渤海人工岛大型丛式井组加密防碰优化设计技术

许军富， 徐文浩， 耿应春

(1.中石化胜利石油工程有限公司海洋钻井公司，山东东营 257000；2.中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东东营 257000)

海上部分油田进入开发中后期，采油速度大幅下降，尤其海上稠油蒸汽吞吐开发产量衰减快、采收率低。针对这种情况，充分利用现有平台资源进行海上丛式井组加密调整具有重要意义。目前大型丛式井组的井台优化及防碰技术较为成熟，已经形成行业标准和推荐做法[1]。然而,海上大型丛式井组加密调整一般涉及井数较少，以单井优化为主。在同一个平台或大型丛式井组内部进行大规模加密调整，井网密集，井下空间占用严重，存在加密井与已钻井、加密井之间的防碰优化问题，涉及的槽口优化和防碰轨道设计技术复杂，防碰风险和优化难度较大，目前国内外相关研究较少[2-4]，因此，亟需形成适用于大型丛式井组的大规模加密防碰优化设计方法，以提高井组优化、轨道设计工作效率和质量。

笔者在分析渤海人工岛B岛加密井防碰形势的基础上，对数据校验技术、井台整体优化技术和防碰轨道设计技术进行研究，形成了渤海人工岛大型丛式井组加密防碰绕障优化设计技术，成功完成了B岛45口加密井轨道设计及防碰分析工作，设计的井眼轨道均满足行业标准要求。

1 B岛大型丛式井组概况

1.1 井组概况

渤海人工岛B岛采用稠油蒸汽吞吐方式开发，由于井网不完善，局部区域井距过大，影响热采开发效果，同时受到项目经济性和环保要求的制约，无法新建钻井平台，因此提出以增加45口加密井的方式进一步完善地下井网。其中8口井为水平井，其他为大斜度定向井。B岛已钻井为L形井排，加密井为直线形井排，加密后人工岛总井数达到115口。在项目实施之前需要对加密井轨道进行优化设计，论证其可行性。

B岛加密井排槽口与原井台L形井排的纵排槽口平行，间距13.50 m，如图1所示。加密井槽口自北向南划分为9个小井组。

图1 加密井及已钻井槽口分布Fig.1 Slot distribution of infill wells and previously drilled wells

1.2 整体防碰形势

B岛原井台L形井排西北部布置了30多个地质靶点，井排的纵排井直井段为栅栏形，部分井造斜点较深。为完成加密井中靶设计，轨道需从“栅栏”底部穿越。

加密井与已钻井开发同一深度油藏，各加密井靶点与已钻井靶点位移不同，垂深基本相同，且都集中在西北方位上。要完成这些地质靶点的中靶设计，设计轨道与已钻井轨迹会存在大量的防碰点;另外,西北区域靶点密集,造成水平面上方位调整空间有限，防碰绕障难度较大。

由于已钻井直井段的偏移或预定向，加密井槽口井下空间占用严重，主要占用井段集中在350.00～700 m，即加密井直井段或定向造斜段，浅层防碰问题突出，部分加密井需要进行预定向绕障。

2 已钻井轨迹数据精确性校准

进行丛式井组加密井防碰轨道设计时，普遍存在已钻井轨迹与加密井设计轨道软件计算环境不一致的问题，如加密井排设计与已钻井排施工时使用的坐标系统、轨道计算方法、地磁模型系统和井深基准等不尽相同，需要进行统一，对老井轨迹数据进行精确性校准[2]。

各井的井口、靶点、防碰点的相对位置关系及距离是防碰设计的基础。地球上2个点的相对位置及距离，可以通过地理坐标和位置垂深确定。相同地球椭球模型计算的地理坐标值具有一致性，校准软件的计算环境主要是统一地球椭球模型，在此基础上校准高斯投影坐标值，依据投影坐标再重新计算已钻井井口、靶点的地理坐标。校对各井地理坐标计算结果与施工方提供的地理坐标值是否相同，验证轨迹数据的精确性，完成坐标系统的校准，坐标系统校准流程如图2所示。通过选用与已钻井轨迹计算模型相同的苏联克拉索夫斯基地球椭球模型，应用上述方法完成了从Beijing_1954至Gauss-Kruger(Pulkovo 1942)坐标系统的转换。

