密集丛式井磁干扰情况下防碰判断与控制方法

刘永辉， 李 然， 朱宽亮

(中国石油天然气股份公司冀东油田分公司)

0 引言

南堡滩海利用人工岛及陆岸平台采用丛式井组(井口间距最小4 m)开发，随着开发进程的发展和地质认识的进步，加密调整井及滚动扩边井增多。由于滩海环境敏感，钻井平台征地困难，往往一个丛式井平台根据开发部署经过多轮次“整体”部署已不同于一次性整体部署，同一平台开发时间跨度大、新老井眼轨迹空间交叉密集，对新钻井防碰风险增加，特别是上部井段的防碰问题特别突出。井眼交碰风险评估指标有最近距离法、分离系数法及交碰概率法。除了最近距离法外，都要基于一定的井眼轨迹误差模型。在轨迹测量过程中存在很多因素影响其测量精度，即轨迹空间位置有很大的不确定性，研究人员在轨迹误差模型方面有大量研究，应用最多的是误差椭球模型。但是在实际应用中会发现，由于井眼轨迹测量年代、仪器质量等因素影响，新钻井井眼轨迹与不同年代形成的井眼轨迹，建立误差模型的各误差源误差大小是不同的，很难分别确定。也不是所有年代较久的井都具备利用陀螺测斜仪进行复测的条件。目前在定向井防碰的施工中，主要采用最近距离辅助以分离系数的方法跟踪井眼轨迹变化，通过监测磁场强度变化等与井眼碰撞有关的征兆来避免井眼碰撞事故的发生。

1 常规防碰扫描方法及实践中存在的不足

在轨迹测量过程中存在传感器误差、测量深度误差、不同轴误差、磁偏角误差等多种因素影响其测量精度，钻井工程研究人员在轨迹误差模型、防碰风险评估、丛式井防碰设计等方面做了大量研究[1- 9]，在很大程度上避免了井眼碰撞风险。其中ISCWSA轨迹误差模型被业界普遍认可和使用[8- 9]，在防碰设计与施工方面使用最多的软件是Landmark的Compass模块，有3D最近距离扫描、法面扫描及水平面扫描3种常用方法，如图1所示。

图1 井距扫描方法示意图

南堡油田利用密集丛式井平台采用海油陆采模式，随着勘探开发的发展，加密调整井不断增多，已完钻井眼轨迹空间展布越来也越密集，极大压缩了新钻井安全钻井的空间，例如南堡1- 3人工岛面积约200亩，已完钻200口井，根据开发部署将继续增加钻井数量。新钻井不得不从老井轨迹的误差椭圆范围内钻井，其分离系数小于1，但通过严格的防碰设计与施工，都实现了安全钻井。例如X1060井(2014年12月完钻)实钻与邻井分离系数小于1的井有4口井。因此依据安全分离系数进行钻井防碰设计，难以实现有限空间的最大化利用。

由于同一平台钻井先后施工间隔长，在不能统一测量仪器、统一钻井工具、统一施工队伍的情况下，其不同轨迹的误差椭球半径是不同的，在实际操作中难以分别确定。在采用同一误差模型和计算参数的情况下，即使防碰扫描是安全的，也有可能出现井眼严重交碰的情况。X165井(2016年12月)二开钻进至749 m(测点位置730 m)测斜发现磁干扰，但泵压、钻压、扭矩等参数正常。利用Compass软件采用ISWC误差模型经过防碰扫描发现与 X72井(2008年12月完钻)距离最近，根据防碰扫描结果，无论是水平面法还是3D最近距离法，分离系数均大于2.5，且中心距离10 m以上，两井距离都处于安全状态。现场对X165进行电测发现在729 m处有套管磁信号反应，与X72井695 m处套管接箍位置对应(相同海拔位置)，与水平面法扫描的最近距离情况一致，综合判断有碰撞风险。现场通过打水泥塞侧钻，调整轨迹，避免井眼碰撞事故发生。

