延长油田丛式井网加密水平井直井段交碰风险量化分析

杨全枝张晓斌吴迪刘云郑自刚

1.陕西延长石油（集团）有限责任公司研究院；2.延长油田股份有限公司勘探开发技术研究中心；3.中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院；4.中国石油天然气勘探开发公司

延长油田丛式井网加密水平井直井段交碰风险量化分析

杨全枝1，2张晓斌3吴迪4刘云2郑自刚3

1.陕西延长石油（集团）有限责任公司研究院；2.延长油田股份有限公司勘探开发技术研究中心；3.中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院；4.中国石油天然气勘探开发公司

为经济有效开发低渗透、低丰度油藏，延长油田利用旧井场部署加密水平井进行调整开发，直井段丛式井网密集，交碰风险严峻。为准确地评价直井段交碰风险，从实钻数据出发分析了延长油田水平井直井段轨迹水平位移偏差，并采用数学统计的方法对加密井直井段交碰风险进行量化，结果表明，直井段实钻轨迹水平位移偏差在同一井深下符合正态分布，随井深的增加，其均值和方差逐渐增大，正态分布形态越来越扁平，井眼位置不确定性越来越大。杏4003平34井应用结果表明，基于概率统计与可信度计算的直井段交碰风险定量分析，可较准确地判断直井段井眼碰撞风险，为丛式井网加密水平井直井段轨迹设计提供了新的参考。

加密井网；直井段； 水平位移偏差； 井眼交碰概率； 延长油田

鄂尔多斯盆地延长油田大部分储层属于低渗、超低渗透油藏，早期采用大规模丛式井网压裂开发后，产量递减快，已达不到经济有效开发的要求。近年来，随着勘探开发工作的不断深入，延长石油水平井技术发展迅速，大大提高了油井单井产量和油藏采收率，成为解决常规井开发“多井、低产、低效”的有效手段［1］。由于后备资源面积严重不足，为确保稳产千万吨的目标，延长石油尝试利用旧井场在老井区部署加密水平井进行调整开发，以提高油藏采收率。由于老井区丛式井网密集（井口最近距离仅有2 m），水平井加密钻直井段交碰风险严峻［2］，井眼碰撞事故时有发生，定平2、靖平11井等多口水平井因为井眼碰撞事故导致井眼大修，甚至工程报废，造成了重大经济损失。

井眼碰撞是指在钻井过程中空间上连续变化的2个井眼轨迹相交于一点［3］。井眼碰撞的类型主要分为平行碰撞、交叉碰撞等［4］。钻井一般采用先钻进后测斜的方式，直井段以平行碰撞为主，碰撞频率较高；造斜段、深层斜井段交叉碰撞为主，碰撞频率相对较低，而且很大程度受直井段轨迹控制的影响，因此直井段实钻轨迹质量优劣是整个防碰作业的基础。目前对于直井段防碰设计都是基于直井段井斜为0的假设［5］，而实际钻井过程中由于难以保证井斜角为0，直井段经常会出现水平位移偏差，所以实际钻井交碰风险往往高于设计值。为了更准确地评价延长油田水平井直井段交碰风险，保障直井段安全钻进，笔者从实钻数据分析出发，计算了延长油田水平井直井段轨迹水平位移偏差，并采用数理统计的方法对加密井直井段防交碰风险进行量化，从新的视角解决现场水平井直井段轨道设计的防碰问题。

1 直井段轨迹水平位移偏差

Horizontal displacement deviation of vertical hole section trajectory

直井段轨迹水平位移偏差影响因素很多，不仅与地层结构、倾角、钻具、钻井工艺等客观因素有关，还与施工人员的技术水平、操作水平和责任心等主观因素有关［6］。延长油田西部区块整体地质情况基本相同，水平井设计执行统一的标准，市场准入队伍装备水平相差不多。以西部区块水平井为例，对延长石油鄂尔多斯盆地油区已钻水平井进行分析，将所选正常完钻的90口水平井造斜点之前直井段设计与实钻轨迹做水平切片扫描，步长10 m，将每一切片下的扫描数据作为一个样本，分别求取样本平均值和方差，作为该井深下的水平位移平均偏差和偏差离散程度，如图1所示。为了获取真实的实钻水平位移偏差，选取进行单点测斜之前的直井段实钻轨迹以排除测斜之后人为井眼轨迹控制的干扰。

图1 直井段实钻轨迹的水平位移偏差均值和方差随井深的变化关系Fig.1 Relationship of mean and variance of horizontal displacement derivation in the actual drilling trajectory of vertical hole section vs.hole depth

