密集交叉井網(wǎng)井眼軌道精確制導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用

陳 虎， 和鵬飛

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300467)

密集交叉井網(wǎng)井眼軌道精確制導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用

陳 虎， 和鵬飛

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300467)

本著充分依托原有海上油田設(shè)施降本增效原則，渤海Q油田在原有生產(chǎn)平臺(tái)附近新建井口平臺(tái)、對(duì)原有密集井網(wǎng)成功實(shí)施了整體加密調(diào)整，作業(yè)難度急劇增大。通過(guò)老井眼數(shù)據(jù)再處理、新井軌道設(shè)計(jì)優(yōu)化、軌道防碰設(shè)計(jì)、防碰監(jiān)測(cè)等手段形成密集交叉井網(wǎng)井眼軌道精確制導(dǎo)技術(shù)。該技術(shù)的成功應(yīng)用提高了作業(yè)時(shí)效，有效保障了在老油田密集交叉井網(wǎng)整體加密井眼軌跡的順利實(shí)施、減小了碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

交叉井網(wǎng)；井眼軌道；精確制導(dǎo)；防碰；渤海油田

0 引言

渤海灣大多數(shù)油田目前已經(jīng)進(jìn)入大規(guī)模調(diào)整開發(fā)階段，由于海上油田開發(fā)的高投入、高風(fēng)險(xiǎn)的特點(diǎn)，通過(guò)單純的增加油井?dāng)?shù)量和平臺(tái)數(shù)量來(lái)提高產(chǎn)量的方式，受到了項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性的制約和限制。針對(duì)海上油田開發(fā)過(guò)程中存在的層間矛盾和定向井開采底水油藏效果差的主要問(wèn)題，渤海油田結(jié)合油層水淹規(guī)律及剩余油分布規(guī)律的研究結(jié)果，提出了井網(wǎng)整體加密以完成在老油田完善注采井網(wǎng)，從而提高油田采收率的設(shè)想。但是老油田在產(chǎn)的生產(chǎn)平臺(tái)設(shè)計(jì)井槽數(shù)量是既定量的，且基本均已經(jīng)實(shí)施了鉆井，如果要在老油田繼續(xù)新鉆井則無(wú)新的井槽可用。目前的做法有2種途徑，一是對(duì)部分平臺(tái)進(jìn)行擴(kuò)展外掛部分井槽，二是在老平臺(tái)旁邊(一般不超過(guò)50 m)新建槽口平臺(tái)，兩者之間采用棧橋連接，這樣既可以增加新的槽口，解決老平臺(tái)槽口不足的問(wèn)題，又能有效依托老平臺(tái)的設(shè)備資源、節(jié)約開發(fā)投資成本。但無(wú)論哪種方式，新鉆井均在已鉆井所在槽口周邊或者附近，相當(dāng)于在一個(gè)叢式井束旁邊插入另一個(gè)新的叢式井束，由此導(dǎo)致新鉆井作業(yè)期間的井眼防碰問(wèn)題極其突出。在這種嚴(yán)峻形勢(shì)下，如何高效、安全地實(shí)現(xiàn)新增調(diào)整井鉆井任務(wù)顯得尤為重要，為此開展了密集交叉井網(wǎng)井眼軌跡精準(zhǔn)制導(dǎo)技術(shù)的研究與應(yīng)用。

1 密集交叉井網(wǎng)作業(yè)難點(diǎn)與技術(shù)思路

1.1 技術(shù)現(xiàn)狀

二次加密調(diào)整井將井間距離縮小至原井間距的一半，與此同時(shí)新老平臺(tái)叢式井網(wǎng)的交叉，井眼軌道在狹小空間中交織，對(duì)井眼軌道設(shè)計(jì)及繞障提出了更高的要求，一方面要保證每口井都要有可實(shí)施的空間，另一方面又要互不干擾，難度幾何級(jí)數(shù)提升，井眼防碰也上升為鉆井工作中的頭等大事。由于老油田井眼軌道的測(cè)量精確度不高，各井眼軌道測(cè)量?jī)x器不同，測(cè)點(diǎn)不連續(xù)、測(cè)點(diǎn)間距大、以及各種系統(tǒng)誤差和計(jì)算誤差，坐標(biāo)系統(tǒng)與現(xiàn)用不一致，使得老井眼軌道數(shù)據(jù)具有較大的不確定性，使用常規(guī)定向井技術(shù)導(dǎo)致井眼碰撞事故頻發(fā)。

1.2 作業(yè)難點(diǎn)

