救援井探测定位方案设计研究*

李峰飞 蒋世全 周建良 李迅科

(中海油研究总院 北京 100028)

救援井探测定位方案设计研究*

李峰飞 蒋世全 周建良 李迅科

(中海油研究总院 北京 100028)

李峰飞,蒋世全,周建良，等.救援井探测定位方案设计研究[J].中国海上油气，2017,29(4)：118-122.

LI Fengfei,JIANG Shiquan,ZHOU Jianliang,et al.Research on the design of ranging plan for relief wells[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(4):118-122.

救援井和事故井的相对位置存在误差，需要借助于专用的探测定位工具实现救援井与事故井的连通，并最终控制事故井。分析了救援井和事故井相对位置不确定性以及目前常用探测定位工具性能及适合工况，给出了连通点及初始探测点位置确定的选择方案; 结合救援井钻井工艺，设计了不同阶段的救援井探测定位作业流程, 提出了提高测距范围及探测精度方法。本文的相关研究成果已在海上多个救援井备用设计方案中得到成功应用，可以为救援井探测定位方案设计及作业实践提供参考和技术指导。

救援井; 探测定位; 方案设计; 作业流程; 方法研究

海上油气井发生严重井喷事故后,由于平台甲板面积有限和可动用资源较少，难以对事故井有效实施控制，尤其是在井喷爆炸着火之后往往会造成平台的损毁，无法实施井口作业，因此一般采用救援井连通事故井实施压井作业控制事故井。深水区多采用浮式钻井平台进行钻井作业，井控风险更为巨大，三级井控技术能力一般无法满足需要，因此需要进行救援井的技术储备和研究[1-6]。由于存在事故井和救援井轨迹误差椭圆，通过传统的陀螺、MWD等测斜仪器实现救援井与事故井的准确定位连通具有很大的技术难度，需要通过专用的测距定位工具确定救援井与事故井的相对位置。而测距作业是救援井作业过程中最重要的环节，因此有必要对救援井探测定位作业进行研究分析，以期对我国救援井设计作业尤其是海上救援井设计作业提供相应的指导和参考。

1 救援井探测定位作业难点分析

1.1 救援井与事故井相对位置不确定性分析

救援井与普通定向井最大的区别之一在于中靶目标不同。普通定向井的中靶精度一般在30 m左右，且不考虑各种误差引起的轨迹不确定性；但对于救援井而言，其中靶目标为事故井井眼，中靶目标精度一般控制在0.3 m以内，因此必须考虑救援井和事故井之间的相对位置确定性。

救援井设计中重要的环节之一是分析救援井与事故井之间相对位置的不确定性，以确定初始测距深度、救援井启动数量、救援井轨迹以及所选用的切入角。救援井与事故井相对位置不确定性分析包含井口位置不确定性和井眼位置不确定性分析。

1) 井口相对位置不确定性。

对井口相对位置进行分析，应将井口相对位置不确定性控制在±1 m之内。在救援井作业中，井口位置的绝对精度相对于救援井和事故井相对距离及方位的精度并不重要。在平台就位后根据实际情况选用合适的测量方法。对于海上平台，当井口可视并且可到达时，可使用GPS及陆地测量技术(激光、经纬仪)来进行相对井口位置的精确测量；当井口可视但不可靠近时，可采用陆地三角测量定位法。对于水下井口，可采用声呐三角测量法来实现定位。

救援井及事故井方位坐标系统必须建立精确的收敛角，并精确转化为统一的真北或磁北坐标系统。一般应使用真北系统，以避免混淆或出现可能的收敛角错误。同时应考虑救援井区域的磁偏角的修正，通过相应位置的经纬度来获得地磁模型并进行修正。

2) 井眼相对位置不确定性。

井眼相对位置不确定性直接决定了救援井设计、定向设计作业以及测距作业，是救援井设计作业的关键环节之一。井眼相对位置不确定性主要由轨迹计算公式不同、测深误差、测斜仪器精度、磁偏角误差、BHA及地层磁干扰、磁化校正误差、钻具变形、传感器不对中系统误差等因素引起。在救援井测距作业前，应结合井口相对位置不确定性分析和上述影响因素对事故井相对位置不确定性进行重新研究分析，以消除系统性误差，确保救援井和事故井之间的相对位置不确定性处于可接受水平[7-8]。

