救援井井眼轨迹设计切入角分析

姬辉，翟晓鹏，林宝霞，全虎强

（1.中海油田服务股份有限公司油田生产研究院，天津 300450；2.长江大学油气资源与勘探技术教育部重点实验室，湖北 武汉 430100；3.长江大学石油工程学院，湖北 武汉 430100；4.长江大学武汉校区图书馆，湖北 武汉 430100；5.中国石化中原油田分公司采油二厂，河南 濮阳 457000）

救援井井眼轨迹设计切入角分析

姬辉1，翟晓鹏2，3，林宝霞4，全虎强5

（1.中海油田服务股份有限公司油田生产研究院，天津 300450；2.长江大学油气资源与勘探技术教育部重点实验室，湖北 武汉 430100；3.长江大学石油工程学院，湖北 武汉 430100；4.长江大学武汉校区图书馆，湖北 武汉 430100；5.中国石化中原油田分公司采油二厂，河南 濮阳 457000）

墨西哥湾漏油事件的发生，使得救援井设计越来越受到海洋石油的重视。众多案例表明，救援井井眼轨迹与切入角的合理设计是保障救援井与事故井顺利对接的关键，然而目前关于井眼轨迹与切入角的理论分析方面尚未有深入的讨论。文中首先分析了救援井常用的三段式和S型井眼轨迹，发现三段式井眼轨迹适用于简单救援井，S型井眼轨迹可以在降斜过程中调整切入角，适用性更强。在S型井眼轨迹设计的基础上，针对直井事故井，引入了“切入转折点”的设计理念，通过研究井眼轨迹切入角、井斜角等参数的几何关系，给出了轨迹参数的计算公式，建立了救援井考虑对接段切入角的井眼轨迹设计方法。现场工程实例证明，该设计方式具有较好的效果。该方法为完善救援井轨迹设计理论提供了新的理论支撑，对深水救援井设计提供了理论指导。

救援井；切入角；井眼轨迹；对接

0　引言

虽然油气田生产中很少用到救援井，但是墨西哥湾漏油事件的顺利解决证明了救援井的重要性［1］。尤其是海上油气田，远离陆地，一旦发生事故，后果不堪设想，因此海上油气田救援井设计也越来越受到重视。

救援井轨迹的设计和优化是救援井压井成功的首要条件，而切入角是救援井设计的关键。卡塔尔石油公司2009年的一口救援井就采用调正切入角的方法来联通救援井与事故井［2］。委内瑞拉马拉开波海上油田SLB-5-4X井喷，钻SLB-54A井进行压井，最后以6°的切入角达到压井点［3］。Frode Leraand等［4］指出，压井点（对接点）是救援井成功的关键，准确达到压井点的关键是确定“Bypass”点，以确定足够的空间和剩余距离，避免达不到压井点而返回重新钻井，建议合适的切入角为0～15°。这些都表明切入角在井眼轨迹设计中的重要性。关于救援井井眼轨迹设计的论述很多，但都是从工具角度阐述的，没有对切入角进行理论分析。

实际井眼轨迹很难与设计轨迹重合。在陌生的新油田地层，只要能确定合理的切入角，保证井眼轨迹与设计曲线基本平行，保持与事故井有相对长的平行井段，就可保障有足够的距离和调整角度来连通事故井，就能达到两井连通的目的，实现救援井作业。

1　救援井井眼轨迹设计方式分析

救援井轨迹设计常用的是“三段式”和“S”型轨迹，无论哪种方法，都是首先确定压井点，然后确定救援井位置，最终完成救援井的轨迹设计。

救援井中的“三段式”通常设计一个明确的范围，以靶点为中心，一定长度的距离作为半径，这个范围被称为“靶区”（见图1）。通常用一个比救援井井眼大的靶区满足救援井设计和需要。从进入靶点范围到中靶，要控制好井眼轨迹的位移，最后把方位调整到与井眼方位线相符，然后采用跟踪方法钻向靶区。救援井P2-151和N2-1就是很好的例子［5］。“三段法”一般适用于井身结构简单、钻井易控制的井。

