CN111046515A - 用于邻井防碰的警戒距离评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于邻井防碰的警戒距离评价方法，其包括：获得参考井和比较井的测斜数据，其中参考井为新设计井或正钻进井，比较井为与参考井邻近的已钻井；计算出参考井和比较井的井眼轨迹，并将井眼轨迹归算到同一坐标系下，扫描并计算参考井和比较井之间的井间距离；求取各测点处的协方差矩阵，按所要求的井眼轨迹误差概率选取放大系数以唯一确定井眼轨迹的误差椭球；基于误差椭球半径、井筒尺寸来表征并计算参考井和比较井之间的警戒距离，并基于分离系数来确定邻井防碰的警戒线。本发明综合考虑了井眼轨迹误差、井筒尺寸等因素，集成发挥了井间距离和分离系数等评价指标的优势，为邻井防碰评价提供了一种实用、有效的方法。

Description

用于邻井防碰的警戒距离评价方法

技术领域

本发明涉及油气井工程领域，具体说涉及油气井工程中用于邻井防碰的警戒距离评价方法。

背景技术

为满足石油储量和产量的需求，老油田不断加密井距来挖潜剩余油，非常规油气资源开发正在发展分支井、鱼骨井以及井工厂技术，海上钻井的单平台布井数量越来越多而形成高密集丛式井。随着布井密度的不断增大，邻井间的距离越来越小，邻井防碰的问题也就越来越突出。

由于存在测量、计算等误差，井眼轨迹定位不可能绝对准确，即井眼轨迹存在不确定性，而井越深，井眼轨迹误差越大，因此邻井防碰评价不仅需要计算井间距离，还要考虑到井眼轨迹的不确定性。

此外，邻井防碰的底线是不钻穿邻井井壁，尤其不应钻遇邻井套管，因此设计时还应考虑井筒尺寸即井径。

目前，邻井防碰的主要评价指标是井间距离(韩志勇.定向钻井设计与计算(第2版)[M].山东东营：中国石油大学出版社，2007；刘修善.井眼轨道几何学[M].北：石油工业出版社，2006)和分离系数(Sawaryn S J.Well collision avoidance management andprinciples[R].SPE 184730，2017)，二者各有优缺点。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明集成井间距离和分离系数等评价指标的优势，综合考虑井眼轨迹误差、井筒尺寸等因素，提出了一种用于邻井防碰的警戒距离评价方法，其包括以下步骤：

按行业规程采用测量仪器获得参考井和比较井的测斜数据，其中所述参考井为新设计井或正钻进井，所述比较井为与所述参考井邻近的已钻井；

基于所述测斜数据计算出所述参考井和所述比较井的井眼轨迹，并将所述井眼轨迹归算到同一坐标系下，扫描并计算所述参考井和所述比较井之间的井间距离；

基于ISCWSA标准及模型求取各测点处的协方差矩阵，按所要求的井眼轨迹误差概率选取放大系数以唯一确定所述井眼轨迹的误差椭球，用三个主轴半径和三个姿态角来表征所述误差椭球的尺寸和姿态；

基于所述参考点和所述比较点建立扫描矢径方程，基于所述误差椭球的尺寸和姿态建立误差椭球方程，联立扫描矢径方程和误差椭球方程计算扫描矢径上所述参考井和所述比较井的误差椭球半径；

基于所述误差椭球半径、井筒尺寸来表征并计算所述参考井和所述比较井之间的警戒距离，并基于分离系数来确定邻井防碰的警戒线。

根据本发明的用于邻井防碰的警戒距离评价方法，优选的是，在扫描并计算所述参考井和所述比较井之间的井间距离的步骤中，还包括：

在所述参考井上选取一点P作为参考点，基于球面扫描或法面扫描原理逐测段扫描所述比较井，得到对应于参考点P的比较点Q，进而按照下式计算所述参考井和所述比较井之间的井间距离：

其中，N、E、H分别为北坐标、东坐标、垂深，单位：米。

根据本发明的用于邻井防碰的警戒距离评价方法，优选的是，在表征所述误差椭球的尺寸和姿态的步骤中，还包括：

采用雅可比法、线性变换方法求得所述协方差矩阵的特征值(λ_U,λ_V,λ_W)及其对应的特征向量(p_U,p_V,p_W)，其中所述特征向量表示为

其中：U、V、W分别为所述误差椭球的三个主轴；i、j、k分别为N轴、E轴、H轴上的单位坐标向量；P_UN、P_UE、P_UH分别为特征向量p_U在N轴、E轴、H轴上的分量；P_VN、P_VE、P_VH分别为特征向量p_V在N轴、E轴、H轴上的分量；P_WN、P_WE、P_WH分别为特征向量P_W在N轴、E轴、H轴上的分量；

