密集叢式井磁干擾情況下防碰判斷與控制方法

劉永輝， 李 然， 朱寬亮

(中國(guó)石油天然氣股份公司冀東油田分公司)

0 引言

南堡灘海利用人工島及陸岸平臺(tái)采用叢式井組(井口間距最小4 m)開(kāi)發(fā)，隨著開(kāi)發(fā)進(jìn)程的發(fā)展和地質(zhì)認(rèn)識(shí)的進(jìn)步，加密調(diào)整井及滾動(dòng)擴(kuò)邊井增多。由于灘海環(huán)境敏感，鉆井平臺(tái)征地困難，往往一個(gè)叢式井平臺(tái)根據(jù)開(kāi)發(fā)部署經(jīng)過(guò)多輪次“整體”部署已不同于一次性整體部署，同一平臺(tái)開(kāi)發(fā)時(shí)間跨度大、新老井眼軌跡空間交叉密集，對(duì)新鉆井防碰風(fēng)險(xiǎn)增加，特別是上部井段的防碰問(wèn)題特別突出。井眼交碰風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)有最近距離法、分離系數(shù)法及交碰概率法。除了最近距離法外，都要基于一定的井眼軌跡誤差模型。在軌跡測(cè)量過(guò)程中存在很多因素影響其測(cè)量精度，即軌跡空間位置有很大的不確定性，研究人員在軌跡誤差模型方面有大量研究，應(yīng)用最多的是誤差橢球模型。但是在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)發(fā)現(xiàn)，由于井眼軌跡測(cè)量年代、儀器質(zhì)量等因素影響，新鉆井井眼軌跡與不同年代形成的井眼軌跡，建立誤差模型的各誤差源誤差大小是不同的，很難分別確定。也不是所有年代較久的井都具備利用陀螺測(cè)斜儀進(jìn)行復(fù)測(cè)的條件。目前在定向井防碰的施工中，主要采用最近距離輔助以分離系數(shù)的方法跟蹤井眼軌跡變化，通過(guò)監(jiān)測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度變化等與井眼碰撞有關(guān)的征兆來(lái)避免井眼碰撞事故的發(fā)生。

1 常規(guī)防碰掃描方法及實(shí)踐中存在的不足

在軌跡測(cè)量過(guò)程中存在傳感器誤差、測(cè)量深度誤差、不同軸誤差、磁偏角誤差等多種因素影響其測(cè)量精度，鉆井工程研究人員在軌跡誤差模型、防碰風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、叢式井防碰設(shè)計(jì)等方面做了大量研究[1- 9]，在很大程度上避免了井眼碰撞風(fēng)險(xiǎn)。其中ISCWSA軌跡誤差模型被業(yè)界普遍認(rèn)可和使用[8- 9]，在防碰設(shè)計(jì)與施工方面使用最多的軟件是Landmark的Compass模塊，有3D最近距離掃描、法面掃描及水平面掃描3種常用方法，如圖1所示。

圖1 井距掃描方法示意圖

南堡油田利用密集叢式井平臺(tái)采用海油陸采模式，隨著勘探開(kāi)發(fā)的發(fā)展，加密調(diào)整井不斷增多，已完鉆井眼軌跡空間展布越來(lái)也越密集，極大壓縮了新鉆井安全鉆井的空間，例如南堡1- 3人工島面積約200畝，已完鉆200口井，根據(jù)開(kāi)發(fā)部署將繼續(xù)增加鉆井?dāng)?shù)量。新鉆井不得不從老井軌跡的誤差橢圓范圍內(nèi)鉆井，其分離系數(shù)小于1，但通過(guò)嚴(yán)格的防碰設(shè)計(jì)與施工，都實(shí)現(xiàn)了安全鉆井。例如X1060井(2014年12月完鉆)實(shí)鉆與鄰井分離系數(shù)小于1的井有4口井。因此依據(jù)安全分離系數(shù)進(jìn)行鉆井防碰設(shè)計(jì)，難以實(shí)現(xiàn)有限空間的最大化利用。