图1　“三段法”救援井轨迹示意

相对于“三段法”井眼轨迹，“S”型轨迹适用性更强。“S”型轨迹可以充分考虑到降斜设计，在降斜的过程中改变切入角，同时为两井对接留下足够的调整空间。对事故井的探测范围，离井口平面越远，圆半径就越大，这样就形成了以井口为顶点的井眼范围圆锥体，如图2所示。救援井“S”型轨迹建立在圆锥体之内，虽然在钻井过程中很难准确命中目标，但所有的井喷区域都有良好的连通性，当钻井钻至井喷区域层时，只要满足压裂作业要求，就能很容易使两井连通。如果救援井的井底处在压裂半径的靶区内，两井的连通绝对不会有任何问题。当然，如果两井间的距离小于1/2的压裂半径话，两井的连通工作甚至不需要特殊的压裂作业。救援井A12ST1和2/4-15SN2-1就是很好的例子［3］。

图2　“S”型对接轨迹

2　救援井井眼轨迹设计理论

本文救援井轨迹设计的方法建立在“S”型井眼轨迹理论的基础上，以直井事故井为对象。稳斜段（或其延长线）在与事故井井眼轨道处于同一垂直平面时，救援井才能“切入”事故井。在此铅直平面内，救援井稳斜段（或其延长线）线在与事故井井眼轨道相交的点称为“切入转折点”，救援井稳斜段（或其延长线）线与事故井井眼轨道相交的夹角称为“切入转折角”。随着井斜角的变化，切入角变为降斜段圆弧的切线与铅垂线的夹角。由图3中可以看出，切入角随降斜率变化而变化，随着降斜率的增大，切入角逐步变小，直至达到与事故井平行。而救援井垂直段与事故井对接段的平行距离，就是最终的连通距离。所以能控制降斜率，就能达到控制连通间距的目的。

D点的垂直深度ZD为

式中：ZF为降斜段上与事故井开始平行的第1点F的垂深，m；R2为降斜段半径，m；β为切入角（随降斜段曲率改变），（°）。

D点的实测深度LD为

式中：ZK为造斜点（KOP）段的垂深，m；α为稳斜段切入角，（°）；R1为增斜段曲率半径，m。

稳斜段的切入角公式为

造斜点到井底的垂深ZKT为

则稳斜段长度为

式中：ZT为井眼垂深，m；ST为目标段入口点水平位移，m。

图3　救援井轨迹设计

取在降斜段上的一点G，该点的水平位移为SG，垂深为ZG，则该点切入角可表示为

连通距离Le为

在实际情况中，降斜段的曲率半径会出现时大时小的变化，这是为了抵消测井工具误差而作出的必要调整，也是由于不断缩小两井连通间距的需要。但考虑工程的适用方便性，只作第1连通间距的控制，通过切入角微调，即变化切入角，就可达到两井连通的目的。

3　工程实例

南海某预探井（直井）设计井深4 000 m，水深1 859 m。为安全决定设计救援井。救援井设计选择形状简单、易于施工的井身轨迹，设计参数的选取考虑地质构造和工具特性等因素的影响。

首先，确定救援井井位。南海海域属热带和亚热带气候，季风特征显著，盛行风向主要受季风制约。因此，根据深水探井预定的施工期计划，从风向考虑（冬半年为东北季风），定下救援井的位置处于东北季风方位线的侧向位置，这可以使2口救援井在实施钻井作业时规避井喷天然气随风漂移的威胁，同时确定2井相距550 m左右。然后，确定“切入转折点”，在目标井井身结构层次的二开套管鞋下方大于100 m的距离设定“切入转折点”，让稳斜段的延长线与“切入转折点”相交。一旦定好“切入转折点”，便可通过公式计算救援井相关轨迹参数。最终参数如下：钻达预定井垂深为3 269 m，KOP（造斜点）为1 980 m；增斜段5°/30 m的造斜率。降斜段3°/30 m的造斜率，稳斜段井斜角34°，水平位移为548 m。切入角可控制在小于15°以内。

