei,SHI Yucai,YOU Xiaorong.Collision risk evaluation and design optimization on vertical section of well in cluster wells［J］.Journal of Safety Science and Technology,2015,11（10）: 85-89.

（修改稿收到日期 2017-03-28）

〔編輯 薛改珍〕

Quantitative analysis on collision risk of vertical hole section of infill horizontal well in cluster well pattern in Yanchang Oilfield

YANG Quanzhi1,2,ZHANG Xiaobin3,WU Di4,LIU Yun2,ZHENG Zigang3
1.Research Institute,Shaanxi Yanchang Petroleum(Group)Co.Ltd.,Xi’an710075,Shaanxi,China;
2.Exploration and Development Technology Research Center,Yanchang Oilfield Company Limited,Yan’an716000,Shaanxi,China;
3.Research Institute of Exploration and Development,PetroChina Changqing Oilfield Company,Xi’an710021,Shaanxi,China;
4.China National Oil and Gas Exploration and Development Corporation,Beijing100034,China

To develop low-permeability and low-abundance oil reservoirs economically and efficiently in Yanchang Oilfield,infill horizontal wells are arranged at the old well sites.Thus,the vertical hole sections in the cluster pattern are dense,so the collision risk is rigorous.To evaluate the collision risk of vertical hole sections accurately,the horizontal displacement deviation of vertical hole sections in horizontal wells in Yanchang Oilfield was analyzed based on actual drilling data.Then,the collision risk of vertical hole sections in infill wells was quantified by means of mathematical statistics.It is indicated that the horizontal displacement deviation of actual trajectory of vertical hole section in the same hole depth is in accordance with the normal distribution.And with the deepening of the hole,its mean and variance increase gradually,the shape of normal distribution becomes flatter and flatter,and the hole location become moreand more uncertain.This method was applied in horizontal well Xing 4003 Ping 34.It is shown that quantitative analysis on the collision risk of vertical hole section based on probability statistics and confidence calculation can discriminate the collision risk of vertical hole section more accurately,and provides the new reference for the trajectory design of vertical hole section of infill horizontal well in cluster pattern.

infill well pattern; vertical hole section; horizontal displacement deviation; borehole collision probability; Yanchang Oilfield

楊全枝，張曉斌，吳迪，劉云，鄭自剛.延長油田叢式井網加密水平井直井段交碰風險量化分析 ［J］.石油鉆采工藝，2017，39（3）：298-302.

TE243

：A

1000–7393（2017 ）03–0298–05DOI:10.13639/j.odpt.2017.03.008

: YANG Quanzhi,ZHANG Xiaobin,WU Di,LIU Yun,ZHENG Zigang.Quantitative analysis on collision risk of vertical hole section of infill horizontal well in cluster well pattern in Yanchang Oilfield［J］.Oil Drilling & Production Technology,2017,39(3): 298-302.

國家”863” 計劃重點項目“陸相頁巖氣水平井鉆完井工藝技術攻關”（編號：2013AA064501）；陜西延長石油集團公司科技攻關重點項目“延長西部水平井鉆采工藝技術研究與應用”（編號：ycsy2012ky-A-06）。

楊全枝（1986-），2013年畢業于中國石油大學（華東）油氣井工程專業，主要從事油氣井井下力學、信息與控制方面研究，工程師。通訊地址：（710075）陜西省西安市科技二路75號延長石油研究院。E-mail：sunsun_1212@126.com