楊全枝張曉斌吳迪劉云鄭自剛

1.陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院；2.延長(zhǎng)油田股份有限公司勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)研究中心；3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院；4.中國(guó)石油天然氣勘探開(kāi)發(fā)公司

延長(zhǎng)油田叢式井網(wǎng)加密水平井直井段交碰風(fēng)險(xiǎn)量化分析

楊全枝1，2張曉斌3吳迪4劉云2鄭自剛3

1.陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院；2.延長(zhǎng)油田股份有限公司勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)研究中心；3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院；4.中國(guó)石油天然氣勘探開(kāi)發(fā)公司

為經(jīng)濟(jì)有效開(kāi)發(fā)低滲透、低豐度油藏，延長(zhǎng)油田利用舊井場(chǎng)部署加密水平井進(jìn)行調(diào)整開(kāi)發(fā)，直井段叢式井網(wǎng)密集，交碰風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)峻。為準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)直井段交碰風(fēng)險(xiǎn)，從實(shí)鉆數(shù)據(jù)出發(fā)分析了延長(zhǎng)油田水平井直井段軌跡水平位移偏差，并采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)加密井直井段交碰風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化，結(jié)果表明，直井段實(shí)鉆軌跡水平位移偏差在同一井深下符合正態(tài)分布，隨井深的增加，其均值和方差逐漸增大，正態(tài)分布形態(tài)越來(lái)越扁平，井眼位置不確定性越來(lái)越大。杏4003平34井應(yīng)用結(jié)果表明，基于概率統(tǒng)計(jì)與可信度計(jì)算的直井段交碰風(fēng)險(xiǎn)定量分析，可較準(zhǔn)確地判斷直井段井眼碰撞風(fēng)險(xiǎn)，為叢式井網(wǎng)加密水平井直井段軌跡設(shè)計(jì)提供了新的參考。

加密井網(wǎng)；直井段； 水平位移偏差； 井眼交碰概率； 延長(zhǎng)油田

鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)油田大部分儲(chǔ)層屬于低滲、超低滲透油藏，早期采用大規(guī)模叢式井網(wǎng)壓裂開(kāi)發(fā)后，產(chǎn)量遞減快，已達(dá)不到經(jīng)濟(jì)有效開(kāi)發(fā)的要求。近年來(lái)，隨著勘探開(kāi)發(fā)工作的不斷深入，延長(zhǎng)石油水平井技術(shù)發(fā)展迅速，大大提高了油井單井產(chǎn)量和油藏采收率，成為解決常規(guī)井開(kāi)發(fā)“多井、低產(chǎn)、低效”的有效手段［1］。由于后備資源面積嚴(yán)重不足，為確保穩(wěn)產(chǎn)千萬(wàn)噸的目標(biāo)，延長(zhǎng)石油嘗試?yán)门f井場(chǎng)在老井區(qū)部署加密水平井進(jìn)行調(diào)整開(kāi)發(fā)，以提高油藏采收率。由于老井區(qū)叢式井網(wǎng)密集（井口最近距離僅有2 m），水平井加密鉆直井段交碰風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)峻［2］，井眼碰撞事故時(shí)有發(fā)生，定平2、靖平11井等多口水平井因?yàn)榫叟鲎彩鹿蕦?dǎo)致井眼大修，甚至工程報(bào)廢，造成了重大經(jīng)濟(jì)損失。

井眼碰撞是指在鉆井過(guò)程中空間上連續(xù)變化的2個(gè)井眼軌跡相交于一點(diǎn)［3］。井眼碰撞的類型主要分為平行碰撞、交叉碰撞等［4］。鉆井一般采用先鉆進(jìn)后測(cè)斜的方式，直井段以平行碰撞為主，碰撞頻率較高；造斜段、深層斜井段交叉碰撞為主，碰撞頻率相對(duì)較低，而且很大程度受直井段軌跡控制的影響，因此直井段實(shí)鉆軌跡質(zhì)量?jī)?yōu)劣是整個(gè)防碰作業(yè)的基礎(chǔ)。目前對(duì)于直井段防碰設(shè)計(jì)都是基于直井段井斜為0的假設(shè)［5］，而實(shí)際鉆井過(guò)程中由于難以保證井斜角為0，直井段經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)水平位移偏差，所以實(shí)際鉆井交碰風(fēng)險(xiǎn)往往高于設(shè)計(jì)值。為了更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)延長(zhǎng)油田水平井直井段交碰風(fēng)險(xiǎn)，保障直井段安全鉆進(jìn)，筆者從實(shí)鉆數(shù)據(jù)分析出發(fā)，計(jì)算了延長(zhǎng)油田水平井直井段軌跡水平位移偏差，并采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)加密井直井段防交碰風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化，從新的視角解決現(xiàn)場(chǎng)水平井直井段軌道設(shè)計(jì)的防碰問(wèn)題。