按照以下公式来用三个主轴半径和三个姿态角来表征所述误差椭球的尺寸和姿态：

其中：R为所述误差椭球的主轴半径，单位：米；k_s为放大系数，无因次；λ为所述协方差矩阵的特征值，单位：平方米；α_W、φ_W和θ_W分别为误差椭球主轴W的井斜角、方位角和自椭球高边起算绕主轴W的偏转角，(°)。

根据本发明的用于邻井防碰的警戒距离评价方法，优选的是，在计算扫描矢径上所述参考井和所述比较井的误差椭球半径的步骤中，还包括：

按照以下公式基于参考点P与比较点Q确定扫描矢径r_PQ的方向，其中，所述方向用垂向张角β和水平扫描角θ来表示，所述垂向张角为所述扫描矢径与垂深方向的夹角，所述水平扫描角为所述扫描矢径在水平面上的投影与正北方向的夹角：

扫描矢径r_PQ与参考点P和比较点Q处的误差椭球分别交于M点和N点，交点M和N的位置可用P点与M点间的距离S_P和Q点与N点间的距离S_Q来表征，其中基于参考点P的扫描矢径方程为：

其中，S_P为交点M与参考点P间的距离，即扫描矢径上参考点P处的误差椭球半径，单位：米。

在误差椭球的主轴坐标系UVW下，建立所述参考点P处的误差椭球方程：

基于误差椭球的姿态角，建立误差椭球主轴坐标系UVW与井口坐标系NEH之间的变换关系

其中

联立扫描矢径方程和误差椭球方程，计算扫描矢径上所述参考井的误差椭球半径，即交点M与参考点P间的距离s_P：

其中

同理，可算得交点N与比较点Q间的距离s_Q。

根据本发明的用于邻井防碰的警戒距离评价方法，优选的是，在表征并计算所述参考井和所述比较井之间的警戒距离的步骤中，用以下方式来表征和计算所述警戒距离：

ρ_a＝k_s(s_P+s_Q+s_A)+(R_P+R_Q+ρ_m)

其中：ρ_a为所述参考井与所述比较井之间的警戒距离，单位：米；S_A为考虑测点前方井眼轨迹不确定性的附加值，单位：米；R_P为所述参考点P处的井筒半径，单位：米；R_Q为所述比较点Q处的井筒半径，单位：米；ρ_m为防碰安全余量或井口间的最小允许距离，单位：米；

基于分离系数设置三个警戒线，在所述分离系数k_s＝1.0、k_s＝1.5和k_s＝5.0时的警戒距离下进行如下操作：

当1.5<k_s≤5.0时，则需要警戒并实时监测邻井靠近情况；

当1.0<k_s≤1.5时，则建议关闭邻井并制定防碰措施；

当k_s≤1.0时，则要求停钻，直至消除风险后才允许继续钻进，

以满足所述参考井和所述比较井之间的井间距离大于所述警戒距离的邻井防碰要求。

本发明综合考虑了井眼轨迹误差、井筒尺寸等因素，集成发挥了井间距离和分离系数等评价指标的优势，为邻井防碰评价提供了一种实用、有效的方法。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1显示了本发明的用于邻井防碰的警戒距离评价方法的流程图；

图2显示了本发明的用于邻井防碰的警戒距离评价方法的技术原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明实施例作进一步地详细说明。

针对现有技术的存在问题，本发明提供了用于邻井防碰的警戒距离评价方法，其技术方法流程图和原理图见图1和图2。

如图1所示，本发明的方法开始于第一步骤，S1：表征井眼轨迹误差。

在该步骤中，具体还包括以下子步骤：

S11：按行业规程获取井眼轨迹数据。按行业规程采用测量仪器获得井眼轨迹的测斜数据，基于ISCWSA标准及模型求取各测点处的协方差矩阵。所述协方差矩阵在井口坐标系NEH下(N为北坐标，m；E为东坐标，m；H为垂深坐标，m)是3×3矩阵[C]_NEH，它表征一个误差椭球族，所述误差椭球族中的各个不同误差椭球包含井眼轨迹误差的概率不同；

