邊瑞超， 周洪林, 曹華慶

(1.中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司定向井技術(shù)服務(wù)分公司，天津 300280；2.中石化華東石油工程公司六普鉆井公司，江蘇鎮(zhèn)江 212003)

冀東油田人工島叢式井鉆井防碰技術(shù)

邊瑞超1， 周洪林1, 曹華慶2

(1.中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司定向井技術(shù)服務(wù)分公司，天津 300280；2.中石化華東石油工程公司六普鉆井公司，江蘇鎮(zhèn)江 212003)

冀東油田人工島叢式井井網(wǎng)密度大，鉆進(jìn)中易發(fā)生井下碰撞問題，為解決該問題，研究了防碰技術(shù)。通過分析冀東油田人工島叢式井的鉆井技術(shù)難點(diǎn)，提出了針對(duì)性技術(shù)措施：正鉆井碰撞高風(fēng)險(xiǎn)井段使用牙輪鉆頭；應(yīng)用低剛性鉆具組合，使井下鉆具獲得更大的撓度變形空間；進(jìn)行隨鉆MWD磁場(chǎng)強(qiáng)度監(jiān)測(cè)，根據(jù)磁場(chǎng)強(qiáng)度異常值判斷正鉆井與鄰井套管的距離，預(yù)警碰撞風(fēng)險(xiǎn)，指導(dǎo)正鉆井防碰。綜合這些技術(shù)措施形成的冀東油田人工島叢式井鉆井防碰技術(shù)，在冀東3號(hào)人工島叢式井組進(jìn)行了應(yīng)用，降低了鉆進(jìn)中發(fā)生井下碰撞的概率，表明該技術(shù)是防止正鉆井與鄰井套管碰撞的有效技術(shù)，可為冀東油田人工島加密鉆井提供安全保障。

叢式井；鉆井；防碰；隨鉆監(jiān)測(cè)；人工島；冀東油田

冀東油田自開發(fā)以來(lái)在陸地、灘海鉆了數(shù)千口各種類型的定向井，由于各區(qū)塊的鉆井都較為集中，井網(wǎng)密布，因此新井鉆井時(shí)防碰問題十分突出。2000年后，隨著勘探開發(fā)的深入，該油田開始利用人工島鉆高密度叢式井對(duì)重點(diǎn)區(qū)塊進(jìn)行開發(fā)，由于老平臺(tái)、人工島井網(wǎng)密集，不同時(shí)期完成井的井口坐標(biāo)定位、鉆井過程中各種儀器測(cè)量誤差的影響[1-2]，發(fā)生了數(shù)起嚴(yán)重的井下碰撞事故。經(jīng)過研究總結(jié)，2014年冀東油田開始在防碰井中配套應(yīng)用了隨鉆監(jiān)測(cè)磁異常值跟蹤分析、低剛性鉆具和牙輪鉆頭等防碰技術(shù)措施，并在南堡2號(hào)、3號(hào)人工島叢式井鉆井防碰作業(yè)中取得了成功。該技術(shù)解決了鉆井過程中用物理量(磁場(chǎng)強(qiáng)度)值確定正鉆井與鄰井套管相對(duì)距離的難題，提出了發(fā)生碰撞時(shí)正鉆井鉆具組合對(duì)鄰井套管不產(chǎn)生破壞的作業(yè)方法。研究表明，當(dāng)正鉆井測(cè)點(diǎn)距離鄰近已完成井0～4.00 m時(shí)，利用該技術(shù)可以檢測(cè)到因受磁干擾而出現(xiàn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化；不足之處在于，由于隨鉆儀器存在一定測(cè)量盲區(qū)，正鉆井只能對(duì)上部直井段、相對(duì)平行的鄰井井眼進(jìn)行監(jiān)測(cè)，且不能精確定位鄰井的套管方位。為此，筆者通過分析冀東油田人工島叢式井鉆井防碰的技術(shù)難點(diǎn)，給出了相應(yīng)的技術(shù)措施，并在幾百口叢式井鉆井中進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，取得了很好的防碰效果。

1 技術(shù)難點(diǎn)

