李峰飛 蔣世全 周建良 李迅科

(中海油研究總院 北京 100028)

救援井探測定位方案設(shè)計研究*

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.救援井探測定位方案設(shè)計研究[J].中國海上油氣，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位置存在誤差，需要借助于專用的探測定位工具實現(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位置不確定性以及目前常用探測定位工具性能及適合工況，給出了連通點及初始探測點位置確定的選擇方案; 結(jié)合救援井鉆井工藝，設(shè)計了不同階段的救援井探測定位作業(yè)流程, 提出了提高測距范圍及探測精度方法。本文的相關(guān)研究成果已在海上多個救援井備用設(shè)計方案中得到成功應用，可以為救援井探測定位方案設(shè)計及作業(yè)實踐提供參考和技術(shù)指導。

救援井; 探測定位; 方案設(shè)計; 作業(yè)流程; 方法研究

海上油氣井發(fā)生嚴重井噴事故后,由于平臺甲板面積有限和可動用資源較少，難以對事故井有效實施控制，尤其是在井噴爆炸著火之后往往會造成平臺的損毀，無法實施井口作業(yè)，因此一般采用救援井連通事故井實施壓井作業(yè)控制事故井。深水區(qū)多采用浮式鉆井平臺進行鉆井作業(yè)，井控風險更為巨大，三級井控技術(shù)能力一般無法滿足需要，因此需要進行救援井的技術(shù)儲備和研究[1-6]。由于存在事故井和救援井軌跡誤差橢圓，通過傳統(tǒng)的陀螺、MWD等測斜儀器實現(xiàn)救援井與事故井的準確定位連通具有很大的技術(shù)難度，需要通過專用的測距定位工具確定救援井與事故井的相對位置。而測距作業(yè)是救援井作業(yè)過程中最重要的環(huán)節(jié)，因此有必要對救援井探測定位作業(yè)進行研究分析，以期對我國救援井設(shè)計作業(yè)尤其是海上救援井設(shè)計作業(yè)提供相應的指導和參考。

1 救援井探測定位作業(yè)難點分析

1.1 救援井與事故井相對位置不確定性分析

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；但對于救援井而言，其中靶目標為事故井井眼，中靶目標精度一般控制在0.3 m以內(nèi)，因此必須考慮救援井和事故井之間的相對位置確定性。

救援井設(shè)計中重要的環(huán)節(jié)之一是分析救援井與事故井之間相對位置的不確定性，以確定初始測距深度、救援井啟動數(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) 井口相對位置不確定性。

對井口相對位置進行分析，應將井口相對位置不確定性控制在±1 m之內(nèi)。在救援井作業(yè)中，井口位置的絕對精度相對于救援井和事故井相對距離及方位的精度并不重要。在平臺就位后根據(jù)實際情況選用合適的測量方法。對于海上平臺，當井口可視并且可到達時，可使用GPS及陸地測量技術(shù)(激光、經(jīng)緯儀)來進行相對井口位置的精確測量；當井口可視但不可靠近時，可采用陸地三角測量定位法。對于水下井口，可采用聲吶三角測量法來實現(xiàn)定位。

救援井及事故井方位坐標系統(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系統(tǒng)。一般應使用真北系統(tǒng)，以避免混淆或出現(xiàn)可能的收斂角錯誤。同時應考慮救援井區(qū)域的磁偏角的修正，通過相應位置的經(jīng)緯度來獲得地磁模型并進行修正。

2) 井眼相對位置不確定性。

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

1.2 救援井探測定位工具性能對比

目前救援井探測定位系統(tǒng)主要是電磁和靜磁探測定位2種系統(tǒng)，其中電磁探測定位系統(tǒng)又稱主動系統(tǒng)、靜磁探測定位系統(tǒng)又稱被動系統(tǒng)。電磁系統(tǒng)通過向地層發(fā)射電流，檢測其在事故井套管、落魚上匯聚電流所產(chǎn)生的磁場來實現(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MWD等測斜儀器的磁通門傳感器檢測事故井套管、落魚剩余磁場，經(jīng)過專用軟件處理分析后實現(xiàn)定位，專用分析軟件目前主要有哈里伯頓公司的PMR(Passive Magnetic Ranging)系統(tǒng)和美國科學鉆井公司的Magtrac系統(tǒng)[9-13]。救援井靜磁和電磁探測定位工具性能及應用工況對比如表1所示。

