密集叢式井上部井段防碰設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)臨界值計(jì)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(xué)機(jī)械工程學(xué)院；2.材料腐蝕與防護(hù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.過程裝備與控制工程四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；4.中國石油冀東油田分公司；5.中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

近年來，廣泛應(yīng)用于海洋鉆井的叢式井在陸地油田應(yīng)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(shè)“大平臺”，采用“工廠化”、“集約化”鉆井方式實(shí)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(fēng)險(xiǎn)，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(shè)備維護(hù)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(jī)整拖或?qū)к壥侥K鉆機(jī)整體移動(dòng)施工，井口數(shù)量規(guī)模更大，單平臺鉆井?dāng)?shù)量可達(dá)百口以上［4-5］。但受限于單井產(chǎn)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(shè)計(jì)提出了更高要求，而現(xiàn)行的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對密集叢式井井眼軌道防碰設(shè)計(jì)參數(shù)要求過高，導(dǎo)致部分井無法實(shí)施。因此，筆者在分析現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，基于井眼軌跡碰撞風(fēng)險(xiǎn)分析的分離系數(shù)，對密集叢式井上部井段防碰設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)的臨界值進(jìn)行了計(jì)算分析，以更好地指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。

1 國內(nèi)現(xiàn)行叢式井井眼防碰相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析

國內(nèi)現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［6］為《SY/T 6396—2014叢式井平臺布置及井眼防碰技術(shù)要求》，該標(biāo)準(zhǔn)在防碰設(shè)計(jì)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(diǎn)深度布置、鉆井順序與井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求等。

中國石油天然氣集團(tuán)公司相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)，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(shè)計(jì)與施工技術(shù)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(shè)計(jì)與軌跡控制技術(shù)規(guī)范》。兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(gè)的單行或多行、多列的井口組合。兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在防碰設(shè)計(jì)方面規(guī)定的內(nèi)容與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相同，但針對井眼軌道設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇和計(jì)算給出了更加明確的規(guī)定，操作性更強(qiáng)。中國海洋石油總公司［9］現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)為《Q/HS 2016—2010 叢式井防碰與碰后處理要求》，該標(biāo)準(zhǔn)在防碰設(shè)計(jì)方面，分別針對新油氣田和加密調(diào)整井規(guī)定了不同的安全距離。表1是4 項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)在防碰設(shè)計(jì)方面相關(guān)規(guī)定的對比。

由表1 可以看出，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)與行標(biāo)均應(yīng)用分離系數(shù)作為評估設(shè)計(jì)井眼軌道合理與否的標(biāo)準(zhǔn)，但對常壓油田加密調(diào)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(gè)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)上部井段和預(yù)防碰設(shè)計(jì)井段應(yīng)用最近距離作為評估標(biāo)準(zhǔn)，其余井段與行標(biāo)相同。造斜點(diǎn)深度行標(biāo)規(guī)定相鄰兩井造斜點(diǎn)深度差大于30 m，中海油企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)亦采用相同的指標(biāo)，中石油兩個(gè)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中Q/SY 1296—2010 要求較高，相鄰井口造斜點(diǎn)深度差大于50 m，Q/SY 1639—2013 與行標(biāo)相同，但兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對不同排井口的造斜點(diǎn)深度差提出了更高的要求，達(dá)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(dá)到100 口以上。4 項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)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(gè)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提出了預(yù)留井口的要求。另外行標(biāo)規(guī)定了相鄰井口表層套管下入深度要求，其余標(biāo)準(zhǔn)則無明確說明，中石油兩項(xiàng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了造斜率、造斜或預(yù)造斜方位及預(yù)造斜井段軌道等詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇范圍。

由現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)分析可知，各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)較全面地規(guī)定了叢式井整體防碰設(shè)計(jì)各項(xiàng)參數(shù)選擇范圍及注意事項(xiàng)，但在實(shí)際應(yīng)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(guān)系，部分規(guī)定在加密調(diào)整井防碰設(shè)計(jì)時(shí)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(shè)計(jì)造斜點(diǎn)深度、造斜率、造斜點(diǎn)深度差和造斜方位等4 個(gè)密集叢式井上部井段防碰設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)的臨界值。