S12：按误差概率要求确定误差椭球。根据实际钻井工程要求的所述概率，基于所述概率与所述放大系数的以下关系式，选取放大系数以唯一确定所述误差椭球；

其中：P为井眼轨迹的误差概率，小数；k_s为放大系数，无因次。

S13：计算所述误差椭球的尺寸，其中，所述误差椭球的尺寸用三个主轴半径来表征。所述井眼轨迹的误差椭球有三个主轴，将靠近椭球高边方向的椭球主轴作为U轴，将靠近铅锤方向的椭球主轴作为W轴，并按右手法则确定V轴，使U轴、V轴和W轴构成右手坐标系；用所述误差椭球的三个主轴半径来表征误差椭球的尺寸，采用雅可比法、线性变换等方法，先求得协方差矩阵[C]_NEH的特征值(λ_U,λ_V,λ_W)，然后按如下公式计算误差椭球的主轴半径：

其中：R为误差椭球的主轴半径，单位：米；λ为协方差矩阵的特征值，单位：平方米。

S14：计算所述误差椭球的姿态，其中，所述误差椭球的姿态用三个姿态角来表征。所述三个姿态角按如下公式计算：

其中

其中：α_W、φ_W和θ_W分别为误差椭球主轴W的井斜角、方位角和自椭球高边起算绕主轴W的偏转角，(°)；P_U、P_V和P_W分别为对应于特征值λ_U、λ_V、λ_W的特征向量；i、j、k分别为N轴、E轴、H轴上的单位坐标向量；P_UN、P_UE、P_UH分别为特征向量P_U在N轴、E轴、H轴上的分量；P_VN、P_VE、P_VH分别为特征向量P_V在N轴、E轴、H轴上的分量；P_WN、P_WE、P_WH分别为特征向量P_W在N轴、E轴、H轴上的分量；

采用雅可比法或线性变换方法求得特征值(λ_U,λ_V,λ_W)所对应的特征向量(P_U,P _V,P_W)，便可算得所述误差椭球的三个姿态角。

接下来，方法进行到第二步骤，S2：求取井间距离。

在该步骤中，具体还包括以下子步骤：

S21：计算井眼轨迹。

将新设计或正在钻进的井作为参考井，将附近的已钻邻井作为比较井。基于测量仪器所获取的测斜数据，分别计算出参考井和比较井上各测点的空间坐标等参数。

S22：统一指北方向及坐标系。

参考井和比较井都有各自的井口坐标系，它们分别以各自的井口作为坐标原点，井口坐标系的3个坐标轴分别指向北坐标、东坐标和垂深(铅垂向下)方向。石油钻井涉及真北、网格北和磁北等三个指北方向，推荐使用真北作为指北基准来确定北坐标轴和东坐标轴的方向，也可使用网格北作为指北基准。

在邻井防碰扫描时，必须先将参考井和比较井统一到同一个坐标系下。一般情况下，这个坐标系多采用参考井的井口坐标系，这样只需将比较井换算到参考井的井口坐标系，而无需换算参考井。

S23：扫描并计算井间距离。

如图2所示。在参考井上选取一点P作为参考点，基于球面扫描或法面扫描原理逐测段扫描比较井，确定对应于参考点P的比较点Q。按如下公式计算参考点P与比较点Q间的距离：

其中：ρ为参考井和比较井间的井间距离，即参考点P与比较点Q间的距离，m。

最后，进行本发明的第三步骤，S3：确定邻井防碰的警戒距离。该步骤中，具体还包括以下子步骤：

S31：表征井间位置关系。

要表征参考点P与比较点Q间的空间位置关系，除井间距离ρ外还需要2个参数，以确定二者间的相对位置方向。

如图2所示，用扫描矢径r_PQ来表征参考点P与比较点Q间的相对位置向量。将扫描矢径r_PQ与铅垂方向的夹角称为垂向张角β，用于表征比较点Q偏离参考点P处铅垂方向的程度，将扫描矢径r_PQ在水平面上的投影与正北方向的夹角称为水平扫描角θ。计算公式为

其中：β为垂向张角，(°)；θ为水平扫描角，(°)。

S32：建立扫描矢径方程。

如图2所示，扫描矢径r_PQ与参考点P和比较点Q处的误差椭球分别交于M点和N点，由于交点M和N位于扫描矢径r_PQ上，所以可用P点与M点间的距离s_P和Q点与N点间的距离s_Q来表征它们的位置。

