饒志華楊 超段澤輝耿艷紅劉 剛劉華亮

(1.中海石油(中國)有限公司深圳分公司; 2.中國石油大學(華東)石油工程學院; 3.中海石油(中國)有限公司湛江分公司; 4.中海油研究總院)

淺層多井防碰相對井間距預測模型的建立與現(xiàn)場驗證*

饒志華1楊 超2段澤輝3耿艷紅4劉 剛2劉華亮2

(1.中海石油(中國)有限公司深圳分公司; 2.中國石油大學(華東)石油工程學院; 3.中海石油(中國)有限公司湛江分公司; 4.中海油研究總院)

隨著加密調(diào)整增產(chǎn)技術在海上油田的廣泛應用,防碰問題已經(jīng)成為嚴重影響鉆井施工安全的主要問題之一。根據(jù)鉆頭破巖激發(fā)的振動波在地層及套管中的傳播規(guī)律,建立了淺層多井防碰相對井間距預測模型,并利用所建模型對潿洲11-1N油田在鉆井A16井的3口風險鄰井套管頭振動信號進行了分析處理,得出了監(jiān)測井段鉆頭與各風險鄰井套管的相對距離,其結果與COMPASS掃描分析結果較為一致。所建立的預測模型具有實時、快速特點,可以作為預測淺層多井防碰相對井間距的一種識別方式,為現(xiàn)場防碰作業(yè)提供參考。

多井防碰;相對井間距;預測模型;現(xiàn)場驗證

隨著勘探程度的不斷深入,為實現(xiàn)海上油田的經(jīng)濟、高效開發(fā),高密度加密井項目的陸續(xù)展開必將導致淺層鉆井時井間距越來越小,使鉆井施工面臨很大的井眼碰撞風險[1]?！笆晃濉逼陂g,為提高采收率,在渤海油田部分區(qū)塊實施叢式井加密調(diào)整,期間出現(xiàn)了多次井眼碰撞險情,制約了該地區(qū)鉆完井作業(yè)的順利進行[2]。因此,海上油田叢式井加密調(diào)整對鉆井防碰提出了更高的要求。目前國內(nèi)外已經(jīng)形成一套相對成熟的現(xiàn)場井眼防碰設計方法和措施,主要包括鉆前的防碰設計和施工過程中的隨鉆監(jiān)測,但由于老井測斜數(shù)據(jù)丟失或不準確,測斜方位角不準確或未校正,使得鉆前防碰設計難以滿足防碰需求[3-4]。此外,防碰掃描受測斜數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)傳輸延時等因素的影響,使其在某些情況下無法滿足現(xiàn)場防碰的需求。

筆者根據(jù)鉆頭破巖激發(fā)的振動波在地層及套管中的傳播規(guī)律,建立了淺層多井防碰相對井間距預測模型,通過對多個傳感器節(jié)點的檢測值直接求解模型估計出目標(鉆頭)距鄰井套管的距離,或者通過對單個傳感器節(jié)點的檢測值進行系數(shù)回歸來實現(xiàn)模型求解。這2種預測算法對節(jié)點的數(shù)量和分布密度要求相對較低[5],因此均可選作振動波能量傳播模型距離的求解方法。潿洲11-1N油田現(xiàn)場試驗結果表明,利用本文提出的預測模型所求取的多井相對井間距能夠較準確地判斷在鉆井鉆頭的趨近趨勢,從而實現(xiàn)對鉆頭趨近臨近風險井的實時在線監(jiān)測。

1 預測模型建立

1.1 條件假設

鉆井作業(yè)中鉆頭產(chǎn)生的振動波在不同地層及套管中的傳播情況很復雜,其在地層和套管中的衰減會受到很多因素的影響,為使問題得到簡化,作出如下3點假設:

1)假設防碰點處鉆頭與鄰井套管之間地層的巖性和物性在橫向上基本一致,振動波在地層中的衰減系數(shù)α(f)數(shù)值相同。淺層段叢式井各井之間的中心距較小,有些井之間不到10 m,因此假設鉆頭與鄰井套管之間地層的巖性、物性在橫向上基本一致是合理的。

2)假設振動波在套管中的衰減系數(shù)β(f)數(shù)值相同。由于同一(或相鄰)平臺中各井的井身結構大致相同,主要是指從防碰點到地面的套管連接狀態(tài)和套管頭連接狀態(tài)基本相同,故認為衰減系數(shù)β(f)數(shù)值相同是合理的。

3)假設在鉆井和各監(jiān)測鄰井在造斜點之前的上部井段是直井段,故井筒套管長度近似相等。

1.2 模型建立

淺部地層巖石膠結相對疏松,硬度較低,根據(jù)鉆頭振動波在地層及套管中的傳播規(guī)律,忽略振動波能量的球面擴散,僅考慮振動波能量在介質(zhì)中傳播的吸收衰減,可建立測量相對井間距的數(shù)學模型[6]。

如圖1所示,以存在3口監(jiān)測鄰井為例推導井間距預測模型。設在鉆井鉆頭到各監(jiān)測鄰井的距離為ri(i=1,2,3),彈性波在地層中傳播時其能量隨傳播的距離成指數(shù)形式衰減[7],鉆頭振動傳播到鄰井套管時其幅值與井間距的關系為

式(1)中:A0表示振源(鉆頭)處的振動波強度;Ai表示監(jiān)測鄰井井底接收的振動波幅值強度;α(f)表示振動波在地層中的衰減系數(shù),與地層特征有關。

圖1 淺層多井防碰相對井間距預測模型示意圖(以存在3口監(jiān)測鄰井為例)

