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采用叢式井組(井口間距最小4 m)開發，隨著開發進程的發展和地質認識的進步，加密調整井及滾動擴邊井增多。由于灘海環境敏感，鉆井平臺征地困難，往往一個叢式井平臺根據開發部署經過多輪次“整體”部署已不同于一次性整體部署，同一平臺開發時間跨度大、新老井眼軌跡空間交叉密集，對新鉆井防碰風險增加，特別是上部井段的防碰問題特別突出。井眼交碰風險評估指標有最近距離法、分離系數法及交碰概率法。除了最近距離法外，都要基于一定的井眼軌跡誤差模型。在軌跡測量過程中存在很多因素影響其測量精度，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，應用最多的是誤差橢球模型。但是在實際應用中會發現，由于井眼軌跡測量年代、儀器質量等因素影響，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斜儀進行復測的條件。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的方法跟蹤井眼軌跡變化，通過監測磁場強度變化等與井眼碰撞有關的征兆來避免井眼碰撞事故的發生。

1 常規防碰掃描方法及實踐中存在的不足

在軌跡測量過程中存在傳感器誤差、測量深度誤差、不同軸誤差、磁偏角誤差等多種因素影響其測量精度，鉆井工程研究人員在軌跡誤差模型、防碰風險評估、叢式井防碰設計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險。其中ISCWSA軌跡誤差模型被業界普遍認可和使用[8- 9]，在防碰設計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采用海油陸采模式，隨著勘探開發的發展，加密調整井不斷增多，已完鉆井眼軌跡空間展布越來也越密集，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，根據開發部署將繼續增加鉆井數量。新鉆井不得不從老井軌跡的誤差橢圓范圍內鉆井，其分離系數小于1，但通過嚴格的防碰設計與施工，都實現了安全鉆井。例如X1060井(2014年12月完鉆)實鉆與鄰井分離系數小于1的井有4口井。因此依據安全分離系數進行鉆井防碰設計，難以實現有限空間的最大化利用。

由于同一平臺鉆井先后施工間隔長，在不能統一測量儀器、統一鉆井工具、統一施工隊伍的情況下，其不同軌跡的誤差橢球半徑是不同的，在實際操作中難以分別確定。在采用同一誤差模型和計算參數的情況下，即使防碰掃描是安全的，也有可能出現井眼嚴重交碰的情況。X165井(2016年12月)二開鉆進至749 m(測點位置730 m)測斜發現磁干擾，但泵壓、鉆壓、扭矩等參數正常。利用Compass軟件采用ISWC誤差模型經過防碰掃描發現與 X72井(2008年12月完鉆)距離最近，根據防碰掃描結果，無論是水平面法還是3D最近距離法，分離系數均大于2.5，且中心距離10 m以上，兩井距離都處于安全狀態。現場對X165進行電測發現在729 m處有套管磁信號反應，與X72井695 m處套管接箍位置對應(相同海拔位置)，與水平面法掃描的最近距離情況一致，綜合判斷有碰撞風險。現場通過打水泥塞側鉆，調整軌跡，避免井眼碰撞事故發生。

2 基于磁干擾井眼位置關系的防碰方法

對于密集叢式井防碰監測與控制，國內有研究采用光纖隨鉆陀螺儀以避免磁干擾和提高測量精度[10]，但其服務費用相對高。基于鉆頭振動波防碰監測技術進入現場應用[11- 13]，受振動波衰減的影響，該技術在淺層防碰監測效果明顯，但不適應于深部鉆井防碰監測。李翠等在鄰井隨鉆電測測距技術方面進行了嘗試研究[14]。中國石油大學(華東)等機構研究了套管周圍磁場分布與對軌跡測量數據的影響規律[15- 16]，劉洪亮等初步研究了MWD 磁干擾強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測與控制奠定了理論基礎。

在現場定向井施工中，通過監測MWD磁參數的異常變化是規避正鉆井與比較井(鄰井)碰撞的一個重要手段，但是MWD與鉆頭有一定的距離，當發現磁干擾時，很有可能已經與鄰井發生碰撞，因此明確正鉆井與比較井的位置關系是很重要的。

2.1 異面角確定的位置關系

在不同軌跡上兩個防碰點的相對位置根據南北坐標、垂深數據能很快確定，基于MWD磁干擾監測預測鉆頭與鄰井套管是否有碰撞風險，還需要確定它們之間的角度關系。一般情況下，兩個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點處井眼方向線的平行線，PB′是軌跡二上B點處井眼方向線的平行線。PA′與PB′相交于P點，θ為PA′和PB′所成的夾角，稱A點處井眼方向線與B點處井眼方向線之間的異面角。在進入防碰井段后會加密測斜，當發生磁干擾時測量的方位角是失真的，這時根據前3個測點數據可較準確地預測發生磁干擾處測點的方位角。

(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，鉆具所在直線與鄰井碰撞井段上過碰撞點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儀器磁參數傳感器能夠測量到的磁干擾最大距離，剛好發生碰撞時的切入角，為臨界切入角θl。

θl=arcsin(lc/ld)

(3)