在井口坐标系NEH下，扫描矢径r_PQ的直线方程为

式中：s_P为交点M与参考点P间的距离，即扫描矢径上的误差椭球半径，m。

S33：建立误差椭球方程。

在误差椭球的主轴坐标系UVW下，参考点P处的误差椭球方程为

式中：R_U、R_V、R_W分别为主轴U、V、W上的误差椭球半径，单位：米。

S34：建立坐标系间的变换关系。

根据误差椭球姿态角α_W、φ_W和θ_W的定义，误差椭球主轴坐标系UVW与井口坐标系NEH之间的变换关系为

其中

S35：计算扫描矢径上的误差椭球半径。

当参考点P和比较点Q确定后，参考点P处误差椭球的尺寸和姿态参数均为已知数据，且可算得扫描矢径r_PQ的垂向张角β和水平扫描角θ，所以联立式(7)～式(10)可算得交点M与参考点P间的距离s_P。计算公式为

其中

同理，可算得交点N与比较点Q间的距离s_Q。

S36：表征并计算警戒距离。

综合考虑井眼轨迹误差、井筒尺寸等因素，本发明提出了用于邻井防碰的警戒距离的概念。警戒距离的定义式为

ρ_a＝k_s(s_P+s_Q+s_A)+(R_P+R_Q+ρ_m) (12)

其中：ρ_a为参考井与比较井间的警戒距离，m；S_A为考虑测点前方井眼轨迹不确定性的附加值，m；R_P为参考点P处的井筒半径，m；R_Q为比较点Q处的井筒半径，m；ρ_m为防碰安全余量或井口间的最小允许距离，m。

S37：确定邻井防碰界限。

为避免邻井相碰，可划定若干个警戒线。例如，基于分离系数的常用警戒线有三个，即分离系数k_s＝1.0、k_s＝1.5和k_s＝5.0。当1.5<k_s≤5.0时，则需要警戒并实时监测邻井靠近情况；当1.0<k_s≤1.5时，则建议关闭邻井并制定防碰措施；当k_s≤1.0时，则要求停钻，直至消除风险后才允许继续钻进。

将分离系数k_s＝1.0、1.5和5.0代入式(13)可算得相应的警戒距离，从而确定出允许的井间距离界限。特别是，分离系数k_s＝1.0是强制停钻的临界值，此时ρ_a就是最小允许的井间距离。

需要说明的是，影响井眼轨迹不确定性的因素很多，使用随钻测量和复测等不同测斜数据、基于不同放大系数的井眼轨迹误差等都会影响邻井防碰的评价结果，所以必须结合实际情况合理使用邻井防碰的评价指标及结果。

以下为具体的实施例介绍，然而本发明的范围并不限于此。

新设计一口直井，附近有一口已钻水平井。该水平井相对于新井的北坐标为-40m、东坐标为-400m，井眼轨迹数据见表1。现以直井为参考井、已钻水平井为比较井，分别用球面扫描和法面扫描方法进行邻井防碰分析。

表1实施例的比较井轨迹数据

根据本发明的技术方法及流程，在参考井井深1670m～1695m范围内，按步长1m分别进行球面扫描和法面扫描，并取放大系数k_s＝3.5、不确定性附加值s_A＝0.5m、防碰安全余量ρ_m＝0.3m，则防碰扫描结果见表2和表3。

表2实施例的球面扫描计算结果

表3实施例的法面扫描计算结果

老油田不断加密井距来挖潜剩余油，非常规油气资源开发正在发展分支井、鱼骨井以及井工厂技术，海上钻井的单平台布井数量越来越多而形成高密集丛式井。随着布井密度的不断增大，邻井间的距离越来越小，邻井防碰问题越来越突出，因此本发明具有广阔的应用前景。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (5)

1.一种用于邻井防碰的警戒距离评价方法，其特征在于，所述方法包括：

按行业规程采用测量仪器获得参考井和比较井的测斜数据，其中所述参考井为新设计井或正钻进井，所述比较井为与所述参考井邻近的已钻井；

基于所述测斜数据计算出所述参考井和所述比较井的井眼轨迹，并将所述井眼轨迹归算到同一坐标系下，扫描并计算所述参考井和所述比较井之间的井间距离；

基于ISCWSA标准及模型求取各测点处的协方差矩阵，按所要求的井眼轨迹误差概率选取放大系数以唯一确定所述井眼轨迹的误差椭球，用三个主轴半径和三个姿态角来表征所述误差椭球的尺寸和姿态；

基于所述参考点和所述比较点建立扫描矢径方程，基于所述误差椭球的尺寸和姿态建立误差椭球方程，联立扫描矢径方程和误差椭球方程计算扫描矢径上所述参考井和所述比较井的误差椭球半径；

