李峰飛 蔣世全 周建良 李迅科

(中海油研究總院 北京 100028)

救援井探測(cè)定位方案設(shè)計(jì)研究*

李峰飛 蔣世全 周建良 李迅科

(中海油研究總院 北京 100028)

李峰飛,蔣世全,周建良，等.救援井探測(cè)定位方案設(shè)計(jì)研究[J].中國(guó)海上油氣，2017,29(4)：118-122.

LI Fengfei,JIANG Shiquan,ZHOU Jianliang,et al.Research on the design of ranging plan for relief wells[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(4):118-122.

救援井和事故井的相對(duì)位置存在誤差，需要借助于專(zhuān)用的探測(cè)定位工具實(shí)現(xiàn)救援井與事故井的連通，并最終控制事故井。分析了救援井和事故井相對(duì)位置不確定性以及目前常用探測(cè)定位工具性能及適合工況，給出了連通點(diǎn)及初始探測(cè)點(diǎn)位置確定的選擇方案; 結(jié)合救援井鉆井工藝，設(shè)計(jì)了不同階段的救援井探測(cè)定位作業(yè)流程, 提出了提高測(cè)距范圍及探測(cè)精度方法。本文的相關(guān)研究成果已在海上多個(gè)救援井備用設(shè)計(jì)方案中得到成功應(yīng)用，可以為救援井探測(cè)定位方案設(shè)計(jì)及作業(yè)實(shí)踐提供參考和技術(shù)指導(dǎo)。

救援井; 探測(cè)定位; 方案設(shè)計(jì); 作業(yè)流程; 方法研究

海上油氣井發(fā)生嚴(yán)重井噴事故后,由于平臺(tái)甲板面積有限和可動(dòng)用資源較少，難以對(duì)事故井有效實(shí)施控制，尤其是在井噴爆炸著火之后往往會(huì)造成平臺(tái)的損毀，無(wú)法實(shí)施井口作業(yè)，因此一般采用救援井連通事故井實(shí)施壓井作業(yè)控制事故井。深水區(qū)多采用浮式鉆井平臺(tái)進(jìn)行鉆井作業(yè)，井控風(fēng)險(xiǎn)更為巨大，三級(jí)井控技術(shù)能力一般無(wú)法滿(mǎn)足需要，因此需要進(jìn)行救援井的技術(shù)儲(chǔ)備和研究[1-6]。由于存在事故井和救援井軌跡誤差橢圓，通過(guò)傳統(tǒng)的陀螺、MWD等測(cè)斜儀器實(shí)現(xiàn)救援井與事故井的準(zhǔn)確定位連通具有很大的技術(shù)難度，需要通過(guò)專(zhuān)用的測(cè)距定位工具確定救援井與事故井的相對(duì)位置。而測(cè)距作業(yè)是救援井作業(yè)過(guò)程中最重要的環(huán)節(jié)，因此有必要對(duì)救援井探測(cè)定位作業(yè)進(jìn)行研究分析，以期對(duì)我國(guó)救援井設(shè)計(jì)作業(yè)尤其是海上救援井設(shè)計(jì)作業(yè)提供相應(yīng)的指導(dǎo)和參考。

1 救援井探測(cè)定位作業(yè)難點(diǎn)分析

1.1 救援井與事故井相對(duì)位置不確定性分析

救援井與普通定向井最大的區(qū)別之一在于中靶目標(biāo)不同。普通定向井的中靶精度一般在30 m左右，且不考慮各種誤差引起的軌跡不確定性；但對(duì)于救援井而言，其中靶目標(biāo)為事故井井眼，中靶目標(biāo)精度一般控制在0.3 m以?xún)?nèi)，因此必須考慮救援井和事故井之間的相對(duì)位置確定性。

救援井設(shè)計(jì)中重要的環(huán)節(jié)之一是分析救援井與事故井之間相對(duì)位置的不確定性，以確定初始測(cè)距深度、救援井啟動(dòng)數(shù)量、救援井軌跡以及所選用的切入角。救援井與事故井相對(duì)位置不確定性分析包含井口位置不確定性和井眼位置不確定性分析。

