許軍富， 徐文浩， 耿應(yīng)春

(1.中石化勝利石油工程有限公司海洋鉆井公司，山東東營(yíng) 257000；2.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營(yíng) 257000)

海上部分油田進(jìn)入開(kāi)發(fā)中后期，采油速度大幅下降，尤其海上稠油蒸汽吞吐開(kāi)發(fā)產(chǎn)量衰減快、采收率低。針對(duì)這種情況，充分利用現(xiàn)有平臺(tái)資源進(jìn)行海上叢式井組加密調(diào)整具有重要意義。目前大型叢式井組的井臺(tái)優(yōu)化及防碰技術(shù)較為成熟，已經(jīng)形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和推薦做法[1]。然而,海上大型叢式井組加密調(diào)整一般涉及井?dāng)?shù)較少，以單井優(yōu)化為主。在同一個(gè)平臺(tái)或大型叢式井組內(nèi)部進(jìn)行大規(guī)模加密調(diào)整，井網(wǎng)密集，井下空間占用嚴(yán)重，存在加密井與已鉆井、加密井之間的防碰優(yōu)化問(wèn)題，涉及的槽口優(yōu)化和防碰軌道設(shè)計(jì)技術(shù)復(fù)雜，防碰風(fēng)險(xiǎn)和優(yōu)化難度較大，目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究較少[2-4]，因此，亟需形成適用于大型叢式井組的大規(guī)模加密防碰優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以提高井組優(yōu)化、軌道設(shè)計(jì)工作效率和質(zhì)量。

筆者在分析渤海人工島B島加密井防碰形勢(shì)的基礎(chǔ)上，對(duì)數(shù)據(jù)校驗(yàn)技術(shù)、井臺(tái)整體優(yōu)化技術(shù)和防碰軌道設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行研究，形成了渤海人工島大型叢式井組加密防碰繞障優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，成功完成了B島45口加密井軌道設(shè)計(jì)及防碰分析工作，設(shè)計(jì)的井眼軌道均滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 B島大型叢式井組概況

1.1 井組概況

渤海人工島B島采用稠油蒸汽吞吐方式開(kāi)發(fā)，由于井網(wǎng)不完善，局部區(qū)域井距過(guò)大，影響熱采開(kāi)發(fā)效果，同時(shí)受到項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保要求的制約，無(wú)法新建鉆井平臺(tái)，因此提出以增加45口加密井的方式進(jìn)一步完善地下井網(wǎng)。其中8口井為水平井，其他為大斜度定向井。B島已鉆井為L(zhǎng)形井排，加密井為直線形井排，加密后人工島總井?dāng)?shù)達(dá)到115口。在項(xiàng)目實(shí)施之前需要對(duì)加密井軌道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，論證其可行性。

B島加密井排槽口與原井臺(tái)L形井排的縱排槽口平行，間距13.50 m，如圖1所示。加密井槽口自北向南劃分為9個(gè)小井組。

圖1 加密井及已鉆井槽口分布Fig.1 Slot distribution of infill wells and previously drilled wells

1.2 整體防碰形勢(shì)

B島原井臺(tái)L形井排西北部布置了30多個(gè)地質(zhì)靶點(diǎn)，井排的縱排井直井段為柵欄形，部分井造斜點(diǎn)較深。為完成加密井中靶設(shè)計(jì)，軌道需從“柵欄”底部穿越。

加密井與已鉆井開(kāi)發(fā)同一深度油藏，各加密井靶點(diǎn)與已鉆井靶點(diǎn)位移不同，垂深基本相同，且都集中在西北方位上。要完成這些地質(zhì)靶點(diǎn)的中靶設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)軌道與已鉆井軌跡會(huì)存在大量的防碰點(diǎn);另外,西北區(qū)域靶點(diǎn)密集,造成水平面上方位調(diào)整空間有限，防碰繞障難度較大。

由于已鉆井直井段的偏移或預(yù)定向，加密井槽口井下空間占用嚴(yán)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，淺層防碰問(wèn)題突出，部分加密井需要進(jìn)行預(yù)定向繞障。

2 已鉆井軌跡數(shù)據(jù)精確性校準(zhǔn)