式中：θl—臨界切入角，°；

lc—儀器能夠感應到的最大磁干擾距離，m；

ld—磁測點距鉆頭的距離，m。

2.3 MWD工具感應磁干擾的距離

根據冀東油田市場常用的海藍YST- 48R無線隨鉆儀的探管進行的磁干擾分析表明，套管距離儀器2.5～3 m時開始有磁干擾，距離小于2.5 m磁干擾隨距離的縮小而顯著變大，可忽略儀器井斜、方位、工具面等因素對磁干擾強度的影響[17]。因工具種類及制造商不同，MWD能探測到磁干擾的距離有一定差異，需要制造商提供或通過試驗獲取。

2.4 井眼碰撞征兆和現象

可能與鄰井發生碰撞的征兆和現象，主要包括(叢式井平臺布置及井眼防碰技術要求，SY/T 6396- 2014)： ①返出巖屑中含有水泥或鐵屑；②在鄰井套管無水泥封固時，出現鉆具短暫放空；③鉆速突然變慢；④泵壓、扭矩變化異常，鉆具蹩跳嚴重；⑤測量的磁場強度值超出正常值±2%。

發生任何上述征兆之一應停鉆，將鉆具提離井底5 m以上，分析確定原因。對磁干擾現象，首先根據探管軸向、徑向磁場強度分量的變化分析產生磁干擾原因[18]。當判斷是鄰井套管產生的磁干擾時，就要進一步判斷是否發生碰撞及制定后續措施。

2.5 防碰判斷與控制方法

在小于安全距離范圍內，正鉆井與鄰井軌跡一般有兩種情況：一種是“擦肩而過型”(如圖3中b)，這種類型只要正鉆井軌跡順利通過了防碰風險點就會安全；另一種情況是“并肩而行型”(如圖3中a)，這種類型正鉆井與鄰井軌跡在很長井段內處于并向關系，防碰風險較高。在實鉆中對于這兩種情況的防碰監控策略應區別對待。

2.5.1 “擦肩而過型”防碰監控策略

在臨近防碰風險點前(空間最近距離小于20 m)開始采用牙輪鉆頭，加密測斜隨鉆掃描，并重點監測各種“井眼碰撞的征兆與現象”。當鉆頭已經安全通過防碰風險點后又監測到磁干擾時(沒有其他井眼碰撞現象)，可根據磁場干擾強度判斷儀器與鄰井套管間的相對距離[17]。

2.5.2 “并肩而行型”防碰監控策略

這種情況應使用牙輪鉆頭，監測點間距不大于10 m，采用最近距離法和水平面法進行隨時掃描，隨著空間最近距離的縮小也相應縮短測點間距并監測“井眼碰撞的征兆與現象”。通過磁干擾現象及兩井軌跡對應防碰點的異面角關系進行監測與判斷。

2.5.3 防碰措施

對于“并肩而行型”，當θ≤θl時，監測到磁干擾時已經發生碰撞(如圖3b)；當θ>θl時，監測到磁干擾時，井眼尚未發生碰撞，可及時調整軌跡避免碰撞事故(如圖3a)。這個策略對于密集叢式井上部井段防碰監控至關重要，施工階段，首先根據MWD儀器能監測到磁干擾時的距離及在鉆具組合中的安放位置計算出臨界切入角θl，然后在隨鉆測量進行軌跡掃描時，計算與鄰井的空間異面角θ的大小(如圖3c)，對比θ與θl的大小關系。

圖3 防碰位置關系示意圖

3 現場應用

3.1 基本情況

X1918為密集叢式井平臺上一個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，其中在設計井深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。井身結構為：?339.7 mm×850 m+?139.7 mm×3 266 m。

圖4 設計井與鄰井中心距離

3.2 防碰技術措施

該井防碰重點在一開階段，一開井身剖面為直—增—穩，與井2“并肩而行”很長一段距離，預計存在磁干擾，本文重點描述與軌跡二的防碰過程。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無磁×9.14 m+MWD×1.90 m+?203 mm無磁×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 計算臨界切入角

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

3.2.2 計算異面角

首先計算設計軌跡與軌跡二對應點的異面角，預先判斷發生磁干擾時，是否有井眼碰撞的風險，計算如圖5所示，在直井井段，計算異面角都小于臨界切入角，發生磁干擾時是安全的。可以采用防斜打直技術并加強隨鉆監測跟蹤，利用重力工具面控制軌跡通過磁干擾井段。

圖5 防碰點計算異面角

3.2.3 隨鉆測量與控制

實鉆軌跡MWD測量數據如表1所示，與軌跡二的中心距離及異面角計算如圖6所示。在設計井深118 m附近出現磁干擾，通過掃描計算，與軌跡二的最近距離為3.68 m、異面角0.6°，上提鉆具后磁參數變正常，現場未監測到其它井眼碰撞征兆，綜合判斷與鄰井套管接近產生了磁干擾，但鉆頭與鄰井套管沒有碰撞風險，調整井眼軌跡后磁異常消失。完鉆后用陀螺儀測斜，在118 m附近與軌跡二最近距離為2.55 m(見圖6)，證實了鄰井套管是產生磁干擾的原因。該井其它井段未出現磁異常現象。

表1 實鉆測量數據

圖6 中心距離及異面角計算圖

4 結論與建議

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

(2)小間距“并肩而行型”兩個井眼碰撞風險高，磁干擾現象出現頻率相對較高，磁干擾鉆前預測及實鉆發生磁干擾時的正確判斷是成功防碰鉆井的關鍵。

(3)測量工具的磁源感應最大距離、磁干擾強度和儀器與套管距離的關系是重要參數，建議將其作為儀器的性能指標進行標定。