2 基于磁干扰井眼位置关系的防碰方法

对于密集丛式井防碰监测与控制，国内有研究采用光纤随钻陀螺仪以避免磁干扰和提高测量精度[10]，但其服务费用相对高。基于钻头振动波防碰监测技术进入现场应用[11- 13]，受振动波衰减的影响，该技术在浅层防碰监测效果明显，但不适应于深部钻井防碰监测。李翠等在邻井随钻电测测距技术方面进行了尝试研究[14]。中国石油大学(华东)等机构研究了套管周围磁场分布与对轨迹测量数据的影响规律[15- 16]，刘洪亮等初步研究了MWD 磁干扰强度与邻井套管距离的确定方法[17]，为基于MWD磁干扰的钻井防碰监测与控制奠定了理论基础。

在现场定向井施工中，通过监测MWD磁参数的异常变化是规避正钻井与比较井(邻井)碰撞的一个重要手段，但是MWD与钻头有一定的距离，当发现磁干扰时，很有可能已经与邻井发生碰撞，因此明确正钻井与比较井的位置关系是很重要的。

2.1 异面角确定的位置关系

在不同轨迹上两个防碰点的相对位置根据南北坐标、垂深数据能很快确定，基于MWD磁干扰监测预测钻头与邻井套管是否有碰撞风险，还需要确定它们之间的角度关系。一般情况下，两个井眼轨迹在空间上是不同面的，如图2所示。

图2 异面角示意图

PA′是轨迹一上A点处井眼方向线的平行线，PB′是轨迹二上B点处井眼方向线的平行线。PA′与PB′相交于P点，θ为PA′和PB′所成的夹角，称A点处井眼方向线与B点处井眼方向线之间的异面角。在进入防碰井段后会加密测斜，当发生磁干扰时测量的方位角是失真的，这时根据前3个测点数据可较准确地预测发生磁干扰处测点的方位角。

(1)

θ=arccos[sinαA·sinαB·cos(φA-φB)+cosαA·cosαB]

(2)

其中：

2.2 切入角

钻具与邻井相碰时，钻具所在直线与邻井碰撞井段上过碰撞点的井眼方向线形成的夹角定义为切入角,切入角是异面角的特例。在MWD仪器磁参数传感器能够测量到的磁干扰最大距离，刚好发生碰撞时的切入角，为临界切入角θl。

θl=arcsin(lc/ld)

(3)

式中：θl—临界切入角，°；

lc—仪器能够感应到的最大磁干扰距离，m；

ld—磁测点距钻头的距离，m。

2.3 MWD工具感应磁干扰的距离

根据冀东油田市场常用的海蓝YST- 48R无线随钻仪的探管进行的磁干扰分析表明，套管距离仪器2.5～3 m时开始有磁干扰，距离小于2.5 m磁干扰随距离的缩小而显著变大，可忽略仪器井斜、方位、工具面等因素对磁干扰强度的影响[17]。因工具种类及制造商不同，MWD能探测到磁干扰的距离有一定差异，需要制造商提供或通过试验获取。

2.4 井眼碰撞征兆和现象

可能与邻井发生碰撞的征兆和现象，主要包括(丛式井平台布置及井眼防碰技术要求，SY/T 6396- 2014)： ①返出岩屑中含有水泥或铁屑；②在邻井套管无水泥封固时，出现钻具短暂放空；③钻速突然变慢；④泵压、扭矩变化异常，钻具蹩跳严重；⑤测量的磁场强度值超出正常值±2%。

发生任何上述征兆之一应停钻，将钻具提离井底5 m以上，分析确定原因。对磁干扰现象，首先根据探管轴向、径向磁场强度分量的变化分析产生磁干扰原因[18]。当判断是邻井套管产生的磁干扰时，就要进一步判断是否发生碰撞及制定后续措施。

2.5 防碰判断与控制方法

在小于安全距离范围内，正钻井与邻井轨迹一般有两种情况：一种是“擦肩而过型”(如图3中b)，这种类型只要正钻井轨迹顺利通过了防碰风险点就会安全；另一种情况是“并肩而行型”(如图3中a)，这种类型正钻井与邻井轨迹在很长井段内处于并向关系，防碰风险较高。在实钻中对于这两种情况的防碰监控策略应区别对待。

2.5.1 “擦肩而过型”防碰监控策略

在临近防碰风险点前(空间最近距离小于20 m)开始采用牙轮钻头，加密测斜随钻扫描，并重点监测各种“井眼碰撞的征兆与现象”。当钻头已经安全通过防碰风险点后又监测到磁干扰时(没有其他井眼碰撞现象)，可根据磁场干扰强度判断仪器与邻井套管间的相对距离[17]。

