浅层多井防碰相对井间距预测模型的建立与现场验证*

饶志华杨 超段泽辉耿艳红刘 刚刘华亮

(1.中海石油(中国)有限公司深圳分公司; 2.中国石油大学(华东)石油工程学院; 3.中海石油(中国)有限公司湛江分公司; 4.中海油研究总院)

浅层多井防碰相对井间距预测模型的建立与现场验证*

饶志华1杨 超2段泽辉3耿艳红4刘 刚2刘华亮2

(1.中海石油(中国)有限公司深圳分公司; 2.中国石油大学(华东)石油工程学院; 3.中海石油(中国)有限公司湛江分公司; 4.中海油研究总院)

随着加密调整增产技术在海上油田的广泛应用,防碰问题已经成为严重影响钻井施工安全的主要问题之一。根据钻头破岩激发的振动波在地层及套管中的传播规律,建立了浅层多井防碰相对井间距预测模型,并利用所建模型对涠洲11-1N油田在钻井A16井的3口风险邻井套管头振动信号进行了分析处理,得出了监测井段钻头与各风险邻井套管的相对距离,其结果与COMPASS扫描分析结果较为一致。所建立的预测模型具有实时、快速特点,可以作为预测浅层多井防碰相对井间距的一种识别方式,为现场防碰作业提供参考。

多井防碰;相对井间距;预测模型;现场验证

随着勘探程度的不断深入,为实现海上油田的经济、高效开发,高密度加密井项目的陆续展开必将导致浅层钻井时井间距越来越小,使钻井施工面临很大的井眼碰撞风险[1]。“十一五”期间,为提高采收率,在渤海油田部分区块实施丛式井加密调整,期间出现了多次井眼碰撞险情,制约了该地区钻完井作业的顺利进行[2]。因此,海上油田丛式井加密调整对钻井防碰提出了更高的要求。目前国内外已经形成一套相对成熟的现场井眼防碰设计方法和措施,主要包括钻前的防碰设计和施工过程中的随钻监测,但由于老井测斜数据丢失或不准确,测斜方位角不准确或未校正,使得钻前防碰设计难以满足防碰需求[3-4]。此外,防碰扫描受测斜数据和数据传输延时等因素的影响,使其在某些情况下无法满足现场防碰的需求。

笔者根据钻头破岩激发的振动波在地层及套管中的传播规律,建立了浅层多井防碰相对井间距预测模型,通过对多个传感器节点的检测值直接求解模型估计出目标(钻头)距邻井套管的距离,或者通过对单个传感器节点的检测值进行系数回归来实现模型求解。这2种预测算法对节点的数量和分布密度要求相对较低[5],因此均可选作振动波能量传播模型距离的求解方法。涠洲11-1N油田现场试验结果表明,利用本文提出的预测模型所求取的多井相对井间距能够较准确地判断在钻井钻头的趋近趋势,从而实现对钻头趋近临近风险井的实时在线监测。

1 预测模型建立

1.1 条件假设

钻井作业中钻头产生的振动波在不同地层及套管中的传播情况很复杂,其在地层和套管中的衰减会受到很多因素的影响,为使问题得到简化,作出如下3点假设:

1)假设防碰点处钻头与邻井套管之间地层的岩性和物性在横向上基本一致,振动波在地层中的衰减系数α(f)数值相同。浅层段丛式井各井之间的中心距较小,有些井之间不到10 m,因此假设钻头与邻井套管之间地层的岩性、物性在横向上基本一致是合理的。

2)假设振动波在套管中的衰减系数β(f)数值相同。由于同一(或相邻)平台中各井的井身结构大致相同,主要是指从防碰点到地面的套管连接状态和套管头连接状态基本相同,故认为衰减系数β(f)数值相同是合理的。

3)假设在钻井和各监测邻井在造斜点之前的上部井段是直井段,故井筒套管长度近似相等。

1.2 模型建立

浅部地层岩石胶结相对疏松,硬度较低,根据钻头振动波在地层及套管中的传播规律,忽略振动波能量的球面扩散,仅考虑振动波能量在介质中传播的吸收衰减,可建立测量相对井间距的数学模型[6]。

如图1所示,以存在3口监测邻井为例推导井间距预测模型。设在钻井钻头到各监测邻井的距离为ri(i=1,2,3),弹性波在地层中传播时其能量随传播的距离成指数形式衰减[7],钻头振动传播到邻井套管时其幅值与井间距的关系为

式(1)中:A0表示振源(钻头)处的振动波强度;Ai表示监测邻井井底接收的振动波幅值强度;α(f)表示振动波在地层中的衰减系数,与地层特征有关。

图1 浅层多井防碰相对井间距预测模型示意图(以存在3口监测邻井为例)

钻头振动波经套管传播到井口套管头,被加速度传感器接收时,其幅值与井深的关系如下:

1)对于在钻井信号

2)对于监测邻井信号

对于整个监测过程,则有

根据式(2)和式(4),得到各监测邻井信号与井间距之间的关系为

式(5)中:A、B表示相对井间距系数,是以信号幅值关系建立起来的。由式(5)可知,由井口得到振动信号的幅值关系就可以判断钻头到监测邻井的相对距离关系,从而为现场防碰作业提供参考。

2 模型验证

现场试验在涠洲11-1N油田“南海四号”平台进行,试验开始时该油田已经完成开发井13口,经过油藏地质研究后计划再新钻3口开发井(A14H、A15、A16井)。本次试验主要监测A16井。油田位置和平台井口分布如图2所示。