冀東油田人工島叢式井的特點(diǎn)為淺造斜、多段制、大位移，淺層防碰點(diǎn)多且距離近，由于井眼軌跡復(fù)雜，加之井網(wǎng)密布，鉆井施工難度非常大，極易發(fā)生井眼交碰。而定向井鉆井中常應(yīng)用PDC鉆頭和造斜鉆具組合，由于復(fù)合片工具特性加上造斜鉆具剛性較強(qiáng)，基本上無(wú)撓性變化空間，當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí)，尤其在滑動(dòng)鉆進(jìn)過程中不易發(fā)現(xiàn)井下異常，且當(dāng)因?yàn)榛瑒?dòng)鉆進(jìn)慢而轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)盤復(fù)合鉆進(jìn)、發(fā)現(xiàn)蹩跳鉆、鉆井液漏失等問題時(shí)，套管已經(jīng)發(fā)生破損。具體有以下技術(shù)難點(diǎn)：

1) 淺層防碰點(diǎn)多、距離近。人工島平臺(tái)叢式井組通常設(shè)計(jì)為三開井身結(jié)構(gòu)，采用“直—增—穩(wěn)—降”剖面，井眼軌跡交叉頻繁，正鉆井在老井網(wǎng)中穿行，繞障防碰點(diǎn)多，防碰高風(fēng)險(xiǎn)井段在井深100.00～1 500.00 m，與鄰井井眼軌跡防碰距離3.00～15.00 m，某些井組的淺層防碰中心點(diǎn)距離僅有2.00 m。

2) 鉆頭對(duì)套管的損壞。鉆井提速主要依靠PDC鉆頭，分析碰撞井可知，絕大多數(shù)鉆穿套管的鉆頭都是PDC鉆頭。目前定向PDC鉆頭采用淺內(nèi)錐、高穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，在螺桿高速轉(zhuǎn)動(dòng)下，切割套管較為快速，滑動(dòng)鉆進(jìn)過程中不會(huì)產(chǎn)生明顯的蹩跳鉆，數(shù)分鐘內(nèi)即可磨穿鄰井套管。

3) 常規(guī)造斜組合對(duì)套管的影響。人工島叢式井基本上全井都使用彎螺桿鉆具組合鉆進(jìn)，包括彎螺桿、穩(wěn)定器、MWD短節(jié)、無(wú)磁鉆鋌、常規(guī)鉆鋌和加重鉆桿，工具串中的穩(wěn)定器與井眼直徑僅差4.0～10.0 mm，旋轉(zhuǎn)鉆井時(shí)鉆具組合無(wú)撓度變形空間，當(dāng)發(fā)生井下碰撞時(shí)，穩(wěn)定器擠壓切割套管，極易鉆穿套管。

分析冀東油田人工島碰穿套管故障資料可知，故障通常發(fā)生在正鉆井初始小井斜井段，鉆具組合為“PDC鉆頭+螺桿+穩(wěn)定器+MWD+無(wú)磁鉆鋌+鉆鋌+加重鉆桿”。因此，優(yōu)選鉆頭及鉆具組合，并應(yīng)用直觀有效的監(jiān)測(cè)方法，對(duì)叢式井鉆井防碰施工意義重大。

2 解決措施

在數(shù)百口井的人工島上鉆井，首先需解決淺層防碰問題，對(duì)碰點(diǎn)集中的上部直井段進(jìn)行實(shí)時(shí)隨鉆磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常變化時(shí)，立即采取有效措施，如控壓吊打或繞障分離；為防止碰破套管，在防碰井段使用高撓度低剛性的鉆具組合和牙輪鉆頭，減少對(duì)套管的偏磨，確保油井套管的安全。

2.1井眼軌跡控制

1) 直井段鉆井措施[3]。針對(duì)冀東油田人工島單組平臺(tái)，采用單排5～6口井4.00m間距槽口。為防止在造斜之前產(chǎn)生側(cè)位移，影響其他未鉆井井眼軌跡前進(jìn)的方向，對(duì)于平臺(tái)風(fēng)險(xiǎn)較大的直井段，選擇使用牙輪鉆頭配合螺桿鉆具，用輕壓低轉(zhuǎn)速方式鉆進(jìn)，控制井斜角，防止與鄰井相碰。

