救援井井眼軌跡設(shè)計(jì)切入角分析

姬輝，翟曉鵬，林寶霞，全虎強(qiáng)

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)研究院，天津 300450；2.長(zhǎng)江大學(xué)油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430100；3.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100；4.長(zhǎng)江大學(xué)武漢校區(qū)圖書(shū)館，湖北 武漢 430100；5.中國(guó)石化中原油田分公司采油二廠，河南 濮陽(yáng) 457000）

救援井井眼軌跡設(shè)計(jì)切入角分析

姬輝1，翟曉鵬2，3，林寶霞4，全虎強(qiáng)5

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)研究院，天津 300450；2.長(zhǎng)江大學(xué)油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430100；3.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100；4.長(zhǎng)江大學(xué)武漢校區(qū)圖書(shū)館，湖北 武漢 430100；5.中國(guó)石化中原油田分公司采油二廠，河南 濮陽(yáng) 457000）

墨西哥灣漏油事件的發(fā)生，使得救援井設(shè)計(jì)越來(lái)越受到海洋石油的重視。眾多案例表明，救援井井眼軌跡與切入角的合理設(shè)計(jì)是保障救援井與事故井順利對(duì)接的關(guān)鍵，然而目前關(guān)于井眼軌跡與切入角的理論分析方面尚未有深入的討論。文中首先分析了救援井常用的三段式和S型井眼軌跡，發(fā)現(xiàn)三段式井眼軌跡適用于簡(jiǎn)單救援井，S型井眼軌跡可以在降斜過(guò)程中調(diào)整切入角，適用性更強(qiáng)。在S型井眼軌跡設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，針對(duì)直井事故井，引入了“切入轉(zhuǎn)折點(diǎn)”的設(shè)計(jì)理念，通過(guò)研究井眼軌跡切入角、井斜角等參數(shù)的幾何關(guān)系，給出了軌跡參數(shù)的計(jì)算公式，建立了救援井考慮對(duì)接段切入角的井眼軌跡設(shè)計(jì)方法?，F(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)例證明，該設(shè)計(jì)方式具有較好的效果。該方法為完善救援井軌跡設(shè)計(jì)理論提供了新的理論支撐，對(duì)深水救援井設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。

救援井；切入角；井眼軌跡；對(duì)接

0　引言

雖然油氣田生產(chǎn)中很少用到救援井，但是墨西哥灣漏油事件的順利解決證明了救援井的重要性［1］。尤其是海上油氣田，遠(yuǎn)離陸地，一旦發(fā)生事故，后果不堪設(shè)想，因此海上油氣田救援井設(shè)計(jì)也越來(lái)越受到重視。

救援井軌跡的設(shè)計(jì)和優(yōu)化是救援井壓井成功的首要條件，而切入角是救援井設(shè)計(jì)的關(guān)鍵?？ㄋ柺凸?009年的一口救援井就采用調(diào)正切入角的方法來(lái)聯(lián)通救援井與事故井［2］。委內(nèi)瑞拉馬拉開(kāi)波海上油田SLB-5-4X井噴，鉆SLB-54A井進(jìn)行壓井，最后以6°的切入角達(dá)到壓井點(diǎn)［3］。Frode Leraand等［4］指出，壓井點(diǎn)（對(duì)接點(diǎn)）是救援井成功的關(guān)鍵，準(zhǔn)確達(dá)到壓井點(diǎn)的關(guān)鍵是確定“Bypass”點(diǎn)，以確定足夠的空間和剩余距離，避免達(dá)不到壓井點(diǎn)而返回重新鉆井，建議合適的切入角為0～15°。這些都表明切入角在井眼軌跡設(shè)計(jì)中的重要性。關(guān)于救援井井眼軌跡設(shè)計(jì)的論述很多，但都是從工具角度闡述的，沒(méi)有對(duì)切入角進(jìn)行理論分析。

