昌吉致密油“井工厂”丛式水平井防碰分析

文乾彬，杨　虎，孙维国，张和茂，马　勇

(1.中国石油新疆油田公司工程技术研究院，新疆克拉玛依834099；2.奥润恩特能源技术〈北京〉有限公司，北京100044)

昌吉致密油“井工厂”丛式水平井防碰分析

文乾彬*1，杨虎1，孙维国1，张和茂2，马勇2

(1.中国石油新疆油田公司工程技术研究院，新疆克拉玛依834099；2.奥润恩特能源技术〈北京〉有限公司，北京100044)

我国致密油分布广阔,资源潜力巨大。随着北美致密油开发逐渐成熟，我国也加快了对致密油的勘探开发的步伐。由于致密油储层渗透率低，其开发成本较高，开采难度较大，目前多采用“工厂化”丛式水平井的开发模式，“工厂化”开发各井口之间的距离较近，造斜点较深，在直井段部分存在井眼相碰的风险。介绍了“工厂化”丛式水平井井眼防碰扫描方法及井眼相碰概率评价方法，并对昌吉致密油“井工厂”丛式水平井进行防碰扫描及误差分析，计算结果对致密油丛式水平井井眼防碰有重要的指导意义。

井工厂；致密油；丛式井；防碰；误差分析

致密油作为一种非常规资源，已在全球范围内成为勘探开发的热点[1-2]。根据致密油储层和物性的特点，国内外目前多采用丛式水平井的开发模式，而井眼防碰问题是丛式水平井钻井的关键。本文介绍了防碰扫描的基本理论方法与井眼交碰概率评价方法，并对昌吉致密油丛式井进行防碰分析，对昌吉致密油丛式井钻井有重要的指导意义。

1　丛式井防碰扫描方法

在致密油丛式井水平井的设计和施工过程中，由于采用“井工厂”开发理念[3]，多个井口间距较近，且造斜点较深，在直井段要考虑井间需要具有一定的安全距离，才能保证“井工厂”丛式水平井设计和施工的顺利进行，避免井眼相碰。描述井眼相互位置关系的方法有水平扫描、法面扫描法和最短距离扫描法[4]。

水平距离扫描是利用经过参考井任意井深处的水平面与比较井轨迹相交，计算出比较井水平面的交点，从而计算出比较井给定井深处比较井与参考井之间的距离及相对方位。法面距离扫描是采用参考井任意井深出的法面与比较井轨迹相交，据此计算出参考井与比较井之间的相对距离与方位。最短距离扫描利用参考井任意井深处的球面，不断增加球面直径直至球面与比较井相切，此时，球面的直径就是比较井与参考井之间的最短距离。当比较井轨迹与参考轨迹基本正交时，最近距离将接近于法面距离。如果参考轨迹是垂直井段，则法面距离将退化为水平距离。

2　井眼位置不确定性分析

2.1误差的来源

MWD测量中误差源主要体现在以下几个方面：传感器误差、BHA磁干涉误差、工具不对中误差、地磁场强度不确定误差、测深误差[4-9]。

2.2误差扩散数学模型

在实际井眼轨迹上的一个测点的一个误差源造成了一个误差，结合井眼轨迹位置的数学模型，可以将误差用向量的形式表示出来：

式中：ei——一个随机变化的向量值（即是向量误差）；

σi——第i个误差源的误差大小；

式中：σi,l——在l测段的第i个误差源的误差大小；

pk——在第k个测点上的测量向量。

由上式我们可以知道一个确定的测点的位置误差是由许多个独立的误差源集总的结果。那么一个测点上所有的误差可以表示为：

式中：el,k——在一个测段l上的一个测点k的总的误差向量；

ei,l,k——在l测段上k测点上第i个误差源所造成的误差向量值。

根据协方差矩阵的定义可以得到：

上式为协方差矩阵的向量表达式，而这个式子是描述井眼位置不确定性的重要参量。

2.3位置不确定性矩阵

从误差的统计性质出发，误差可分为系统误差和随机误差。对于在建立井眼位置不确定性矩阵时，就要分别建立系统误差的不确定性矩阵和随机误差的不确定性矩阵以及全局误差的不确定性矩阵。

上式是在测段l上的所有测点上的系统误差源i对井眼位置的影响。

上式是在测段l上的所有测点上的随机误差源i对井眼位置的影响。

全局误差对于每一口井表现出系统性，所以可以将从井口到测点k处所有测点的单个误差集总到测点k上形成一个总的误差向量。

总的全局误差可以得到一个全局误差不确定性矩阵。

那么就可以得出在测点K上所有误差源影响下的位置不确定性的协方差矩阵为：

这样就建立了描述井眼轨迹不确定性的协方差矩阵，但是这个矩阵的坐标系统是基于北、东和垂深的大地坐标系，不方便评估偏差的大小，因此需引入一个井眼的坐标系来评估井眼轨迹的不确定性的大小。

