叢式井組加密井防碰技術(shù)及應(yīng)用

李 兵， 胥 豪， 牛洪波， 唐洪林， 徐文浩

(1中石化勝利石油工程有限公司黃河鉆井總公司 2中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院)

大型叢式井組施工存在井間距小，井?dāng)?shù)多的難題，防碰工作難度較大，兩井交碰事件時(shí)有發(fā)生。對(duì)于新建整體施工大型叢式井組通常通過(guò)整體優(yōu)化設(shè)計(jì)[1]，為防碰施工提供了較好的前提；但加密井施工就較為麻煩，存在數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性難以考證，井眼軌道優(yōu)化困難等難題。目前通常通過(guò)防碰距離掃描進(jìn)行優(yōu)化，保持合適的井間距進(jìn)行施工，有時(shí)候甚至未考慮井眼分離系數(shù)，導(dǎo)致井眼掃描距離較遠(yuǎn)，但實(shí)際卻發(fā)生了兩井交碰的事件。因此系統(tǒng)地分析井眼距離掃描方法，并對(duì)誤差橢圓、分離系數(shù)進(jìn)行必要的研究和應(yīng)用具有重要的意義。

一、最近距離計(jì)算

井眼軌跡距離掃描方法多種多樣，國(guó)內(nèi)外很多專家學(xué)者都對(duì)其進(jìn)行了研究；其中比較常用的方法有3種，分別是平面掃描法、法面掃描法和最近距離掃描法[2-4]。平面掃描法的基本思想是掃描參考井在同一垂深平面上與鄰井的交互關(guān)系，兩口井在該平面內(nèi)的距離即最近距離。在井斜角比較小的情況下，平面掃描法結(jié)果可信度較高，多用于靶心距的計(jì)算、小井斜定向井防碰施工等。法面掃描法是指以參考井某一點(diǎn)的切線方向線做一個(gè)法平面，該平面與鄰井相交于一點(diǎn)，則這兩點(diǎn)之間的距離為最近距離。法面掃描多用來(lái)比較兩口井軌跡之間的偏離情況，描述兩井偏離程度，以及空間姿態(tài)關(guān)系。由于平面掃描法和法面掃描法計(jì)算的結(jié)果并不一定是最小距離，對(duì)于井斜較大的定向井、水平井，其適應(yīng)性受到限制。

最近距離掃描法又叫球面掃描法。其基本原理是以參考井某點(diǎn)為球心，做無(wú)數(shù)個(gè)半徑不同的同心球，其中與鄰井剛好接觸的球的半徑即為兩口井的最近距離，所以又稱半徑掃描法。最近距離掃描法基本反映了兩井的距離及位置關(guān)系，適用于任何井斜角度，在叢式井、加密井和連通井的現(xiàn)場(chǎng)施工中得到了廣泛的應(yīng)用。

利用最近距離掃描法計(jì)算最近距離時(shí)，以參考井上的P點(diǎn)為中心，作半徑為ρ的球，該球面與鄰井交叉于C點(diǎn)，則兩點(diǎn)之間的最近距離為：

式中：Nc、NP；Ec、EP；Dc、DP—分別為C點(diǎn)和P點(diǎn)的南北坐標(biāo)、東西坐標(biāo)、垂深坐標(biāo)。

二、分離系數(shù)計(jì)算

井眼軌跡的計(jì)算主要依靠測(cè)量井深、井斜角、方位角3個(gè)參數(shù)，3個(gè)參數(shù)均存在一定的誤差，致使實(shí)際井眼軌跡位于一個(gè)不確定的范圍之內(nèi)。井深、井斜角和方位角3個(gè)參數(shù)影響因素主要有測(cè)量井深誤差、不居中度誤差、參考方位誤差、鉆柱剩余磁性誤差以及測(cè)量?jī)x器精度誤差[3-6]。隨著測(cè)量井深的增加，誤差會(huì)逐漸疊加，不確定性范圍也越來(lái)越大，最終形成一個(gè)橢圓體椎體，這個(gè)橢圓椎體就是井眼軌跡誤差橢圓，又叫做不確定性橢圓。 前文所敘述的最近距離ρmin僅僅代表的是兩個(gè)橢圓椎體軸線之間的距離，并不能真實(shí)地反映兩井實(shí)際的相對(duì)位置[6]，因此需要對(duì)井眼軌跡誤差橢圓進(jìn)行計(jì)算。

