丛式井组加密井防碰技术及应用

李 兵， 胥 豪， 牛洪波， 唐洪林， 徐文浩

(1中石化胜利石油工程有限公司黄河钻井总公司 2中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院)

大型丛式井组施工存在井间距小，井数多的难题，防碰工作难度较大，两井交碰事件时有发生。对于新建整体施工大型丛式井组通常通过整体优化设计[1]，为防碰施工提供了较好的前提；但加密井施工就较为麻烦，存在数据准确性难以考证，井眼轨道优化困难等难题。目前通常通过防碰距离扫描进行优化，保持合适的井间距进行施工，有时候甚至未考虑井眼分离系数，导致井眼扫描距离较远，但实际却发生了两井交碰的事件。因此系统地分析井眼距离扫描方法，并对误差椭圆、分离系数进行必要的研究和应用具有重要的意义。

一、最近距离计算

井眼轨迹距离扫描方法多种多样，国内外很多专家学者都对其进行了研究；其中比较常用的方法有3种，分别是平面扫描法、法面扫描法和最近距离扫描法[2-4]。平面扫描法的基本思想是扫描参考井在同一垂深平面上与邻井的交互关系，两口井在该平面内的距离即最近距离。在井斜角比较小的情况下，平面扫描法结果可信度较高，多用于靶心距的计算、小井斜定向井防碰施工等。法面扫描法是指以参考井某一点的切线方向线做一个法平面，该平面与邻井相交于一点，则这两点之间的距离为最近距离。法面扫描多用来比较两口井轨迹之间的偏离情况，描述两井偏离程度，以及空间姿态关系。由于平面扫描法和法面扫描法计算的结果并不一定是最小距离，对于井斜较大的定向井、水平井，其适应性受到限制。

最近距离扫描法又叫球面扫描法。其基本原理是以参考井某点为球心，做无数个半径不同的同心球，其中与邻井刚好接触的球的半径即为两口井的最近距离，所以又称半径扫描法。最近距离扫描法基本反映了两井的距离及位置关系，适用于任何井斜角度，在丛式井、加密井和连通井的现场施工中得到了广泛的应用。

利用最近距离扫描法计算最近距离时，以参考井上的P点为中心，作半径为ρ的球，该球面与邻井交叉于C点，则两点之间的最近距离为：

式中：Nc、NP；Ec、EP；Dc、DP—分别为C点和P点的南北坐标、东西坐标、垂深坐标。

二、分离系数计算

井眼轨迹的计算主要依靠测量井深、井斜角、方位角3个参数，3个参数均存在一定的误差，致使实际井眼轨迹位于一个不确定的范围之内。井深、井斜角和方位角3个参数影响因素主要有测量井深误差、不居中度误差、参考方位误差、钻柱剩余磁性误差以及测量仪器精度误差[3-6]。随着测量井深的增加，误差会逐渐叠加，不确定性范围也越来越大，最终形成一个椭圆体椎体，这个椭圆椎体就是井眼轨迹误差椭圆，又叫做不确定性椭圆。 前文所叙述的最近距离ρmin仅仅代表的是两个椭圆椎体轴线之间的距离，并不能真实地反映两井实际的相对位置[6]，因此需要对井眼轨迹误差椭圆进行计算。

1.误差椭圆

根据前面的分析，井眼轨迹误差主要受到5个方面的影响，按照中心极限定理，可以近似认为它们呈正态分布，服从正态分布的多个误差累积之后仍然服从正态分布，因此，可以建立分布概率密度计算公式[7-8]：

(2)

利用矩阵分块，可写出截平面方程为：

(3)

这样就得到了误差椭圆方程计算通式，其中λ值取决于给定的概率，其将决定椭圆的大小。根据坐标系的转换方程，水平面与椭圆主半轴组成的坐标系之间的转换关系为：

(4)

(5)

2.分离系数

计算出两井眼中心距和误差椭圆之后，则可以计算分离系数，分离系数计算公式为[9-13]：

(6)

式中：a1—参考井垂深的长半轴；a2—邻井相应垂深的长半轴。

根据分离系数概念，其代表了两口井相碰的危险程度。当分离系数大于1时，两井眼轨迹误差椭圆未相交，可以安全钻进；当分离系数等于1时，两井眼轨迹椭圆误差表面相交，存在相碰的危险；当分离系数小于1时，两井眼轨迹误差椭圆相交，井眼交碰风险极大。因此，井眼轨迹设计时要求分离系数大于1，为了增加安全系数，现场一般要求分离系数大于3。

三、井眼轨迹防碰设计

以渤海油田某大型丛式井组加密井为例，对技术进行应用分析。该井组槽口为4×9布局，槽口间距1.80 m×2.00 m，目前已钻井36口，其中东北和西南两个槽口为单筒双井结构，如图1所示，本次将利用37H和38H两个槽口(黑色)钻2口水平井，图1中红色槽口所标注的井上部井段均为陀螺仪器复测数据，绿色槽口标注井全井都为磁性测斜仪器数据。

图1 平台槽口图

井眼轨迹设计之前，首先需要对误差系数进行赋值，由于涉及到磁性测斜仪和陀螺测斜仪两种测量仪器，因此需要分别赋值，对应于磁性测斜数据的井采用磁性测斜误差数据，对应于陀螺测斜数据的井采用陀螺误差数据。

完成误差分析数据赋值之后，即可根据邻井造斜点深度、轨迹走向等具体参数进行井眼轨迹设计：37H井设计造斜点231.00 m，造斜率8.57°/100 m，井深301.00 m时井斜角达到6.00°，方位角135°，按照此井斜方位稳斜至611 m，再以4°/100 m造斜率将井斜角降至0.00°，按照直井钻进至造斜点后开始定向；38H井设计造斜点211.00 m，造斜率7.5°/100 m，井深251 m时井斜角达到3°，方位角50°，然后稳斜至281 m，再以7.5°/100 m的造斜率降斜至0°，后按照直井钻进至造斜点后开始定向。

