密集叢式井上部井段防碰設計關鍵參數(shù)臨界值計算分析

胡中志 侯怡 李卓靜 王在明 徐小峰 朱寬亮

1.四川輕化工大學機械工程學院；2.材料腐蝕與防護四川省重點實驗室；3.過程裝備與控制工程四川省高校重點實驗室；4.中國石油冀東油田分公司；5.中國石油大學(北京)油氣資源與工程國家重點實驗室

近年來，廣泛應用于海洋鉆井的叢式井在陸地油田應用逐漸增多，尤其是中國東部的渤海灣周邊油田，通過集中建設“大平臺”，采用“工廠化”、“集約化”鉆井方式實現(xiàn)各類油藏的低成本勘探開發(fā)［1-3］，不但可以節(jié)約寶貴的土地資源，集中處理廢棄物以減少環(huán)境污染風險，還可以大幅度壓減采油、井下作業(yè)、油氣集輸及人員管理與設備維護成本，提高油田的綜合開發(fā)效益。與海洋鉆井平臺施工的密集叢式井相比，陸地油田的井口間距略大，一般采用常規(guī)鉆機整拖或導軌式模塊鉆機整體移動施工，井口數(shù)量規(guī)模更大，單平臺鉆井數(shù)量可達百口以上［4-5］。但受限于單井產量，陸地油田叢式井鉆井在井眼軌跡控制和監(jiān)測方面的投入相對較低，對井眼軌道整體防碰設計提出了更高要求，而現(xiàn)行的相關標準對密集叢式井井眼軌道防碰設計參數(shù)要求過高，導致部分井無法實施。因此，筆者在分析現(xiàn)行標準的基礎上，基于井眼軌跡碰撞風險分析的分離系數(shù)，對密集叢式井上部井段防碰設計關鍵參數(shù)的臨界值進行了計算分析，以更好地指導生產實踐。

1 國內現(xiàn)行叢式井井眼防碰相關標準分析

國內現(xiàn)行行業(yè)標準［6］為《SY/T 6396—2014叢式井平臺布置及井眼防碰技術要求》，該標準在防碰設計方面規(guī)定了已鉆井井斜數(shù)據(jù)測量與校對、防碰掃描方法及安全距離、造斜點深度布置、鉆井順序與井身結構設計要求等。

中國石油天然氣集團公司相關標準有兩個，一是渤海鉆探工程有限公司［7］牽頭起草的《Q/SY 1296—2010 密集叢式井上部井段防碰設計與施工技術規(guī)范》，二是冀東油田公司［8］牽頭起草的《Q/SY 1639—2013 密集叢式井井眼軌道設計與軌跡控制技術規(guī)范》。兩個標準給出了相同的密集型井口定義，即井口中心距不大于5 m，同一井組井口不少于6 個的單行或多行、多列的井口組合。兩個標準在防碰設計方面規(guī)定的內容與行業(yè)標準相同，但針對井眼軌道設計參數(shù)的選擇和計算給出了更加明確的規(guī)定，操作性更強。中國海洋石油總公司［9］現(xiàn)行標準為《Q/HS 2016—2010 叢式井防碰與碰后處理要求》，該標準在防碰設計方面，分別針對新油氣田和加密調整井規(guī)定了不同的安全距離。表1是4 項標準在防碰設計方面相關規(guī)定的對比。

