渤海人工島大型叢式井組加密防碰優(yōu)化設計技術

許軍富， 徐文浩， 耿應春

(1.中石化勝利石油工程有限公司海洋鉆井公司，山東東營 257000；2.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營 257000)

海上部分油田進入開發(fā)中后期，采油速度大幅下降，尤其海上稠油蒸汽吞吐開發(fā)產(chǎn)量衰減快、采收率低。針對這種情況，充分利用現(xiàn)有平臺資源進行海上叢式井組加密調(diào)整具有重要意義。目前大型叢式井組的井臺優(yōu)化及防碰技術較為成熟，已經(jīng)形成行業(yè)標準和推薦做法[1]。然而,海上大型叢式井組加密調(diào)整一般涉及井數(shù)較少，以單井優(yōu)化為主。在同一個平臺或大型叢式井組內(nèi)部進行大規(guī)模加密調(diào)整，井網(wǎng)密集，井下空間占用嚴重，存在加密井與已鉆井、加密井之間的防碰優(yōu)化問題，涉及的槽口優(yōu)化和防碰軌道設計技術復雜，防碰風險和優(yōu)化難度較大，目前國內(nèi)外相關研究較少[2-4]，因此，亟需形成適用于大型叢式井組的大規(guī)模加密防碰優(yōu)化設計方法，以提高井組優(yōu)化、軌道設計工作效率和質(zhì)量。

筆者在分析渤海人工島B島加密井防碰形勢的基礎上，對數(shù)據(jù)校驗技術、井臺整體優(yōu)化技術和防碰軌道設計技術進行研究，形成了渤海人工島大型叢式井組加密防碰繞障優(yōu)化設計技術，成功完成了B島45口加密井軌道設計及防碰分析工作，設計的井眼軌道均滿足行業(yè)標準要求。

1 B島大型叢式井組概況

1.1 井組概況

渤海人工島B島采用稠油蒸汽吞吐方式開發(fā)，由于井網(wǎng)不完善，局部區(qū)域井距過大，影響熱采開發(fā)效果，同時受到項目經(jīng)濟性和環(huán)保要求的制約，無法新建鉆井平臺，因此提出以增加45口加密井的方式進一步完善地下井網(wǎng)。其中8口井為水平井，其他為大斜度定向井。B島已鉆井為L形井排，加密井為直線形井排，加密后人工島總井數(shù)達到115口。在項目實施之前需要對加密井軌道進行優(yōu)化設計，論證其可行性。

B島加密井排槽口與原井臺L形井排的縱排槽口平行，間距13.50 m，如圖1所示。加密井槽口自北向南劃分為9個小井組。

圖1 加密井及已鉆井槽口分布Fig.1 Slot distribution of infill wells and previously drilled wells

1.2 整體防碰形勢

B島原井臺L形井排西北部布置了30多個地質(zhì)靶點，井排的縱排井直井段為柵欄形，部分井造斜點較深。為完成加密井中靶設計，軌道需從“柵欄”底部穿越。

加密井與已鉆井開發(fā)同一深度油藏，各加密井靶點與已鉆井靶點位移不同，垂深基本相同，且都集中在西北方位上。要完成這些地質(zhì)靶點的中靶設計，設計軌道與已鉆井軌跡會存在大量的防碰點;另外,西北區(qū)域靶點密集,造成水平面上方位調(diào)整空間有限，防碰繞障難度較大。

由于已鉆井直井段的偏移或預定向，加密井槽口井下空間占用嚴重，主要占用井段集中在350.00～700 m，即加密井直井段或定向造斜段，淺層防碰問題突出，部分加密井需要進行預定向繞障。

2 已鉆井軌跡數(shù)據(jù)精確性校準

進行叢式井組加密井防碰軌道設計時，普遍存在已鉆井軌跡與加密井設計軌道軟件計算環(huán)境不一致的問題，如加密井排設計與已鉆井排施工時使用的坐標系統(tǒng)、軌道計算方法、地磁模型系統(tǒng)和井深基準等不盡相同，需要進行統(tǒng)一，對老井軌跡數(shù)據(jù)進行精確性校準[2]。