图2 坐标系统校准流程Fig.2 Flow chart of the calibration method for coordinate systems

B岛轨道计算统一采用最小曲率法，井深基准统一到海平面。已钻井数据采用网格北方位角，地磁系统对加密井轨道设计没有直接影响，不需要采用地磁模型进行磁偏角的修正及校准。采用上述井眼轨迹校准方法，对70口已钻井轨迹数据进行了精确性校准，校准过程中软件计算的轨迹参数与已钻井施工方提供的数据一致，验证了数据的有效性。

3 大型丛式井组加密防碰绕障优化设计技术

3.1 防碰绕障优化设计流程

不同于新布井台或布置少量加密井的情况，B岛大型丛式井组加密防碰绕障优化涉及2个井组，既要满足加密井组内部槽口、钻井顺序优化及防碰的要求，又要对老井组进行防碰绕障，优化难度大。为避免部分井轨道反复调整，必须明确合理的设计流程，具体的优化设计实施流程如图3所示。

图3 加密井组防碰优化设计流程Fig.3 Flow chart of anti-collision optimization design for infill well groups

水平井需要扭方位至靶框方位才能中靶，为避免大幅度扭方位造成井眼曲率过大，槽口分配应优先考虑水平井[5-8]；定向井轨道方位变化较小，防碰绕障时涉及的防碰井相对较少，优先进行定向井绕障，可以改善前期设计时轨道水平投影交叉严重的问题[9]。应用该流程进行设计，能够有效提高轨道绕障设计效率。

3.2 钻井顺序优化

B岛施工采用电动模块化钻机，以大型丛式井组批钻形式施工，一开施工候凝期间整拖钻机至其他槽口，进行交叉作业，提高了丛式井整体施工效率。B岛加密井排采用直线井排槽口优化方法，钻机整拖要求错开各井造斜点深度，大位移浅造斜点的井与小位移深造斜点的井采用交错施工的方式，消除测斜仪器磁干扰的影响，并加大浅层防碰井距，同时保证小井组内造斜点由浅到深施工。优化后的加密井钻井顺序如图4所示。

图4 优化后的加密井钻井顺序Fig.4 Drilling sequence of infill well optimized

该钻井顺序优化方法的优点是施工作业的灵活性较高，主要表现在2个方面：1)能提高整体作业的施工效率，有利于防碰绕障的整体规划设计；2)施工中如遇特殊情况需要调整槽口施工顺序时，在满足小井组造斜点由浅及深的条件下，可以在相邻井组之间进行调整。

3.3 槽口优选

3.3.1 槽口优选方法

大型丛式井组加密调整槽口优选的影响因素较多，主要受加密井靶点闭合距、闭合方位、槽口排布形状、防碰绕障等因素的影响[10]，同时需要考虑降低工作量和施工难度，槽口优选实际为多因素影响下的最优化问题。优化前需要进行简化处理，忽略已钻井的防碰影响，只考虑加密井排内部的槽口优选问题，利用新布井排槽口优选方法进行槽口初步优选。

根据大型丛式井组加密防碰优化设计原则，优先选择水平井槽口。水平井槽口的初选以轨迹控制工作量最小为原则，由于靶前位移的限制，轨迹控制工作量受到井斜变化率的影响较小，其主要影响因素为扭方位量。初选出槽口后，再根据防碰影响进行槽口的调整[11]。

定向井槽口初选需满足加密井排内部各井轨道水平投影不交叉的要求，避免后期进行防碰绕障时，加密井之间、已钻井与加密井之间产生大量交叉点[12]，从而降低防碰设计难度、减小工作量。