根据设计数据、邻井数据及误差赋值，利用MATLAB软件进行防碰分析，37H井最近距离数据图见图2，37H井分离系数图见图3。从图2可知，最近距离小于5 m的井共有11口井，最近距离1.24 m，对应井深98.53 m，对应井号36；随着井深增加，大部分邻井距离均快速加大，井深350 m以后有3口井距离小于5 m，即井深440.00 m距离15井4.66 m，井深510.00 m距离19井4.07 m，井深560.00 m距离21井3.98 m。从图3可知，分离系数小于3的有6口井，最小分离系数1.55，对应井号21，出现在井深559.81 m，根据分析可知，现场施工时需要重点关注的3口井井号是15、19、21。

图2 37H井最近距离

图3 37H井分离系数

同理对38H井进行防碰分析，38H井最近距离数据图如图4，38H井分离系数图如图5。从图4可知，最近距离小于5 m的井有19口，最近距离1.28 m，对应井深224.83 m，对应井号20；大部分井距离快速增加，但仍然有小部分井至700 m井深之后才与参考井快速分离，井深300 m以后，有6口井最近距离低于5.0 m。从图5可知，分离系数小于3的有7口井，最小分离系数1.64，对应井深480 m，对应井号3。结合图4和图5，现场施工时应重点关注3、12、17、1W 4口井。

四、防碰施工

1.测量仪器优选

通常磁性随钻测斜仪器存在价格便宜、操作方便等优点，但是由于已钻井套管的影响，通常不能保障仪器处于有效的无磁环境，这将导致测量的磁性工具面角和方位角出现较大误差；而陀螺测斜仪器的测斜原理是基于惯性理论的，可以不受磁场环境的限制，测量出准确的工具面角和方位角，但是存在价格较高，操作不便的问题，因此需要考虑邻井究竟带来多大的磁干扰，特点是在多口邻井套管叠加影响下，是否影响磁性测斜仪的正常使用[11、14]。此时就需要引入等效磁矩进行判断。

图4 38H井最近距离扫描图

图5 38H井分离系数扫描图

磁场强度在历史上最先由磁荷观点引出，类比于电荷的库仑定律，因此其强度与距离的平方存在反比关系，据此可以得到多口邻井套管影响下等效磁距计算公式(7)：

(7)

式中：ρ—等效磁距；ρ1、ρ2、…、ρn—邻井到参考井的最近距离，由于最近距离已通过式(1)计算出，因此可以算出不同井深下的等效磁距。计算结果如图6所示。

根据图6可知：37H井在井深350 m之前等效磁矩小于2.50 m，38H井在井深500 m之前等效磁距小于2.50 m；根据磁性测斜仪器室内实验和现场经验，目前比较公认的防止磁干扰最小距离要求为2.50 m。因此，2口井均需要选择陀螺测斜仪器进行防碰作业，随着等效磁距的增加，后期磁干扰将逐渐减小，可选择磁性测量仪器进行施工。

图6 等效磁距计算结果图

2.钻具组合优化

由于需要选取两种测量仪器进行施工，因此需要对常规定向钻具组合进行优化，避免频繁起下钻更换仪器。优化后的钻具组合为“钻头+动力钻具+MWD坐键短节+无磁钻铤+GYRO坐键短节+钻铤+加重钻杆+钻杆”。其中MWD为磁性随钻测斜仪，GYRO为陀螺测斜仪。目前常用磁性测斜仪为随钻测斜仪器，而GYRO为单点测斜仪器，采用此钻具组合可以在下入磁性测斜仪器的同时接入陀螺测斜仪坐键短节，根据现场需要适时下入电缆进行陀螺测量，从而减少频繁起下钻作业，提高作业效率。

3.现场施工情况

现场施工时，采用了优化后的钻具组合进行施工，并采用牙轮钻头进行定向，利用电缆下入陀螺测斜仪器，在下入过程中测量井眼轨迹数据，下入到底坐键成功后测量工具面数据，然后摆正工具面，再起出陀螺测斜仪器，然后进行定向钻进，钻进一定井段后再下入陀螺仪器对井眼轨迹进行复测，修正已钻轨迹。磁干扰消失后采用磁性测斜仪器进行定向和测斜。

37H井施工最近距离1.09 m，对应井深205 m，对应井号36；井深350 m以后与15、19、21井的最近距离分别为6.11 m、5.78 m、6.16 m。38H井施工最近距离1.27 m，对应井深175 m，对应井号3；井深280 m对应11井最小分离系数1.92，井深320 m对应31井最小分离系数1.55，井深330 m对应12井最小分离系数1.51，井深530 m对应3井最小分离系数1.29，其它井分离系数均大于3.0。2口井施工过程中各项工作正常，未出现蹩跳、返出水泥或者铁屑等疑似井眼交碰信号，顺利完成了防碰施工。

五、结论及建议

(1)通过理论研究，分析了3种邻井距离扫描方法的基本原理、适用条件，并对误差影响因素、误差椭圆、分离系数进行了相应的研究和介绍，为两口海上大型丛式井组加密井的设计和施工奠定了基础。

(2)通过最近距离计算、分离系数计算完成了37H、38H两口井的防碰设计，并通过优选测量仪器、优化钻具组合、优化现场施工工艺等措施，完成了两口加密井的防碰施工任务。

(3)井眼轨迹防碰误差影响因素众多，各个误差因素的赋值目前仍然是一个难题，各个公司或者各大油田通常有比较成熟的经验，但尚未形成行业统一观点，有待进一步加强研究。