通过建立一个“切入转折点”找到事故井套管，不断减上切入角和切入半径，最终在设计的切入点切入到达压井点，并实现2井连通，达到压井目的。

4　结论

1）救援井设计首要任务是确定连通点和救援井位置；救援井井眼轨迹可通过三段式或“S”型轨迹来连通连通点和救援井。相对地，“S”型轨迹更容易控制轨迹到达连通点。

2）救援井设计可考虑“切入转折点”设计。先确定一个可控制的转折点，从而进一步减小切入角，增加2井之间的平行距离，保证足够的空间来实现2井连通。

3）现场应用表明，引入切入转折点和切入角的井眼轨迹设计是一种非常实际的设计方法，具有较好的现场应用效果。

［1］郭永峰，纪少君，唐长全.救援井：墨西哥湾泄油事件的终结者［J］.国外油田工程，2010，26（9）：64-65.

［2］TALID A M，FAWZI E F，KHALID A M.Qatar petroleum：the first relief well drilled in qatar to intersect，kill，and abandon an underground blowout［R］.SPE 156119，2012.

［3］VOISIN J A，QUIROZ G A，LAGOVEN S A R，et al.Relief-well planning and drilling for SLB-5-4X blowout，Lake Maracaibo，Venezuela［R］.SPE 16677，1987.

［4］OLBERG T，GILHUUS T，LERAAND F，et al.Re-entry and relief well drilling to kill an underground blowout in a subsea well：a case history of well 2/4-14［R］.SPE 21991，1991.

［5］YU X，JIE J.Relief well drilling technology［R］.SPE17820，1988.

（编辑杨会朋）

Analysis of entrance angle for relief well trajectory design

JI Hui1，ZHAI Xiaopeng2，3，LIN Baoxia4，QUAN Huqiang5
（1.Production Optimization R&D Institute，COSL，Tianjin 300450，China；2.MOE Key Laboratory of Exploration Technologies for Oil and Gas Resources，Yangtze University，Wuhan 430100，China；3.Petroleum Engineering College，Yangtze University，Wuhan 430100，China；4.Library，Yangtze University，Wuhan 430100，China；5.No.2 Oil Production Plant，Zhongyuan Oilfield Company，SINOPEC，Puyang 457000，China）

The Mexico Gulf oil spill has turned offshore oil companies′attention to relief well design.Many cases have shown that the proper design of relief welltrajectory and entrance angle is the key to successfuldocking of the relief wellat the accident well，however，there are no deep theoretical researches on entrance angle.The"three-part"style and S style are commonly used in the relief well，and studies have shown that"three-part"style is suitable for simple drilling operation and S style can be more widely used because the entrance angel can be changed during drilling.On the basis of S style trajectory and aimed at vertical accident wells，a new concept of"entrance turning point"is introduced.Studying the geometrical relationship of the trajectory parameters，the calculation equations are given.Finally，a well trajectory design method is proposed considering entrance angle.Onsite application shows that this method has good performance，which provides new theoreticalsupport and guidance for relief welltrajectory design.

relief well；entrance angle；well trajectory；docking

国家自然科学基金项目“腐蚀-冲蚀耦合作用下的套管可靠性研究”（51274047）

TE28

A

10.6056/dkyqt201602024

2015-09-10；改回日期：2016-01-11。

姬辉，男，1988年生，硕士，现从事海上采油技术工作。E-mail：jihui3@cosl.com.cn。

引用格式：姬辉，翟晓鹏，林宝霞，等.救援井井眼轨迹设计切入角分析［J］.断块油气田，2016，23（2）：240-242. JI Hui，ZHAI Xiaopeng，LIN Baoxia，et al.Analysis of entrance angle for relief well trajectory design［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23 （2）：240-242.