2.4评估不确定性的井眼坐标系

大地坐标系转换成井眼坐标系后协方差矩阵和误差偏差会更加的直观。井眼坐标系包括：高边方向、侧向和沿井眼方向。在这里给出它的转换矩阵：

则新的不确定性矩阵为：

这样，就可以写出在井眼坐标系中某一测点处3个方向上的偏差值：

图1清楚的显示了误差矩阵计算出来的3个方向上偏差量，即高边方向σh，侧向方向σl，轴向方向σa。

2.5防碰误差分析计算

怎样根据协方差矩阵正确的确定误差椭球，以及如何利用椭球来判断两井眼交碰的概率，是现代井眼测量误差分析中的又一项重要任务。

2.5.1误差椭球

通过以上的误差扩散模型的分析，我们得到了一个基于井眼坐标系的实对称矩阵，在井眼轨迹测量领域中，通常假定井眼位置坐标是服从正态分布的。

可以将椭球族表示为：

式中，K为放大因子，根据矩阵代数，上式正好是一个相似椭球族表达式，给定一个K值就得到一个椭球。当K取1时，相当于1σ（1倍的标准差）。

2.5.2井眼交碰评价方法及分离系数

使用分离系数来评价两井的交碰概率，图2是其相互关系的示意图。

分离系数=（两测点间的距离）/（R1+R2）（16）

式中的R1与R2为参考井与比较井两测点连线上的椭球半径。

如果分离系数＞1，表示误差椭球不重叠，两井不相碰；

如果分离系数=1，表示误差椭球正好接触，两井相碰；

如果分离系数＜1，表示误差椭球重叠，两井可能相碰。

图1　井眼位置不确定性示意图

所以，只要保证分离系数在一定范围，两井就不会相碰。

图2　两测点间的距离计算示意图

图3　平台3井眼轨迹示意图

3　防碰分析与防碰措施

3.1昌吉致密油田平台3丛式井组概况

2013年，昌吉致密油田平台3上共设计6口水平井，分别为JHW015、JHW016、JHW017、JHW018、JHW019、JHW020。丛式水平井组井眼轨迹为“山”字型，2口二维水平井和4口三维绕障水平井，如图3所示。井口布局如图4所示。

JHW017井井口距 JHW016井井口 10m，距JHW015井井口20m，距JHW018、JHW019井井口距离分别为50m、60m。在直径段JHW017井与JHW016、JHW015井距离较近，有相碰风险。

3.2平台3丛式水平井防碰计算

以JHW017井作为参考井，采用最小距离扫描方法与比较井JHW016、JHW015、JHW018、JHW019井进行防碰扫描计算，结果见表1及图5。

从图5及表1的计算结果可以看出，参考井JHW017井与比较井JHW018、JHW019井井眼空间距离较远，最近距离都达到了40m以上，不存在相碰风险，但JHW19井有向JHW18井方向偏离的趋势，在下一步轨迹设计及钻井施工过程中，应加强防碰扫描分析。参考井JHW017井与比较井JHW015井在井深2750m附近分离系数最小，为2.03，与比较井JHW016井在井深2725m附近分离系数最小为1.98，不存在防碰风险。但是由于JHW017井与JHW015、JHW016井直径段距离较近，在后期施工过程中应该严格监控井眼轨迹，及时预测井眼走向，防患于未然。

图4　井口布置示意图

3.3防碰措施

防碰扫描结果表明，相邻最短距离小于10m，直井段井间相碰风险较高，在直井段施工过程中做好每口井防碰措施：

（1）加密电子多点投测数据，保证数据准确，当磁性测斜仪器受邻井套管磁干扰时，使用陀螺测斜工具复测实钻井眼轨迹。

图5　参考井JHW017与比较井最短距离扫描图

表1　JHW017井防碰扫描计算简表

（2）在直井钻井过程中，加强井眼轨迹监测，及时监测井间距离及相对方位，计算井眼不确定性大小，进行井间防碰扫描分析时，对实钻轨迹的磁偏角进行校正。

4　结论与建议

（1）井眼不确定性的主要影响因素是测量仪器的精度、井深，随着深度的增加，累计误差越大；

（2）采用加密电子多点测斜方式保证了轨迹的及时更新和跟踪，加密测斜是防止致密油水平井直井段相碰的有效措施；

（3）昌吉致密油丛式水平井JHW017与其他相邻水平井的最小分离系数为1.98，井间相碰概率较低。

[1]张威,刘新,张玉玮.世界致密油及其勘探开发现状[J].石油科技论坛,2003(1).

[2]侯明扬,杨国丰.北美致密油勘探开发现状及影响分析[R].国际石油经济,2013.

[3]白冬青,王凤和,路齐军,夏炎.丛式井:辽河油田形成三大关键技术[J].石油装备,2012(46).

[4]刘修善,岑章志.井眼轨迹间相互关系的描述与计算[J].钻采工艺,1999(3).

[5]董本京,高德利,柳贡慧.井眼轨迹不确定性分析方法的探讨[J].天然气业,1999,19(4):59.

[6]董本京,高德利.现代井眼轨迹测量误差分析理论探索[J].钻采工艺,1999,22(3).

[7]柳贡慧,董本京,高德利.误差椭球(圆)及井眼交碰概率分析[J].钻采工艺,2000,23(3).

[8]刁斌斌,高德利.邻井定向分离系数计算方法[J].石油钻探技术,2012,40(1).

[9]J.L.Thorogood,F.G.Tourney,F.K.Crawley,G.Woo.Quantitive Risk Assessment of Subsurface Well Collisions[R].SPE 20908.

TE243

A

1004-5716(2015)07-0087-04

2014-07-13

2014-07-14

文乾彬（1981-），男（汉族），四川南充人，工程师，现从事钻井工艺和钻井方案研究工作。