進(jìn)行叢式井組加密井防碰軌道設(shè)計(jì)時(shí)，普遍存在已鉆井軌跡與加密井設(shè)計(jì)軌道軟件計(jì)算環(huán)境不一致的問(wèn)題，如加密井排設(shè)計(jì)與已鉆井排施工時(shí)使用的坐標(biāo)系統(tǒng)、軌道計(jì)算方法、地磁模型系統(tǒng)和井深基準(zhǔn)等不盡相同，需要進(jìn)行統(tǒng)一，對(duì)老井軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行精確性校準(zhǔn)[2]。

各井的井口、靶點(diǎn)、防碰點(diǎn)的相對(duì)位置關(guān)系及距離是防碰設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。地球上2個(gè)點(diǎn)的相對(duì)位置及距離，可以通過(guò)地理坐標(biāo)和位置垂深確定。相同地球橢球模型計(jì)算的地理坐標(biāo)值具有一致性，校準(zhǔn)軟件的計(jì)算環(huán)境主要是統(tǒng)一地球橢球模型，在此基礎(chǔ)上校準(zhǔn)高斯投影坐標(biāo)值，依據(jù)投影坐標(biāo)再重新計(jì)算已鉆井井口、靶點(diǎn)的地理坐標(biāo)。校對(duì)各井地理坐標(biāo)計(jì)算結(jié)果與施工方提供的地理坐標(biāo)值是否相同，驗(yàn)證軌跡數(shù)據(jù)的精確性，完成坐標(biāo)系統(tǒng)的校準(zhǔn)，坐標(biāo)系統(tǒng)校準(zhǔn)流程如圖2所示。通過(guò)選用與已鉆井軌跡計(jì)算模型相同的蘇聯(lián)克拉索夫斯基地球橢球模型，應(yīng)用上述方法完成了從Beijing_1954至Gauss-Kruger(Pulkovo 1942)坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換。

圖2 坐標(biāo)系統(tǒng)校準(zhǔn)流程Fig.2 Flow chart of the calibration method for coordinate systems

B島軌道計(jì)算統(tǒng)一采用最小曲率法，井深基準(zhǔn)統(tǒng)一到海平面。已鉆井?dāng)?shù)據(jù)采用網(wǎng)格北方位角，地磁系統(tǒng)對(duì)加密井軌道設(shè)計(jì)沒(méi)有直接影響，不需要采用地磁模型進(jìn)行磁偏角的修正及校準(zhǔn)。采用上述井眼軌跡校準(zhǔn)方法，對(duì)70口已鉆井軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行了精確性校準(zhǔn)，校準(zhǔn)過(guò)程中軟件計(jì)算的軌跡參數(shù)與已鉆井施工方提供的數(shù)據(jù)一致，驗(yàn)證了數(shù)據(jù)的有效性。

3 大型叢式井組加密防碰繞障優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

3.1 防碰繞障優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

不同于新布井臺(tái)或布置少量加密井的情況，B島大型叢式井組加密防碰繞障優(yōu)化涉及2個(gè)井組，既要滿足加密井組內(nèi)部槽口、鉆井順序優(yōu)化及防碰的要求，又要對(duì)老井組進(jìn)行防碰繞障，優(yōu)化難度大。為避免部分井軌道反復(fù)調(diào)整，必須明確合理的設(shè)計(jì)流程，具體的優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)施流程如圖3所示。

圖3 加密井組防碰優(yōu)化設(shè)計(jì)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，為避免大幅度扭方位造成井眼曲率過(guò)大，槽口分配應(yīng)優(yōu)先考慮水平井[5-8]；定向井軌道方位變化較小，防碰繞障時(shí)涉及的防碰井相對(duì)較少，優(yōu)先進(jìn)行定向井繞障，可以改善前期設(shè)計(jì)時(shí)軌道水平投影交叉嚴(yán)重的問(wèn)題[9]。應(yīng)用該流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠有效提高軌道繞障設(shè)計(jì)效率。