3.3.2 基于最小工作量的水平井槽口优选

井口与设计方位线垂距如图5所示。图5中，靶点连线向井口方向的延伸线称为设计方位线，井口投影到设计方位线上的点与井口的距离为垂距，即轨道调整至最终靶框方位所必须完成的位移量，也可以称为井口相对于设计方位线的偏移量，该距离的长短与扭方位工作量成正相关关系[13-15]。

图5 井口与设计方位线垂距示意图Fig.5 Schematic diagram of the vertical distance between wellhead and design azimuth line

依据水平井靶点设置原则，使水平井设计方位线相对于平台中心呈放射状分布，完成水平井靶点的设置。由于加密井排各槽口位置相对水平井设计方位线垂距不同，考虑降低轨道调整工作量，需要对全井组水平井槽口进行优化调整，使整个平台水平井垂距之和最小，完成槽口初步优选。

A靶设置为坐标原点，A靶、B靶连线的延伸部分为设计方位线，井口至设计方位线的垂直投影为垂点T，已知A靶大地坐标可以推导出垂点的大地坐标，依据该坐标值和井口坐标就可以计算出井口至垂点的距离，即垂距[16]。

1) 已知A靶大地坐标计算垂点坐标：

XT=XO+Ssinθ

(1)

YT=YO+Scosθ

(2)

式中：XT为垂点横坐标，m；YT为垂点纵坐标，m；XO为A靶横坐标，m；YO为A靶纵坐标，m；θ为A靶与垂点闭合方位角，(°)；S为靶前位移，m。

2) 根据垂点坐标和井口坐标计算垂距:

(3)

式中:L为垂距，m；YH为井口纵坐标，m；XH为井口横坐标，m。

以扭方位工作量最小为目标，通过调整槽口使计算的垂距之和最小，完成水平井的槽口初选，初选结果如表1和图6所示。

表1 水平井槽口优选结果Table 1 Results of slot optimization of horizontal wells

图6 水平井槽口优选结果Fig.6 Results of slot optimization of horizontal wells

3.3.3 基于软件辅助设计的定向井槽口优选

在井排密度和布井数量不大的情况下，大型丛式井组加密井排的设计工作量较小，槽口、靶点对应关系比较直观，可以采用人工调整方式优选槽口[17-18]。B岛已钻井防碰形势复杂，加密井数量庞大，全面考虑地质靶点至槽口方位关系、闭合距、防碰要求等因素，设计工作量及优化难度较大，因此槽口优选采用Landmark软件辅助配合人工调整的方式。该软件能够依据槽口至靶点的距离及方位自动优选槽口，使位移之和最小，但无法考虑加密井之间的防碰影响，因此还需要针对个别加密井具体防碰条件进行人工调整。

在用Landmark软件优选槽口的基础上，依据定向井轨道水平投影不交叉原则，以靶点和槽口相对位置关系和距离人工调整各井槽口，使各井轨道成放射状分布。调整前后的定向井槽口如图7所示。共完成了20口井的槽口调整工作，调整后全部定向井设计轨道的水平投影无交叉点。

图7 定向井槽口调整前后对比Fig.7 Comparison of slots before and after adjustment in directional wells

3.4 三维防碰轨道设计

受目标点空间位置及方位防碰绕障的限制，以及工艺上的要求，必须在多约束条件下设计出合理的三维井眼轨道。为降低钻井难度，满足生产作业要求，定向井及水平井轨道设计要求造斜率分别为3.5°/30m和4.5°/30m，定向井稳斜角小于65°。在分析安全绕障空间的基础上，设置数个理想的轨道途径位置作为自设靶区，应用轨道设计软件进行轨道模拟，使设计轨道穿过自设靶区后能够按照设计的造斜率中靶，水平井要求几何中靶，不能满足要求的井需要调整槽口后再进行轨道设计。

