丛式井井眼防碰技术

2016-10-12汪嘉洋华杰刘冰

西部探矿工程 2016年10期

关键词：井井井眼井口

汪嘉洋，华杰，刘冰

（中国石油大学＜华东＞石油工程学院，山东青岛266580）

丛式井井眼防碰技术

汪嘉洋*，华杰，刘冰

（中国石油大学＜华东＞石油工程学院，山东青岛266580）

丛式井在油田建设和采油方面有其优点，但是随着单平台内井口数目越来越多，在钻井过程中井眼碰撞的风险越来越大。丛式井井眼防碰技术作为丛式井定向钻井的配套技术，旨在降低丛式井井眼碰撞的风险。丛式井设计对于井眼防碰尤为重要。在设计中，采用邻井距离扫描计算设计井眼轨道。在施工中，与井眼轨迹监测和预测相结合的邻井距离扫描计算贯穿丛式井井眼轨迹的非安全区，尤其是直井段和定向造斜段。由于井眼轨迹误差随着井深的增加而增加，因此邻井距离扫描计算有其不足之处。防碰测距可以直接降低钻头与邻井距离及钻头位置的测量误差。

丛式井；定向钻井；井眼防碰；设计；邻井距离扫描计算；防碰测距

丛式井是指一个钻井平台上，按一定井口间距钻出2口或2口以上的一组井。它包括丛式定向井、丛式斜直井等，丛式定向井是将多口定向井和直井建在同一个井场上；丛式斜直井是将多口斜直井和直井建在同一个井场上。

它较好地克服了因地面条件所造成的各种限制，节省了工业占地，简化了地面建设，减少了热、电能损耗，节约了油田建设总投资，大大地加快了油田建设速度。而且，可以使整装油田的开采井网更加合理、优配，增加油层的裸露面积，提高采收率。同时便于采油集中建站、集中管理。

随着单平台内井口数目越来越多，井与井易发生相碰。这样会破坏已完成井的套管、井身质量低劣、填井重钻等麻烦，严重影响该丛井的竣工工期与开发投产要求。

为解决防碰问题，应遵循丛式井平台整体设计、平台内定向井单井设计是关键，现场施工技术措施是保障的原则。现场施工技术主要包括：邻井距离扫描计算、防碰测距、井眼轨迹控制、井眼轨迹预测以及对钻进中异常现象［1］的判断。

1　丛式井平台整体设计

平台的总体规划［2-3］给出的是平台位置和属于该平台的各井地下井位。如何把该平台合理地转化为各地下井位所对应的各口井井口位置（相应井数的点坐标值），确定地面与地下井位的一一对应关系，最大限度地利用地面有限平台建造面积，保证地面与地下丛式井正常施工，是丛式井平台整体设计的中心内容［4］。

解决这些问题的路线是：平台位置初选—平台井口分配方案优化—平台位置确定。

1.1平台井口位置初选

平台井口位置初选指的是平台井口位置的初步确定。平台井口位置应围绕以平台位置中心坐标为基本点排列开，考虑排列方向、排列方式和井口间距3个问题。其中排列方向应既考虑当地气候和风向又要兼顾大位移井。丛式井地面井口排列方式［5］应有利于各井组的钻机相互支援，使达到总体钻完井组的时间最短。井口间距［6］的选择主要从安全的角度进行，一般遵循以下原则：

（1）满足钻机安全施工、修井作业和安装采油设备的要求；

（2）2部或2部以上钻机同时施工时，井排距不少于30m；

（3）满足防碰要求，不会因轨迹偏移影响到邻井施工；

（4）平台上单井发生事故或火灾时，处理过程不能对其他井造成影响。

1.2丛式井组井口分配

当井口位置确定时，通过丛式井组井口分配方案优化模型，确定地面井口位置与地下井位的一一对应关系。优化目标［2］：总水平位移之和最短、总井深长度最短、总井深长度与水平位移之和最短、总钻井成本最低。

建立大型丛式井组的井口分配方案优化模型时，应在井口分配原则［6］指导下选择合适的目标函数及优化指标。

有利于丛式井组防碰设计与施工的井口分配原则：

（1）按照位置相似原则对井口和地质目标分区，同一个区域内的井口优先分配给该区域内的地质目标。对于大型人工岛平台来说，推荐做法是以井口区中心为原点，将井口区分成多个象限，每个象限内的井口优先分配给该象限内的地质目标点。

（2）前排井口（面向地质目标点）应分配给位移大、埋深较浅的地质目标，后排井口（背向地质目标点）应分配给位移小、埋深较深的地质目标。换言之，用外围的井口打位移大、较浅的地质目标，用中间的井口打位移较小、较深的地质目标。

（3）使井口与目标点连线在水平投影图上不相交或少相交，各井设计方位线在水平投影图上尽可能呈放射状分布。

平台井口位置的初选方案不同，计算的优化结果也不同。综合比较不同的优化结果，确定最终的平台井口位置和相应的井口分配方案。

2　单井轨道防碰设计

完成平台整体设计之后，平台上各井的垂深、位移、方位也相应确定下来，下步便是单井轨道防碰设计［4］。

单井轨道设计［8］就是根据地层特点，合理选择井身结构、剖面类型，设计出适合当前施工条件下，安全快速地钻达预定井位的轨道参数以指导现场施工。井眼轨道参数有造斜点位置、增降斜率、最大井斜角等，并按需要以一定间隔给出轨道上的位置参数（斜深、垂深、位移、南北及东西坐标）和井斜参数（井斜角、方位角）。