鉆頭振動波經(jīng)套管傳播到井口套管頭,被加速度傳感器接收時,其幅值與井深的關系如下:

1)對于在鉆井信號

2)對于監(jiān)測鄰井信號

對于整個監(jiān)測過程,則有

根據(jù)式(2)和式(4),得到各監(jiān)測鄰井信號與井間距之間的關系為

式(5)中:A、B表示相對井間距系數(shù),是以信號幅值關系建立起來的。由式(5)可知,由井口得到振動信號的幅值關系就可以判斷鉆頭到監(jiān)測鄰井的相對距離關系,從而為現(xiàn)場防碰作業(yè)提供參考。

2 模型驗證

現(xiàn)場試驗在潿洲11-1N油田“南海四號”平臺進行,試驗開始時該油田已經(jīng)完成開發(fā)井13口,經(jīng)過油藏地質(zhì)研究后計劃再新鉆3口開發(fā)井(A14H、A15、A16井)。本次試驗主要監(jiān)測A16井。油田位置和平臺井口分布如圖2所示。

圖2 潿洲11-1N油田位置及平臺井口分布圖

取防碰監(jiān)測井A16井在210～450 m范圍內(nèi)不同井深處套管頭采集的振動信號數(shù)據(jù),經(jīng)過一系列的數(shù)據(jù)處理,得到代表鉆頭趨近特征的信號相對幅值,并結合對應的井深一并代入式(5),計算得到A16井到各監(jiān)測鄰井的相對距離,如表1所示。使用COMPASS軟件對井深在210～450 m范圍內(nèi)進行防碰掃描,得到A16井到各監(jiān)測鄰井的相對距離,二者的對比結果如圖3所示。

表1 預測模型計算與COMPASS掃描得到的A16井到各監(jiān)測鄰井相對井間距對比

圖3 潿洲11-1N油田井間相對距離預測模型計算結果與防碰掃描結果對比

從表1和圖3可知:在210～450 m井深范圍內(nèi),模型預測的在鉆井A16井與各監(jiān)測鄰井的相對井間距與防碰掃描結果較為吻合。在200～300 m井段,模型預測A7H和A1井與在鉆井A16井的相對井間距有減少的趨勢,說明在鉆井A16井與A1井的井間距離大于在鉆井A16井與A7H井的井間距離,此時A16井與A7 H井碰撞風險較大;同樣,在鉆井A16井與A1井的井間距離大于在鉆井A16井與A13井的井間距離,此時A16井與A13井碰撞風險較大。綜合對比圖認為,在200～300 m井段,A7 H井和A1井與A16井的井間相對距離大于A13井和A1井與A16井的井間相對距離,說明在鉆井A16井更加趨近A13井,與A13井的碰撞風險最高;在300～400 m井段,在鉆井A16井與各監(jiān)測鄰井的相對距離變化趨勢相對平坦,且均無增大趨勢,說明在鉆井A16井不趨近于任何監(jiān)測鄰井,此時鉆井作業(yè)過程無井眼碰撞風險,而且由上述判斷得到的鉆頭趨近方向與經(jīng)COMPASS掃描分析得到的鉆頭實際鉆進方向相同。因此,相對于防碰掃描耗時費力的計算過程,利用本文提出的淺層多井防碰相對距離預測模型可以實時、快速獲取鉆進過程中的鉆頭信號數(shù)據(jù),并通過對預測結果的合理解釋能夠較準確地預測在鉆井與各監(jiān)測井的位置關系,大大縮短了預警時間。

3 結論

1)基于鉆頭破巖激發(fā)的振動信號,建立了淺層多井防碰井眼距離預測模型。

2)潿洲11-1N油田試驗結果表明,利用本文所建立的淺層多井防碰相對井間距預測模型可以實時、快速獲取鉆進過程中的鉆頭信號數(shù)據(jù),能夠較準確地預測在鉆井與各監(jiān)測井的位置關系,從而實現(xiàn)對鉆頭趨近臨近風險井的實時在線監(jiān)測。

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[2] 霍微偉.石油鉆井防碰測距系統(tǒng)設計[D].北京:北京交通大學,2010.

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[4] 王飛躍,劉峰剛,薛燕.防碰掃描方法在叢式鉆井中的應用[J].遼寧化工,2010,39(9):925-928.

[5] 沈笑慧,張健,何熊熊.基于接收信號強度指示加權融合的定位算法[J].華僑大學學報:自然科學版,2012(6):635-639.

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[7] 周光泉,劉孝敏.粘彈性理論[M].合肥:中國科學技術大學出版社,1996:157-161.

(編輯:孫豐成)

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”國家科技重大專項“海上油田叢式井網(wǎng)整體加密及綜合調(diào)整技術”之子課題“定向井防碰地面監(jiān)測及預警系統(tǒng)研究(編號: 2008ZX05024-004-006)”、“十二五”國家科技重大專項“海上油田叢式井網(wǎng)整體加密及綜合調(diào)整技術”之子課題“海上油田叢式井網(wǎng)整體加密調(diào)整多平臺鉆井趨近井筒監(jiān)測方法研究(編號:2011ZX05024-002-010)”部分研究成果。

饒志華,男,2004年畢業(yè)于長江大學石油工程學院,2007年獲長江大學采油工程專業(yè)碩士學位,現(xiàn)主要從事鉆完井方面工作。地址:廣東省深圳市南山區(qū)蛇口工業(yè)二路1號海洋石油大廈B座2樓鉆完井部(郵編:518067)。電話:0755-26022552。E-mail:raozhh@ cnooc.com.cn。