3.5 多轮次槽口调整

B岛井网密集，槽口优选过程中未考虑已钻井的防碰影响，因此，按照槽口初选的结果部分井无法完成防碰绕障，需要进行多轮次槽口调整，使防碰轨道设计井数最大化。

槽口调整措施如下：

1) 避免轨道投影交叉。轨道水平投影交叉导致无法绕障的水平井，通过互换槽口避免轨道水平投影交叉，再进行绕障设计，如Bn6h井和Bn5h井。

2) 避让密集井段。部分井靶点闭合方位方向穿过较多已钻井，并且防碰点深度较深，绕障轨道调整幅度过大，可采用调整槽口的方式改变闭合方位朝向来解决，如B65井、Bn9h井和B83井等。

3) 调整造斜点。小井组井排造斜点难以错开足够距离的井，可以间隔插入一口造斜点深度较浅的井，提高整个小井组的防碰绕障空间，如B90井。

4) 有防碰干扰的井进行整体调整。调整某一口井的槽口可能会导致多口井防碰形势发生变化，需要整体进行槽口调整和轨道防碰设计，如Bn7h井。

槽口调整结果见表2。经过多轮次槽口调整及轨道优化，解决了6口井无法绕障的问题，降低了1#井组整体防碰难度，提高了部分井的分离系数。

表2 槽口调整结果Table 2 Sheet of slot adjustment results

3.6 防碰绕障优化设计结果

应用渤海人工岛大型丛式井组加密防碰优化设计技术，完成了45口加密井的防碰绕障设计工作，各井防碰扫描结果均满足行业标准要求，分离系数大于1.5或防碰最近距离大于15.00 m[1]。采用最近距离法对所有加密井进行防碰扫描，扫描半径为15.00 m，扫描结果显示各井分离系数小于2.0的防碰井一般少于4口，并且各井分离系数的最小值多集中在1.7以上，整体上降低了防碰风险。槽口71—115对应各井的防碰扫描分离系数最小值及防碰井数分布情况如图8所示。

图8 设计轨道防碰扫描结果Fig.8 The diagram of well trajectory design and anti-collision scanning result

4 结 论

1) 在进行大型丛式井组加密防碰优化设计时，对已钻井轨迹及位置进行精确性校准，完成不同坐标系、地磁模型之间的转换，确定统一的井深基准和轨迹计算方法，对于施工时间久远或轨道计算软件差异较大的加密调整井尤其重要。

2) 研究形成的渤海人工岛大型丛式井组加密防碰优化设计技术是大型丛式井组大规模加密调整的关键技术，其中的加密井排钻井顺序优化、槽口优选及调整、防碰轨道设计方法，有助于提高井组防碰绕障设计效率。

3) 对于具有不同槽口排布形式的加密井排，均可以应用该防碰优化方法系统高效地解决井组之间的防碰干扰问题。

参 考 文 献

[1] SY/T 6396—2014 丛式井平台布置及井眼防碰技术要求[S].

[2] 刘晓艳,施亚楠,李培丽.丛式井组总体防碰与钻井顺序优化技术及应用[J].石油钻采工艺,2012,34(2):9-12,16.

LIU Xiaoyan,SHI Yanan,LI Peili.Techniques of cluster well general anti-collision and drilling sequence optimization[J].Oil Drilling & Production Technology,2012,34(2): 9-12,16.

[3] 闫铁,徐婷,毕雪亮,等.丛式井平台井口布置方法[J].石油钻探技术,2013,41(2):13-16.

YAN Tie,XU Ting,BI Xueliang,et al.Wellhead arranged method of cluster well pad[J].Petroleum Drilling Techniques,2013,41(2):13-16.

[4] 杨全枝，张晓斌，吴迪，等.延长油田丛式井网加密水平井直井段交碰风险量化分析[J].石油钻采工艺,2017,39(3):298-302.