由于同一平臺(tái)鉆井先后施工間隔長(zhǎng)，在不能統(tǒng)一測(cè)量?jī)x器、統(tǒng)一鉆井工具、統(tǒng)一施工隊(duì)伍的情況下，其不同軌跡的誤差橢球半徑是不同的，在實(shí)際操作中難以分別確定。在采用同一誤差模型和計(jì)算參數(shù)的情況下，即使防碰掃描是安全的，也有可能出現(xiàn)井眼嚴(yán)重交碰的情況。X165井(2016年12月)二開(kāi)鉆進(jìn)至749 m(測(cè)點(diǎn)位置730 m)測(cè)斜發(fā)現(xiàn)磁干擾，但泵壓、鉆壓、扭矩等參數(shù)正常。利用Compass軟件采用ISWC誤差模型經(jīng)過(guò)防碰掃描發(fā)現(xiàn)與 X72井(2008年12月完鉆)距離最近，根據(jù)防碰掃描結(jié)果，無(wú)論是水平面法還是3D最近距離法，分離系數(shù)均大于2.5，且中心距離10 m以上，兩井距離都處于安全狀態(tài)?，F(xiàn)場(chǎng)對(duì)X165進(jìn)行電測(cè)發(fā)現(xiàn)在729 m處有套管磁信號(hào)反應(yīng)，與X72井695 m處套管接箍位置對(duì)應(yīng)(相同海拔位置)，與水平面法掃描的最近距離情況一致，綜合判斷有碰撞風(fēng)險(xiǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)通過(guò)打水泥塞側(cè)鉆，調(diào)整軌跡，避免井眼碰撞事故發(fā)生。

2 基于磁干擾井眼位置關(guān)系的防碰方法

對(duì)于密集叢式井防碰監(jiān)測(cè)與控制，國(guó)內(nèi)有研究采用光纖隨鉆陀螺儀以避免磁干擾和提高測(cè)量精度[10]，但其服務(wù)費(fèi)用相對(duì)高?；阢@頭振動(dòng)波防碰監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[11- 13]，受振動(dòng)波衰減的影響，該技術(shù)在淺層防碰監(jiān)測(cè)效果明顯，但不適應(yīng)于深部鉆井防碰監(jiān)測(cè)。李翠等在鄰井隨鉆電測(cè)測(cè)距技術(shù)方面進(jìn)行了嘗試研究[14]。中國(guó)石油大學(xué)(華東)等機(jī)構(gòu)研究了套管周?chē)艌?chǎng)分布與對(duì)軌跡測(cè)量數(shù)據(jù)的影響規(guī)律[15- 16]，劉洪亮等初步研究了MWD 磁干擾強(qiáng)度與鄰井套管距離的確定方法[17]，為基于MWD磁干擾的鉆井防碰監(jiān)測(cè)與控制奠定了理論基礎(chǔ)。

在現(xiàn)場(chǎng)定向井施工中，通過(guò)監(jiān)測(cè)MWD磁參數(shù)的異常變化是規(guī)避正鉆井與比較井(鄰井)碰撞的一個(gè)重要手段，但是MWD與鉆頭有一定的距離，當(dāng)發(fā)現(xiàn)磁干擾時(shí)，很有可能已經(jīng)與鄰井發(fā)生碰撞，因此明確正鉆井與比較井的位置關(guān)系是很重要的。

2.1 異面角確定的位置關(guān)系

在不同軌跡上兩個(gè)防碰點(diǎn)的相對(duì)位置根據(jù)南北坐標(biāo)、垂深數(shù)據(jù)能很快確定，基于MWD磁干擾監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)鉆頭與鄰井套管是否有碰撞風(fēng)險(xiǎn)，還需要確定它們之間的角度關(guān)系。一般情況下，兩個(gè)井眼軌跡在空間上是不同面的，如圖2所示。

圖2 異面角示意圖

PA′是軌跡一上A點(diǎn)處井眼方向線的平行線，PB′是軌跡二上B點(diǎn)處井眼方向線的平行線。PA′與PB′相交于P點(diǎn)，θ為PA′和PB′所成的夾角，稱(chēng)A點(diǎn)處井眼方向線與B點(diǎn)處井眼方向線之間的異面角。在進(jìn)入防碰井段后會(huì)加密測(cè)斜，當(dāng)發(fā)生磁干擾時(shí)測(cè)量的方位角是失真的，這時(shí)根據(jù)前3個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)可較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)發(fā)生磁干擾處測(cè)點(diǎn)的方位角。

(1)

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

(2)

其中：

2.2 切入角

鉆具與鄰井相碰時(shí)，鉆具所在直線與鄰井碰撞井段上過(guò)碰撞點(diǎn)的井眼方向線形成的夾角定義為切入角,切入角是異面角的特例。在MWD儀器磁參數(shù)傳感器能夠測(cè)量到的磁干擾最大距離，剛好發(fā)生碰撞時(shí)的切入角，為臨界切入角θl。

θl=arcsin(lc/ld)

(3)