1.2.1 防碰問(wèn)題

老井井眼軌道數(shù)據(jù)存在較大的不確定性，新老井網(wǎng)交叉，井間距離小，井眼防碰問(wèn)題嚴(yán)重。

1.2.2 開發(fā)目的層性質(zhì)變化

油田開發(fā)進(jìn)入注水開發(fā)的中后期階段，油層性質(zhì)也在悄然變化，由于油層薄且存在底水、邊水、水淹、加強(qiáng)潛力區(qū)域的開發(fā)等情況，部分加密調(diào)整井往往面臨著油柱高度不足，油藏開發(fā)對(duì)井眼軌道的精準(zhǔn)性、油層鉆遇率提出了更高的要求。渤海海上油田采用水平井開發(fā)明化鎮(zhèn)組、館陶組高孔隙度高滲透性的疏松砂巖油層時(shí)，水平段鉆進(jìn)過(guò)程中面臨著自然降斜嚴(yán)重、造斜率低、穩(wěn)斜困難，軌道控制難度大，油層鉆遇率一旦鉆開水層或者不能滿足油藏開發(fā)要求，輕則造成回填側(cè)鉆，浪費(fèi)大量的人力物力，重則油井報(bào)廢，損失不可估量。

1.3 技術(shù)思路

對(duì)老井井眼軌道數(shù)據(jù)精確再處理，通過(guò)優(yōu)化井眼軌道、加密井防碰繞障技術(shù)，利用防碰預(yù)警監(jiān)測(cè)技術(shù)、可視化井眼軌道精確制導(dǎo)控制技術(shù)，是在加密調(diào)整井深度挖潛的探索過(guò)程中逐步探索出來(lái)的一整套密集交叉井網(wǎng)井眼軌道精確制導(dǎo)技術(shù)。

2 密集交叉井網(wǎng)井眼軌道精確制導(dǎo)控制技術(shù)

2.1 老井井眼軌道數(shù)據(jù)精確再處理技術(shù)

在密集交叉井網(wǎng)作業(yè)中，設(shè)計(jì)是成功的關(guān)鍵，需要把安全第一的原則貫穿到整個(gè)設(shè)計(jì)中，而在設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。由于大部分調(diào)整井油田都是20世紀(jì)90年代開發(fā)的老油田，老井井眼軌道數(shù)據(jù)存在較大的不確定性，為避免井眼之間發(fā)生碰撞，需要對(duì)存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)的井在生產(chǎn)階段進(jìn)行井斜數(shù)據(jù)的精確再處理。Q油田已完鉆井眼209口分布在A/B/C/D/E/F 6個(gè)采油平臺(tái)， QHD32-6油田綜合調(diào)整項(xiàng)目作業(yè)130多口井，新老井網(wǎng)交叉，防碰問(wèn)題嚴(yán)重。在設(shè)計(jì)及鉆井實(shí)施階段，采用了老井井眼軌道數(shù)據(jù)精確再處理技術(shù)，保證了鉆井作業(yè)的順利進(jìn)行。

首先，新舊軌道數(shù)據(jù)基礎(chǔ)必須保持一致，包括坐標(biāo)系(從WGS72到WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換)、坐標(biāo)原點(diǎn)、參考北、井口海拔補(bǔ)心高度、軌道計(jì)算方法、地磁計(jì)算更新等。

其次，叢式井網(wǎng)防碰繞障的方案及措施必須建立在新舊井具有準(zhǔn)確、可靠的軌道數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上，包括更精確儀器復(fù)測(cè)軌道、加密測(cè)點(diǎn)等手段。對(duì)于存在嚴(yán)重防碰風(fēng)險(xiǎn)的老井進(jìn)行了陀螺復(fù)測(cè)，共涉及Q油田64口老井。

第三，老井?dāng)?shù)據(jù)是防碰掃描是否準(zhǔn)確的基礎(chǔ)，同時(shí)還要注意儀器精度參數(shù)、深度等誤差選擇。

2.2 井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

密集交叉井網(wǎng)整體加密應(yīng)以整體規(guī)劃防碰設(shè)計(jì)為關(guān)鍵，主要考慮平臺(tái)與部署井的相對(duì)位置關(guān)系、油藏對(duì)開發(fā)順序的要求、后期采油作業(yè)各開發(fā)層系對(duì)泵掛深度的不同要求、井身軌道設(shè)計(jì)的科學(xué)性與可行性等多個(gè)方面。Q油田綜合調(diào)整項(xiàng)目，依托利用原有設(shè)施、減少改動(dòng)的基礎(chǔ)上新建了4個(gè)平臺(tái)WHPG、WHPH、CEPI、CEPJ(圖1)，通過(guò)棧橋連接到老平臺(tái)。新老平臺(tái)之間的距離近，槽口間距均為2.0 m×1.8 m的小間距，且調(diào)整加密井近90%為水平井，老井井網(wǎng)密集，交叉井網(wǎng)井眼軌道空間交錯(cuò)，防碰問(wèn)題突出，作業(yè)難度極大。