2.5.2 “并肩而行型”防碰监控策略

这种情况应使用牙轮钻头，监测点间距不大于10 m，采用最近距离法和水平面法进行随时扫描，随着空间最近距离的缩小也相应缩短测点间距并监测“井眼碰撞的征兆与现象”。通过磁干扰现象及两井轨迹对应防碰点的异面角关系进行监测与判断。

2.5.3 防碰措施

对于“并肩而行型”，当θ≤θl时，监测到磁干扰时已经发生碰撞(如图3b)；当θ>θl时，监测到磁干扰时，井眼尚未发生碰撞，可及时调整轨迹避免碰撞事故(如图3a)。这个策略对于密集丛式井上部井段防碰监控至关重要，施工阶段，首先根据MWD仪器能监测到磁干扰时的距离及在钻具组合中的安放位置计算出临界切入角θl，然后在随钻测量进行轨迹扫描时，计算与邻井的空间异面角θ的大小(如图3c)，对比θ与θl的大小关系。

图3 防碰位置关系示意图

3 现场应用

3.1 基本情况

X1918为密集丛式井平台上一个一拖四井组的整拖第3口井，井口间距4 m，与第1井口、第2井口已完钻井的上部井段防碰距离如图4所示。与轨迹一中心距离最小4.52 m，与轨迹二中心距离最小为1.56 m，其中在设计井深77～233 m(156 m)井段中心距离小于3 m、151～213 m(62 m)井段中心距离小于2 m。井身结构为：Ø339.7 mm×850 m+Ø139.7 mm×3 266 m。

图4 设计井与邻井中心距离

3.2 防碰技术措施

该井防碰重点在一开阶段，一开井身剖面为直—增—稳，与井2“并肩而行”很长一段距离，预计存在磁干扰，本文重点描述与轨迹二的防碰过程。采用的钻具组合为：Ø444.5 mm SKG124×0.48 m+Ø244 mm螺杆×7.59 m+731×630×0.44 m+Ø203 mm无磁×9.14 m+MWD×1.90 m+Ø203 mm无磁×9.45 m+631×4A0×0.46 m+Ø165 mm钻铤×27.37 m+4A1×410×0.5 m+Ø127 mm加重钻杆×187.67 m+Ø127 mm钻杆 。

3.2.1 计算临界切入角

该钻具组合ld=19.55 m、lc=2.5 m，根据式(3)，临界切入角θl=arcsin(2.5/19.55)=7.35°。

3.2.2 计算异面角

首先计算设计轨迹与轨迹二对应点的异面角，预先判断发生磁干扰时，是否有井眼碰撞的风险，计算如图5所示，在直井井段，计算异面角都小于临界切入角，发生磁干扰时是安全的。可以采用防斜打直技术并加强随钻监测跟踪，利用重力工具面控制轨迹通过磁干扰井段。

图5 防碰点计算异面角

3.2.3 随钻测量与控制

实钻轨迹MWD测量数据如表1所示，与轨迹二的中心距离及异面角计算如图6所示。在设计井深118 m附近出现磁干扰，通过扫描计算，与轨迹二的最近距离为3.68 m、异面角0.6°，上提钻具后磁参数变正常，现场未监测到其它井眼碰撞征兆，综合判断与邻井套管接近产生了磁干扰，但钻头与邻井套管没有碰撞风险，调整井眼轨迹后磁异常消失。完钻后用陀螺仪测斜，在118 m附近与轨迹二最近距离为2.55 m(见图6)，证实了邻井套管是产生磁干扰的原因。该井其它井段未出现磁异常现象。

表1 实钻测量数据

图6 中心距离及异面角计算图

4 结论与建议

(1)异面角与临界切入角的引入是对最近距离法、分离系数法等判别井眼碰撞关系的有益补充。

(2)小间距“并肩而行型”两个井眼碰撞风险高，磁干扰现象出现频率相对较高，磁干扰钻前预测及实钻发生磁干扰时的正确判断是成功防碰钻井的关键。

(3)测量工具的磁源感应最大距离、磁干扰强度和仪器与套管距离的关系是重要参数，建议将其作为仪器的性能指标进行标定。