式中：θl—臨界切入角，°；

lc—儀器能夠感應(yīng)到的最大磁干擾距離，m；

ld—磁測(cè)點(diǎn)距鉆頭的距離，m。

2.3 MWD工具感應(yīng)磁干擾的距離

根據(jù)冀東油田市場(chǎng)常用的海藍(lán)YST- 48R無(wú)線隨鉆儀的探管進(jìn)行的磁干擾分析表明，套管距離儀器2.5～3 m時(shí)開(kāi)始有磁干擾，距離小于2.5 m磁干擾隨距離的縮小而顯著變大，可忽略?xún)x器井斜、方位、工具面等因素對(duì)磁干擾強(qiáng)度的影響[17]。因工具種類(lèi)及制造商不同，MWD能探測(cè)到磁干擾的距離有一定差異，需要制造商提供或通過(guò)試驗(yàn)獲取。

2.4 井眼碰撞征兆和現(xiàn)象

可能與鄰井發(fā)生碰撞的征兆和現(xiàn)象，主要包括(叢式井平臺(tái)布置及井眼防碰技術(shù)要求，SY/T 6396- 2014)： ①返出巖屑中含有水泥或鐵屑；②在鄰井套管無(wú)水泥封固時(shí)，出現(xiàn)鉆具短暫放空；③鉆速突然變慢；④泵壓、扭矩變化異常，鉆具蹩跳嚴(yán)重；⑤測(cè)量的磁場(chǎng)強(qiáng)度值超出正常值±2%。

發(fā)生任何上述征兆之一應(yīng)停鉆，將鉆具提離井底5 m以上，分析確定原因。對(duì)磁干擾現(xiàn)象，首先根據(jù)探管軸向、徑向磁場(chǎng)強(qiáng)度分量的變化分析產(chǎn)生磁干擾原因[18]。當(dāng)判斷是鄰井套管產(chǎn)生的磁干擾時(shí)，就要進(jìn)一步判斷是否發(fā)生碰撞及制定后續(xù)措施。

2.5 防碰判斷與控制方法

在小于安全距離范圍內(nèi)，正鉆井與鄰井軌跡一般有兩種情況：一種是“擦肩而過(guò)型”(如圖3中b)，這種類(lèi)型只要正鉆井軌跡順利通過(guò)了防碰風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)就會(huì)安全；另一種情況是“并肩而行型”(如圖3中a)，這種類(lèi)型正鉆井與鄰井軌跡在很長(zhǎng)井段內(nèi)處于并向關(guān)系，防碰風(fēng)險(xiǎn)較高。在實(shí)鉆中對(duì)于這兩種情況的防碰監(jiān)控策略應(yīng)區(qū)別對(duì)待。

2.5.1 “擦肩而過(guò)型”防碰監(jiān)控策略

在臨近防碰風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)前(空間最近距離小于20 m)開(kāi)始采用牙輪鉆頭，加密測(cè)斜隨鉆掃描，并重點(diǎn)監(jiān)測(cè)各種“井眼碰撞的征兆與現(xiàn)象”。當(dāng)鉆頭已經(jīng)安全通過(guò)防碰風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)后又監(jiān)測(cè)到磁干擾時(shí)(沒(méi)有其他井眼碰撞現(xiàn)象)，可根據(jù)磁場(chǎng)干擾強(qiáng)度判斷儀器與鄰井套管間的相對(duì)距離[17]。

2.5.2 “并肩而行型”防碰監(jiān)控策略

這種情況應(yīng)使用牙輪鉆頭，監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距不大于10 m，采用最近距離法和水平面法進(jìn)行隨時(shí)掃描，隨著空間最近距離的縮小也相應(yīng)縮短測(cè)點(diǎn)間距并監(jiān)測(cè)“井眼碰撞的征兆與現(xiàn)象”。通過(guò)磁干擾現(xiàn)象及兩井軌跡對(duì)應(yīng)防碰點(diǎn)的異面角關(guān)系進(jìn)行監(jiān)測(cè)與判斷。

2.5.3 防碰措施

對(duì)于“并肩而行型”，當(dāng)θ≤θl時(shí)，監(jiān)測(cè)到磁干擾時(shí)已經(jīng)發(fā)生碰撞(如圖3b)；當(dāng)θ>θl時(shí)，監(jiān)測(cè)到磁干擾時(shí)，井眼尚未發(fā)生碰撞，可及時(shí)調(diào)整軌跡避免碰撞事故(如圖3a)。這個(gè)策略對(duì)于密集叢式井上部井段防碰監(jiān)控至關(guān)重要，施工階段，首先根據(jù)MWD儀器能監(jiān)測(cè)到磁干擾時(shí)的距離及在鉆具組合中的安放位置計(jì)算出臨界切入角θl，然后在隨鉆測(cè)量進(jìn)行軌跡掃描時(shí)，計(jì)算與鄰井的空間異面角θ的大小(如圖3c)，對(duì)比θ與θl的大小關(guān)系。