由于平台整体设计好后，其各井井眼轨道有可能相互干扰。因此，在设计时要考虑防碰问题，搞好轨道防碰扫描，便于钻井施工有利于提高钻井效率及减少井下复杂情况，这是平自丛式井轨道设计的关键，同时也直接关系到钻井施工过程安全，井且是钻井施工成败的关键。

井眼轨道参数的选择：

（1）造斜点。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处于防碰高度危险区内，是最容易发生碰撞的井段。因此，在设计井眼轨道时，必须首先确定造斜点的可取范围［9］。造斜点的上限可选择在地层相对稳定且易于造斜地层，下限可根据下式确定。

式中：H——井眼可能碰撞深度，m；

S——井口间距，井口中心距离减去钻头距离，m；

α——为井斜角，一般上部直井段井深小于1000m时，井斜角可取0.5°（仪器精度误差+其他因素误差）。

在允许的造斜点深度范围内，同排邻井的造斜点深度应相差50m左右。如果是多排井口，并实施同向钻井，那么，对应后排井口井眼的造斜点应深于前排井口井眼造斜点100m以上，使井眼轨迹形成垂直深度差距。

（2）井眼曲率的选择。井眼曲率不宜过小，以免造斜井段过长，增加轨迹控制的工作量。井眼曲率也不宜过大，以免造成钻具偏磨、摩阻过大、产生键槽和给其他井下作业（如测井、固井、射孔、采油等）带来困难。常规定向井设计时，应控制井眼曲率最大值最好在1.5°/30m～4°/30m之间，最大不超过5°/30m。

为了保证造斜钻具和套管安全、顺利下井，必须对设计剖面的井眼曲率进行校核。应该使井身剖面的最大井眼曲率小于井下动力钻具组合和下井套管抗弯曲强度允许的最大曲率值［5］。

井眼曲率的选择还应考虑造斜工具的实际造斜能力。

（3）最大井斜角［5］。大量定向井钻井实践证明，当井斜角小于15°时，方位不稳定，容易漂移。当井斜角大于45°时，测井和完井作业施工难度较大，扭方位困难，转盘扭矩大，携岩难度较大，并易发生井壁坍塌等现象，发生阻卡的几率较高。所以，一般将常规定向井的最大井斜角尽可能控制在15°～45°之间。

3　浅表层井眼轨迹控制技术

由于丛式井井口距一般都小于5m，造斜点低于500～600m，加之各邻井造斜点深度上下错开50m左右。因此，不可避免的会出现浅表层定向造斜。在浅表层定向钻井施工中，严格控制井眼轨迹保证在其自身安全圆柱内钻井尤为重要。直井段与造斜段的轨迹控制需要防斜打直钻进技术浅、表层大井眼定向技术作为保障。

3.1直井段防斜打直钻进技术

直井段是防碰作业的基础，因此防斜打直钻具的选择十分重要。

在地层造斜效应不太严重的情况下，采用常规的满眼钻具组合，可以采用较大的钻压，从而增加钻头的机械能量以提高破岩效率和钻进速度。需要注意的是：满眼钻具组合只适合于防斜或稳斜，而绝不可以用于纠斜作业。

在易斜地区打直井时，采用钟摆钻具组合［10］，通过“吊打”来实现防斜或纠斜，但制约了机械钻速。

3.2大井眼定向技术

在表层大井眼定向［11］过程中，考虑到地层软，井径扩大率大，容易使单弯扶正块失去作用，故选用带弯接头的动力钻具进行定向造斜。定向过程中为防止造斜率过高，采用了改变工具面角度和分段复合钻进等方法来控制造斜率。

而且，由于井眼间距较小，磁干扰比较严重，井眼防碰采取先对邻井防碰井段进行陀螺测量，然后进行邻井距离扫描计算。当避开磁干扰后，再采用有线随钻测量的方式钻井，以达到防碰的目的。

3.3绕障与预斜

对于表层防碰形势严峻的部分井来说，表层预斜是不错的选择。因此，设计时进行了绕障处理，人为使轨迹在上部井段向四周发散，及早远离平台和井眼密集区域，减轻中上部井段的防碰压力［12］。

4　井眼轨迹预测与邻井距离扫描

目前的钻井轨迹监测技术的不足是不能实现连续监测；监测仪器的方向参数传感器离钻头有一段距离（一般为4～17m）；测量与显示不同步。导致测点与钻头之间存在盲区。在施工中需要及时了解当前钻头的方向参数及待钻井眼延伸趋势，目前的监测技术都无法实现。定向钻井施工过程中，预测正钻井待钻井眼与邻井井眼是否相碰十分重要［13］。