實(shí)際井眼軌跡很難與設(shè)計(jì)軌跡重合。在陌生的新油田地層，只要能確定合理的切入角，保證井眼軌跡與設(shè)計(jì)曲線基本平行，保持與事故井有相對(duì)長(zhǎng)的平行井段，就可保障有足夠的距離和調(diào)整角度來(lái)連通事故井，就能達(dá)到兩井連通的目的，實(shí)現(xiàn)救援井作業(yè)。

1　救援井井眼軌跡設(shè)計(jì)方式分析

救援井軌跡設(shè)計(jì)常用的是“三段式”和“S”型軌跡，無(wú)論哪種方法，都是首先確定壓井點(diǎn)，然后確定救援井位置，最終完成救援井的軌跡設(shè)計(jì)。

救援井中的“三段式”通常設(shè)計(jì)一個(gè)明確的范圍，以靶點(diǎn)為中心，一定長(zhǎng)度的距離作為半徑，這個(gè)范圍被稱為“靶區(qū)”（見(jiàn)圖1）。通常用一個(gè)比救援井井眼大的靶區(qū)滿足救援井設(shè)計(jì)和需要。從進(jìn)入靶點(diǎn)范圍到中靶，要控制好井眼軌跡的位移，最后把方位調(diào)整到與井眼方位線相符，然后采用跟蹤方法鉆向靶區(qū)。救援井P2-151和N2-1就是很好的例子［5］。“三段法”一般適用于井身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、鉆井易控制的井。

圖1　“三段法”救援井軌跡示意

相對(duì)于“三段法”井眼軌跡，“S”型軌跡適用性更強(qiáng)?！癝”型軌跡可以充分考慮到降斜設(shè)計(jì)，在降斜的過(guò)程中改變切入角，同時(shí)為兩井對(duì)接留下足夠的調(diào)整空間。對(duì)事故井的探測(cè)范圍，離井口平面越遠(yuǎn)，圓半徑就越大，這樣就形成了以井口為頂點(diǎn)的井眼范圍圓錐體，如圖2所示。救援井“S”型軌跡建立在圓錐體之內(nèi)，雖然在鉆井過(guò)程中很難準(zhǔn)確命中目標(biāo)，但所有的井噴區(qū)域都有良好的連通性，當(dāng)鉆井鉆至井噴區(qū)域?qū)訒r(shí)，只要滿足壓裂作業(yè)要求，就能很容易使兩井連通。如果救援井的井底處在壓裂半徑的靶區(qū)內(nèi)，兩井的連通絕對(duì)不會(huì)有任何問(wèn)題。當(dāng)然，如果兩井間的距離小于1/2的壓裂半徑話，兩井的連通工作甚至不需要特殊的壓裂作業(yè)。救援井A12ST1和2/4-15SN2-1就是很好的例子［3］。

圖2　“S”型對(duì)接軌跡

2　救援井井眼軌跡設(shè)計(jì)理論

本文救援井軌跡設(shè)計(jì)的方法建立在“S”型井眼軌跡理論的基礎(chǔ)上，以直井事故井為對(duì)象。穩(wěn)斜段（或其延長(zhǎng)線）在與事故井井眼軌道處于同一垂直平面時(shí)，救援井才能“切入”事故井。在此鉛直平面內(nèi)，救援井穩(wěn)斜段（或其延長(zhǎng)線）線在與事故井井眼軌道相交的點(diǎn)稱為“切入轉(zhuǎn)折點(diǎn)”，救援井穩(wěn)斜段（或其延長(zhǎng)線）線與事故井井眼軌道相交的夾角稱為“切入轉(zhuǎn)折角”。隨著井斜角的變化，切入角變?yōu)榻敌倍螆A弧的切線與鉛垂線的夾角。由圖3中可以看出，切入角隨降斜率變化而變化，隨著降斜率的增大，切入角逐步變小，直至達(dá)到與事故井平行。而救援井垂直段與事故井對(duì)接段的平行距離，就是最終的連通距離。所以能控制降斜率，就能達(dá)到控制連通間距的目的。