各井的井口、靶點、防碰點的相對位置關系及距離是防碰設計的基礎。地球上2個點的相對位置及距離，可以通過地理坐標和位置垂深確定。相同地球橢球模型計算的地理坐標值具有一致性，校準軟件的計算環(huán)境主要是統(tǒng)一地球橢球模型，在此基礎上校準高斯投影坐標值，依據(jù)投影坐標再重新計算已鉆井井口、靶點的地理坐標。校對各井地理坐標計算結果與施工方提供的地理坐標值是否相同，驗證軌跡數(shù)據(jù)的精確性，完成坐標系統(tǒng)的校準，坐標系統(tǒng)校準流程如圖2所示。通過選用與已鉆井軌跡計算模型相同的蘇聯(lián)克拉索夫斯基地球橢球模型，應用上述方法完成了從Beijing_1954至Gauss-Kruger(Pulkovo 1942)坐標系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換。

圖2 坐標系統(tǒng)校準流程Fig.2 Flow chart of the calibration method for coordinate systems

B島軌道計算統(tǒng)一采用最小曲率法，井深基準統(tǒng)一到海平面。已鉆井數(shù)據(jù)采用網(wǎng)格北方位角，地磁系統(tǒng)對加密井軌道設計沒有直接影響，不需要采用地磁模型進行磁偏角的修正及校準。采用上述井眼軌跡校準方法，對70口已鉆井軌跡數(shù)據(jù)進行了精確性校準，校準過程中軟件計算的軌跡參數(shù)與已鉆井施工方提供的數(shù)據(jù)一致，驗證了數(shù)據(jù)的有效性。

3 大型叢式井組加密防碰繞障優(yōu)化設計技術

3.1 防碰繞障優(yōu)化設計流程

不同于新布井臺或布置少量加密井的情況，B島大型叢式井組加密防碰繞障優(yōu)化涉及2個井組，既要滿足加密井組內(nèi)部槽口、鉆井順序優(yōu)化及防碰的要求，又要對老井組進行防碰繞障，優(yōu)化難度大。為避免部分井軌道反復調(diào)整，必須明確合理的設計流程，具體的優(yōu)化設計實施流程如圖3所示。

圖3 加密井組防碰優(yōu)化設計流程Fig.3 Flow chart of anti-collision optimization design for infill well groups

水平井需要扭方位至靶框方位才能中靶，為避免大幅度扭方位造成井眼曲率過大，槽口分配應優(yōu)先考慮水平井[5-8]；定向井軌道方位變化較小，防碰繞障時涉及的防碰井相對較少，優(yōu)先進行定向井繞障，可以改善前期設計時軌道水平投影交叉嚴重的問題[9]。應用該流程進行設計，能夠有效提高軌道繞障設計效率。

3.2 鉆井順序優(yōu)化

B島施工采用電動模塊化鉆機，以大型叢式井組批鉆形式施工，一開施工候凝期間整拖鉆機至其他槽口，進行交叉作業(yè)，提高了叢式井整體施工效率。B島加密井排采用直線井排槽口優(yōu)化方法，鉆機整拖要求錯開各井造斜點深度，大位移淺造斜點的井與小位移深造斜點的井采用交錯施工的方式，消除測斜儀器磁干擾的影響，并加大淺層防碰井距，同時保證小井組內(nèi)造斜點由淺到深施工。優(yōu)化后的加密井鉆井順序如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后的加密井鉆井順序Fig.4 Drilling sequence of infill well optimized

該鉆井順序優(yōu)化方法的優(yōu)點是施工作業(yè)的靈活性較高，主要表現(xiàn)在2個方面：1)能提高整體作業(yè)的施工效率，有利于防碰繞障的整體規(guī)劃設計；2)施工中如遇特殊情況需要調(diào)整槽口施工順序時，在滿足小井組造斜點由淺及深的條件下，可以在相鄰井組之間進行調(diào)整。

3.3 槽口優(yōu)選

3.3.1 槽口優(yōu)選方法

大型叢式井組加密調(diào)整槽口優(yōu)選的影響因素較多，主要受加密井靶點閉合距、閉合方位、槽口排布形狀、防碰繞障等因素的影響[10]，同時需要考慮降低工作量和施工難度，槽口優(yōu)選實際為多因素影響下的最優(yōu)化問題。優(yōu)化前需要進行簡化處理，忽略已鉆井的防碰影響，只考慮加密井排內(nèi)部的槽口優(yōu)選問題，利用新布井排槽口優(yōu)選方法進行槽口初步優(yōu)選。