1) 井口相對(duì)位置不確定性。

對(duì)井口相對(duì)位置進(jìn)行分析，應(yīng)將井口相對(duì)位置不確定性控制在±1 m之內(nèi)。在救援井作業(yè)中，井口位置的絕對(duì)精度相對(duì)于救援井和事故井相對(duì)距離及方位的精度并不重要。在平臺(tái)就位后根據(jù)實(shí)際情況選用合適的測(cè)量方法。對(duì)于海上平臺(tái)，當(dāng)井口可視并且可到達(dá)時(shí)，可使用GPS及陸地測(cè)量技術(shù)(激光、經(jīng)緯儀)來(lái)進(jìn)行相對(duì)井口位置的精確測(cè)量；當(dāng)井口可視但不可靠近時(shí)，可采用陸地三角測(cè)量定位法。對(duì)于水下井口，可采用聲吶三角測(cè)量法來(lái)實(shí)現(xiàn)定位。

救援井及事故井方位坐標(biāo)系統(tǒng)必須建立精確的收斂角，并精確轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的真北或磁北坐標(biāo)系統(tǒng)。一般應(yīng)使用真北系統(tǒng)，以避免混淆或出現(xiàn)可能的收斂角錯(cuò)誤。同時(shí)應(yīng)考慮救援井區(qū)域的磁偏角的修正，通過(guò)相應(yīng)位置的經(jīng)緯度來(lái)獲得地磁模型并進(jìn)行修正。

2) 井眼相對(duì)位置不確定性。

井眼相對(duì)位置不確定性直接決定了救援井設(shè)計(jì)、定向設(shè)計(jì)作業(yè)以及測(cè)距作業(yè)，是救援井設(shè)計(jì)作業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。井眼相對(duì)位置不確定性主要由軌跡計(jì)算公式不同、測(cè)深誤差、測(cè)斜儀器精度、磁偏角誤差、BHA及地層磁干擾、磁化校正誤差、鉆具變形、傳感器不對(duì)中系統(tǒng)誤差等因素引起。在救援井測(cè)距作業(yè)前，應(yīng)結(jié)合井口相對(duì)位置不確定性分析和上述影響因素對(duì)事故井相對(duì)位置不確定性進(jìn)行重新研究分析，以消除系統(tǒng)性誤差，確保救援井和事故井之間的相對(duì)位置不確定性處于可接受水平[7-8]。

1.2 救援井探測(cè)定位工具性能對(duì)比

目前救援井探測(cè)定位系統(tǒng)主要是電磁和靜磁探測(cè)定位2種系統(tǒng)，其中電磁探測(cè)定位系統(tǒng)又稱(chēng)主動(dòng)系統(tǒng)、靜磁探測(cè)定位系統(tǒng)又稱(chēng)被動(dòng)系統(tǒng)。電磁系統(tǒng)通過(guò)向地層發(fā)射電流，檢測(cè)其在事故井套管、落魚(yú)上匯聚電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)定位，目前僅有哈里伯頓公司的Wellspot系列工具。靜磁系統(tǒng)通過(guò)MWD等測(cè)斜儀器的磁通門(mén)傳感器檢測(cè)事故井套管、落魚(yú)剩余磁場(chǎng)，經(jīng)過(guò)專(zhuān)用軟件處理分析后實(shí)現(xiàn)定位，專(zhuān)用分析軟件目前主要有哈里伯頓公司的PMR(Passive Magnetic Ranging)系統(tǒng)和美國(guó)科學(xué)鉆井公司的Magtrac系統(tǒng)[9-13]。救援井靜磁和電磁探測(cè)定位工具性能及應(yīng)用工況對(duì)比如表1所示。

表1 救援井電磁、靜磁探測(cè)定位工具性能及應(yīng)用工況對(duì)比Table 1 Performance and application comparison of the active and passive ranging tools

由于救援井電磁探測(cè)系統(tǒng)有更高的探測(cè)范圍和精度，更易引導(dǎo)救援井連通事故井，一般情況下可以取代靜磁探測(cè)定位系統(tǒng)。但由于測(cè)距距離的不同，在套管鞋處連通及地層電阻率過(guò)大時(shí)靜磁探測(cè)定位系統(tǒng)仍然具有優(yōu)勢(shì)。