1 直井段軌跡水平位移偏差

Horizontal displacement deviation of vertical hole section trajectory

直井段軌跡水平位移偏差影響因素很多，不僅與地層結(jié)構(gòu)、傾角、鉆具、鉆井工藝等客觀因素有關(guān)，還與施工人員的技術(shù)水平、操作水平和責(zé)任心等主觀因素有關(guān)［6］。延長(zhǎng)油田西部區(qū)塊整體地質(zhì)情況基本相同，水平井設(shè)計(jì)執(zhí)行統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，市場(chǎng)準(zhǔn)入隊(duì)伍裝備水平相差不多。以西部區(qū)塊水平井為例，對(duì)延長(zhǎng)石油鄂爾多斯盆地油區(qū)已鉆水平井進(jìn)行分析，將所選正常完鉆的90口水平井造斜點(diǎn)之前直井段設(shè)計(jì)與實(shí)鉆軌跡做水平切片掃描，步長(zhǎng)10 m，將每一切片下的掃描數(shù)據(jù)作為一個(gè)樣本，分別求取樣本平均值和方差，作為該井深下的水平位移平均偏差和偏差離散程度，如圖1所示。為了獲取真實(shí)的實(shí)鉆水平位移偏差，選取進(jìn)行單點(diǎn)測(cè)斜之前的直井段實(shí)鉆軌跡以排除測(cè)斜之后人為井眼軌跡控制的干擾。

圖1 直井段實(shí)鉆軌跡的水平位移偏差均值和方差隨井深的變化關(guān)系Fig.1 Relationship of mean and variance of horizontal displacement derivation in the actual drilling trajectory of vertical hole section vs.hole depth

圖1中可以看到總體上直井段軌跡水平位移偏差均值和方差隨井深的增加而逐漸增大。不同井深段，水平位移偏差均值和方差變化趨勢(shì)不同，基本呈線性分布。淺層（0～400 m）為特有的第四系黃土地層，地層土質(zhì)疏松、未成巖，縱向裂縫發(fā)育， 正常鉆進(jìn)容易發(fā)生井斜，水平位移偏差變化較大，而方差變化趨勢(shì)較小，說(shuō)明水平位移偏差分布比較集中；白堊系上部（400～700 m）地層為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖，巖性穩(wěn)定，井斜易控，水平位移偏差變化較小，700 m下部大型交錯(cuò)層理狀發(fā)育，含細(xì)礫巖，鉆進(jìn)井斜不易控制，水平位移偏差變化最大，并且方差變化趨勢(shì)比較大，此時(shí)水平位移偏差分布比較分散。為了便于分析，同一定地層范圍內(nèi)，可以認(rèn)為在同一深度每口井的直井段軌跡水平位移偏差相互獨(dú)立，互不影響，呈隨機(jī)性分布，對(duì)實(shí)鉆軌跡每一切片下的掃描數(shù)據(jù)樣本，做出水平位移偏差分布的頻率直方圖，隨機(jī)抽取100 m、200 m、500 m、800 m 4個(gè)切片深度數(shù)據(jù)，如圖 2所示。

圖 2 直井段軌跡水平位移偏差點(diǎn)的頻率直方圖和正態(tài)曲線Fig.2 Frequency histogram and normal curve of horizontal displacement derivation point in the trajectory of vertical hole section

由圖 2 可以看出，直井段軌跡水平位移偏差符合正態(tài)分布。隨著井深的增加，水平位移數(shù)據(jù)偏差范圍越來(lái)越大，頻率分布越來(lái)越分散，正態(tài)分布形態(tài)越來(lái)越扁平，井眼位置不確定性也越來(lái)越大，不利于井眼防碰。