3.2 鉆井順序優(yōu)化

B島施工采用電動(dòng)模塊化鉆機(jī)，以大型叢式井組批鉆形式施工，一開(kāi)施工候凝期間整拖鉆機(jī)至其他槽口，進(jìn)行交叉作業(yè)，提高了叢式井整體施工效率。B島加密井排采用直線井排槽口優(yōu)化方法，鉆機(jī)整拖要求錯(cuò)開(kāi)各井造斜點(diǎn)深度，大位移淺造斜點(diǎn)的井與小位移深造斜點(diǎn)的井采用交錯(cuò)施工的方式，消除測(cè)斜儀器磁干擾的影響，并加大淺層防碰井距，同時(shí)保證小井組內(nèi)造斜點(diǎn)由淺到深施工。優(yōu)化后的加密井鉆井順序如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后的加密井鉆井順序Fig.4 Drilling sequence of infill well optimized

該鉆井順序優(yōu)化方法的優(yōu)點(diǎn)是施工作業(yè)的靈活性較高，主要表現(xiàn)在2個(gè)方面：1)能提高整體作業(yè)的施工效率，有利于防碰繞障的整體規(guī)劃設(shè)計(jì)；2)施工中如遇特殊情況需要調(diào)整槽口施工順序時(shí)，在滿足小井組造斜點(diǎn)由淺及深的條件下，可以在相鄰井組之間進(jìn)行調(diào)整。

3.3 槽口優(yōu)選

3.3.1 槽口優(yōu)選方法

大型叢式井組加密調(diào)整槽口優(yōu)選的影響因素較多，主要受加密井靶點(diǎn)閉合距、閉合方位、槽口排布形狀、防碰繞障等因素的影響[10]，同時(shí)需要考慮降低工作量和施工難度，槽口優(yōu)選實(shí)際為多因素影響下的最優(yōu)化問(wèn)題。優(yōu)化前需要進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，忽略已鉆井的防碰影響，只考慮加密井排內(nèi)部的槽口優(yōu)選問(wèn)題，利用新布井排槽口優(yōu)選方法進(jìn)行槽口初步優(yōu)選。

根據(jù)大型叢式井組加密防碰優(yōu)化設(shè)計(jì)原則，優(yōu)先選擇水平井槽口。水平井槽口的初選以軌跡控制工作量最小為原則，由于靶前位移的限制，軌跡控制工作量受到井斜變化率的影響較小，其主要影響因素為扭方位量。初選出槽口后，再根據(jù)防碰影響進(jìn)行槽口的調(diào)整[11]。

定向井槽口初選需滿足加密井排內(nèi)部各井軌道水平投影不交叉的要求，避免后期進(jìn)行防碰繞障時(shí)，加密井之間、已鉆井與加密井之間產(chǎn)生大量交叉點(diǎn)[12]，從而降低防碰設(shè)計(jì)難度、減小工作量。

3.3.2 基于最小工作量的水平井槽口優(yōu)選

井口與設(shè)計(jì)方位線垂距如圖5所示。圖5中，靶點(diǎn)連線向井口方向的延伸線稱(chēng)為設(shè)計(jì)方位線，井口投影到設(shè)計(jì)方位線上的點(diǎn)與井口的距離為垂距，即軌道調(diào)整至最終靶框方位所必須完成的位移量，也可以稱(chēng)為井口相對(duì)于設(shè)計(jì)方位線的偏移量，該距離的長(zhǎng)短與扭方位工作量成正相關(guān)關(guān)系[13-15]。

圖5 井口與設(shè)計(jì)方位線垂距示意圖Fig.5 Schematic diagram of the vertical distance between wellhead and design azimuth line

依據(jù)水平井靶點(diǎn)設(shè)置原則，使水平井設(shè)計(jì)方位線相對(duì)于平臺(tái)中心呈放射狀分布，完成水平井靶點(diǎn)的設(shè)置。由于加密井排各槽口位置相對(duì)水平井設(shè)計(jì)方位線垂距不同，考慮降低軌道調(diào)整工作量，需要對(duì)全井組水平井槽口進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，使整個(gè)平臺(tái)水平井垂距之和最小，完成槽口初步優(yōu)選。