表1 救援井電磁、靜磁探測定位工具性能及應用工況對比Table 1 Performance and application comparison of the active and passive ranging tools

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

2 連通點及初始測距點位置確定

2.1 連通點位置確定

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

2.2 初始測距點位置確定

基于連通成功率、工期和防碰方面要素的考慮，初始測距點的位置對于救援井作業(yè)極其重要。初始探測點位置的確定一般遵循下述2個原則：①該點處救援井和事故井軌跡誤差橢圓分離系數(shù)≥1；②救援井探測定位工具探測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，探測定位工具的探測半徑為R，救援井軌跡誤差橢圓長軸半徑為Rrw，事故井軌跡誤差橢圓長軸半徑為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種情況下初始探測點的選擇方案如圖1所示。

圖1 救援井初始探測點位置選擇方案圖Fig .1 Location selection of the relief well’s first ranging point

(1)

當探測定位工具探測半徑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，可選取在探測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點，如圖1a所示，此時滿足

(2)

(3)

當探測定位工具探測半徑R不夠大或者救援井及事故井軌跡誤差橢圓過大時，可選取在Sf=SF的位置作為初始探測點，既滿足防碰要求并避免提前連通，同時盡可能靠近事故井進行測距作業(yè)，如圖1b所示，此時滿足

(4)

(5)

在救援井測距作業(yè)前需要開展專門的軌跡誤差分析，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SF大于1.0即可。

3 探測定位作業(yè)流程設(shè)計

救援井探測定位作業(yè)分為定位、引導跟蹤和連通3個作業(yè)階段。定位階段是按照預先設(shè)計的測距方案，從設(shè)計的初始探測點開始探測到目標事故井位置；引導跟蹤階段是在實現(xiàn)定位后到連通前的測距作業(yè)，主要保證事故井處于救援井可探測范圍內(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，實施壓井作業(yè)控制事故井[14]。本文設(shè)計的救援井探測定位作業(yè)各階段流程如圖2所示。

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

4 提高測距范圍及探測精度方法研究

4.1 定向作業(yè)提高探測范圍及精度

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

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

當救援井與事故井連通點不具備足夠間隔或只能以較大切入角連通事故井時，可以設(shè)計救援井軌跡以較大切入角(>30°)穿越事故井進行探測定位，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，以提高探測范圍。

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

4.2 三角測量法提高探測精度

由于原理限制，救援井探測定位工具在距離和方位測量上均有一定的誤差，其測量結(jié)果為一個近似梯形的誤差區(qū)域(以距離誤差±20%、方位精度±3°為例，如圖5所示)。在實際的救援井作業(yè)過程中，可以通過三角測量的幾何定位方法進一步消除誤差范圍，提高測量精度。三角測量法提高探測精度原理如圖5所示。

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

5 結(jié)束語

針對救援井設(shè)計作業(yè)中救援井與事故井相對位置不確定性、探測定位工具性能、連通點及初始探測點位置選擇、測距作業(yè)流程設(shè)計以及提高測距范圍及探測精度方法等技術(shù)問題進行了研究分析，給出了具體實施方案。本文相關(guān)技術(shù)研究成果已在中國海油多個深水井的備用救援井方案設(shè)計中得到了成功應用，可以為救援井探測定位方案設(shè)計及作業(yè)實踐提供參考和技術(shù)指導。

[1] 李峰飛，蔣世全，李迅科，等.海上救援井設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)分析[J].中國海上油氣，2015,27(1)：86-90,106.DOI：10.11935/j.issn.1673-1506.2015.01.014.LI Fengfei,JIANG Shiquan,LI Xunke,et al.The study on key factors of the offshore relief well design[J].China Offshore Oil and Gas,2015,27(1):86-90，106.DOI：10.11935/j.issn.1673-1506.2015.01.014.

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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，高級工程師，2010年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(武漢)，獲博士學位，主要從事深水鉆完井相關(guān)研究工作。地址：北京市朝陽區(qū)太陽宮南街6號院海油大廈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”國家科技重大專項“深水鉆完井工程技術(shù)(編號：2011ZX05026-001)”部分研究成果。