根據(jù)大型叢式井組加密防碰優(yōu)化設計原則，優(yōu)先選擇水平井槽口。水平井槽口的初選以軌跡控制工作量最小為原則，由于靶前位移的限制，軌跡控制工作量受到井斜變化率的影響較小，其主要影響因素為扭方位量。初選出槽口后，再根據(jù)防碰影響進行槽口的調(diào)整[11]。

定向井槽口初選需滿足加密井排內(nèi)部各井軌道水平投影不交叉的要求，避免后期進行防碰繞障時，加密井之間、已鉆井與加密井之間產(chǎn)生大量交叉點[12]，從而降低防碰設計難度、減小工作量。

3.3.2 基于最小工作量的水平井槽口優(yōu)選

井口與設計方位線垂距如圖5所示。圖5中，靶點連線向井口方向的延伸線稱為設計方位線，井口投影到設計方位線上的點與井口的距離為垂距，即軌道調(diào)整至最終靶框方位所必須完成的位移量，也可以稱為井口相對于設計方位線的偏移量，該距離的長短與扭方位工作量成正相關關系[13-15]。

圖5 井口與設計方位線垂距示意圖Fig.5 Schematic diagram of the vertical distance between wellhead and design azimuth line

依據(jù)水平井靶點設置原則，使水平井設計方位線相對于平臺中心呈放射狀分布，完成水平井靶點的設置。由于加密井排各槽口位置相對水平井設計方位線垂距不同，考慮降低軌道調(diào)整工作量，需要對全井組水平井槽口進行優(yōu)化調(diào)整，使整個平臺水平井垂距之和最小，完成槽口初步優(yōu)選。

A靶設置為坐標原點，A靶、B靶連線的延伸部分為設計方位線，井口至設計方位線的垂直投影為垂點T，已知A靶大地坐標可以推導出垂點的大地坐標，依據(jù)該坐標值和井口坐標就可以計算出井口至垂點的距離，即垂距[16]。

1) 已知A靶大地坐標計算垂點坐標：

XT=XO+Ssinθ

(1)

YT=YO+Scosθ

(2)

式中：XT為垂點橫坐標，m；YT為垂點縱坐標，m；XO為A靶橫坐標，m；YO為A靶縱坐標，m；θ為A靶與垂點閉合方位角，(°)；S為靶前位移，m。

2) 根據(jù)垂點坐標和井口坐標計算垂距:

(3)

式中:L為垂距，m；YH為井口縱坐標，m；XH為井口橫坐標，m。

以扭方位工作量最小為目標，通過調(diào)整槽口使計算的垂距之和最小，完成水平井的槽口初選，初選結果如表1和圖6所示。

表1 水平井槽口優(yōu)選結果Table 1 Results of slot optimization of horizontal wells

圖6 水平井槽口優(yōu)選結果Fig.6 Results of slot optimization of horizontal wells

3.3.3 基于軟件輔助設計的定向井槽口優(yōu)選

在井排密度和布井數(shù)量不大的情況下，大型叢式井組加密井排的設計工作量較小，槽口、靶點對應關系比較直觀，可以采用人工調(diào)整方式優(yōu)選槽口[17-18]。B島已鉆井防碰形勢復雜，加密井數(shù)量龐大，全面考慮地質(zhì)靶點至槽口方位關系、閉合距、防碰要求等因素，設計工作量及優(yōu)化難度較大，因此槽口優(yōu)選采用Landmark軟件輔助配合人工調(diào)整的方式。該軟件能夠依據(jù)槽口至靶點的距離及方位自動優(yōu)選槽口，使位移之和最小，但無法考慮加密井之間的防碰影響，因此還需要針對個別加密井具體防碰條件進行人工調(diào)整。

在用Landmark軟件優(yōu)選槽口的基礎上，依據(jù)定向井軌道水平投影不交叉原則，以靶點和槽口相對位置關系和距離人工調(diào)整各井槽口，使各井軌道成放射狀分布。調(diào)整前后的定向井槽口如圖7所示。共完成了20口井的槽口調(diào)整工作，調(diào)整后全部定向井設計軌道的水平投影無交叉點。

圖7 定向井槽口調(diào)整前后對比Fig.7 Comparison of slots before and after adjustment in directional wells

