“井工厂”作业时直井段防碰设计与控制探讨

OIL DRILLING & PRODUCTION TECHNOLOGYVol. 38 No. 3

May 2016

03 – 0302– 05　　　DOI: 10.13639/j.odpt.2016.03.005文章编号：1000 – 7393（ 2016 ）

“井工厂”作业时直井段防碰设计与控制探讨

梁奇敏1　何俊才2　董文涛3　张翼4　刘新云1　耿东士11.中国石油勘探开发研究院；2. 大庆钻探工程公司钻井二公司；3.中国石油集团钻井工程技术研究院；

4. 中国石油大学（华东）石油工程学院

引用格式：梁奇敏，何俊才，董文涛，张翼，刘新云，耿东士. “井工厂”作业时直井段防碰设计与控制探讨［J］.石油钻采工艺，2016，38（3）：302-306.

摘要：“井工厂”在石油开采中已得到广泛应用，特别是非常规油气资源的勘探和开发，能实现钻完井批量化和流水线施工，有效提高作业效率，降低作业成本。但由于井间距普遍较小，直井段轨迹受诸多因素影响不能完全钻直，与邻井的碰撞风险很大。指出了在应用“井工厂”技术时，为保证钻井绝对安全，直井段施工不仅要严格控制井斜角，同时还应控制水平位移；探讨了设计的最小井间距与纠斜点处的井斜角、水平位移以及允许的最大狗腿度等因素间的关系；提出了在直井段允许的最大狗腿度和水平位移的条件下对井斜的控制要求。以X平台的丛式井为例，说明了如何丛式井直井段的井斜和水平位移，以及当碰撞风险出现时如何采取纠斜控制措施防碰。

关键词：钻井；井工厂；直井段；井眼轨迹；防碰中图分类号：TE21　　　文献标识码：A

Anti-collision design and control of vertical section in ‘well plant’ mode

LIANG Qimin1, HE Juncai2, DONG Wentao3, ZHANG Yi4, LIU Xinyun1, GENG Dongshi11. Research Institute of Petroleum Exploration and Development, CNPC, Beijing 100083, China;

2. No.2 Drilling Company of CNPC Daqing Drilling & Exploration Engineering Corporation, Daqing, Heilongjiang 163413, China;

3. CNPC Drilling Research Institute, Beijing 102206, China;

4. School of Petroleum Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao, Shandong 266580, China

Citation: LIANG Qimin, HE Juncai, DONG Wentao, ZHANG Yi, LIU Xinyun, GENG Dongshi. Anti-collision design and control of vertical section in ‘well plant’ mode［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2016, 38(3): 302-306.

Abstract: The ‘well plant’ mode has been widely used in oil exploitation, especially in the exploration and development of uncon-ventional oil and gas resources. With this mode, batch drilling and completion can be achieved in an operation line, so that operation efficiency is improved and operation cost is reduced. When this mode is applied, however, the well spacing is generally small, and the vertical section can not be maintained adequately due to many factors, leading to high risks of collision between wells. In this paper, it is proposed that vertical section should be drilled with both inclination and horizontal displacement strictly controlled in order to ensure the safety of well drilling in the ‘well plant’ mode. The relationships between the designed minimum well spacing and the inclination and horizontal displacement at the straightening point or the maximum allowable dogleg severity were discussed, and the control require-ment on the inclination was proposed under the constraint of maximum allowable dogleg severity and horizontal displacement. The cluster well on X-Pad was taken as an example to illustrate how to control the inclination and horizontal displacement of vertical section of cluster well and what straightening measures to be taken when any collision may occur.