2 連通點(diǎn)及初始測(cè)距點(diǎn)位置確定

2.1 連通點(diǎn)位置確定

連通點(diǎn)位置確定一方面要考慮對(duì)于事故井的控制，另一方面需要考慮探測(cè)定位方案對(duì)于連通的可能性及軌跡和定向技術(shù)需求。對(duì)于全井段均有可探測(cè)目標(biāo)的事故井，一般選取噴層頂部作為連通點(diǎn)位置，以利于實(shí)施壓井作業(yè)控制事故井。對(duì)于噴層上方無(wú)可探測(cè)目標(biāo)的事故井，一般選取最后一層套管鞋位置上下10 m的范圍內(nèi)作為連通點(diǎn)位置，既保證可探測(cè)定位連通，同時(shí)可使連通位置盡可能靠近噴層，以便于壓井成功。

2.2 初始測(cè)距點(diǎn)位置確定

基于連通成功率、工期和防碰方面要素的考慮，初始測(cè)距點(diǎn)的位置對(duì)于救援井作業(yè)極其重要。初始探測(cè)點(diǎn)位置的確定一般遵循下述2個(gè)原則：①該點(diǎn)處救援井和事故井軌跡誤差橢圓分離系數(shù)≥1；②救援井探測(cè)定位工具探測(cè)半徑能涵蓋事故井與救援井軌跡誤差橢圓。

設(shè)救援井與事故井的中心距為C，探測(cè)定位工具的探測(cè)半徑為R，救援井軌跡誤差橢圓長(zhǎng)軸半徑為Rrw，事故井軌跡誤差橢圓長(zhǎng)軸半徑為Rbo，Sf為分離系數(shù)，SF為允許的安全分離系數(shù)值，則在探測(cè)范圍可完全覆蓋事故井誤差橢圓和不能完全覆蓋事故井誤差橢圓2種情況下初始探測(cè)點(diǎn)的選擇方案如圖1所示。

圖1 救援井初始探測(cè)點(diǎn)位置選擇方案圖Fig .1 Location selection of the relief well’s first ranging point

(1)

當(dāng)探測(cè)定位工具探測(cè)半徑R足夠大，且能在Sf≥SF的位置覆蓋全部事故井軌跡誤差橢圓時(shí)，可選取在探測(cè)半徑剛剛可以涵蓋事故井軌跡誤差橢圓的位置作為初始探測(cè)點(diǎn)，如圖1a所示，此時(shí)滿(mǎn)足

(2)

(3)

當(dāng)探測(cè)定位工具探測(cè)半徑R不夠大或者救援井及事故井軌跡誤差橢圓過(guò)大時(shí)，可選取在Sf=SF的位置作為初始探測(cè)點(diǎn)，既滿(mǎn)足防碰要求并避免提前連通，同時(shí)盡可能靠近事故井進(jìn)行測(cè)距作業(yè)，如圖1b所示，此時(shí)滿(mǎn)足

(4)

(5)

在救援井測(cè)距作業(yè)前需要開(kāi)展專(zhuān)門(mén)的軌跡誤差分析，可以使井眼位置精度得到較大提高，但考慮救援井連通特性時(shí)SF大于1.0即可。

3 探測(cè)定位作業(yè)流程設(shè)計(jì)

救援井探測(cè)定位作業(yè)分為定位、引導(dǎo)跟蹤和連通3個(gè)作業(yè)階段。定位階段是按照預(yù)先設(shè)計(jì)的測(cè)距方案，從設(shè)計(jì)的初始探測(cè)點(diǎn)開(kāi)始探測(cè)到目標(biāo)事故井位置；引導(dǎo)跟蹤階段是在實(shí)現(xiàn)定位后到連通前的測(cè)距作業(yè)，主要保證事故井處于救援井可探測(cè)范圍內(nèi)，并避免提前連通；連通階段主要是保證救援井能按照設(shè)計(jì)的軌跡鉆至事故井足夠近的位置，建立與事故井的連通通道，實(shí)施壓井作業(yè)控制事故井[14]。本文設(shè)計(jì)的救援井探測(cè)定位作業(yè)各階段流程如圖2所示。