3.4 三維防碰軌道設計

受目標點空間位置及方位防碰繞障的限制，以及工藝上的要求，必須在多約束條件下設計出合理的三維井眼軌道。為降低鉆井難度，滿足生產(chǎn)作業(yè)要求，定向井及水平井軌道設計要求造斜率分別為3.5°/30m和4.5°/30m，定向井穩(wěn)斜角小于65°。在分析安全繞障空間的基礎上，設置數(shù)個理想的軌道途徑位置作為自設靶區(qū)，應用軌道設計軟件進行軌道模擬，使設計軌道穿過自設靶區(qū)后能夠按照設計的造斜率中靶，水平井要求幾何中靶，不能滿足要求的井需要調(diào)整槽口后再進行軌道設計。

3.5 多輪次槽口調(diào)整

B島井網(wǎng)密集，槽口優(yōu)選過程中未考慮已鉆井的防碰影響，因此，按照槽口初選的結果部分井無法完成防碰繞障，需要進行多輪次槽口調(diào)整，使防碰軌道設計井數(shù)最大化。

槽口調(diào)整措施如下：

1) 避免軌道投影交叉。軌道水平投影交叉導致無法繞障的水平井，通過互換槽口避免軌道水平投影交叉，再進行繞障設計，如Bn6h井和Bn5h井。

2) 避讓密集井段。部分井靶點閉合方位方向穿過較多已鉆井，并且防碰點深度較深，繞障軌道調(diào)整幅度過大，可采用調(diào)整槽口的方式改變閉合方位朝向來解決，如B65井、Bn9h井和B83井等。

3) 調(diào)整造斜點。小井組井排造斜點難以錯開足夠距離的井，可以間隔插入一口造斜點深度較淺的井，提高整個小井組的防碰繞障空間，如B90井。

4) 有防碰干擾的井進行整體調(diào)整。調(diào)整某一口井的槽口可能會導致多口井防碰形勢發(fā)生變化，需要整體進行槽口調(diào)整和軌道防碰設計，如Bn7h井。

槽口調(diào)整結果見表2。經(jīng)過多輪次槽口調(diào)整及軌道優(yōu)化，解決了6口井無法繞障的問題，降低了1#井組整體防碰難度，提高了部分井的分離系數(shù)。

表2 槽口調(diào)整結果Table 2 Sheet of slot adjustment results

3.6 防碰繞障優(yōu)化設計結果

應用渤海人工島大型叢式井組加密防碰優(yōu)化設計技術，完成了45口加密井的防碰繞障設計工作，各井防碰掃描結果均滿足行業(yè)標準要求，分離系數(shù)大于1.5或防碰最近距離大于15.00 m[1]。采用最近距離法對所有加密井進行防碰掃描，掃描半徑為15.00 m，掃描結果顯示各井分離系數(shù)小于2.0的防碰井一般少于4口，并且各井分離系數(shù)的最小值多集中在1.7以上，整體上降低了防碰風險。槽口71—115對應各井的防碰掃描分離系數(shù)最小值及防碰井數(shù)分布情況如圖8所示。

圖8 設計軌道防碰掃描結果Fig.8 The diagram of well trajectory design and anti-collision scanning result

4 結 論

1) 在進行大型叢式井組加密防碰優(yōu)化設計時，對已鉆井軌跡及位置進行精確性校準，完成不同坐標系、地磁模型之間的轉(zhuǎn)換，確定統(tǒng)一的井深基準和軌跡計算方法，對于施工時間久遠或軌道計算軟件差異較大的加密調(diào)整井尤其重要。

2) 研究形成的渤海人工島大型叢式井組加密防碰優(yōu)化設計技術是大型叢式井組大規(guī)模加密調(diào)整的關鍵技術，其中的加密井排鉆井順序優(yōu)化、槽口優(yōu)選及調(diào)整、防碰軌道設計方法，有助于提高井組防碰繞障設計效率。

3) 對于具有不同槽口排布形式的加密井排，均可以應用該防碰優(yōu)化方法系統(tǒng)高效地解決井組之間的防碰干擾問題。

參 考 文 獻

[1] SY/T 6396—2014 叢式井平臺布置及井眼防碰技術要求[S].

[2] 劉曉艷,施亞楠,李培麗.叢式井組總體防碰與鉆井順序優(yōu)化技術及應用[J].石油鉆采工藝,2012,34(2):9-12,16.

LIU Xiaoyan,SHI Yanan,LI Peili.Techniques of cluster well general anti-collision and drilling sequence optimization[J].Oil Drilling & Production Technology,2012,34(2): 9-12,16.

[3] 閆鐵,徐婷,畢雪亮,等.叢式井平臺井口布置方法[J].石油鉆探技術,2013,41(2):13-16.