Key words: drilling; well plant; vertical section; hole trajectory; anti-collision

第一作者：梁奇敏（1985-），2014年毕业于中国石油大学（北京）油气井工程专业，从事定向钻井设计与控制技术方面的研究。通讯地址：

（100083）北京市海淀区学院路20号工程所。E-mail：liangqimin9@163.com

梁奇敏等：“井工厂”作业时直井段防碰设计与控制探讨303

“工厂化作业”起源于北美，最早是美国人移植大机器生产的流水线作业方式，为石油开采提供了一个新的方向，孕育着油气生产领域的深层变革，特别是比重逐年增加的低渗透、低品位非常规油气资源的开发。高度集中的流水线施工作业，能大幅度降低成本，提高劳动生产效率，也使投资者实现效益最大化，逐渐得到广泛应用［1-4］。美国致密砂岩气、页岩气开发，英国北海油田、墨西哥湾和巴西深海油田，都已经开始采用“工厂化作业”方式。比如，陆上一个井场钻50多口井，海上一个钻井平台钻100多口井。

受地面条件的，同时为了最大化发挥丛式井的优势，井间距一般都设计得较小，大多数情况是5 m、8 m或者10 m，防碰是“井工厂”技术应用时的一个显著的问题［5-11］。从丛式井的整体设计方案来看，不同定向井的设计方位都是呈现“放射状”，并且避免在空间上出现交叉现象；从具体施工特点来看，随着定向造斜后深度的不断增加，测斜仪器受到的磁干扰逐渐变小，相邻井之间的空间距离也逐渐变大，邻井碰撞的可能性就会逐渐减小［12-13］。大量的现场作业经验证实，大部分的井眼（或者邻井套管）碰撞事故发生在直井段或者浅层的造斜井段［14-16］。因为受诸多因素影响，虽然科研和现场人员想了很多办法［17-20］，直井段的实钻轨迹通常还是很难完全钻直，若直井段恰好朝向邻井的已钻轨迹或者设计轨道发生井斜，就会大幅度地增加和邻井的碰撞风险，使得小井间距条件下的防碰问题更加严峻。在的槽口间距设计和施工过程中，直井段的井身质量应该被控制在什么范围内才能够保证安全顺利钻井是本研究要探讨的问题。

1　直井段井身质量控制要求

Requirement on wellbore quality control of vertical section

控制井身质量在技术上是一个异常复杂的问题，制定井身质量标准也是一件困难的事情，需要通过实践不断总结、改进和完善。各大油田公司根据所钻区块的地质情况和所钻井的勘探开发目的不同，对井身质量都有不同的要求。笔者主要从井斜角、水平位移、狗腿度以及它们和井间距之间的关系等方面，针对“井工厂”作业时直井段的防碰问题，探讨了对井身质量的控制要求。1.1　井斜角的控制要求

Control on inclination

对于一般开发井的直井（或定向井的直井段），

如SY/T 5088—2008《钻井井身质量控制规范》中对井斜角的要求见表1，轨迹上各点的井斜角只有被控制在规定范围内井身质量才合格。

表1　SY/T 5088—2008《钻井井身质量控制规范》对直井的

Table 1 Requirements for inclination control of vertical sections

井斜要求

in SY/T 5088—2008 specification󰀃for󰀃wellbore󰀃quality井深/m井斜角/（°）

井深/m井斜角/（°）

0~500≤12 000~3 000≤5500~1 000≤23 000~4 000

≤7

1 000~2 000

≤3

1.2　水平位移的控制要求

Control on horizontal displacement除对井斜有要求，对于一般的开发直井或者开发定向井的直井段，各个油田公司对水平位移也有严格要求。SY/T 5088—2008《钻井井身质量控制规范》中对水平位移的要求见表2，轨迹上各点的水平位移只有被控制在规定范围内井身质量才算合格。

表2　SY/T 5088—2008《钻井井身质量控制规范》中对直井

Table 2 Control requirement on the horizontal displacement of 段水平位移的要求

vertical sections based on SY/T 5088wellbore quality control—2008 specification󰀃for󰀃