2) 隨鉆磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)。套管是具有磁性的管材，套管串會(huì)產(chǎn)生高于大地正常磁場(chǎng)的附加磁場(chǎng)。當(dāng)正鉆井測(cè)點(diǎn)距離鄰近已完成井0～4.00m時(shí)，磁性隨鉆測(cè)量?jī)x器MWD測(cè)出的磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)磁干擾現(xiàn)象，因此當(dāng)正鉆井井眼軌跡即將接近防碰高風(fēng)險(xiǎn)井段時(shí)，可采用該方法對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。實(shí)鉆數(shù)據(jù)表明，隨鉆測(cè)量的磁場(chǎng)強(qiáng)度偏離當(dāng)?shù)卮艌?chǎng)標(biāo)準(zhǔn)值±3%時(shí)，說(shuō)明兩井距離小于2.00m。而磁場(chǎng)強(qiáng)度異常的正負(fù)值則表明測(cè)點(diǎn)在套管的不同極性位置。井眼軌跡控制過程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)磁干擾變強(qiáng)、偏離該標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，結(jié)合定向井軟件掃描數(shù)據(jù)決定是否進(jìn)行井眼軌跡調(diào)整。

2.2鉆具組合

1) 鉆頭優(yōu)選。對(duì)于防碰距離為2.00～4.00m的井段，為保證井下安全，防碰井段優(yōu)選牙輪鉆頭配合螺桿鉆進(jìn)。選擇牙輪鉆頭的原因是，其工作方式與PDC鉆頭完全不同，牙輪接觸井底時(shí)為擠壓方式，而PDC鉆頭為剪切方式。當(dāng)滑動(dòng)鉆井中牙輪鉆頭的3個(gè)牙輪與套管碰撞接觸時(shí)，鉆頭產(chǎn)生有規(guī)律的波動(dòng)擠壓，鉆具震動(dòng)明顯[4]，易于被井口操作人員發(fā)現(xiàn)。而PDC鉆頭與套管接觸時(shí)，鉆具震動(dòng)相對(duì)較小，操作人員不易分辨。另外，套管壁厚僅為7.0～12.0mm，在螺桿高轉(zhuǎn)速下金剛石復(fù)合片高速切割套管，短時(shí)間內(nèi)便可磨破套管。

2) 使用低剛性鉆具。低剛性鉆具的特點(diǎn)是螺桿后面不連接穩(wěn)定器和常規(guī)鉆鋌。在φ444.5mm和φ311.1mm井眼，采用“牙輪鉆頭+螺桿+MWD+加重鉆桿+鉆桿”的鉆具組合；在φ215.9mm井眼，采用“牙輪鉆頭+螺桿+MWD+鉆桿+加重鉆桿”的鉆具組合。采用該鉆具組合可以降低其整體剛性，從而具有更大的撓度變形空間。尤其在復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)，鉆柱與井眼的間隙相對(duì)較大，可有效防止鉆具因剛性過高而擠切套管。旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)中，管柱的受力及井眼的幾何形態(tài)較為復(fù)雜。其中，管柱中的許多問題無(wú)法采用函數(shù)及微分方程精確求解，因此用能量原理法代替較為合理[5]。

假定井斜角為20°，鉆壓為100kN，單根鉆桿或鉆鋌兩端接頭為鉸支束，用能量法計(jì)算管柱中心點(diǎn)處的最大撓度，結(jié)果見表1。

表1鉆桿與無(wú)磁鉆鋌的最大撓度

Table1Deflectionvalueofdrillpipesandnon-magneticdrillcollars

鉆柱類型直徑/mm每米重量/(N·m-1)鉆壓/kN井斜角/(°)最大撓度/mm鉆鋌158.01194100208.7無(wú)磁鉆鋌171.41358100207.1無(wú)磁鉆鋌203.22072100205.3鉆桿127.02901002025.2

從表1可以看出，采用鉆桿倒裝鉆具組合鉆進(jìn)防碰井段，撓度值相對(duì)較高，可減少對(duì)套管的損害。

3 應(yīng)用效果

冀東油田人工島叢式井鉆井應(yīng)用配套防碰技術(shù)后，已連續(xù)三年未發(fā)生碰穿鄰井套管的問題，其中南堡2號(hào)、3號(hào)人工島等 重點(diǎn)區(qū)塊已完成200口叢式井，未發(fā)生正鉆井碰穿鄰井套管情況。以下以南堡3號(hào)島NP1517大斜度井為例，介紹冀東油田人工島叢式井鉆井防碰技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況。

