侧钻井过程中的井眼防碰计算及应用

夏 磊

（胜利石油管理局 黄河钻井总公司，山东 东营 257000）

在侧钻井施工过程中，两井眼因种种原因导致井眼相碰，必然会带来巨额的经济损失，其主要表现有：需要修补破损的生产井套管带来的损失；钻井液顺着破损套管漏失，造成钻井成本的增加；需要起钻封固下部井段并重打井眼，由此导致原井眼的报废及施工时间的增加；若被碰撞井为生产油井，则应估量影响油井产量的损失。因此对施工井周围进行防碰扫描，找出与该井存在碰撞可能的井，并在钻进过程中对各井眼的空间关系及趋势做出准确预测，进而采取相应的针对措施，尽量避免两井在钻进过程中相碰，对现场施工具有重要的指导意义［1－2］。

1 井眼相碰概述

1.1 井眼相碰的形式

依据两井眼之间的相互位置关系，可将井眼相碰分为以下两种形式：

（1）斜向器斜面方向与待钻井眼方向（设计井眼轨迹方向）大致相同，如图1所示。这种碰撞产生的主要原因是开窗点附近的固井质量不好，且地层较松软，导致随钻过程中钻头顺着套管下移，仪器因磁干扰大而读数不准，影响下步施工。

（2）斜向器斜面方向与待钻井眼方向（设计井眼轨迹方向）相反，见图2。这类碰撞产生的主要原因是由于斜向器座封时斜面方向偏离了设计井眼轨迹方向，在轨迹控制过程中疏忽了待钻井眼方向与原井眼之间的位置关系，而没有实施有效的防碰绕障作业。

图1 斜向器斜面方向与待钻井眼方向大致相同示意图

图2 斜向器斜面方向与待钻井眼方向相反示意图

1.2 井眼相碰现象

（1）定向钻进过程中，在工具面及钻压恒定的情况下，钻压突然升高，机械钻速下降，钻柱不断震动［3］。

（2）旋转钻进过程中，钻压突然升高，机械钻速下降，转盘扭矩变大且震动剧烈。

（3）DST地面主机显示磁场强度Bt和磁通量Dip超过正常水平（55左右）。

（4）返出的岩屑中水泥含量高，同时含有铁屑。

（5）邻井套管有撞击声。

（6）钻具突然放空。

1.3 钻进过程中的防碰作业程序

（1）每口井施工前必须要做出目标井与已施工井的防碰扫描，扫描间隔为2m。做出防碰扫描图后与施工井队进行技术交底，根据结果（书面）提示施工井队危险井段施工时注意防碰。

（2）整体施工方案的确定。如果有施工井的设计，在LANDMARK软件中作出整体设计，确定一个整体施工方案。

（3）定向施工时，在造斜点附近与其他邻井进行防碰扫描计算，如果扫描结果小于5m，有可能出现磁干扰现象。在开始定向时需在同井深测量三个以上的数据，判断有无磁干扰，如果有磁干扰，施工中应随时注意数据的变化，如与预测有差别要找出原因。在钻进危险井段前提示司钻注意观察，如出现蹩钻现象，返出水泥、铁屑，必须立即停钻，注意观察，分析原因，并通知相关领导，等候措施。

（4）施工过程中要随时根据实钻轨迹进行防碰扫描计算，预测下一井段的防碰情况，及时调整轨迹，确保施工的顺利进行。

（5）待钻井眼与防碰井眼距离比较近，不能确定是否相碰的情况下，绕障困难，可以考虑用原始钻进的方式（不带井底动力钻具，常规旋转钻具带牙轮钻头）旋转钻进，钻进过程中适当减小钻压，严密监视钻进参数变化和返出岩屑情况。钻过复杂防碰井段后，恢复正常钻进。

（6）防碰井段的待钻井眼，设计方位在东西方向即90°和270°方向附近要特别注意，在这个方向的磁性参数受干扰几率最大，有必要、有条件的时候要加大测量仪器的无磁环境，保证测量数据的准确性。

1.4 侧钻井井眼相碰补救措施

出现井眼相碰现象时，应采取以下措施：

（1）停止钻进，上提钻具3m左右，同时下调柴油机转速，将泵的排量降至20冲／min，提离至安全井段后，排量可提高至正常，严禁在井底大排量循环。

（2）用仪器长测量模式进行测斜，观察磁场强度是否在正常范围内（±2%）。

（3）泵入稠钻井液将岩屑携带出来，由地质监督判断岩屑中是否含有水泥及铁屑。

（4）如果岩屑中水泥含量高并含有铁屑时，起钻前在钻杆内投入多点测斜仪测量该井眼轨迹，用LANDMARK防碰软件分析本井和相碰井的井眼轨迹，进行绕障作业，并作出防碰方案。

（5）更换三牙轮钻具后下钻至遇阻位置，转盘采用低转速，旋转转盘并加压尝试快速通过该点，转盘转速40～50r／min，钻压小于1t。

（6）如果仍不能通过该点，用陀螺选择合适的绕障点进行定向绕障。绕障时，使用陀螺定向，采用较低的钻压和转速绕障滑动钻进，进尺不超过3～5 m；并密切观察岩屑中水泥和铁屑含量，每2m捞砂一次，直至钻入安全井段；绕障后加密测点（测点间隔10～15m），用定向井软件跟踪井眼轨迹，防止与其他邻井再次相碰，造斜钻进至安全井段后循环继续钻进；如绕障不成功，起钻打水泥塞封堵原井眼，进行新的绕障设计和施工。