D點(diǎn)的垂直深度ZD為

式中：ZF為降斜段上與事故井開(kāi)始平行的第1點(diǎn)F的垂深，m；R2為降斜段半徑，m；β為切入角（隨降斜段曲率改變），（°）。

D點(diǎn)的實(shí)測(cè)深度LD為

式中：ZK為造斜點(diǎn)（KOP）段的垂深，m；α為穩(wěn)斜段切入角，（°）；R1為增斜段曲率半徑，m。

穩(wěn)斜段的切入角公式為

造斜點(diǎn)到井底的垂深ZKT為

則穩(wěn)斜段長(zhǎng)度為

式中：ZT為井眼垂深，m；ST為目標(biāo)段入口點(diǎn)水平位移，m。

圖3　救援井軌跡設(shè)計(jì)

取在降斜段上的一點(diǎn)G，該點(diǎn)的水平位移為SG，垂深為ZG，則該點(diǎn)切入角可表示為

連通距離Le為

在實(shí)際情況中，降斜段的曲率半徑會(huì)出現(xiàn)時(shí)大時(shí)小的變化，這是為了抵消測(cè)井工具誤差而作出的必要調(diào)整，也是由于不斷縮小兩井連通間距的需要。但考慮工程的適用方便性，只作第1連通間距的控制，通過(guò)切入角微調(diào)，即變化切入角，就可達(dá)到兩井連通的目的。

3　工程實(shí)例

南海某預(yù)探井（直井）設(shè)計(jì)井深4 000 m，水深1 859 m。為安全決定設(shè)計(jì)救援井。救援井設(shè)計(jì)選擇形狀簡(jiǎn)單、易于施工的井身軌跡，設(shè)計(jì)參數(shù)的選取考慮地質(zhì)構(gòu)造和工具特性等因素的影響。

首先，確定救援井井位。南海海域?qū)贌釒Ш蛠啛釒夂?，季風(fēng)特征顯著，盛行風(fēng)向主要受季風(fēng)制約。因此，根據(jù)深水探井預(yù)定的施工期計(jì)劃，從風(fēng)向考慮（冬半年為東北季風(fēng)），定下救援井的位置處于東北季風(fēng)方位線的側(cè)向位置，這可以使2口救援井在實(shí)施鉆井作業(yè)時(shí)規(guī)避井噴天然氣隨風(fēng)漂移的威脅，同時(shí)確定2井相距550 m左右。然后，確定“切入轉(zhuǎn)折點(diǎn)”，在目標(biāo)井井身結(jié)構(gòu)層次的二開(kāi)套管鞋下方大于100 m的距離設(shè)定“切入轉(zhuǎn)折點(diǎn)”，讓穩(wěn)斜段的延長(zhǎng)線與“切入轉(zhuǎn)折點(diǎn)”相交。一旦定好“切入轉(zhuǎn)折點(diǎn)”，便可通過(guò)公式計(jì)算救援井相關(guān)軌跡參數(shù)。最終參數(shù)如下：鉆達(dá)預(yù)定井垂深為3 269 m，KOP（造斜點(diǎn)）為1 980 m；增斜段5°/30 m的造斜率。降斜段3°/30 m的造斜率，穩(wěn)斜段井斜角34°，水平位移為548 m。切入角可控制在小于15°以內(nèi)。

通過(guò)建立一個(gè)“切入轉(zhuǎn)折點(diǎn)”找到事故井套管，不斷減上切入角和切入半徑，最終在設(shè)計(jì)的切入點(diǎn)切入到達(dá)壓井點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)2井連通，達(dá)到壓井目的。