1.誤差橢圓

根據(jù)前面的分析，井眼軌跡誤差主要受到5個(gè)方面的影響，按照中心極限定理，可以近似認(rèn)為它們呈正態(tài)分布，服從正態(tài)分布的多個(gè)誤差累積之后仍然服從正態(tài)分布，因此，可以建立分布概率密度計(jì)算公式[7-8]：

(2)

利用矩陣分塊，可寫出截平面方程為：

(3)

這樣就得到了誤差橢圓方程計(jì)算通式，其中λ值取決于給定的概率，其將決定橢圓的大小。根據(jù)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換方程，水平面與橢圓主半軸組成的坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

(4)

(5)

2.分離系數(shù)

計(jì)算出兩井眼中心距和誤差橢圓之后，則可以計(jì)算分離系數(shù)，分離系數(shù)計(jì)算公式為[9-13]：

(6)

式中：a1—參考井垂深的長(zhǎng)半軸；a2—鄰井相應(yīng)垂深的長(zhǎng)半軸。

根據(jù)分離系數(shù)概念，其代表了兩口井相碰的危險(xiǎn)程度。當(dāng)分離系數(shù)大于1時(shí)，兩井眼軌跡誤差橢圓未相交，可以安全鉆進(jìn)；當(dāng)分離系數(shù)等于1時(shí)，兩井眼軌跡橢圓誤差表面相交，存在相碰的危險(xiǎn)；當(dāng)分離系數(shù)小于1時(shí)，兩井眼軌跡誤差橢圓相交，井眼交碰風(fēng)險(xiǎn)極大。因此，井眼軌跡設(shè)計(jì)時(shí)要求分離系數(shù)大于1，為了增加安全系數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)一般要求分離系數(shù)大于3。

三、井眼軌跡防碰設(shè)計(jì)

以渤海油田某大型叢式井組加密井為例，對(duì)技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用分析。該井組槽口為4×9布局，槽口間距1.80 m×2.00 m，目前已鉆井36口，其中東北和西南兩個(gè)槽口為單筒雙井結(jié)構(gòu)，如圖1所示，本次將利用37H和38H兩個(gè)槽口(黑色)鉆2口水平井，圖1中紅色槽口所標(biāo)注的井上部井段均為陀螺儀器復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)，綠色槽口標(biāo)注井全井都為磁性測(cè)斜儀器數(shù)據(jù)。

圖1 平臺(tái)槽口圖

井眼軌跡設(shè)計(jì)之前，首先需要對(duì)誤差系數(shù)進(jìn)行賦值，由于涉及到磁性測(cè)斜儀和陀螺測(cè)斜儀兩種測(cè)量?jī)x器，因此需要分別賦值，對(duì)應(yīng)于磁性測(cè)斜數(shù)據(jù)的井采用磁性測(cè)斜誤差數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)于陀螺測(cè)斜數(shù)據(jù)的井采用陀螺誤差數(shù)據(jù)。

完成誤差分析數(shù)據(jù)賦值之后，即可根據(jù)鄰井造斜點(diǎn)深度、軌跡走向等具體參數(shù)進(jìn)行井眼軌跡設(shè)計(jì)：37H井設(shè)計(jì)造斜點(diǎn)231.00 m，造斜率8.57°/100 m，井深301.00 m時(shí)井斜角達(dá)到6.00°，方位角135°，按照此井斜方位穩(wěn)斜至611 m，再以4°/100 m造斜率將井斜角降至0.00°，按照直井鉆進(jìn)至造斜點(diǎn)后開始定向；38H井設(shè)計(jì)造斜點(diǎn)211.00 m，造斜率7.5°/100 m，井深251 m時(shí)井斜角達(dá)到3°，方位角50°，然后穩(wěn)斜至281 m，再以7.5°/100 m的造斜率降斜至0°，后按照直井鉆進(jìn)至造斜點(diǎn)后開始定向。