1) 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。NP1517井鉆遇平原組、明化鎮(zhèn)組和館陶組地層，目標(biāo)層為東營(yíng)組，鉆探目的是開發(fā)南堡油田1號(hào)構(gòu)造油氣儲(chǔ)量。井身結(jié)構(gòu)：一開井段，φ444.5 mm鉆頭鉆至井深283.00 m，下入φ339.7 mm表層套管；二開井段，φ311.1 mm鉆頭鉆至井深2 103.00 m，下入φ244.5 mm技術(shù)套管；三開井段，φ215.9 mm鉆頭鉆至井深3 800.00 m完鉆，下入φ139.7 mm油管完井。該井井眼軌道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)見表2。

表2 NP1517井井眼軌道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)Table 2 Design profile data of Well NP 1517

設(shè)計(jì)掃描數(shù)據(jù)顯示，該井組為5口定向井，井間距為4.00 m。圖1所示為NP1517井與鄰井的井眼軌跡水平投影，其中藍(lán)線為NP1517井的設(shè)計(jì)井眼軌道，紅色為鄰井的井眼軌跡。設(shè)計(jì)正鉆井NP1517井與鄰井NP1706 井在井深255.50 m 處相距 2.78 m，與鄰井NP1070井在井深540.10 m處最近距離為8.87 m，與鄰井NP1162 井在井深911.70 m 處相距 9.90 m。

圖1 NP1517井與鄰井的井眼軌跡水平投影Fig.1 Horizontal projection of Well NP1517 and adjacent wells

2) 井眼軌跡控制。一開井段，為解決NP1517井與NP1706 井在井深 255.50 m 處僅相距 2.78 m的問題，下入低剛性鉆具組合：φ444.5 mm牙輪鉆頭+φ244.5 mm螺桿+接頭+φ203.2 mm無(wú)磁鉆鋌+φ203.2 mmMWD短節(jié)+接頭+φ127.0 mm加重鉆桿+φ127.0 mm鉆桿。一開直井段的重點(diǎn)是防斜，為保持井眼間合理的距離，采用鉆壓40～60 kN吊打，鉆盤轉(zhuǎn)速60 r/min，并實(shí)時(shí)進(jìn)行磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量。表3為NP1517井防碰監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

表3 NP1517井鉆井防碰監(jiān)測(cè)結(jié)果Table 3 Anti-collision monitoring results of Well NP1517

從表3可以看出，測(cè)點(diǎn)30.55 m處隨鉆儀器測(cè)量的磁場(chǎng)強(qiáng)度異常比為1.58 %，分析認(rèn)為，正鉆井NP1517井與鄰井NP1706井的間距為4.00 m，說(shuō)明鄰井的φ339.7 mm套管磁場(chǎng)干擾半徑可達(dá)4.00 m；鉆至測(cè)點(diǎn)井深199.19 m時(shí)，發(fā)現(xiàn)鄰井套管磁場(chǎng)干擾值逐漸升高，磁場(chǎng)強(qiáng)度異常比由0.35 %提高到1.60 %，說(shuō)明井下碰撞風(fēng)險(xiǎn)開始增高。因此，鉆盤轉(zhuǎn)速降至40 r/min，鉆壓降至20 kN，鉆至井深227.90 m時(shí)發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)強(qiáng)度異常比高達(dá)5.24 %，說(shuō)明兩井真實(shí)的距離并非掃描計(jì)算數(shù)據(jù)所顯示的3.30 m，磁場(chǎng)數(shù)據(jù)顯示NP1517井與NP1706井非常接近。此時(shí)，發(fā)出防碰預(yù)警，要求井口操作人員關(guān)注井下鉆柱震動(dòng)情況，有蹩跳鉆現(xiàn)象立即停鉆[6]，同時(shí)錄井人員要勤撈取砂樣，以判斷井下鉆進(jìn)情況。鉆至井深267.45 m時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度異常比降至1.69 %，說(shuō)明兩井已安全分離。