1.2 救援井探测定位工具性能对比

目前救援井探测定位系统主要是电磁和静磁探测定位2种系统，其中电磁探测定位系统又称主动系统、静磁探测定位系统又称被动系统。电磁系统通过向地层发射电流，检测其在事故井套管、落鱼上汇聚电流所产生的磁场来实现定位，目前仅有哈里伯顿公司的Wellspot系列工具。静磁系统通过MWD等测斜仪器的磁通门传感器检测事故井套管、落鱼剩余磁场，经过专用软件处理分析后实现定位，专用分析软件目前主要有哈里伯顿公司的PMR(Passive Magnetic Ranging)系统和美国科学钻井公司的Magtrac系统[9-13]。救援井静磁和电磁探测定位工具性能及应用工况对比如表1所示。

表1 救援井电磁、静磁探测定位工具性能及应用工况对比Table 1 Performance and application comparison of the active and passive ranging tools

由于救援井电磁探测系统有更高的探测范围和精度，更易引导救援井连通事故井，一般情况下可以取代静磁探测定位系统。但由于测距距离的不同，在套管鞋处连通及地层电阻率过大时静磁探测定位系统仍然具有优势。

2 连通点及初始测距点位置确定

2.1 连通点位置确定

连通点位置确定一方面要考虑对于事故井的控制，另一方面需要考虑探测定位方案对于连通的可能性及轨迹和定向技术需求。对于全井段均有可探测目标的事故井，一般选取喷层顶部作为连通点位置，以利于实施压井作业控制事故井。对于喷层上方无可探测目标的事故井，一般选取最后一层套管鞋位置上下10 m的范围内作为连通点位置，既保证可探测定位连通，同时可使连通位置尽可能靠近喷层，以便于压井成功。

2.2 初始测距点位置确定

基于连通成功率、工期和防碰方面要素的考虑，初始测距点的位置对于救援井作业极其重要。初始探测点位置的确定一般遵循下述2个原则：①该点处救援井和事故井轨迹误差椭圆分离系数≥1；②救援井探测定位工具探测半径能涵盖事故井与救援井轨迹误差椭圆。

设救援井与事故井的中心距为C，探测定位工具的探测半径为R，救援井轨迹误差椭圆长轴半径为Rrw，事故井轨迹误差椭圆长轴半径为Rbo，Sf为分离系数，SF为允许的安全分离系数值，则在探测范围可完全覆盖事故井误差椭圆和不能完全覆盖事故井误差椭圆2种情况下初始探测点的选择方案如图1所示。

图1 救援井初始探测点位置选择方案图Fig .1 Location selection of the relief well’s first ranging point

(1)

当探测定位工具探测半径R足够大，且能在Sf≥SF的位置覆盖全部事故井轨迹误差椭圆时，可选取在探测半径刚刚可以涵盖事故井轨迹误差椭圆的位置作为初始探测点，如图1a所示，此时满足

(2)

(3)

当探测定位工具探测半径R不够大或者救援井及事故井轨迹误差椭圆过大时，可选取在Sf=SF的位置作为初始探测点，既满足防碰要求并避免提前连通，同时尽可能靠近事故井进行测距作业，如图1b所示，此时满足

(4)

(5)

在救援井测距作业前需要开展专门的轨迹误差分析，可以使井眼位置精度得到较大提高，但考虑救援井连通特性时SF大于1.0即可。

3 探测定位作业流程设计

救援井探测定位作业分为定位、引导跟踪和连通3个作业阶段。定位阶段是按照预先设计的测距方案，从设计的初始探测点开始探测到目标事故井位置；引导跟踪阶段是在实现定位后到连通前的测距作业，主要保证事故井处于救援井可探测范围内，并避免提前连通；连通阶段主要是保证救援井能按照设计的轨迹钻至事故井足够近的位置，建立与事故井的连通通道，实施压井作业控制事故井[14]。本文设计的救援井探测定位作业各阶段流程如图2所示。

图2 救援井探测定位作业各阶段流程图Fig .2 Flow chart of the relief well ranging stage

4 提高测距范围及探测精度方法研究

4.1 定向作业提高探测范围及精度

在救援井定向作业过程中，当救援井与事故井连通点间有足够的间隔可以进行轨迹调整并以较小切入角(1°～4°)连通时，可设计救援井轨迹以Bypass方式进入事故井误差椭圆，以增大探测范围，最终实现事故井的精确定位，其方法如图3所示。