基于所述误差椭球半径、井筒尺寸来表征并计算所述参考井和所述比较井之间的警戒距离，并基于分离系数来确定邻井防碰的警戒线。

2.如权利要求1所述的用于邻井防碰的警戒距离评价方法，其特征在于，在扫描并计算所述参考井和所述比较井之间的井间距离的步骤中，还包括：

在所述参考井上选取一点P作为参考点，基于球面扫描或法面扫描原理逐测段扫描所述比较井，得到对应于参考点P的比较点Q，进而按照下式计算所述参考井和所述比较井之间的井间距离：

其中，N、E、H分别为北坐标、东坐标、垂深，单位：米。

3.如权利要求2所述的用于邻井防碰的警戒距离评价方法，其特征在于，在表征所述误差椭球的尺寸和姿态的步骤中，还包括：

采用雅可比法、线性变换方法求得所述协方差矩阵的特征值(λ_U,λ_V,λ_W)及其对应的特征向量(p_U,p_V,p_W)，其中所述特征向量表示为

其中：U、V、W分别为所述误差椭球的三个主轴；i、j、k分别为N轴、E轴、H轴上的单位坐标向量；P_UN、P_UE、P_UH分别为特征向量P_U在N轴、E轴、H轴上的分量；P_VN、P_VE、P_VH分别为特征向量P_V在N轴、E轴、H轴上的分量；P_WN、P_WE、P_WH分别为特征向量P_W在N轴、E轴、H轴上的分量；

按照以下公式来用三个主轴半径和三个姿态角来表征所述误差椭球的尺寸和姿态：

其中：R为所述误差椭球的主轴半径，单位：米；k_s为放大系数，无因次；λ为所述协方差矩阵的特征值，单位：平方米；α_W、φ_W和θ_W分别为误差椭球主轴W的井斜角、方位角和自椭球高边起算绕主轴W的偏转角，(°)。

4.如权利要求3所述的用于邻井防碰的警戒距离评价方法，其特征在于，在计算扫描矢径上所述参考井和所述比较井的误差椭球半径的步骤中，还包括：

按照以下公式基于参考点P与比较点Q确定扫描矢径r_PQ的方向，其中，所述方向用垂向张角β和水平扫描角θ来表示，所述垂向张角为所述扫描矢径与垂深方向的夹角，所述水平扫描角为所述扫描矢径在水平面上的投影与正北方向的夹角：

扫描矢径r_PQ与参考点P和比较点Q处的误差椭球分别交于M点和N点，交点M和N的位置可用P点与M点间的距离S_P和Q点与N点间的距离S_Q来表征，其中基于参考点P的扫描矢径方程为：

其中，S_P为交点M与参考点P间的距离，即扫描矢径上参考点P处的误差椭球半径，单位：米。

在误差椭球的主轴坐标系UVW下，建立所述参考点P处的误差椭球方程：

基于误差椭球的姿态角，建立误差椭球主轴坐标系UVW与井口坐标系NEH之间的变换关系

其中

联立扫描矢径方程和误差椭球方程，计算扫描矢径上所述参考井的误差椭球半径，即交点M与参考点P间的距离S_P：

其中

同理，可算得交点N与比较点Q间的距离S_Q。

5.如权利要求4所述的用于邻井防碰的警戒距离评价方法，其特征在于，在表征并计算所述参考井和所述比较井之间的警戒距离的步骤中，用以下方式来表征和计算所述警戒距离：

ρ_a＝k_s(s_P+s_Q+s_A)+(R_P+R_Q+ρ_m)

其中：ρ_a为所述参考井与所述比较井之间的警戒距离，单位：米；S_A为考虑测点前方井眼轨迹不确定性的附加值，单位：米；R_P为所述参考点P处的井筒半径，单位：米；R_Q为所述比较点Q处的井筒半径，单位：米；ρ_m为防碰安全余量或井口间的最小允许距离，单位：米；

基于分离系数设置三个警戒线，在所述分离系数k_s＝1.0、k_s＝1.5和k_s＝5.0时的警戒距离下进行如下操作：

当1.5<k_s≤5.0时，则需要警戒并实时监测邻井靠近情况；

当1.0<k_s≤1.5时，则建议关闭邻井并制定防碰措施；

当k_s≤1.0时，则要求停钻，直至消除风险后才允许继续钻进，

以满足所述参考井和所述比较井之间的井间距离大于所述警戒距离的邻井防碰要求。

Images