A靶設(shè)置為坐標(biāo)原點(diǎn)，A靶、B靶連線的延伸部分為設(shè)計(jì)方位線，井口至設(shè)計(jì)方位線的垂直投影為垂點(diǎn)T，已知A靶大地坐標(biāo)可以推導(dǎo)出垂點(diǎn)的大地坐標(biāo)，依據(jù)該坐標(biāo)值和井口坐標(biāo)就可以計(jì)算出井口至垂點(diǎn)的距離，即垂距[16]。

1) 已知A靶大地坐標(biāo)計(jì)算垂點(diǎn)坐標(biāo)：

XT=XO+Ssinθ

(1)

YT=YO+Scosθ

(2)

式中：XT為垂點(diǎn)橫坐標(biāo)，m；YT為垂點(diǎn)縱坐標(biāo)，m；XO為A靶橫坐標(biāo)，m；YO為A靶縱坐標(biāo)，m；θ為A靶與垂點(diǎn)閉合方位角，(°)；S為靶前位移，m。

2) 根據(jù)垂點(diǎn)坐標(biāo)和井口坐標(biāo)計(jì)算垂距:

(3)

式中:L為垂距，m；YH為井口縱坐標(biāo)，m；XH為井口橫坐標(biāo)，m。

以扭方位工作量最小為目標(biāo)，通過(guò)調(diào)整槽口使計(jì)算的垂距之和最小，完成水平井的槽口初選，初選結(jié)果如表1和圖6所示。

表1 水平井槽口優(yōu)選結(jié)果Table 1 Results of slot optimization of horizontal wells

圖6 水平井槽口優(yōu)選結(jié)果Fig.6 Results of slot optimization of horizontal wells

3.3.3 基于軟件輔助設(shè)計(jì)的定向井槽口優(yōu)選

在井排密度和布井?dāng)?shù)量不大的情況下，大型叢式井組加密井排的設(shè)計(jì)工作量較小，槽口、靶點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系比較直觀，可以采用人工調(diào)整方式優(yōu)選槽口[17-18]。B島已鉆井防碰形勢(shì)復(fù)雜，加密井?dāng)?shù)量龐大，全面考慮地質(zhì)靶點(diǎn)至槽口方位關(guān)系、閉合距、防碰要求等因素，設(shè)計(jì)工作量及優(yōu)化難度較大，因此槽口優(yōu)選采用Landmark軟件輔助配合人工調(diào)整的方式。該軟件能夠依據(jù)槽口至靶點(diǎn)的距離及方位自動(dòng)優(yōu)選槽口，使位移之和最小，但無(wú)法考慮加密井之間的防碰影響，因此還需要針對(duì)個(gè)別加密井具體防碰條件進(jìn)行人工調(diào)整。

在用Landmark軟件優(yōu)選槽口的基礎(chǔ)上，依據(jù)定向井軌道水平投影不交叉原則，以靶點(diǎn)和槽口相對(duì)位置關(guān)系和距離人工調(diào)整各井槽口，使各井軌道成放射狀分布。調(diào)整前后的定向井槽口如圖7所示。共完成了20口井的槽口調(diào)整工作，調(diào)整后全部定向井設(shè)計(jì)軌道的水平投影無(wú)交叉點(diǎn)。

圖7 定向井槽口調(diào)整前后對(duì)比Fig.7 Comparison of slots before and after adjustment in directional wells

3.4 三維防碰軌道設(shè)計(jì)

受目標(biāo)點(diǎn)空間位置及方位防碰繞障的限制，以及工藝上的要求，必須在多約束條件下設(shè)計(jì)出合理的三維井眼軌道。為降低鉆井難度，滿足生產(chǎn)作業(yè)要求，定向井及水平井軌道設(shè)計(jì)要求造斜率分別為3.5°/30m和4.5°/30m，定向井穩(wěn)斜角小于65°。在分析安全繞障空間的基礎(chǔ)上，設(shè)置數(shù)個(gè)理想的軌道途徑位置作為自設(shè)靶區(qū)，應(yīng)用軌道設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行軌道模擬，使設(shè)計(jì)軌道穿過(guò)自設(shè)靶區(qū)后能夠按照設(shè)計(jì)的造斜率中靶，水平井要求幾何中靶，不能滿足要求的井需要調(diào)整槽口后再進(jìn)行軌道設(shè)計(jì)。