图3 Bypass法增加探测范围示意图Fig .3 Diagram of increasing detection range by Bypass

当救援井与事故井连通点不具备足够间隔或只能以较大切入角连通事故井时，可以设计救援井轨迹以较大切入角(>30°)穿越事故井进行探测定位，然后回填侧钻直到精确定位事故井后建立连通，最终实现事故井的控制(图4)。一般情况下，至少需要侧钻2次才能精确定位事故井位置，如果2次侧钻仍不能定位事故井，可适当增加侧钻次数，尽可能大地扫描事故井误差椭圆，以提高探测范围。

图4 侧钻回填法增加探测范围示意图Fig .4 Diagram of increasing detection range by sidetracking

4.2 三角测量法提高探测精度

由于原理限制，救援井探测定位工具在距离和方位测量上均有一定的误差，其测量结果为一个近似梯形的误差区域(以距离误差±20%、方位精度±3°为例，如图5所示)。在实际的救援井作业过程中，可以通过三角测量的几何定位方法进一步消除误差范围，提高测量精度。三角测量法提高探测精度原理如图5所示。

图5 三角测量法提高探测精度原理图Fig .5 Principle of triangular surveying to improve the detection accuracy

5 结束语

针对救援井设计作业中救援井与事故井相对位置不确定性、探测定位工具性能、连通点及初始探测点位置选择、测距作业流程设计以及提高测距范围及探测精度方法等技术问题进行了研究分析，给出了具体实施方案。本文相关技术研究成果已在中国海油多个深水井的备用救援井方案设计中得到了成功应用，可以为救援井探测定位方案设计及作业实践提供参考和技术指导。

[1] 李峰飞，蒋世全，李迅科，等.海上救援井设计关键技术分析[J].中国海上油气，2015,27(1)：86-90,106.DOI：10.11935/j.issn.1673-1506.2015.01.014.LI Fengfei,JIANG Shiquan,LI Xunke,et al.The study on key factors of the offshore relief well design[J].China Offshore Oil and Gas,2015,27(1):86-90，106.DOI：10.11935/j.issn.1673-1506.2015.01.014.

[2] 李峰飞，叶吉华，阳文学.电磁探测定位系统及其在救援井设计中的应用[J].石油钻采工艺，2015,37(1)：154-159.LI Fengfei,YE Jihua,YANG Wenxue.Application of electromagnetic detection and location system in the design of relief well[J].Oil Drilling & Production Technology,2015,37(1):154-159.

[3] 李峰飞，蒋世全，李汉兴，等.救援井电磁探测工具分析及应用研究[J].石油机械，2014,42(1)：56-61.LI Fengfei,JIANG Shiquan,LI Hanxing,et al.Analysis of electromagnetic probe for relief well[J].China Petroleum Machinery,2014,42(1):56-61.

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(编辑：周雯雯)

Research on the design of ranging plan for relief wells

LI Fengfei JIANG Shiquan ZHOU Jianliang LI Xunke

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

Usually a relief well can not hit the blowout well with the first trial, and need ranging tools to realize the junction between them and kill the latter.The uncertainty of their relative positions, as well as the performance of currently-used ranging tools and the environment suitable for their functioning, were analyzed.The selection scheme of the injection point and the first ranging point were given.Combined with the drilling technology for the relief well, the ranging plans for different stages were designed, and the methods to improve the reach and accuracy of the ranging were proposed.The results of this paper have been successfully applied in the backup design of several offshore relief wells, providing reference and technical guidance for the design and implementation of relief well’s ranging plan.

relief well; ranging; plan design; operation process; method research

李峰飞，男，高级工程师，2010年毕业于中国地质大学(武汉)，获博士学位，主要从事深水钻完井相关研究工作。地址：北京市朝阳区太阳宫南街6号院海油大厦B座808室(邮编：100028)。E-mail:liff2@cnooc.com.cn。

1673-1506(2017)04-0118-05

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.04.015

TE28

A

2016-07-02 改回日期：2017-02-01

*“十二五”国家科技重大专项“深水钻完井工程技术(编号：2011ZX05026-001)”部分研究成果。