由表1 可以看出，現(xiàn)行標準計算最近距離的掃描方法相同，均采用最近距離掃描算法，中海油企業(yè)標準與行標均應用分離系數(shù)作為評估設計井眼軌道合理與否的標準，但對常壓油田加密調整最近距離要求相對寬松，分離系數(shù)大于1 即可；中石油兩個企業(yè)標準上部井段和預防碰設計井段應用最近距離作為評估標準，其余井段與行標相同。造斜點深度行標規(guī)定相鄰兩井造斜點深度差大于30 m，中海油企業(yè)標準亦采用相同的指標，中石油兩個企業(yè)標準中Q/SY 1296—2010 要求較高，相鄰井口造斜點深度差大于50 m，Q/SY 1639—2013 與行標相同，但兩個標準對不同排井口的造斜點深度差提出了更高的要求，達到了100 m 以上，原因是陸地叢式井規(guī)模更大，部分人工島或陸岸平臺鉆井規(guī)模達到100 口以上。4 項標準在井口使用順序與鉆井順序方面的要求基本相同，其中中石油兩個企業(yè)標準提出了預留井口的要求。另外行標規(guī)定了相鄰井口表層套管下入深度要求，其余標準則無明確說明，中石油兩項企業(yè)標準還規(guī)定了造斜率、造斜或預造斜方位及預造斜井段軌道等詳細設計參數(shù)的選擇范圍。

由現(xiàn)行標準分析可知，各項標準較全面地規(guī)定了叢式井整體防碰設計各項參數(shù)選擇范圍及注意事項，但在實際應用中發(fā)現(xiàn)，規(guī)定的參數(shù)范圍較大或未考慮各參數(shù)與井口間距的關系，部分規(guī)定在加密調整井防碰設計時出現(xiàn)了要求過高的問題。為此，筆者研究分析了密集叢式井上部井段防碰設計造斜點深度、造斜率、造斜點深度差和造斜方位等4 個密集叢式井上部井段防碰設計關鍵參數(shù)的臨界值。

表1 現(xiàn)行叢式井相關標準防碰設計規(guī)定對比結果Table 1 Comparison results of requirements for anti-collision design in existing cluster well standards

2 防碰設計關鍵參數(shù)臨界值計算

以分離系數(shù)為1 作為評估標準，計算相鄰兩井眼防碰設計關鍵參數(shù)的臨界值。井眼間距計算方法采用最近距離法計算，分離系數(shù)計算基于系統(tǒng)誤差模型［10］，計算分析工具為 LANDMARK 軟件的COMPASS 模塊。測斜儀器的參數(shù)：井斜角測量精度為±0.1°，方位角測量精度為±1.5°(3°≤井斜≤60°)，工具面角測量精度為±1.5°。

2.1 臨界防碰造斜點深度計算

建立圖1 兩平行井眼幾何模型，分析計算井眼平行深度H和井口距離S與分離系數(shù)SF之間的關系。上部井段平行井眼臨界深度計算結果見圖2。由圖2 可看出，隨平行井段深度增加，分離系數(shù)迅速降低，即兩井平行直井段越深，井眼碰撞風險越高，井口間距分別為 1、2、3、4、5 m 時，分離系數(shù)為1 時的臨界井深分別為 131.85、245.75、360.38、475.59、590.94 m。

圖1 兩平行井眼幾何模型圖Fig.1 Geometric model diagram of two parallel boreholes

圖2 不同井眼平行深度、井口距離時分離系數(shù)計算結果Fig.2 Calculation results of separation coefficients for different borehole parallel depths and wellhead spacings

圖3 是分離系數(shù)為1 時，井口間距與臨界平行井深相關關系計算結果，由圖3 可以看出，臨界平行井深與井口間距成線性關系，擬合公式為

式中，Hmax為造斜點臨界深度，m；S為井口間距，m。

圖3 井口間距與臨界平行井深相關關系(SF=1)Fig.3 Correlation relationship between wellhead spacing and critical parallel depth (SF=1)

利用式(1)可以計算出不同井口間距條件下造斜點的最大臨界值，在多井口均勻排列情況下，相鄰兩井造斜點深度不能同時超過該值，并且需要根據(jù)實際情況適當減小造斜點深度，提前造斜，增大井眼距離，保證鉆井井眼安全。

2.2 臨界防碰造斜率計算

當相鄰兩井中的一口井造斜點深度超過臨界造斜深度時，另一口井的造斜點深度則不能超過臨界造斜深度，造斜率的高低決定了兩井井眼最近距離增加的快慢，因此分析了不同造斜率向遠離鄰井井眼的情況下，井眼分離系數(shù)的變化趨勢，井眼幾何模型見圖4(圖中K為井眼曲率，單位為 (°)/30 m)，計算結果如圖5 所示。