圖1 Q油田交叉井網(wǎng)分布圖

確定交叉井網(wǎng)總體防碰與鉆井順序優(yōu)化原則時(shí)，整體考慮平臺(tái)布井，以三維可視化軟件為支持，做好軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)。分析影響鉆井順序優(yōu)化、防碰控制的不利因素，與油藏開發(fā)部門加強(qiáng)溝通交流，優(yōu)化調(diào)整靶點(diǎn)，避免井眼立體交叉，造斜點(diǎn)的選取里深外淺且錯(cuò)開鄰井30 m、多數(shù)加密井淺層就進(jìn)行預(yù)斜繞障鉆進(jìn)；根據(jù)方位依次布井合理使用槽口，優(yōu)化鉆井順序，為后續(xù)作業(yè)井留下足夠的空間。運(yùn)用三維模擬軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，進(jìn)行了整體調(diào)整設(shè)計(jì)并進(jìn)行了優(yōu)化，為實(shí)現(xiàn)總體防碰與鉆井順序優(yōu)化做了大量的工作：23次優(yōu)化調(diào)整平臺(tái)位置；約1500井次軌跡調(diào)整設(shè)計(jì)；進(jìn)行了2300井次防碰統(tǒng)計(jì)分析。

2.3 三維可視化井眼軌道控制技術(shù)

在石油鉆井作業(yè)中，由于所鉆地質(zhì)條件復(fù)雜多變，實(shí)鉆井眼軌道不可避免地與設(shè)計(jì)井眼軌道產(chǎn)生各種偏差，為了更直觀地觀察和控制鉆井作業(yè)時(shí)的井眼軌道，防止實(shí)鉆井眼間的碰撞，研究并實(shí)現(xiàn)井眼軌道三維可視化是很有必要的。

可視化井眼軌道控制技術(shù)可以更好地優(yōu)化定向井設(shè)計(jì)剖面數(shù)據(jù)，比較直觀地顯示井眼之間的相對(duì)位置，起到井眼防碰預(yù)警的作用。同時(shí)，這種可視化井眼軌道，直接反應(yīng)實(shí)時(shí)軌道與設(shè)計(jì)軌道的偏差，有利于井眼軌道的精準(zhǔn)控制，配合地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)，提高油井產(chǎn)量。

2.4 交叉井網(wǎng)防碰繞障技術(shù)

密集交叉井網(wǎng)防碰監(jiān)測(cè)與繞障技術(shù)已經(jīng)成為了海上調(diào)整井安全作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。交叉井網(wǎng)在淺層及中深層均存在比較嚴(yán)重的井眼防碰問(wèn)題，在設(shè)計(jì)階段就要高度重視，采用表層預(yù)斜提前進(jìn)行井眼分離，中深層進(jìn)行防碰繞障設(shè)計(jì)，如圖2，規(guī)避碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 井眼軌道原設(shè)計(jì)及繞障設(shè)計(jì)對(duì)比

2.5 防碰預(yù)警裝置及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

對(duì)于部分加密調(diào)整井井眼誤差橢圓相交的情況，現(xiàn)有井眼軌道設(shè)計(jì)、軌道測(cè)量、繞障施工等常規(guī)防碰手段受井眼軌道計(jì)算方法的影響存在一定的計(jì)算誤差，依靠現(xiàn)有技術(shù)仍不能完全滿足叢式交叉井網(wǎng)調(diào)整井鉆井對(duì)防碰監(jiān)測(cè)的要求，影響了井筒安全和鉆井施工。實(shí)踐證明防碰掃描結(jié)果顯示碰撞風(fēng)險(xiǎn)較高的井實(shí)鉆時(shí)可能相對(duì)安全，而防碰掃描結(jié)果顯示碰撞風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低的井卻出現(xiàn)了比較明顯的趨近乃至刮蹭現(xiàn)象，甚至部分井在出現(xiàn)碰撞征兆之后，通過(guò)常規(guī)防碰手段難以確定具體的碰撞井是哪一口。