表1 現(xiàn)行叢式井相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)防碰設(shè)計(jì)規(guī)定對比結(jié)果Table 1 Comparison results of requirements for anti-collision design in existing cluster well standards

2 防碰設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)臨界值計(jì)算

以分離系數(shù)為1 作為評估標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算相鄰兩井眼防碰設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)的臨界值。井眼間距計(jì)算方法采用最近距離法計(jì)算，分離系數(shù)計(jì)算基于系統(tǒng)誤差模型［10］，計(jì)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(diǎn)深度計(jì)算

建立圖1 兩平行井眼幾何模型，分析計(jì)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(guān)系。上部井段平行井眼臨界深度計(jì)算結(jié)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(fēng)險(xiǎn)越高，井口間距分別為 1、2、3、4、5 m 時(shí)，分離系數(shù)為1 時(shí)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(shí)分離系數(shù)計(jì)算結(jié)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(shí)，井口間距與臨界平行井深相關(guān)關(guān)系計(jì)算結(jié)果，由圖3 可以看出，臨界平行井深與井口間距成線性關(guān)系，擬合公式為

式中，Hmax為造斜點(diǎn)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(guān)關(guān)系(SF=1)Fig.3 Correlation relationship between wellhead spacing and critical parallel depth (SF=1)

利用式(1)可以計(jì)算出不同井口間距條件下造斜點(diǎn)的最大臨界值，在多井口均勻排列情況下，相鄰兩井造斜點(diǎn)深度不能同時(shí)超過該值，并且需要根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)減小造斜點(diǎn)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(jì)算

當(dāng)相鄰兩井中的一口井造斜點(diǎn)深度超過臨界造斜深度時(shí)，另一口井的造斜點(diǎn)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(yuǎn)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(jì)算結(jié)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(shí)臨界造斜點(diǎn)處分離系數(shù)計(jì)算結(jié)果Fig.5 Calculation results of separation coefficients at critical KOPs at different build-up rates

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

2.3 鄰井臨界防碰造斜點(diǎn)深度差計(jì)算

密集叢式定向井整體防碰設(shè)計(jì)時(shí)，最惡劣的情況是兩口鄰井向同一個(gè)方向施工，此時(shí)如果兩井造斜點(diǎn)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(fēng)險(xiǎn)大幅度增加。解決此問題的一個(gè)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(shí)，造斜率最高已經(jīng)達(dá)到了1.8(°)/30 m，如果右側(cè)井(見圖6)造斜率為1(°)/30 m，則左側(cè)井造斜率應(yīng)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(shí)，整體防碰設(shè)計(jì)時(shí)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(dāng)錯(cuò)開兩井的造斜點(diǎn)，通過相鄰井造斜點(diǎn)的交錯(cuò)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(diǎn)深度差ΔH與分離系數(shù)的相關(guān)關(guān)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(jié)合圖4 和圖6 可知，如果圖6 左側(cè)井造斜點(diǎn)深度選擇平行井眼分離系數(shù)為1 的臨界深度，左側(cè)井在造斜率為最低防碰造斜率時(shí)，右側(cè)井造斜點(diǎn)深度必須遠(yuǎn)高于左側(cè)井，如果有其他鄰井，造斜點(diǎn)深度則必須小于平行井眼臨界造斜點(diǎn)深度。但如果左側(cè)井造斜點(diǎn)深度小于造斜點(diǎn)臨界深度時(shí)，其他井造斜點(diǎn)深度就具有較寬的選擇范圍。因此重點(diǎn)分析左側(cè)井造斜點(diǎn)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(diǎn)深度差時(shí)采用最低造斜率計(jì)算的分離系數(shù)。