2 直井段交碰風(fēng)險(xiǎn)定量分析

Quantitative analysis on collision risk of vertical hole section

為描述井眼交碰概率與井眼間距的關(guān)系，建立模型如圖3所示。直井段鉆井若發(fā)生井眼碰撞，井眼間距一定小于等于兩井井眼半徑之和。要滿足這一要求，需要2個(gè)必要條件，一是在鉆井施工過(guò)程中向鄰井發(fā)生偏斜，二是直井段軌跡水平位移偏差足夠大［7］。

圖3 井眼交碰概率與井眼間距的關(guān)系Fig.3 Relationship between hole collision probability and hole spacing

2.1 井眼交碰概率

Hole collision probability

在鉆井O1井眼向鄰井O2傾斜的夾角a滿足以下關(guān)系

由于鉆井是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，以每次接立柱（30 m）為一個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，則在鉆井O1井眼向鄰井O2傾斜的概率為

式中，R1、R2分別為O1、O2井眼半徑，m；D為井眼間距，m，Di為第i個(gè)單根下井眼水平位移偏差。

由于直井段軌跡在不同井深段，水平位移偏差均值基本呈線性分布，在某一深度h下，直井段軌跡水平位移偏差Di（h）為

式中a、b可通過(guò)區(qū)域樣本數(shù)據(jù)擬合結(jié)果得到，若在鉆井O1在直井段與鄰井O2在深度H下發(fā)生碰撞，則

此時(shí)井眼發(fā)生碰撞的概率為

2.2 井眼碰撞可信度分析

Confidence analysis on hole collision

由于直井段軌跡水平位移偏差符合正態(tài)分布，在某一深度下，直井段軌跡水平位移偏差x的概率密度函數(shù)f（x）為

式中，μ和σ2分別為樣本X～N（μ，σ2）的均值和方差。

對(duì)公式（3）積分，則可計(jì)算出直井段軌跡水平位移偏差不小于r的概率F（r）。

則在鉆井O1在直井段與鄰井O2在碰撞深度H下發(fā)生碰撞時(shí)水平位移偏差的可信度為

3 實(shí)例分析

Case study

延長(zhǎng)油區(qū)內(nèi)地表為典型的黃土高原丘陵溝壑地貌，地形以塬梁峁為主，黃土覆蓋層因長(zhǎng)期流水侵蝕切割，溝谷縱橫、梁峁相間。2015年延長(zhǎng)石油利用舊叢式井場(chǎng)在老油區(qū)部署大量加密水平井進(jìn)行調(diào)整開(kāi)發(fā)，現(xiàn)以西部油區(qū)杏子川采油廠杏4003平34井為例， 對(duì)延長(zhǎng)油田叢式井網(wǎng)加密水平井直井段交碰風(fēng)險(xiǎn)分析。

由圖1樣本數(shù)據(jù)和式（3）擬合得到0～920 m井段內(nèi)直井段軌跡水平位移偏差的分段函數(shù)。

杏4003平34井直井段設(shè)計(jì)鉆頭直徑222.3 mm，完鉆鄰井套管直徑139.7 mm，井口間距見(jiàn)表1。將在擬合區(qū)間范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)代入式（5）和式（8）計(jì)算，結(jié)果如表1所示。

表1 交碰風(fēng)險(xiǎn)定量分析Table 1 Quantitative analysis on collision risk

從表1可以看出，杏4003平34井與鄰井發(fā)生碰撞的預(yù)測(cè)井深與直井段最短間距成正相關(guān)，直井段最短間距越小，井眼發(fā)生碰撞的井深越淺。根據(jù)分析，杏4003平34在直井段鉆進(jìn)最先與4003-11井在572.42 m處可能發(fā)生碰撞，與此時(shí)井眼碰撞的風(fēng)險(xiǎn)概率和可信度都較高，說(shuō)明風(fēng)險(xiǎn)真實(shí)存在，此時(shí)鉆井作業(yè)需采取相應(yīng)的防碰干預(yù)措施。因此，為確保安全鉆井，水平井設(shè)計(jì)在550 m直井段處造斜，水平井軌跡如圖4所示，現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中上部直井段無(wú)碰撞異常情況發(fā)生，作業(yè)安全。

圖4 杏4003平34井井眼軌跡示意圖Fig.4 Schematic hole trajectory of horizontal well Xing 4003 Ping 34