圖3 防碰位置關(guān)系示意圖

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 基本情況

X1918為密集叢式井平臺(tái)上一個(gè)一拖四井組的整拖第3口井，井口間距4 m，與第1井口、第2井口已完鉆井的上部井段防碰距離如圖4所示。與軌跡一中心距離最小4.52 m，與軌跡二中心距離最小為1.56 m，其中在設(shè)計(jì)井深77～233 m(156 m)井段中心距離小于3 m、151～213 m(62 m)井段中心距離小于2 m。井身結(jié)構(gòu)為：?339.7 mm×850 m+?139.7 mm×3 266 m。

圖4 設(shè)計(jì)井與鄰井中心距離

3.2 防碰技術(shù)措施

該井防碰重點(diǎn)在一開(kāi)階段，一開(kāi)井身剖面為直—增—穩(wěn)，與井2“并肩而行”很長(zhǎng)一段距離，預(yù)計(jì)存在磁干擾，本文重點(diǎn)描述與軌跡二的防碰過(guò)程。采用的鉆具組合為：?444.5 mm SKG124×0.48 m+?244 mm螺桿×7.59 m+731×630×0.44 m+?203 mm無(wú)磁×9.14 m+MWD×1.90 m+?203 mm無(wú)磁×9.45 m+631×4A0×0.46 m+?165 mm鉆鋌×27.37 m+4A1×410×0.5 m+?127 mm加重鉆桿×187.67 m+?127 mm鉆桿 。

3.2.1 計(jì)算臨界切入角

該鉆具組合ld=19.55 m、lc=2.5 m，根據(jù)式(3)，臨界切入角θl=arcsin(2.5/19.55)=7.35°。

3.2.2 計(jì)算異面角

首先計(jì)算設(shè)計(jì)軌跡與軌跡二對(duì)應(yīng)點(diǎn)的異面角，預(yù)先判斷發(fā)生磁干擾時(shí)，是否有井眼碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，計(jì)算如圖5所示，在直井井段，計(jì)算異面角都小于臨界切入角，發(fā)生磁干擾時(shí)是安全的?？梢圆捎梅佬贝蛑奔夹g(shù)并加強(qiáng)隨鉆監(jiān)測(cè)跟蹤，利用重力工具面控制軌跡通過(guò)磁干擾井段。

圖5 防碰點(diǎn)計(jì)算異面角

3.2.3 隨鉆測(cè)量與控制

實(shí)鉆軌跡MWD測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示，與軌跡二的中心距離及異面角計(jì)算如圖6所示。在設(shè)計(jì)井深118 m附近出現(xiàn)磁干擾，通過(guò)掃描計(jì)算，與軌跡二的最近距離為3.68 m、異面角0.6°，上提鉆具后磁參數(shù)變正常，現(xiàn)場(chǎng)未監(jiān)測(cè)到其它井眼碰撞征兆，綜合判斷與鄰井套管接近產(chǎn)生了磁干擾，但鉆頭與鄰井套管沒(méi)有碰撞風(fēng)險(xiǎn)，調(diào)整井眼軌跡后磁異常消失。完鉆后用陀螺儀測(cè)斜，在118 m附近與軌跡二最近距離為2.55 m(見(jiàn)圖6)，證實(shí)了鄰井套管是產(chǎn)生磁干擾的原因。該井其它井段未出現(xiàn)磁異常現(xiàn)象。

表1 實(shí)鉆測(cè)量數(shù)據(jù)

圖6 中心距離及異面角計(jì)算圖

4 結(jié)論與建議

(1)異面角與臨界切入角的引入是對(duì)最近距離法、分離系數(shù)法等判別井眼碰撞關(guān)系的有益補(bǔ)充。

(2)小間距“并肩而行型”兩個(gè)井眼碰撞風(fēng)險(xiǎn)高，磁干擾現(xiàn)象出現(xiàn)頻率相對(duì)較高，磁干擾鉆前預(yù)測(cè)及實(shí)鉆發(fā)生磁干擾時(shí)的正確判斷是成功防碰鉆井的關(guān)鍵。

(3)測(cè)量工具的磁源感應(yīng)最大距離、磁干擾強(qiáng)度和儀器與套管距離的關(guān)系是重要參數(shù)，建議將其作為儀器的性能指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定。