YAN Tie,XU Ting,BI Xueliang,et al.Wellhead arranged method of cluster well pad[J].Petroleum Drilling Techniques,2013,41(2):13-16.

[4] 楊全枝，張曉斌，吳迪，等.延長油田叢式井網(wǎng)加密水平井直井段交碰風險量化分析[J].石油鉆采工藝,2017,39(3):298-302.

YANG Quanzhi,ZHANG Xiaobin,WU Di,et al.Quantitative analysis on collision risk of vertical hole section of infill horizontal well in cluster well pattern in Yanchang Oilfield[J].Oil Drilling & Production Technology，2017,39(3):298-302.

[5] 韓雪銀,付建民,鐘帆,等.叢式井防碰技術在金縣1-1油田的應用[J].中國海上油氣,2014,26(5):70-75,82.

HAN Xueyin,FU Jianmin,ZHONG Fan,et al.Application of anti-collision solution for cluster wells in JX1-1 Oilfield[J].China Offshore Oil and Gas,2014,26(5):70-75,82.

[6] DOGRU S.Selection of optimum platform locations[J].SPE Drilling Engineering,1987,2(4):382-386.

[7] ZHOU Z,CUI L,LI J,et al.Application of cluster well drilling technology in Sulige Gas Field[R].SPE 156183,2012.

[8] LIU B,WANG X,TU A,et al.Cluster wells applied in wetland environment in North Azadegan[R].SPE 178191,2016.

[9] WU C,SHARMA M M.Effect of perforation geometry and orientation on proppant placement in perforation clusters in a horizontal well[R].SPE 179117,2016.

[10] 張曉誠,劉亞軍,王昆劍,等.海上叢式井網(wǎng)整體加密井眼軌跡防碰繞障技術應用[J].石油科技論壇,2010,29(5):13-17.

ZHANG Xiaocheng,LIU Yajun,WANG Kunjian,et al.Application of path control technology of overall infill drilling on offshore cluster well group[J].Oil Forum,2010,29(5):13-17.

[11] WILSON A.Intelligent-completion installations in the Santos basin presalt cluster[J].Journal of Petroleum Technology,2016,68(4):60-63.

[12] MANCHANDA R,BRYANT E C,BHARDWAJ P,et al.Strategies for effective stimulation of multiple perforation clusters in horizontal wells[R].SPE 179126,2016.

[13] 邊瑞超,周洪林,曹華慶.冀東油田人工島叢式井鉆井防碰技術[J].石油鉆探技術，2017，45(5):19-22.

BIAN Ruichao,ZHOU Honglin,CAO Huaqing.Anti-collision technology for drilling cluster wells in the artificial island of Jidong Oilfield[J].Petroleum Drilling Techniques,2017,45(5):19-22.

[14] MARTIN B,WALTERS J V,WOODARD P W.Application of a well slot optimization process to drilling large numbers of wells in clusters on artificial islands[R].SPE 137659,2010.

[15] 葛云華,鄢愛民,高永榮,等.叢式水平井鉆井平臺規(guī)劃[J].石油勘探與開發(fā),2005,32(5):94-100.

GE Yunhua,YAN Aimin,GAO Yongrong,et al.Drilling pad optimization for oilfield development by cluster horizontal wells[J].Petroleum Exploration and Development,2005,32(5):94-100.

[16] 李文飛,朱寬亮,管志川,等.大型叢式井組平臺位置優(yōu)化方法[J].石油學報,2011,32(1):162-166.

LI Wenfei,ZHU Kuanliang,GUAN Zhichuan,et al.Location optimization for the drilling platform of large-scale cluster wells[J].Acta Petrolei Sinica,2011,32(1):162-166.

[17] 史玉才,管志川,陳秋炎,等.鉆井平臺位置優(yōu)選方法研究[J].中國石油大學學報(自然科學版),2007,31(5):44-47.

SHI Yucai,GUAN Zhichuan,CHEN Qiuyan,et al.Location optimization method for drilling platform[J].Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science),2007,31(5):44-47.

[18] 郭永峰,朱江,齊恒之.優(yōu)選海洋平臺鉆井方式[J].中國海上油氣(工程),2002,14(5):22-24.

GUO Yongfeng,ZHU Jiang,QI Hengzhi.New way to select model of drilling in offshore[J].China Offshore Oil and Gas (Engineering),2002,14(5):22-24.