4 結(jié)論

Conclusions

（1）直井段實(shí)鉆軌跡水平位移偏差均值和方差隨井深的增加而逐漸增大，不同井深段，水平位移偏差均值和方差變化趨勢(shì)不同，基本呈線性分布。

（2）直井段實(shí)鉆軌跡水平位移偏差在同一井深下符合正態(tài)分布，隨著井深增加，其正態(tài)分布形態(tài)越來(lái)越扁平，井眼位置不確定性越來(lái)越大。

（3）設(shè)計(jì)井發(fā)生碰撞的預(yù)測(cè)井深與直井段最短間距成正相關(guān)，直井段最短間距越小，井眼發(fā)生碰撞的井深越淺。

（4）基于概率與可信度計(jì)算的直井段交碰風(fēng)險(xiǎn)定量分析可較準(zhǔn)確地判斷直井段井眼碰撞風(fēng)險(xiǎn)，可為叢式井網(wǎng)加密水平井直井段軌道設(shè)計(jì)提供參考。

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（修改稿收到日期 2017-03-28）

〔編輯 薛改珍〕

Quantitative analysis on collision risk of vertical hole section of infill horizontal well in cluster well pattern in Yanchang Oilfield

YANG Quanzhi1,2,ZHANG Xiaobin3,WU Di4,LIU Yun2,ZHENG Zigang3
1.Research Institute,Shaanxi Yanchang Petroleum(Group)Co.Ltd.,Xi’an710075,Shaanxi,China;
2.Exploration and Development Technology Research Center,Yanchang Oilfield Company Limited,Yan’an716000,Shaanxi,China;
3.Research Institute of Exploration and Development,PetroChina Changqing Oilfield Company,Xi’an710021,Shaanxi,China;
4.China National Oil and Gas Exploration and Development Corporation,Beijing100034,China

To develop low-permeability and low-abundance oil reservoirs economically and efficiently in Yanchang Oilfield,infill horizontal wells are arranged at the old well sites.Thus,the vertical hole sections in the cluster pattern are dense,so the collision risk is rigorous.To evaluate the collision risk of vertical hole sections accurately,the horizontal displacement deviation of vertical hole sections in horizontal wells in Yanchang Oilfield was analyzed based on actual drilling data.Then,the collision risk of vertical hole sections in infill wells was quantified by means of mathematical statistics.It is indicated that the horizontal displacement deviation of actual trajectory of vertical hole section in the same hole depth is in accordance with the normal distribution.And with the deepening of the hole,its mean and variance increase gradually,the shape of normal distribution becomes flatter and flatter,and the hole location become moreand more uncertain.This method was applied in horizontal well Xing 4003 Ping 34.It is shown that quantitative analysis on the collision risk of vertical hole section based on probability statistics and confidence calculation can discriminate the collision risk of vertical hole section more accurately,and provides the new reference for the trajectory design of vertical hole section of infill horizontal well in cluster pattern.

infill well pattern; vertical hole section; horizontal displacement deviation; borehole collision probability; Yanchang Oilfield

楊全枝，張曉斌，吳迪，劉云，鄭自剛.延長(zhǎng)油田叢式井網(wǎng)加密水平井直井段交碰風(fēng)險(xiǎn)量化分析 ［J］.石油鉆采工藝，2017，39（3）：298-302.

TE243

：A

1000–7393（2017 ）03–0298–05DOI:10.13639/j.odpt.2017.03.008

: YANG Quanzhi,ZHANG Xiaobin,WU Di,LIU Yun,ZHENG Zigang.Quantitative analysis on collision risk of vertical hole section of infill horizontal well in cluster well pattern in Yanchang Oilfield［J］.Oil Drilling & Production Technology,2017,39(3): 298-302.

國(guó)家”863” 計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目“陸相頁(yè)巖氣水平井鉆完井工藝技術(shù)攻關(guān)”（編號(hào)：2013AA064501）；陜西延長(zhǎng)石油集團(tuán)公司科技攻關(guān)重點(diǎn)項(xiàng)目“延長(zhǎng)西部水平井鉆采工藝技術(shù)研究與應(yīng)用”（編號(hào)：ycsy2012ky-A-06）。

楊全枝（1986-），2013年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）油氣井工程專業(yè)，主要從事油氣井井下力學(xué)、信息與控制方面研究，工程師。通訊地址：（710075）陜西省西安市科技二路75號(hào)延長(zhǎng)石油研究院。E-mail：sunsun_1212@126.com