图1中可以看到总体上直井段轨迹水平位移偏差均值和方差随井深的增加而逐渐增大。不同井深段，水平位移偏差均值和方差变化趋势不同，基本呈线性分布。浅层（0～400 m）为特有的第四系黄土地层，地层土质疏松、未成岩，纵向裂缝发育， 正常钻进容易发生井斜，水平位移偏差变化较大，而方差变化趋势较小，说明水平位移偏差分布比较集中；白垩系上部（400～700 m）地层为砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩，岩性稳定，井斜易控，水平位移偏差变化较小，700 m下部大型交错层理状发育，含细砾岩，钻进井斜不易控制，水平位移偏差变化最大，并且方差变化趋势比较大，此时水平位移偏差分布比较分散。为了便于分析，同一定地层范围内，可以认为在同一深度每口井的直井段轨迹水平位移偏差相互独立，互不影响，呈随机性分布，对实钻轨迹每一切片下的扫描数据样本，做出水平位移偏差分布的频率直方图，随机抽取100 m、200 m、500 m、800 m 4个切片深度数据，如图 2所示。

图 2 直井段轨迹水平位移偏差点的频率直方图和正态曲线Fig.2 Frequency histogram and normal curve of horizontal displacement derivation point in the trajectory of vertical hole section

由图 2 可以看出，直井段轨迹水平位移偏差符合正态分布。随着井深的增加，水平位移数据偏差范围越来越大，频率分布越来越分散，正态分布形态越来越扁平，井眼位置不确定性也越来越大，不利于井眼防碰。

2 直井段交碰风险定量分析

Quantitative analysis on collision risk of vertical hole section

为描述井眼交碰概率与井眼间距的关系，建立模型如图3所示。直井段钻井若发生井眼碰撞，井眼间距一定小于等于两井井眼半径之和。要满足这一要求，需要2个必要条件，一是在钻井施工过程中向邻井发生偏斜，二是直井段轨迹水平位移偏差足够大［7］。

图3 井眼交碰概率与井眼间距的关系Fig.3 Relationship between hole collision probability and hole spacing

2.1 井眼交碰概率

Hole collision probability

在钻井O1井眼向邻井O2倾斜的夹角a满足以下关系

由于钻井是一个动态的过程，以每次接立柱（30 m）为一个计算节点，则在钻井O1井眼向邻井O2倾斜的概率为

式中，R1、R2分别为O1、O2井眼半径，m；D为井眼间距，m，Di为第i个单根下井眼水平位移偏差。

由于直井段轨迹在不同井深段，水平位移偏差均值基本呈线性分布，在某一深度h下，直井段轨迹水平位移偏差Di（h）为

式中a、b可通过区域样本数据拟合结果得到，若在钻井O1在直井段与邻井O2在深度H下发生碰撞，则

此时井眼发生碰撞的概率为

2.2 井眼碰撞可信度分析

Confidence analysis on hole collision

由于直井段轨迹水平位移偏差符合正态分布，在某一深度下，直井段轨迹水平位移偏差x的概率密度函数f（x）为

式中，μ和σ2分别为样本X～N（μ，σ2）的均值和方差。

对公式（3）积分，则可计算出直井段轨迹水平位移偏差不小于r的概率F（r）。

则在钻井O1在直井段与邻井O2在碰撞深度H下发生碰撞时水平位移偏差的可信度为

3 实例分析

Case study

延长油区内地表为典型的黄土高原丘陵沟壑地貌，地形以塬梁峁为主，黄土覆盖层因长期流水侵蚀切割，沟谷纵横、梁峁相间。2015年延长石油利用旧丛式井场在老油区部署大量加密水平井进行调整开发，现以西部油区杏子川采油厂杏4003平34井为例， 对延长油田丛式井网加密水平井直井段交碰风险分析。

由图1样本数据和式（3）拟合得到0～920 m井段内直井段轨迹水平位移偏差的分段函数。

杏4003平34井直井段设计钻头直径222.3 mm，完钻邻井套管直径139.7 mm，井口间距见表1。将在拟合区间范围内的数据代入式（5）和式（8）计算，结果如表1所示。

表1 交碰风险定量分析Table 1 Quantitative analysis on collision risk

从表1可以看出，杏4003平34井与邻井发生碰撞的预测井深与直井段最短间距成正相关，直井段最短间距越小，井眼发生碰撞的井深越浅。根据分析，杏4003平34在直井段钻进最先与4003-11井在572.42 m处可能发生碰撞，与此时井眼碰撞的风险概率和可信度都较高，说明风险真实存在，此时钻井作业需采取相应的防碰干预措施。因此，为确保安全钻井，水平井设计在550 m直井段处造斜，水平井轨迹如图4所示，现场施工过程中上部直井段无碰撞异常情况发生，作业安全。