若以正钻井离当前井底最近一点的井斜、方位随井深变化趋势来预测待钻井段轨迹，则主要有下列4种情况：

（1）保持井斜、方位不变——稳斜、稳方位；

（2）以该点井斜变化趋势改变井斜，又以该点方位变化趋势改变方位——变斜、变方位；

（3）只以该点井斜变化趋势改变井斜，而方位保持不变——变斜、稳方位；

（4）井斜保持不变，而方位以该点方位变化趋势改变——稳斜、变方位。

上述待钻井眼轨迹分析，目的是由给定预测井深Li确定该井深下井眼相对于井口的坐标（Hi，Ni，Ei）。通过邻井距离扫描计算预测待钻井眼与邻井井眼有无碰撞的危险。分析步骤如下：

（1）井眼轨迹计算。求解待钻井眼轨迹方程组。通过插值法算出邻井井眼轨迹。

（2）邻井距离扫描。通过通过邻井距离扫描，可以确定正钻井待钻井眼轴线上任意一点F1i（H1i，N1i，E1i）与邻井井眼轴线上一点F2i（H2i，N2i，E2i），同时求出两点间的距离及相对方位，进而在极坐标平面上做出邻井距离扫描图。

F1i（H1i，N1i，E1i）为正钻井待钻井眼轨迹井深为Li时的点坐标。井深为Li时，垂深H1i，南北分量N1i、东西分量E1i。

根据邻井距离扫描［14］的不同原理，邻井井眼轴线点F2i（H2i，N2i，E2i）的求解有以下3种方法：

①邻井法面距离扫描。过正钻井待钻井眼轴线上任意一点F1i（H1i，N1i，E1i）的切线的法面与邻井井眼轴线的交点，即为F2i（H2i，N2i，E2i）；

②邻井最近距离扫描。以正钻井待钻井眼轴线上任意一点F1i（H1i，N1i，E1i）为球心，做半径不同的无数同心球，其中与邻井井眼轴线刚好接触的球的半径即为2井最近距离，接触点即为F2i（H2i，N2i，E2i）；

③邻井平面距离扫描。过正钻井待钻井眼轴线上参考点F1i（H1i，N1i，E1i）做水平面，水平面与邻井井眼轴线相交的点，即为F2i（H2i，N2i，E2i）。

（3）轨迹控制。当扫描距离接近两井井眼轨迹计算误差椭球半径之和时，重新进行防碰设计，进而调整井斜、方位进行井眼轨迹控制以达到远离邻井井眼的目的。

5　防碰测距

邻井距离扫描扫描是通过两相邻井眼轨迹上的两空间点连线所确定的距离和扫描角确定相邻井眼是否存在碰撞的风险。防碰测距是通过数据采集确定相邻两井间的相对距离和位置。

5.1地面防碰监测

地面防碰监测系统［15］的工作原理：钻头在破碎岩石的过程中会在井底处产生振动波，该振动波不但会沿着在钻井的钻柱向上传播，还会通过地层和套管传至在钻井和邻井的套管头上。通过安装在在钻井和风险邻井套管头部位的传感器，采集钻破碎岩石时产生的振动波，然后对振动信号进行分析处理，当钻头振动信号的幅值超过防碰报警阀值时，软件系统发出报警信息，实现监测系统预测钻头邻井套管碰撞风险的功能。

5.2声波测距

声波测距［16］的工作原理：通过在成井中放置3个以上的水声传感器检测震动能量，根据能量的变化特征分析判断钻头到成井的实际距离的变化趋势。测量点随着新井钻进深度而变化，但传感器的相对距离是固定的。这样，通过震动能量变化计算出钻头与成井距离的变化，当这个距离小于某个距离时，报警预警，以防事故发生，其原理示意图如图1所示。

图1　声波测距原理图

5.3磁测距

磁测距技术［17］包括“无源”技术和“有源”技术。无源磁测距技术有时被称为静磁技术。通常是指采用放置在新井中的测量装置测量老井中的余磁或剩磁。有源磁测距技术通常是指在老井和新井中的一个井测量另一个井内形成的一个或多个磁场。

在有源磁测距技术中，磁场源可以是恒定的，也可以是变化的。

恒定磁场测量方案：信号发生设备置于地下，分别可以选择永磁体或者直流电；测量设备同样置于地下，即SWMD磁通门测量设备。

变化磁场测量方案：信号发生设备置于地下，测量设备同样置于地下。变化磁场源可以由电磁铁例如通过交流电的变化电信号驱动以产生变化磁场的螺线管组成。作为备选方案，变化磁场源也可以由被旋转以产生变化磁场的永久磁铁组成。

6　结论

为解决防碰问题，应遵循丛式井平台整体设计、平台内定向井单井设计是关键，现场施工技术措施是保障的原则。在设计中，通过整体防碰设计和单井轨道防碰设计，达到降低井眼碰撞的风险。在定向钻井过程中，直井段和定向造斜段是防碰的关键井段，要严格控制上部井段的井眼轨迹，通过邻井距离扫描（或防碰测距）反映正钻井眼相对于邻井的距离和位置，以便及时调整井斜和方位进行控制。而当表层防碰形势严峻时，表层预斜可以减轻中上部井段的防碰压力。

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