根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、鄰井?dāng)?shù)據(jù)及誤差賦值，利用MATLAB軟件進(jìn)行防碰分析，37H井最近距離數(shù)據(jù)圖見圖2，37H井分離系數(shù)圖見圖3。從圖2可知，最近距離小于5 m的井共有11口井，最近距離1.24 m，對(duì)應(yīng)井深98.53 m，對(duì)應(yīng)井號(hào)36；隨著井深增加，大部分鄰井距離均快速加大，井深350 m以后有3口井距離小于5 m，即井深440.00 m距離15井4.66 m，井深510.00 m距離19井4.07 m，井深560.00 m距離21井3.98 m。從圖3可知，分離系數(shù)小于3的有6口井，最小分離系數(shù)1.55，對(duì)應(yīng)井號(hào)21，出現(xiàn)在井深559.81 m，根據(jù)分析可知，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注的3口井井號(hào)是15、19、21。

圖2 37H井最近距離

圖3 37H井分離系數(shù)

同理對(duì)38H井進(jìn)行防碰分析，38H井最近距離數(shù)據(jù)圖如圖4，38H井分離系數(shù)圖如圖5。從圖4可知，最近距離小于5 m的井有19口，最近距離1.28 m，對(duì)應(yīng)井深224.83 m，對(duì)應(yīng)井號(hào)20；大部分井距離快速增加，但仍然有小部分井至700 m井深之后才與參考井快速分離，井深300 m以后，有6口井最近距離低于5.0 m。從圖5可知，分離系數(shù)小于3的有7口井，最小分離系數(shù)1.64，對(duì)應(yīng)井深480 m，對(duì)應(yīng)井號(hào)3。結(jié)合圖4和圖5，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注3、12、17、1W 4口井。

四、防碰施工

1.測(cè)量?jī)x器優(yōu)選

通常磁性隨鉆測(cè)斜儀器存在價(jià)格便宜、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，但是由于已鉆井套管的影響，通常不能保障儀器處于有效的無(wú)磁環(huán)境，這將導(dǎo)致測(cè)量的磁性工具面角和方位角出現(xiàn)較大誤差；而陀螺測(cè)斜儀器的測(cè)斜原理是基于慣性理論的，可以不受磁場(chǎng)環(huán)境的限制，測(cè)量出準(zhǔn)確的工具面角和方位角，但是存在價(jià)格較高，操作不便的問(wèn)題，因此需要考慮鄰井究竟帶來(lái)多大的磁干擾，特點(diǎn)是在多口鄰井套管疊加影響下，是否影響磁性測(cè)斜儀的正常使用[11、14]。此時(shí)就需要引入等效磁矩進(jìn)行判斷。

圖4 38H井最近距離掃描圖

圖5 38H井分離系數(shù)掃描圖

磁場(chǎng)強(qiáng)度在歷史上最先由磁荷觀點(diǎn)引出，類比于電荷的庫(kù)侖定律，因此其強(qiáng)度與距離的平方存在反比關(guān)系，據(jù)此可以得到多口鄰井套管影響下等效磁距計(jì)算公式(7)：

(7)

式中：ρ—等效磁距；ρ1、ρ2、…、ρn—鄰井到參考井的最近距離，由于最近距離已通過(guò)式(1)計(jì)算出，因此可以算出不同井深下的等效磁距。計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)圖6可知：37H井在井深350 m之前等效磁矩小于2.50 m，38H井在井深500 m之前等效磁距小于2.50 m；根據(jù)磁性測(cè)斜儀器室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，目前比較公認(rèn)的防止磁干擾最小距離要求為2.50 m。因此，2口井均需要選擇陀螺測(cè)斜儀器進(jìn)行防碰作業(yè)，隨著等效磁距的增加，后期磁干擾將逐漸減小，可選擇磁性測(cè)量?jī)x器進(jìn)行施工。