YANG Quanzhi,ZHANG Xiaobin,WU Di,et al.Quantitative analysis on collision risk of vertical hole section of infill horizontal well in cluster well pattern in Yanchang Oilfield[J].Oil Drilling & Production Technology，2017,39(3):298-302.

[5] 韩雪银,付建民,钟帆,等.丛式井防碰技术在金县1-1油田的应用[J].中国海上油气,2014,26(5):70-75,82.

HAN Xueyin,FU Jianmin,ZHONG Fan,et al.Application of anti-collision solution for cluster wells in JX1-1 Oilfield[J].China Offshore Oil and Gas,2014,26(5):70-75,82.

[6] DOGRU S.Selection of optimum platform locations[J].SPE Drilling Engineering,1987,2(4):382-386.

[7] ZHOU Z,CUI L,LI J,et al.Application of cluster well drilling technology in Sulige Gas Field[R].SPE 156183,2012.

[8] LIU B,WANG X,TU A,et al.Cluster wells applied in wetland environment in North Azadegan[R].SPE 178191,2016.

[9] WU C,SHARMA M M.Effect of perforation geometry and orientation on proppant placement in perforation clusters in a horizontal well[R].SPE 179117,2016.

[10] 张晓诚,刘亚军,王昆剑,等.海上丛式井网整体加密井眼轨迹防碰绕障技术应用[J].石油科技论坛,2010,29(5):13-17.

ZHANG Xiaocheng,LIU Yajun,WANG Kunjian,et al.Application of path control technology of overall infill drilling on offshore cluster well group[J].Oil Forum,2010,29(5):13-17.

[11] WILSON A.Intelligent-completion installations in the Santos basin presalt cluster[J].Journal of Petroleum Technology,2016,68(4):60-63.

[12] MANCHANDA R,BRYANT E C,BHARDWAJ P,et al.Strategies for effective stimulation of multiple perforation clusters in horizontal wells[R].SPE 179126,2016.

[13] 边瑞超,周洪林,曹华庆.冀东油田人工岛丛式井钻井防碰技术[J].石油钻探技术，2017，45(5):19-22.

BIAN Ruichao,ZHOU Honglin,CAO Huaqing.Anti-collision technology for drilling cluster wells in the artificial island of Jidong Oilfield[J].Petroleum Drilling Techniques,2017,45(5):19-22.

[14] MARTIN B,WALTERS J V,WOODARD P W.Application of a well slot optimization process to drilling large numbers of wells in clusters on artificial islands[R].SPE 137659,2010.

[15] 葛云华,鄢爱民,高永荣,等.丛式水平井钻井平台规划[J].石油勘探与开发,2005,32(5):94-100.

GE Yunhua,YAN Aimin,GAO Yongrong,et al.Drilling pad optimization for oilfield development by cluster horizontal wells[J].Petroleum Exploration and Development,2005,32(5):94-100.

[16] 李文飞,朱宽亮,管志川,等.大型丛式井组平台位置优化方法[J].石油学报,2011,32(1):162-166.

LI Wenfei,ZHU Kuanliang,GUAN Zhichuan,et al.Location optimization for the drilling platform of large-scale cluster wells[J].Acta Petrolei Sinica,2011,32(1):162-166.

[17] 史玉才,管志川,陈秋炎,等.钻井平台位置优选方法研究[J].中国石油大学学报(自然科学版),2007,31(5):44-47.

SHI Yucai,GUAN Zhichuan,CHEN Qiuyan,et al.Location optimization method for drilling platform[J].Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science),2007,31(5):44-47.

[18] 郭永峰,朱江,齐恒之.优选海洋平台钻井方式[J].中国海上油气(工程),2002,14(5):22-24.

GUO Yongfeng,ZHU Jiang,QI Hengzhi.New way to select model of drilling in offshore[J].China Offshore Oil and Gas (Engineering),2002,14(5):22-24.