圖4 平行井眼臨界深度造斜幾何模型Fig.4 Geometric model for building angles at critical depth of parallel boreholes

圖5 不同造斜時臨界造斜點處分離系數(shù)計算結果Fig.5 Calculation results of separation coefficients at critical KOPs at different build-up rates

由圖5 計算結果分析可知，當井口間距分別為1 m 和 2 m 時，造斜率不低于 1.2(°)/30 m，可以實現(xiàn)分離系數(shù)保持在1 以上；當井口間距為3 m 時，造斜率不低于1.5(°)/30 m，可以實現(xiàn)分離系數(shù)保持在1 以上；當井口間距分別為4 m 和5 m 時，造斜率不低于1.8(°)/30 m，可以實現(xiàn)分離系數(shù)保持在1 以上。該造斜率是在設計井向遠離鄰井井眼方向造斜情況下確定的最低值，當造斜方位相對于鄰井井眼的方位小于180°時，造斜率應取值更高，以有利于快速增加設計井眼與鄰井井眼間的距離。

2.3 鄰井臨界防碰造斜點深度差計算

密集叢式定向井整體防碰設計時，最惡劣的情況是兩口鄰井向同一個方向施工，此時如果兩井造斜點深度相同，勢必隨著井深增加分離系數(shù)越來越小，井眼碰撞風險大幅度增加。解決此問題的一個辦法是使兩井選擇不同的造斜率，但通過上述分析，井口間距為5 m 時，造斜率最高已經達到了1.8(°)/30 m，如果右側井(見圖6)造斜率為1(°)/30 m，則左側井造斜率應該不低于2.8(°)/30 m，考慮淺層大井眼、地層松軟不易造斜等因素，不適合選擇較大的造斜率，同時，整體防碰設計時盡量避免造斜率差值較大，該方法可行性不高；另一種辦法是適當錯開兩井的造斜點，通過相鄰井造斜點的交錯分布，增加井眼的距離。為此，分析了不同井口間距在相同造斜率條件下，造斜點深度差ΔH與分離系數(shù)的相關關系。

圖6 相同造斜率、不同造斜深度井眼幾何模型Fig.6 Geometric model of boreholes with the same build-up rate and different KOP depths

結合圖4 和圖6 可知，如果圖6 左側井造斜點深度選擇平行井眼分離系數(shù)為1 的臨界深度，左側井在造斜率為最低防碰造斜率時，右側井造斜點深度必須遠高于左側井，如果有其他鄰井，造斜點深度則必須小于平行井眼臨界造斜點深度。但如果左側井造斜點深度小于造斜點臨界深度時，其他井造斜點深度就具有較寬的選擇范圍。因此重點分析左側井造斜點深度小于臨界深度的情況。圖7 為不同井口間距不同造斜點深度差時采用最低造斜率計算的分離系數(shù)。

圖7 在造斜點處不同深度差分離系數(shù)計算結果Fig.7 Calculation results of separation coefficients for different depth differences at the same KOP

由圖7(a)和7(b)可以看出，井口間距分別為1 m和2 m 時，造斜點深度差超過15 m，即可保證井眼距離滿足防碰安全要求，即兩井眼分離系數(shù)始終大于1；由圖7(c)可以看出，當井口間距為3 m 時，造斜點深度差為15 m 時，分離系數(shù)略大于1，且有下降趨勢，說明其造斜點深度差至少應大于20 m；由圖7(d)和圖7(e)可以看出，當井口間距分別為4 m和5 m 時，造斜點深度差為10 m 時，即可實現(xiàn)安全系數(shù)始終大于1。