图2 涠洲11-1N油田位置及平台井口分布图

取防碰监测井A16井在210～450 m范围内不同井深处套管头采集的振动信号数据,经过一系列的数据处理,得到代表钻头趋近特征的信号相对幅值,并结合对应的井深一并代入式(5),计算得到A16井到各监测邻井的相对距离,如表1所示。使用COMPASS软件对井深在210～450 m范围内进行防碰扫描,得到A16井到各监测邻井的相对距离,二者的对比结果如图3所示。

表1 预测模型计算与COMPASS扫描得到的A16井到各监测邻井相对井间距对比

图3 涠洲11-1N油田井间相对距离预测模型计算结果与防碰扫描结果对比

从表1和图3可知:在210～450 m井深范围内,模型预测的在钻井A16井与各监测邻井的相对井间距与防碰扫描结果较为吻合。在200～300 m井段,模型预测A7H和A1井与在钻井A16井的相对井间距有减少的趋势,说明在钻井A16井与A1井的井间距离大于在钻井A16井与A7H井的井间距离,此时A16井与A7 H井碰撞风险较大;同样,在钻井A16井与A1井的井间距离大于在钻井A16井与A13井的井间距离,此时A16井与A13井碰撞风险较大。综合对比图认为,在200～300 m井段,A7 H井和A1井与A16井的井间相对距离大于A13井和A1井与A16井的井间相对距离,说明在钻井A16井更加趋近A13井,与A13井的碰撞风险最高;在300～400 m井段,在钻井A16井与各监测邻井的相对距离变化趋势相对平坦,且均无增大趋势,说明在钻井A16井不趋近于任何监测邻井,此时钻井作业过程无井眼碰撞风险,而且由上述判断得到的钻头趋近方向与经COMPASS扫描分析得到的钻头实际钻进方向相同。因此,相对于防碰扫描耗时费力的计算过程,利用本文提出的浅层多井防碰相对距离预测模型可以实时、快速获取钻进过程中的钻头信号数据,并通过对预测结果的合理解释能够较准确地预测在钻井与各监测井的位置关系,大大缩短了预警时间。

3 结论

1)基于钻头破岩激发的振动信号,建立了浅层多井防碰井眼距离预测模型。

2)涠洲11-1N油田试验结果表明,利用本文所建立的浅层多井防碰相对井间距预测模型可以实时、快速获取钻进过程中的钻头信号数据,能够较准确地预测在钻井与各监测井的位置关系,从而实现对钻头趋近临近风险井的实时在线监测。

[1] POEDJONO B,AKINNIRANYE G,CONRAN G,et al.Well collision risk in congested environments[C].SPE 101719,2006.

[2] 霍微伟.石油钻井防碰测距系统设计[D].北京:北京交通大学,2010.

[3] 刘刚,孔得臣,孙金,等.套管头振动信号特征应用于油井防碰监测的可行性分析[J].中国海上油气,2012,24(3):54-55.

[4] 王飞跃,刘峰刚,薛燕.防碰扫描方法在丛式钻井中的应用[J].辽宁化工,2010,39(9):925-928.

[5] 沈笑慧,张健,何熊熊.基于接收信号强度指示加权融合的定位算法[J].华侨大学学报:自然科学版,2012(6):635-639.

[6] 张凤久,刘刚,孙福街,等.一种随钻邻井距离计算方法:中国, 102644457A[P].2012-08-22.

[7] 周光泉,刘孝敏.粘弹性理论[M].合肥:中国科学技术大学出版社,1996:157-161.

(编辑:孙丰成)

Establishment and field verification of relative inter-well distance prediction model for anti-collision of shallow multi-wells

Rao Zhihua1Yang Chao2Duan Zehui3Geng Yanhong4Liu Gang2Liu Hualiang2

(1.Shenzhen Branch of CNOOC Ltd.,Guangdong,518067; 2.School of Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Shandong,266580;3.Zhanjiang Branch of CNOOC Ltd.,Guangdong,524057;4.CNOOC Research Institute,Beijing,100027)

With infill well technique widely used in offshore oilfields,the anti-collision problem has become one of the main problems that seriously affect domestic wells drilling safety.The model was built based on the theory of elastic waves in spherical spreading and absorption attenuation,and was used to analyze the well casing head vibration signals of three risk wells adjacent to A16 well to be drilled in WZ11-1N oilfield,and the relative interwell distance between monitored drill bit and the adjacent wells was obtained.The result is almost the same with the COMPASS scanning in anti-collision risk segment.The prediction model can be used as a method to predict relative inter-well distance with real-time and quick characteristics,and can provide a reference for field anti-collision job.

multi-well anti-collision;relative interwell distance;prediction model;field verification

2013-09-10改回日期:2013-12-20

*“十一五”国家科技重大专项“海上油田丛式井网整体加密及综合调整技术”之子课题“定向井防碰地面监测及预警系统研究(编号: 2008ZX05024-004-006)”、“十二五”国家科技重大专项“海上油田丛式井网整体加密及综合调整技术”之子课题“海上油田丛式井网整体加密调整多平台钻井趋近井筒监测方法研究(编号:2011ZX05024-002-010)”部分研究成果。

饶志华,男,2004年毕业于长江大学石油工程学院,2007年获长江大学采油工程专业硕士学位,现主要从事钻完井方面工作。地址:广东省深圳市南山区蛇口工业二路1号海洋石油大厦B座2楼钻完井部(邮编:518067)。电话:0755-26022552。E-mail:raozhh@ cnooc.com.cn。