圖6 等效磁距計(jì)算結(jié)果圖

2.鉆具組合優(yōu)化

由于需要選取兩種測(cè)量?jī)x器進(jìn)行施工，因此需要對(duì)常規(guī)定向鉆具組合進(jìn)行優(yōu)化，避免頻繁起下鉆更換儀器。優(yōu)化后的鉆具組合為“鉆頭+動(dòng)力鉆具+MWD坐鍵短節(jié)+無(wú)磁鉆鋌+GYRO坐鍵短節(jié)+鉆鋌+加重鉆桿+鉆桿”。其中MWD為磁性隨鉆測(cè)斜儀，GYRO為陀螺測(cè)斜儀。目前常用磁性測(cè)斜儀為隨鉆測(cè)斜儀器，而GYRO為單點(diǎn)測(cè)斜儀器，采用此鉆具組合可以在下入磁性測(cè)斜儀器的同時(shí)接入陀螺測(cè)斜儀坐鍵短節(jié)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要適時(shí)下入電纜進(jìn)行陀螺測(cè)量，從而減少頻繁起下鉆作業(yè)，提高作業(yè)效率。

3.現(xiàn)場(chǎng)施工情況

現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，采用了優(yōu)化后的鉆具組合進(jìn)行施工，并采用牙輪鉆頭進(jìn)行定向，利用電纜下入陀螺測(cè)斜儀器，在下入過(guò)程中測(cè)量井眼軌跡數(shù)據(jù)，下入到底坐鍵成功后測(cè)量工具面數(shù)據(jù)，然后擺正工具面，再起出陀螺測(cè)斜儀器，然后進(jìn)行定向鉆進(jìn)，鉆進(jìn)一定井段后再下入陀螺儀器對(duì)井眼軌跡進(jìn)行復(fù)測(cè)，修正已鉆軌跡。磁干擾消失后采用磁性測(cè)斜儀器進(jìn)行定向和測(cè)斜。

37H井施工最近距離1.09 m，對(duì)應(yīng)井深205 m，對(duì)應(yīng)井號(hào)36；井深350 m以后與15、19、21井的最近距離分別為6.11 m、5.78 m、6.16 m。38H井施工最近距離1.27 m，對(duì)應(yīng)井深175 m，對(duì)應(yīng)井號(hào)3；井深280 m對(duì)應(yīng)11井最小分離系數(shù)1.92，井深320 m對(duì)應(yīng)31井最小分離系數(shù)1.55，井深330 m對(duì)應(yīng)12井最小分離系數(shù)1.51，井深530 m對(duì)應(yīng)3井最小分離系數(shù)1.29，其它井分離系數(shù)均大于3.0。2口井施工過(guò)程中各項(xiàng)工作正常，未出現(xiàn)蹩跳、返出水泥或者鐵屑等疑似井眼交碰信號(hào)，順利完成了防碰施工。

五、結(jié)論及建議

(1)通過(guò)理論研究，分析了3種鄰井距離掃描方法的基本原理、適用條件，并對(duì)誤差影響因素、誤差橢圓、分離系數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的研究和介紹，為兩口海上大型叢式井組加密井的設(shè)計(jì)和施工奠定了基礎(chǔ)。

(2)通過(guò)最近距離計(jì)算、分離系數(shù)計(jì)算完成了37H、38H兩口井的防碰設(shè)計(jì)，并通過(guò)優(yōu)選測(cè)量?jī)x器、優(yōu)化鉆具組合、優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)施工工藝等措施，完成了兩口加密井的防碰施工任務(wù)。

(3)井眼軌跡防碰誤差影響因素眾多，各個(gè)誤差因素的賦值目前仍然是一個(gè)難題，各個(gè)公司或者各大油田通常有比較成熟的經(jīng)驗(yàn)，但尚未形成行業(yè)統(tǒng)一觀點(diǎn)，有待進(jìn)一步加強(qiáng)研究。