3.5 多輪次槽口調(diào)整

B島井網(wǎng)密集，槽口優(yōu)選過(guò)程中未考慮已鉆井的防碰影響，因此，按照槽口初選的結(jié)果部分井無(wú)法完成防碰繞障，需要進(jìn)行多輪次槽口調(diào)整，使防碰軌道設(shè)計(jì)井?dāng)?shù)最大化。

槽口調(diào)整措施如下：

1) 避免軌道投影交叉。軌道水平投影交叉導(dǎo)致無(wú)法繞障的水平井，通過(guò)互換槽口避免軌道水平投影交叉，再進(jìn)行繞障設(shè)計(jì)，如Bn6h井和Bn5h井。

2) 避讓密集井段。部分井靶點(diǎn)閉合方位方向穿過(guò)較多已鉆井，并且防碰點(diǎn)深度較深，繞障軌道調(diào)整幅度過(guò)大，可采用調(diào)整槽口的方式改變閉合方位朝向來(lái)解決，如B65井、Bn9h井和B83井等。

3) 調(diào)整造斜點(diǎn)。小井組井排造斜點(diǎn)難以錯(cuò)開(kāi)足夠距離的井，可以間隔插入一口造斜點(diǎn)深度較淺的井，提高整個(gè)小井組的防碰繞障空間，如B90井。

4) 有防碰干擾的井進(jìn)行整體調(diào)整。調(diào)整某一口井的槽口可能會(huì)導(dǎo)致多口井防碰形勢(shì)發(fā)生變化，需要整體進(jìn)行槽口調(diào)整和軌道防碰設(shè)計(jì)，如Bn7h井。

槽口調(diào)整結(jié)果見(jiàn)表2。經(jīng)過(guò)多輪次槽口調(diào)整及軌道優(yōu)化，解決了6口井無(wú)法繞障的問(wèn)題，降低了1#井組整體防碰難度，提高了部分井的分離系數(shù)。

表2 槽口調(diào)整結(jié)果Table 2 Sheet of slot adjustment results

3.6 防碰繞障優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

應(yīng)用渤海人工島大型叢式井組加密防碰優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，完成了45口加密井的防碰繞障設(shè)計(jì)工作，各井防碰掃描結(jié)果均滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，分離系數(shù)大于1.5或防碰最近距離大于15.00 m[1]。采用最近距離法對(duì)所有加密井進(jìn)行防碰掃描，掃描半徑為15.00 m，掃描結(jié)果顯示各井分離系數(shù)小于2.0的防碰井一般少于4口，并且各井分離系數(shù)的最小值多集中在1.7以上，整體上降低了防碰風(fēng)險(xiǎn)。槽口71—115對(duì)應(yīng)各井的防碰掃描分離系數(shù)最小值及防碰井?dāng)?shù)分布情況如圖8所示。

圖8 設(shè)計(jì)軌道防碰掃描結(jié)果Fig.8 The diagram of well trajectory design and anti-collision scanning result

4 結(jié) 論

1) 在進(jìn)行大型叢式井組加密防碰優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)已鉆井軌跡及位置進(jìn)行精確性校準(zhǔn)，完成不同坐標(biāo)系、地磁模型之間的轉(zhuǎn)換，確定統(tǒng)一的井深基準(zhǔn)和軌跡計(jì)算方法，對(duì)于施工時(shí)間久遠(yuǎn)或軌道計(jì)算軟件差異較大的加密調(diào)整井尤其重要。

2) 研究形成的渤海人工島大型叢式井組加密防碰優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)是大型叢式井組大規(guī)模加密調(diào)整的關(guān)鍵技術(shù)，其中的加密井排鉆井順序優(yōu)化、槽口優(yōu)選及調(diào)整、防碰軌道設(shè)計(jì)方法，有助于提高井組防碰繞障設(shè)計(jì)效率。

3) 對(duì)于具有不同槽口排布形式的加密井排，均可以應(yīng)用該防碰優(yōu)化方法系統(tǒng)高效地解決井組之間的防碰干擾問(wèn)題。

參 考 文 獻(xiàn)

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