2 防碰扫描参数计算

防碰扫描是在侧钻井过程中预防井眼碰撞，进行安全钻进的基础。该技术经过不断发展，已形成最近距离扫描、法面距离扫描以及平面距离扫描等方法。最近距离扫描主要用于邻井之间的防碰计算，法面距离扫描主要用于比较实钻轨迹与设计轨迹之间的偏离程度，平面距离扫描主要用于计算侧钻井的靶心距。在施工过程中，监测实钻轨迹和进行轨迹控制时，通常将障碍井作为比较轨迹，而将需要监测的设计轨迹或实钻轨迹作为参考轨迹。由于侧钻井一般为斜井，故以下将用最近距离扫描法进行说明。

2.1 扫描距离

图3为空间状况下侧钻基准轨迹和比较轨迹示意图，以此来分析钻深某点P的扫描距离，预防井眼碰撞。

如图3所示，取基准轨迹上某点P，由两点间的距离公式得出，比较轨迹上任一点与P点之间的距离为

若要求其最近距离，则须满足条件：

图3 最近距离示意图

由于比较轨迹上任一点的坐标（X，Y，Z）是其井深L的函数，所以将式（1）代入到式（2）中可以得到距离P点最近的C点。其结果为

式中，αC为C点的井斜角，（°）；φC为C点的方位角，（°）。

令

将比较井上相邻计算点或测点的坐标依次代入式（4），若f（Li－1）f（Li）≤0，则说明C 点位于测段［Li－1，L］上。然后在井段［Li－1，L］用插值法计算出C点［4］。显然，当P点沿参考轨迹移动时，在比较轨迹上可以得到一系列的C点。通过计算二者之间的最近距离，可以绘制出最近距离扫描图，以形象直观地展示出比较轨迹与参考轨迹之间的最近距离及其变化趋势。

2.2 扫描角

要确定两个空间点的相对位置需要三个参数，因此，表述C点相对于P点的方位（图4），可以定义扫描角和法面偏角。

从物理意义上讲，P－RS所确定的平面是基准轨迹上P点的法面，将C点投影到该法面上得到D点。以R轴为始边，绕Q轴顺时针（转向S轴方向）转至D点所走过的角度即为扫描角θn，它的值域为［0，360°］，而PC线与该法面的夹角，即为法面偏角βn，它的值域为［－90°，90°］［5］。于是，法面扫描角θn和法面偏角βn的计算公式为

其中，C点在P－RSQ坐标系下的坐标为

图4 扫描角及法面偏角示意图

根据式（7）计算的扫描角结果可以准确判断钻进过程中井眼的前进趋势，结合最近扫描距离计算，顺利完成侧钻井防碰绕障直至中靶。

3 防碰计算在现场的应用

3.1 防碰目标的确定

永8－侧斜13井是东辛采油厂的一口侧钻井，该井轨道设计中井斜角由2.6°增至30.1°，方位角由306.31°降至168.45°，且周围共计11口防碰井，如何在这些井中找出真正需要防碰的井是问题的关键。先用LANDMARK软件做防碰扫描计算，结果见表1。

表1 防碰扫描结果

从表1中可以看出，有4口井与永8－侧斜13井最近距离在50m之内，应进行实时监测。为了进一步筛选目标井，需要监测永8－侧斜13井与这几口井开窗点处的方位角以及变化趋势，见表2。

表2 永8－侧斜13开窗点处数据

从表2中可以看出，只有永8－斜53井的方位角在设计井的方位角变化区间（306.31°降至168.45°），故以永8－斜53井作为防碰目标，并将该井资料数据输入LANDMARK软件中实时监测。图5为永8－斜53井侧钻平面投影图。

图5 永8－斜53井侧钻平面投影图

3.2 实钻过程控制

将永8－侧斜13井轨道设计与永8－斜53井陀螺数据进行软件防碰分析，两井水平投影仅为一点相交，且最小垂深差为7.26m，故在实钻增斜段时及时调整方位角及井斜角，避免浪费增斜段长；稳斜段调整钻具组合突出稳斜效果，并将实钻井眼及预测井眼实时进行防碰扫描，确保该井安全完钻。

4 结束语

在侧钻井钻进过程中，井眼相碰必然会造成巨额的经济损失，及时的防碰扫描决策及相应措施可以减小发生此类事故的概率；侧钻井防碰需要综合运用最近距离扫描结果，对空间位置变化进行判断。在施工过程中，计算井眼轨迹间的最近距离固然重要，但预测井眼之间的变化趋势往往对防碰预防的指导更为重要。建议在实际施工过程中，采用最近距离扫描计算与井眼轨迹变化趋势联合对比的方式进行判断，以提高决策的准确性。

［1］席宝滨，刘刚，刘彪.钻井过程中的井眼防碰分类和计算［J］.内江科技，2009（11）：81-82.

［2］王飞跃，刘峰刚，薛艳，等.防碰扫描方法在丛式钻井中的应用［J］.辽宁化工，2010，39（9）：925-928.

［3］魏刚，张春琳，邵明仁.小井距密集丛式定向井防碰技术［J］.内蒙古石油化工，2010（2）：99-101.

［4］刘修善，艾池，王新清.井眼轨道的插值法［J］.石油钻采工艺，1997，19（2）：11-14.

［5］高德利，韩志东.邻井距离扫描计算与绘图原理［J］.石油钻采工艺，1993，15（5）：21-29.