圖2 救援井探測(cè)定位作業(yè)各階段流程圖Fig .2 Flow chart of the relief well ranging stage

4 提高測(cè)距范圍及探測(cè)精度方法研究

4.1 定向作業(yè)提高探測(cè)范圍及精度

在救援井定向作業(yè)過(guò)程中，當(dāng)救援井與事故井連通點(diǎn)間有足夠的間隔可以進(jìn)行軌跡調(diào)整并以較小切入角(1°～4°)連通時(shí)，可設(shè)計(jì)救援井軌跡以Bypass方式進(jìn)入事故井誤差橢圓，以增大探測(cè)范圍，最終實(shí)現(xiàn)事故井的精確定位，其方法如圖3所示。

圖3 Bypass法增加探測(cè)范圍示意圖Fig .3 Diagram of increasing detection range by Bypass

當(dāng)救援井與事故井連通點(diǎn)不具備足夠間隔或只能以較大切入角連通事故井時(shí)，可以設(shè)計(jì)救援井軌跡以較大切入角(>30°)穿越事故井進(jìn)行探測(cè)定位，然后回填側(cè)鉆直到精確定位事故井后建立連通，最終實(shí)現(xiàn)事故井的控制(圖4)。一般情況下，至少需要側(cè)鉆2次才能精確定位事故井位置，如果2次側(cè)鉆仍不能定位事故井，可適當(dāng)增加側(cè)鉆次數(shù)，盡可能大地掃描事故井誤差橢圓，以提高探測(cè)范圍。

圖4 側(cè)鉆回填法增加探測(cè)范圍示意圖Fig .4 Diagram of increasing detection range by sidetracking

4.2 三角測(cè)量法提高探測(cè)精度

由于原理限制，救援井探測(cè)定位工具在距離和方位測(cè)量上均有一定的誤差，其測(cè)量結(jié)果為一個(gè)近似梯形的誤差區(qū)域(以距離誤差±20%、方位精度±3°為例，如圖5所示)。在實(shí)際的救援井作業(yè)過(guò)程中，可以通過(guò)三角測(cè)量的幾何定位方法進(jìn)一步消除誤差范圍，提高測(cè)量精度。三角測(cè)量法提高探測(cè)精度原理如圖5所示。

圖5 三角測(cè)量法提高探測(cè)精度原理圖Fig .5 Principle of triangular surveying to improve the detection accuracy

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)救援井設(shè)計(jì)作業(yè)中救援井與事故井相對(duì)位置不確定性、探測(cè)定位工具性能、連通點(diǎn)及初始探測(cè)點(diǎn)位置選擇、測(cè)距作業(yè)流程設(shè)計(jì)以及提高測(cè)距范圍及探測(cè)精度方法等技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了研究分析，給出了具體實(shí)施方案。本文相關(guān)技術(shù)研究成果已在中國(guó)海油多個(gè)深水井的備用救援井方案設(shè)計(jì)中得到了成功應(yīng)用，可以為救援井探測(cè)定位方案設(shè)計(jì)及作業(yè)實(shí)踐提供參考和技術(shù)指導(dǎo)。

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(編輯：周雯雯)

Research on the design of ranging plan for relief wells

LI Fengfei JIANG Shiquan ZHOU Jianliang LI Xunke

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

Usually a relief well can not hit the blowout well with the first trial, and need ranging tools to realize the junction between them and kill the latter.The uncertainty of their relative positions, as well as the performance of currently-used ranging tools and the environment suitable for their functioning, were analyzed.The selection scheme of the injection point and the first ranging point were given.Combined with the drilling technology for the relief well, the ranging plans for different stages were designed, and the methods to improve the reach and accuracy of the ranging were proposed.The results of this paper have been successfully applied in the backup design of several offshore relief wells, providing reference and technical guidance for the design and implementation of relief well’s ranging plan.

relief well; ranging; plan design; operation process; method research

李峰飛，男，高級(jí)工程師，2010年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)，獲博士學(xué)位，主要從事深水鉆完井相關(guān)研究工作。地址：北京市朝陽(yáng)區(qū)太陽(yáng)宮南街6號(hào)院海油大廈B座808室(郵編：100028)。E-mail:liff2@cnooc.com.cn。

1673-1506(2017)04-0118-05

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.04.015

TE28

A

2016-07-02 改回日期：2017-02-01

*“十二五”國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“深水鉆完井工程技術(shù)(編號(hào)：2011ZX05026-001)”部分研究成果。