井深/m井斜角/（°）

井深/m井斜角/（°）

≤1 000≤20≤4 000≤55≤2 000≤30≤5 000≤75≤3 000

≤45

≤6 000

≤90

某定向井X井的直井段的井眼轨迹数据如表3所示。

Table 3 Hole trajectory data of vertical section of a directional

表3　某定向井X井的直井段井眼轨迹数据

well X井深/m井斜/方位/水平位（°）（°）垂深/m

南北位东西位

移/m移/m移/m0 0.00.0000.000.000.001500.590.00150.000.650.000.652000.8 90.00199.901.22 0.001.222501.0 90.00249.902.01 0.002.01300 1.0 90.00299.902.88 0.002.88350 1.0 90.00349.903.75 0.003.75400 1.0 90.00399.904.62 0.004.62450

1.0

90.00

449.96

5.50

0.00

5.50

从表3中X井的井眼轨迹数据可以看出，即使

直井段的井斜角被控制在要求的范围内，一直保持这个很小的井斜角，随着井深的增加到井底450 m

“井工厂”304位置处也会产生较大的水平位移。在应用“井工厂”

技术时，如果设计的井间距是5 m，表3中产生的这个水平位移会给防碰带来较大压力，尤其当相邻井直井段偏移方位正好和此井的偏移方位相反时，情况就会更加不利。所以，在直井段施工时仅仅严格控制井斜是不够的，还应同时控制水平位移，才能保证钻井安全。如果不考虑测斜仪器存在的误差和低精度以及失真等影响因素，只要严格控制“井工厂”

作业时每口井的直井段水平位移都不超过槽口间距

的一半距离，也就是如图1所示的安全圆柱内，就能保证整个平台的直井段安全钻进。实施“井工厂”

作业时，尤其在易发生井斜且井斜严重的区块，相邻井的井口间距不能设计太小，应先根据已钻直井段

的易斜位置和井斜严重情况朝一个方向发生偏斜进行模拟井底位移，再设计相邻井的井口间距最小值

才能保证安全钻进。Fig. 1 Control on horizontal displacement of vertical section in

图1　“井工厂”作业时直井段的水平位移控制示意图the ‘well plant’ mode

2　水平位移和狗腿度条件下的井斜控制　　要求

Control on inclination under the constraints of horizontal displacement and dogleg severity

为了能满足“井工厂”作业时直井段的防碰要求，当产生一定井斜后就需采取纠斜措施，保证井眼轨迹被控制在安全圆柱内。如果考虑直井段偏斜方向正对邻井槽口这种防碰风险最严重的情况，假设当井斜角被降到0°时水平位移刚好落在安全圆柱的边缘上（槽口间距的一半距离），则纠斜轨迹的几何示意图如图2所示。

定向纠斜段按照“单圆弧”剖面的计算，则其曲率半径的计算公式为［21］

R=1719

K （1）

式中，R为定向纠斜段的曲率半径，m；K为降斜率，

石油钻采工艺　2016年5月（第38卷）第3期

Fig. 2 Geometry of straightening trajectory of vertical section in

图2　“井工厂”作业时直井段纠斜轨迹的几何示意图the ‘well plant’ mode）/30 m。通过图2所示的几何关系，得出以下的关系 R−Rcosθİd2−d0 （2）式中，θ为直井段的纠斜点处的井斜角，°； d为相邻