以上分析結果是以兩鄰井平行井眼最深造斜點深度為基礎計算獲得的，根據(jù)誤差橢球和分離系數(shù)計算方法可知井深越淺，其誤差橢球越小，即上述分析的造斜點深度差在更淺造斜點井上應用可以獲得更大的分離系數(shù)。在大規(guī)模密集叢式定向井整體防碰設計時，造斜點深度應在臨界井深以上逐漸遞減，深度差應盡量大于最小深度差，為井眼軌道設計參數(shù)調整預留空間。

2.4 臨界造斜方位差計算

由于最深造斜點深度的計算條件是設計井造斜方位相對于鄰井井眼為180°，因此，最小造斜方位差的計算是在兩井造斜點均小于最深造斜點深度，且造斜深度相同的基礎上獲得的。建立圖8 所示的幾何模型，計算井口間距S、造斜點深度H、造斜率f與方位差Δφ在分離系數(shù)為1 時的對應關系。

圖8 方位差為Δφ 時兩井造斜模型Fig.8 Angle building model of two wells with azimuth difference being Δφ

圖9 是井口間距為1 m 時，不同造斜率和造斜點深度條件下，兩鄰井不同造斜方位差時造斜段分離系數(shù)計算結果。

圖9 井口間距為1 m 時，不同設計參數(shù)條件下方位差對應分離系數(shù)計算結果Fig.9 Calculation results of separation coefficients corresponding to azimuth differences under different design parameter conditions with wellhead spacing being 1 m

由圖9(a)、圖9(b)和圖9(c)為造斜點深度低于最大造斜深度 20 m，造斜率分別為 1.2(°)/30 m、1.5(°)/30 m 和 1.8(°)/30 m 條件下的計算結果，造斜率越高，兩井眼分離系數(shù)始終大于1 時所需的造斜方位差越小，分別為 20°、15°、13°；造斜點深度低于最大造斜深度30 m 與造斜點深度低于最大造斜深度 20 m 有相同的規(guī)律，最小方位差為 17°、10°和8.5°(圖9(d)、圖9(e)和圖9(f))；造斜點深度低于最大造斜深度40 m 時，方位差大于5°，分離系數(shù)均大于1。

通過上述計算結果的分析可知，造斜點深度差越大，防碰所需最小方位角差越小，造斜率越高，也有利于減小最小方位角差，當造斜點深度大到一定程度時，防碰設計時可忽略造斜方位角差對其他設計參數(shù)的影響。表2 為井口間距分別為1、3、5 m時，臨界造斜方位差的計算結果。

由表2 計算結果可知：(1)隨井口間距增大，臨界造斜方位差所受影響越來越??；(2)隨造斜率增加，臨界造斜方位差逐漸變??；(3)井口間距較小時，隨造斜點深度上提，所需臨界造斜方位差逐漸變小，但當井口間距逐漸增大時，井口間距對臨界造斜方位差的影響逐漸變弱。

表2 不同井口間距與造斜率所對應的臨界造斜方位差Table 2 Critical angle-building azimuth differences corresponding to different wellhead spacings and build-up rates

3 結論與認識

(1)密集叢式井井眼軌道上部井眼軌道設計臨界參數(shù)與井口間距密切相關，隨井口間距增加，臨界造斜點深度、造斜深度差及造斜方位差均有一定程度的減小，但臨界造斜率則呈現(xiàn)出增加的趨勢。

(2)現(xiàn)行各項標準所規(guī)定的臨界造斜點深度差偏大，可以為整體防碰設計提供更為安全的指導，但在調整加密井設計時，可以適當縮小造斜點深度差，以更加充分地利用寶貴的井口資源。

(3)臨界造斜方位差受井口間距、造斜率、造斜點深度等多因素影響，計算分析結果明顯大于Q/SY 1639—2013 所規(guī)定數(shù)值，實際應用時應根據(jù)具體情況進行整體規(guī)劃設計。

(4)臨界造斜率計算結果較低，井口間距為5 m時，最高不超過1.8(°)/30 m，實際應用時，應根據(jù)地層特性、導向工具性能，對造斜率進行優(yōu)化設計。