基于振動(dòng)波原理的防碰地面監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)通過(guò)建立時(shí)域信號(hào)振幅強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，如圖3、圖4所示，監(jiān)測(cè)實(shí)鉆過(guò)程中本井套管和有防碰風(fēng)險(xiǎn)的鄰井的井口套管的振動(dòng)波強(qiáng)度(圖5)，通過(guò)對(duì)比，判斷鉆頭碰撞(趨近)風(fēng)險(xiǎn)鄰井的趨勢(shì)如何，在鉆頭碰到鄰井套管之前或碰到的瞬間及時(shí)發(fā)出預(yù)警或報(bào)警，避免或減輕鉆井施工對(duì)鄰井套管可能構(gòu)成的傷害，為鉆井防碰作業(yè)增加了“一雙眼睛”，能夠有效確保鄰井井筒的安全和海上油田叢式井網(wǎng)整體加密鉆采項(xiàng)目的順利實(shí)施。

圖3 地面軟件、硬件設(shè)備

圖4 套管傳感器

2.6 井眼軌道精確制導(dǎo)控制技術(shù)

2.6.1 螺桿馬達(dá)造斜鉆具組合軌道控制技術(shù)

圖5 監(jiān)測(cè)波示意圖

(2)水平井進(jìn)入二次造斜段后建議控制軌道在設(shè)計(jì)線上0.5～1 m，以隨時(shí)應(yīng)對(duì)水平井著陸層位深度的變化，運(yùn)用三維可視化井眼軌道控制技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軌道變化情況，及時(shí)調(diào)整，確保軌跡按設(shè)計(jì)鉆進(jìn)，并結(jié)合鄰井地層情況和作業(yè)規(guī)律進(jìn)行軌道預(yù)測(cè)，至少預(yù)測(cè)100 m以上。

(3)水平井著陸階段，針對(duì)儲(chǔ)層上部的蓋層較硬且可鉆性差，常規(guī)螺桿馬達(dá)容易憋壓造成工具面不穩(wěn)、影響造斜率，容易造成著陸井斜不足而不能滿足開發(fā)的需要最終回填側(cè)鉆的后果，為了改善螺桿鉆具使用性能和提高其系統(tǒng)效率，引進(jìn)了立林的等壁厚定子螺桿馬達(dá)。等壁厚定子螺桿馬達(dá)的研究與應(yīng)用表明，與常規(guī)相比等壁厚定子具有以下優(yōu)點(diǎn)：①良好的散熱特性，提高了定子工作壽命；②均勻的橡膠膨脹，提高了定子工作穩(wěn)定性；③單級(jí)承壓高，提高了系統(tǒng)效率；④增加了橡膠與金屬粘結(jié)面積，增強(qiáng)了粘合強(qiáng)度。

2.6.2 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具組合軌道控制技術(shù)

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)由于其摩阻與扭阻小、鉆速高、井眼質(zhì)量高、井眼凈化效果好、成本低、建井周期短、井眼軌跡平滑易調(diào)控并可延長(zhǎng)水平段長(zhǎng)度等特點(diǎn)，能有效降低壓差卡鉆風(fēng)險(xiǎn)，代表了現(xiàn)代導(dǎo)向鉆井技術(shù)的發(fā)展方向。

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具通過(guò)近鉆頭井斜數(shù)據(jù)能夠精確控制井眼軌道，及時(shí)對(duì)實(shí)鉆軌跡進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，實(shí)現(xiàn)井眼軌道的精確制導(dǎo)。能在穩(wěn)斜模式下進(jìn)行軌跡控制作業(yè)，體現(xiàn)出旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具相對(duì)于螺桿馬達(dá)鉆具組合穩(wěn)斜作業(yè)時(shí)的優(yōu)越性及更加良好的井眼清潔效果，近鉆頭井斜為軌跡控制及油藏儲(chǔ)層對(duì)比判斷提供了重要參考數(shù)據(jù)。

斯倫貝謝公司研發(fā)的第三代旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)Power Drive Archer(下文簡(jiǎn)稱PD Archer)具有類似常規(guī)螺桿馬達(dá)的可調(diào)彎角(0.6°、0.8°、0.9°、1°)，通過(guò)本體彎角與內(nèi)部導(dǎo)向偏移可產(chǎn)生理論最高可達(dá)15°/30 m的高造斜率，能夠滿足軟硬不同地層以及夾層時(shí)的高造斜率要求，并可實(shí)現(xiàn)疏松地層的裸眼懸空側(cè)鉆等作業(yè)，如圖6所示。同時(shí)通過(guò)近鉆頭連續(xù)井斜、方位，隨鉆測(cè)井曲線，可以輕松實(shí)現(xiàn)軌道控制和地層特性實(shí)時(shí)監(jiān)控。