圖7 在造斜點(diǎn)處不同深度差分離系數(shù)計(jì)算結(jié)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(shí)，造斜點(diǎn)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(dāng)井口間距為3 m 時(shí)，造斜點(diǎn)深度差為15 m 時(shí)，分離系數(shù)略大于1，且有下降趨勢，說明其造斜點(diǎn)深度差至少應(yīng)大于20 m；由圖7(d)和圖7(e)可以看出，當(dāng)井口間距分別為4 m和5 m 時(shí)，造斜點(diǎn)深度差為10 m 時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)安全系數(shù)始終大于1。

以上分析結(jié)果是以兩鄰井平行井眼最深造斜點(diǎn)深度為基礎(chǔ)計(jì)算獲得的，根據(jù)誤差橢球和分離系數(shù)計(jì)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(diǎn)深度差在更淺造斜點(diǎn)井上應(yīng)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(shè)計(jì)時(shí)，造斜點(diǎn)深度應(yīng)在臨界井深以上逐漸遞減，深度差應(yīng)盡量大于最小深度差，為井眼軌道設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)整預(yù)留空間。

2.4 臨界造斜方位差計(jì)算

由于最深造斜點(diǎn)深度的計(jì)算條件是設(shè)計(jì)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(jì)算是在兩井造斜點(diǎn)均小于最深造斜點(diǎn)深度，且造斜深度相同的基礎(chǔ)上獲得的。建立圖8 所示的幾何模型，計(jì)算井口間距S、造斜點(diǎn)深度H、造斜率f與方位差Δφ在分離系數(shù)為1 時(shí)的對應(yīng)關(guān)系。

圖8 方位差為Δφ 時(shí)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(shí)，不同造斜率和造斜點(diǎn)深度條件下，兩鄰井不同造斜方位差時(shí)造斜段分離系數(shù)計(jì)算結(jié)果。

圖9 井口間距為1 m 時(shí)，不同設(shè)計(jì)參數(shù)條件下方位差對應(yīng)分離系數(shù)計(jì)算結(jié)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(diǎn)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(jì)算結(jié)果，造斜率越高，兩井眼分離系數(shù)始終大于1 時(shí)所需的造斜方位差越小，分別為 20°、15°、13°；造斜點(diǎn)深度低于最大造斜深度30 m 與造斜點(diǎn)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(diǎn)深度低于最大造斜深度40 m 時(shí)，方位差大于5°，分離系數(shù)均大于1。

通過上述計(jì)算結(jié)果的分析可知，造斜點(diǎn)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(dāng)造斜點(diǎn)深度大到一定程度時(shí)，防碰設(shè)計(jì)時(shí)可忽略造斜方位角差對其他設(shè)計(jì)參數(shù)的影響。表2 為井口間距分別為1、3、5 m時(shí)，臨界造斜方位差的計(jì)算結(jié)果。

由表2 計(jì)算結(jié)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(shí)，隨造斜點(diǎn)深度上提，所需臨界造斜方位差逐漸變小，但當(dāng)井口間距逐漸增大時(shí)，井口間距對臨界造斜方位差的影響逐漸變?nèi)酢?/p>

表2 不同井口間距與造斜率所對應(yīng)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(jié)論與認(rèn)識

(1)密集叢式井井眼軌道上部井眼軌道設(shè)計(jì)臨界參數(shù)與井口間距密切相關(guān)，隨井口間距增加，臨界造斜點(diǎn)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(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的臨界造斜點(diǎn)深度差偏大，可以為整體防碰設(shè)計(jì)提供更為安全的指導(dǎo)，但在調(diào)整加密井設(shè)計(jì)時(shí)，可以適當(dāng)縮小造斜點(diǎn)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(diǎn)深度等多因素影響，計(jì)算分析結(jié)果明顯大于Q/SY 1639—2013 所規(guī)定數(shù)值，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行整體規(guī)劃設(shè)計(jì)。

(4)臨界造斜率計(jì)算結(jié)果較低，井口間距為5 m時(shí)，最高不超過1.8(°)/30 m，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)地層特性、導(dǎo)向工具性能，對造斜率進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。