4　結(jié)論

1）救援井設(shè)計(jì)首要任務(wù)是確定連通點(diǎn)和救援井位置；救援井井眼軌跡可通過(guò)三段式或“S”型軌跡來(lái)連通連通點(diǎn)和救援井。相對(duì)地，“S”型軌跡更容易控制軌跡到達(dá)連通點(diǎn)。

2）救援井設(shè)計(jì)可考慮“切入轉(zhuǎn)折點(diǎn)”設(shè)計(jì)。先確定一個(gè)可控制的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，從而進(jìn)一步減小切入角，增加2井之間的平行距離，保證足夠的空間來(lái)實(shí)現(xiàn)2井連通。

3）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，引入切入轉(zhuǎn)折點(diǎn)和切入角的井眼軌跡設(shè)計(jì)是一種非常實(shí)際的設(shè)計(jì)方法，具有較好的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果。

［1］郭永峰，紀(jì)少君，唐長(zhǎng)全.救援井：墨西哥灣泄油事件的終結(jié)者［J］.國(guó)外油田工程，2010，26（9）：64-65.

［2］TALID A M，F(xiàn)AWZI E F，KHALID A M.Qatar petroleum：the first relief well drilled in qatar to intersect，kill，and abandon an underground blowout［R］.SPE 156119，2012.

［3］VOISIN J A，QUIROZ G A，LAGOVEN S A R，et al.Relief-well planning and drilling for SLB-5-4X blowout，Lake Maracaibo，Venezuela［R］.SPE 16677，1987.

［4］OLBERG T，GILHUUS T，LERAAND F，et al.Re-entry and relief well drilling to kill an underground blowout in a subsea well：a case history of well 2/4-14［R］.SPE 21991，1991.

［5］YU X，JIE J.Relief well drilling technology［R］.SPE17820，1988.

（編輯楊會(huì)朋）

Analysis of entrance angle for relief well trajectory design

JI Hui1，ZHAI Xiaopeng2，3，LIN Baoxia4，QUAN Huqiang5
（1.Production Optimization R&D Institute，COSL，Tianjin 300450，China；2.MOE Key Laboratory of Exploration Technologies for Oil and Gas Resources，Yangtze University，Wuhan 430100，China；3.Petroleum Engineering College，Yangtze University，Wuhan 430100，China；4.Library，Yangtze University，Wuhan 430100，China；5.No.2 Oil Production Plant，Zhongyuan Oilfield Company，SINOPEC，Puyang 457000，China）

The Mexico Gulf oil spill has turned offshore oil companies′attention to relief well design.Many cases have shown that the proper design of relief welltrajectory and entrance angle is the key to successfuldocking of the relief wellat the accident well，however，there are no deep theoretical researches on entrance angle.The"three-part"style and S style are commonly used in the relief well，and studies have shown that"three-part"style is suitable for simple drilling operation and S style can be more widely used because the entrance angel can be changed during drilling.On the basis of S style trajectory and aimed at vertical accident wells，a new concept of"entrance turning point"is introduced.Studying the geometrical relationship of the trajectory parameters，the calculation equations are given.Finally，a well trajectory design method is proposed considering entrance angle.Onsite application shows that this method has good performance，which provides new theoreticalsupport and guidance for relief welltrajectory design.

relief well；entrance angle；well trajectory；docking

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“腐蝕-沖蝕耦合作用下的套管可靠性研究”（51274047）

TE28

A

10.6056/dkyqt201602024

2015-09-10；改回日期：2016-01-11。

姬輝，男，1988年生，碩士，現(xiàn)從事海上采油技術(shù)工作。E-mail：jihui3@cosl.com.cn。

引用格式：姬輝，翟曉鵬，林寶霞，等.救援井井眼軌跡設(shè)計(jì)切入角分析［J］.斷塊油氣田，2016，23（2）：240-242. JI Hui，ZHAI Xiaopeng，LIN Baoxia，et al.Analysis of entrance angle for relief well trajectory design［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23 （2）：240-242.