實(shí)鉆數(shù)據(jù)顯示，該工具儲(chǔ)層疏松砂巖井段全力造斜，全角變化率可達(dá)到(7°～8°)/30 m，局部井段可達(dá)10°/30 m，且平均分布于造斜段，軌道相對(duì)平滑，降低了后續(xù)完井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。PD Archer工具在Q油田的成功運(yùn)用，平均鉆速由50 m/h提高到90 m/h。對(duì)該油田后續(xù)鉆井作業(yè)，特別是加密井的軌道控制和薄油層的開發(fā)具有重大意義，同時(shí)對(duì)渤海油田其他類似井施工提出了新的思路。

2.6.3 地質(zhì)導(dǎo)向鉆具組合軌道控制技術(shù)

選用先進(jìn)的地質(zhì)導(dǎo)向工具，可以實(shí)現(xiàn)滿足油藏“貼油頂”鉆進(jìn)的要求，保障儲(chǔ)層砂巖鉆遇率，有效避免了鉆出油層、鉆開底水層的風(fēng)險(xiǎn)。斯倫貝謝公司的Periscope地質(zhì)導(dǎo)向工具(可探油水邊界)為水平段更好地鉆遇儲(chǔ)層同時(shí)避免鉆遇底水提供了保障。

圖6 第三代旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)Power Drive Archer

3 技術(shù)應(yīng)用情況

(1)海上油田密集交叉井網(wǎng)整體加密井眼軌道精確制導(dǎo)技術(shù)在Q油田調(diào)整井作業(yè)中得到應(yīng)用并取得了顯著的成效，130口調(diào)整井累計(jì)作業(yè)386.11 d，比設(shè)計(jì)工期提前184.31 d，并有多口井打破了中海油最新鉆井單項(xiàng)紀(jì)錄。有效地對(duì)油藏變化調(diào)整，縮短陸地隨鉆小組的決策時(shí)間，規(guī)避地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，保證順利著陸。井身質(zhì)量控制優(yōu)秀，井眼報(bào)廢事故和井眼碰撞事故均為零。

(2)海上密集的叢式井網(wǎng)中，再鉆調(diào)整加密的第二套加密井網(wǎng)，在思路和鉆井技術(shù)上取得成功和突破，特別是在定向井井眼軌道和防碰繞障等方面，技術(shù)水平大大提高。

(3)防碰預(yù)警裝置及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與三維可視化井眼軌道控制技術(shù)互為補(bǔ)充，豐富了海上油田井眼防碰的監(jiān)控手段。

(4)成功引進(jìn)使用了等壁厚螺桿馬達(dá)、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具和高造斜率工具PD Archer，補(bǔ)充豐富了工具選型，提升了技術(shù)適應(yīng)性，使用效果良好。

4 結(jié)語(yǔ)

渤海灣大多數(shù)油田目前已經(jīng)進(jìn)入大規(guī)模調(diào)整開發(fā)階段，調(diào)整井工作量逐年增大。海上油田密集交叉井網(wǎng)整體加密井眼軌道精確制導(dǎo)技術(shù)不僅能夠有效降低密集叢式交叉井網(wǎng)的防碰風(fēng)險(xiǎn)，為低效井的改造和動(dòng)用程度較低的層位的開采提供了技術(shù)保障，有效提高油田的最終采收率、完善注采井網(wǎng)、提高整體開發(fā)效益，在渤海灣老油田中后期的大規(guī)模綜合加密調(diào)整開發(fā)中有著廣闊的應(yīng)用前景。

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Application of Hole Trajectory Precision Guidance Technology for Dense Cross Well Network/

CHENHu,HEPeng-fei

In line with the original cost reducing and benefit increasing principles for offshore oil field facilities, wellhead platform was newly built near the existed production platform in Bohai Q oil field and the overall density increasing was carried out in the original dense well network, the operation difficulty increased rapidly. By means of the old borehole data processing, new well trajectory design optimization, anti-collision trajectory design and anti-collision monitoring, hole trajectory precision guidance technology for dense cross well network is developed. By the successful application of this technology, the work efficiency is improved, which effectively ensures the smooth implementation of well trajectory density increasing in dense cross well network of old oil field and reduces the collision risk.

cross well network; well trajectory; precision guidance; anti-collision; Bohai oil field

2016-03-14；

2016-11-09

陳虎，男，漢族，1982年生，工程師，石油工程專業(yè)，從事海洋石油鉆井技術(shù)監(jiān)督與管理工作，天津市濱海新區(qū)中新生態(tài)城悅馨苑4-301，chenhu@cnooc.com.cn。

TE243

A

1672-7428(2017)01-0041-05

(CNOOC EnerTech-Drilling & Production Co., Tianjin 300452, China)