图4 杏4003平34井井眼轨迹示意图Fig.4 Schematic hole trajectory of horizontal well Xing 4003 Ping 34

4 结论

Conclusions

（1）直井段实钻轨迹水平位移偏差均值和方差随井深的增加而逐渐增大，不同井深段，水平位移偏差均值和方差变化趋势不同，基本呈线性分布。

（2）直井段实钻轨迹水平位移偏差在同一井深下符合正态分布，随着井深增加，其正态分布形态越来越扁平，井眼位置不确定性越来越大。

（3）设计井发生碰撞的预测井深与直井段最短间距成正相关，直井段最短间距越小，井眼发生碰撞的井深越浅。

（4）基于概率与可信度计算的直井段交碰风险定量分析可较准确地判断直井段井眼碰撞风险，可为丛式井网加密水平井直井段轨道设计提供参考。

References:

［1］杨全枝，于小龙，马振锋，徐小龙，许佳.延长油田浅层高密井网水平井防碰绕障技术 ［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2016，43（1）：40-43.YANG Quanzhi,YU Xiaolong,MA Zhenfeng,XU Xiaolong,XU Jia.Study on anti-collision technology of horizontal wells in shallow infill wells drilling in Yanchang Oilfield ［J］.Exploration Engineering（Rock& Solid Drilling and Tunneling）,2016,43（1）: 40-43.

［2］陶红胜，杨全枝，于小龙，马振锋.鄂尔多斯盆地东部低浅层渗透油藏大位移水平井钻井实践［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2015，42（2）：37-40.TAO Hongsheng,YANG Quanzhi,YU Xiaolong,MA Zhenfeng.Drilling practice of large extended reach horizontal well in shallow low permeability reservoirs of eastern Ordos Basin ［J］.Exploration Engineering（Rock& Solid Drilling and Tunneling）,2015,42（2）: 37-40.

［3］刘永旺， 管志川， 史玉才， 魏凯，张苏，邵冬冬.井眼防碰技术存在的问题及主动防碰方法探讨［J］.石油钻采工艺， 2011， 33（6）：14-18.LIU Yongwang,GUAN Zhichuan,SHI Yucai,WEI Kai,ZHANG Su,SHAO Dongdong.Discussion on problems of wellbore anti-collision technology and active anticollision methods［J］.Oil Drilling & Production Technology,2011,33（6）: 14-18.

［4］杨全枝.基于钻头振动信号分析的井间距离识别方法研究［D］.青岛：中国石油大学（华东），2013.YANG Quanzhi.Study on well distance detection based on drill bit vibration signal analysis［D］.Qingdao:China University of Petroleum （East China）,2013.

［5］韩志勇.定向井设计与计算［M］.北京：石油工业出版社，1989.HAN Zhiyong.Directional well design and calculation［M］.Beijing: Petroleum Industry Press,1989.

［6］胡中志，徐小峰，侯怡，李然，沈园园，潘俊英.基于概率分析的密集丛式井组造斜窗口确定方法［J］.石油钻采工艺，2011，33（1）：24-26.HU Zhongzhi,XU Xiaofeng,HOU Yi,LI Ran,SHEN Yuanyuan,PAN Junying.Method for determining the kick off window of dense cluster well group based on probability analysis［J］.Oil Drilling & Production Technology,2011,33（1）: 24-26.

［7］刘永旺，管志川，王伟，史玉才，尤小荣.丛式井组直井段交碰风险评价及设计优化 ［J］.中国安全生产科学技术，2015，11（10）：85-89.LIU Yongwang,GUAN Zhichuan,WANG Wei,SHI Yucai,YOU Xiaorong.Collision risk evaluation and design optimization on vertical section of well in cluster wells［J］.Journal of Safety Science and Technology,2015,11（10）: 85-89.

（修改稿收到日期 2017-03-28）

〔编辑 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

杨全枝，张晓斌，吴迪，刘云，郑自刚.延长油田丛式井网加密水平井直井段交碰风险量化分析 ［J］.石油钻采工艺，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.

国家”863” 计划重点项目“陆相页岩气水平井钻完井工艺技术攻关”（编号：2013AA064501）；陕西延长石油集团公司科技攻关重点项目“延长西部水平井钻采工艺技术研究与应用”（编号：ycsy2012ky-A-06）。

杨全枝（1986-），2013年毕业于中国石油大学（华东）油气井工程专业，主要从事油气井井下力学、信息与控制方面研究，工程师。通讯地址：（710075）陕西省西安市科技二路75号延长石油研究院。E-mail：sunsun_1212@126.com