二開井段的鉆具組合：φ311.1 mm牙輪鉆頭+φ244.5 mm螺桿+φ203.2 mm浮閥+φ298.0 mm穩(wěn)定器+φ203.2 mmMWD+φ203.2 mm無(wú)磁鉆鋌+φ127.0 mm加重鉆桿+φ127.0 mm鉆桿。對(duì)表3中的磁場(chǎng)強(qiáng)度異常比及NP1517井與NP1706 井的中心距離進(jìn)行分析后，確認(rèn)一開結(jié)束后兩井之間的距離已足夠大，不會(huì)發(fā)生碰撞問題。因此，二開造斜點(diǎn)之前井段下入小直徑穩(wěn)定器，在鉆壓20 kN、轉(zhuǎn)速40 r/min條件下鉆進(jìn)至井深299.00 m，測(cè)量數(shù)據(jù)顯示磁異常比降至0.46%，說(shuō)明兩井已不會(huì)碰撞，NP1517井穿過NP1706井風(fēng)險(xiǎn)防碰井段，鉆至造斜點(diǎn)。299.00～1 100.00 m井段未出現(xiàn)磁異常比大于2%以上的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，最終完成淺層防碰施工。

4 結(jié)論與建議

1) 人工島叢式井鉆井中，“牙輪鉆頭+螺桿”組合是碰撞高風(fēng)險(xiǎn)井段安全鉆進(jìn)的技術(shù)保障。

2) 為保證鄰井套管安全，對(duì)于碰撞高風(fēng)險(xiǎn)井段須采用低剛性鉆具組合，用加重鉆桿或鉆桿替換鉆鋌，通過降低鉆具剛性來(lái)減小鉆柱對(duì)套管的損壞。

3) 利用MWD隨鉆儀器的磁場(chǎng)測(cè)量功能，結(jié)合正鉆井與鄰井中心點(diǎn)距離掃描，可發(fā)現(xiàn)并行的叢式井組套管磁場(chǎng)異常值變化，從而及時(shí)預(yù)警兩井碰撞的可能，確認(rèn)風(fēng)險(xiǎn)后調(diào)整鉆井參數(shù)，采用低轉(zhuǎn)盤鉆速、小鉆壓鉆井，嘗試通過碰撞井段。而對(duì)于多井空間交叉的井眼，因正鉆井測(cè)量盲區(qū)較長(zhǎng)，用該方法進(jìn)行防碰作業(yè)指導(dǎo)意義不大。

4) 為提高磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量精度，必須采用高精度高穩(wěn)定性的隨鉆儀器。另外，對(duì)于碰撞高風(fēng)險(xiǎn)井段有必要加密測(cè)點(diǎn)，以便準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)鄰井套管的磁場(chǎng)干擾。

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[編輯 令文學(xué)]

Anti-CollisionTechnologyforDrillingClusterWellsintheArtificialIslandofJidongOilfield

BIANRuichao1，ZHOUHonglin1；CAOHuaqing2

(1.DirectionalWellTechnologyServicesBranch，CNPCBohaiDrillingEngineeringCompanyLimited，Tianjin，300280，China;2.SinopecHuadongOilfieldServiceCorporationLiupuDrillingCompany,Zhenjiang,Jiangsu,212003,China)

Due to high-density well spacing for cluster wells in the artificial island of Jidong Oilfield,there was a high likelihood of down-hole collision problems.Therefore,anti-collision technology was studied for solving this drilling problem.By analysis of drilling technological difficulties of cluster wells in the artificial island of Jidong Oilfield,specific technical measures were put forward:cone bits were used at a specific locations to minimize the risk of collision while;low rigidity bottom hole assembly was applied to make down-hole drilling tools have more deflection deformation space;MWD magnetic field intensity monitoring while drilling was carried out and anti-collision drilling was guided by programming a pre-warning casing distance risk for downhole adjacent wells by detecting magnetic field intensity anomalies.Thus,the anti-collision technology of cluster wells in the artificial islands of Jidong Oilfield was developed by integrating these technical measures and applying them in cluster well groups for the artificial islands of Jidong No.3,thereby reducing the downhole collision probability while drilling.To summarize,this study showed that this anti-collision technology is effective for preventing drilling collisions with casings of adjacent wells and can provide safety assurance for infill drilling in the artificial islands of the Jidong Oilfield.

cluster wells；drilling；anti-collision；monitoring while drilling；artificial islands；Jidong Oilfield

TE28

A

1001-0890(2017)05-0019-04

10.11911/syztjs.201705004

2017-06-13；改回日期2017-09-07。

邊瑞超(1972—)，男，天津大港人，1993年畢業(yè)于大港石油學(xué)校鉆井工程專業(yè)，2005年畢業(yè)于長(zhǎng)江大學(xué)石油工程專業(yè)，工程師，主要從事定向井現(xiàn)場(chǎng)施工與管理工作。E-mail:619314463@qq.com。