槽口的间距，m；d0为纠斜点处的水平位移，m。

以上计算是针对相邻2口井的直井段正好向相反方向偏斜的碰撞风险最严重状态，所以计算结果较保守。主要考虑降斜率确定的情况，而没有涵盖地层特性、纠斜点上部直井段的轨迹、钻进参数等因素对降斜特性的影响，但具有计算简单的优点，直观反映了纠斜率、纠斜点处的水平位移和井斜角大小及邻井槽口间距等参数之间的关系。由此可以得出，在邻井槽口间距确定的条件下，通过允许的最大狗腿度就可以确定出最大允许的井斜角。从防碰意义上讲，若邻井已经安装导管，则必须在达到最大允许井斜角之前就纠斜，才能在符合规定的狗腿度内将水平位移控制在安全圆柱内。一旦超过允许的最大井斜角后再纠斜，那么就必须牺牲狗腿度和最大水平位移中的一个指标，如水平位移不靠近邻井套管的外壁处（当然这种情况下会使碰撞风险增大）；否则，只能回填一段井眼后重新钻进［14］。如果不慎超过允许的最大井斜角且邻井导管还未安装，则可以通过允许的最大狗腿度确定出最小的槽口间距，安装邻井的导管时大于此计算的最小间距值就会避免防碰风险。

3　算例

Case study

X平台是正在实施“井工厂”作业的一个钻井平台，根据地面的条件将井口间距设置为5 m，所有槽口从东到西呈“一”字排开，整个平台的水平投影示意图如图3所示。该平台上所有井都设计为二维井，其中XX井的设计方位是50°，造斜点470 m，其

（°

梁奇敏等：“井工厂”作业时直井段防碰设计与控制探讨305

直井段随钻井眼轨迹数据见表4；2口邻井的设计方位都是135°，造斜点是500 m。

Fig. 3 Horizontal projection of X-pad图3　X平台的水平投影示意图

Table 4 Hole trajectory while drilling of Well XX表4　XX井的随钻井眼轨迹

井深/m井斜/方位/垂深/水平位南北位东西位（°）（°）m移/m移/m移/m00000001000.302401000.24–0.13–0.231300.322451300.39–0.21–0.371600.352551600.56–0.26–0.541900.392581900.75–0.31–0.722200.422602200.96–0.35–0.932500.562632501.22–0.39–1.192800.762682791.56–0.41–1.53310

0.90

270

309

2.00

–0.42

–1.96

从表4可以看出，最后一个测点处已经产生了2 m的水平位移，如果保持0.9°的井斜角不变、到达设计造斜点，井底470 m位置处的位移会是4.5 m，显

然会超出文中提到的安全圆柱范围，给邻井直井段

的防碰带来较大的压力。为保证安全钻进，必须采取纠斜钻进措施，纠斜点处的水平位移d0取2 m，直

井段的最大井斜角是0.9°，由式（1）和（2）计算出的

狗腿度K是0.424（°）/30 m，不超过根据直井段井身

质量要求的最大狗腿度3（°）/30 m，可以采取纠斜措施。如果向着偏斜方向的反方向，即方位为90°方向纠斜，则以计算出来的这个造斜率连续滑动63.66 m就可将井斜角恰好在安全圆柱边缘处降为0°；

如果以最快速度控制位移，则用3（°）/30 m的纠斜

率，经过9 m就可将井斜角降到0°，根据式（2）计算

的水平位移是2.071 m，依然在安全圆柱内。

4　结论

Conclusions

（1）直井段防碰困难是“井工厂”作业时最重要的特点之一，尤其是征地困难或者地面环境苛刻等

情况造成井间距很小时，这种问题尤为突出。在条

件允许的情况下，尽量增加相邻两口井的间距来减轻防碰的压力。

（2）要保证在“井工厂”作业时直井段钻进时绝对安全，不仅要控制井斜角满足井身质量要求，还要严格控制水平位移不超过槽口间距一半的距离。提出在直井段允许的最大狗腿度和已有水平位移的条件下对井斜的控制要求。

（3）在整个直井段钻进过程中需要勤测斜，判断测斜数据是否超标，一旦超标就立即采取纠斜措施，防止与邻井碰撞。以X平台为例，介绍了“井工厂”作业时如何考虑直井段的防碰。提出的观点可为“井工厂”作业时槽口间距设计和直井段的轨迹控制提供理论指导。

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（修改稿收到日期　2016-03-17）

〔编辑　薛改珍〕