钻救援井的目的是通过建立与事故井的连通，提供压井通道，实施压井作业并最终控制事故井。2010年墨西哥湾漏油事故发生后，美国海洋能源管理局(BOEM)针对海上深水钻井作业，要求作业者提供详细的救援井设计以获取深水钻井许可，世界其他地区也制定了类似的规定[1]。对于深水救援井设计，除BP、Chevron、Shell等国外大型油公司以及OGUK等部分行业协会发布的指南、内部技术要求外，国内外没有统一的行业标准供参考和借鉴[1-3]。随着国内LW21-1-1井等一批深水、超深水油气井的实施，国内深水钻井已逐步实现常态化，为确保深水钻井作业的安全，有必要研究如何高效地进行救援井设计。井眼轨道设计作为深水救援井设计的重要组成部分，其涉及的内容主要包括连通点(压井点)确定、井口位置选择、轨道参数确定、定向及测距、井眼相对位置的不确定性等[3-5]。笔者对深水救援井井眼轨道设计进行了研究分析，形成了深水救援井井眼轨道设计基本方法，可为我国南海深水油气田钻井作业提供技术支持和保障。
1 救援井轨道设计考虑的关键因素 1.1 井口位置的确定原则进行救援井井眼轨道设计时，首先要确定合适的井口位置，尽可能多地收集目标井区域的风浪流、潜在的地质灾害和障碍、浅层气、浅层流、H2S等有害气体的浓度、爆炸着火热辐射、定向及测量、救援井平台类型等相关数据，并进行分析，结合当地保险及法规要求最终确定井口位置[6-7]。深水救援井井口位置的具体要求为：1)保险及法规要求救援井距目标井至少500.00 m(海上救援井至少762.00 m)，在经充分证明无风险时至少122.00 m；2)当救援井处于目标井风浪流下方向时，至少保证1 000.00 m的距离；3)避免目标井爆炸热辐射对救援井的影响，根据目标井井喷模型评估最大热辐射；4)避免油污及H2S等有毒气体的伤害，救援井处的H2S体积分数应低于0.001%；5)救援井范围内可燃气体体积分数低于50%爆炸下限(lower explosive limit，LEL)；6)避开浅层地质灾害和羽状流、气泡；7)避开可能的海底障碍物、管线及航线；8)救援井备选钻井平台和井位的匹配度，考虑水深、抛锚及钻井作业等因素；9)尽量避免正东或正西方向的救援井井眼轨道，以提高救援井井眼轨迹控制精度，减小相对位置的不确定性。
救援井距目标井足够远时，可以为救援井作业和辅助支持船提供足够的安全作业空间，但会导致救援井的井斜角和切入角较大，并增加井深和相对位置的不确定性，增大救援井的钻井难度。
综合考虑上述各方面因素，制定了井口位置选择图版，如图 1所示。
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| 图 1 救援井井口位置的选择 Fig.1 Selection of wellhead locations for relief wells |
救援井控制事故井的方法主要包括：1)直接连通目标井井眼，然后泵入压井液实施压井，实现目标井的控制；2)救援井以10.00~15.00 m的间隔钻进目标井井喷层位，然后向井喷层位注入大量的淡水或者盐水及聚合物溶液等淹没井喷层位，实现目标井的控制。直接连通目标井井眼是目前较为常用的控制事故井的方式，连通方法主要有直接钻穿、射孔、酸化和水力压裂等4种方法。
对于采用直接连通目标井井眼方式的救援井，通过连通点建立与目标井之间的循环通道，因此，连通点位置的选择对于能否成功实施压井作业至关重要[7]。选择连通点位置时需要考虑钻井和压井2方面的因素：钻井因素包括目标井套管(落鱼)位置及特性、定向作业限制、探测工具类型和目标井的井眼轨迹等；压井因素包括水力循环方法、井喷层位附近地层的特性、井喷通道、动态压井及静态压井水力仿真、目标井弃井。连通点附近最好有可探测的目标，以消除连通点相对位置的不确定性[8]。连通点的选择原则为：1)当目标井全井段均有套管或钻杆时，取井喷层位顶部作为连通点，以获得最优的压井效果；2)当井喷层位附近无铁质可探测磁目标时，为确保救援井与事故井顺利连通，取井喷层位上方最后一层套管鞋上下10.00 m作为连通点[9]，如图 2所示。
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| 图 2 连通点选择示意 Fig.2 Diagram for intersection points |
救援井相对位置的不确定性将直接影响初始探测位置、测距方案、救援井井眼轨道设计及定向施工、救援井数量等，救援井和目标井相对位置的不确定分析应包含井口相对位置的不确定性和井眼相对位置的不确定性2部分[7]。
1.3.1 井口相对位置的不确定性由于测量及计算方法的原因，通过大地坐标所获得的井口绝对位置存在一定误差，导致救援井和目标井井口存在相对位置的不确定性，曾出现过救援井因为井口相对位置的偏差导致无法连通。为避免该问题的发生，一般需要精确确定救援井和目标井井口的相对位置，通过激光测距或声呐定位系统将井口相对距离误差控制在±1.00 m以内。对于相对方位，救援井和目标井必须使用统一的参考系统，建立网格坐标、磁北和真北之间的精确转换关系，尽可能地使用真北参考系统。同时，还需对救援井及目标井区域的磁偏角进行准确校准，在靠近目标井套管或关键节点时应用随钻测斜仪和陀螺测斜仪进行交叉检查。
1.3.2 井眼相对位置的不确定性目标井和救援井井眼位置的误差导致2口井存在井眼相对位置的不确定性。进行井眼相对位置不确定性分析时，需要考虑测斜工具类型、测斜工具不确定性模型、计算模型的差异、各类干扰、井场质量控制及数据分析、研究方法等。由于救援井及目标井井眼相对位置的不确定性分析相对较为复杂，因此，在此不做详细阐述。需要说明的是，对于救援井的设计和施工，井眼位置的绝对精度并不重要，重要的是救援井和目标井井眼的相对位置。在通过测距工具实现救援井和目标井定位后，将不再使用井眼相对位置不确定性的分析结果，取而代之的是探测定位数据。
2 救援井井眼轨道类型的选择救援井宜选择形状简单、易于施工的井眼轨道，井眼轨道设计参数的选取应充分考虑地质构造和工具特性的影响。救援井常用井眼轨道类型主要有“J”形和“S”形(见图 3)，这2类井眼轨道在连通前可以选用平行接近和大切入角接近目标井[10-12]。
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| 图 3 救援井常用井眼轨道类型 Fig.3 Common types of well trajectories for relief wells |
当救援井井口距目标井较远，连通点相对较浅或水深过深无法在浅部地层造斜，这时救援井只能以较大的切入角接近目标井，宜选用“J”形轨道，如图 3中的救援井(a)。其可以通过穿越目标井(pass-by)并结合三角测量方法实现井眼准确定位后，回填穿越井眼，再侧钻实现与目标井的直接连通。该类井眼轨道因切入角较大，一般选用静磁探测定位系统实现目标井的定位，并充分利用目标井套管(落鱼)的端部效应和采用三角测量等几何定位方法提高探测精度。
2.2 “S”形轨道当救援井井口位置、水深、地层特性、连通点深度合适，救援井能以较小切入角接近目标井时，一般选用“S”形轨道。根据与目标井的连通性形式，“S”形轨道分为平行接近连通、直接连通和穿越(pass-by)连通等3种类型。
平行接近连通形轨道是救援井井眼轨道以近似平行于目标井的方式钻至连通点前，在平行段射孔或定向钻穿目标井与之建立连通，如图 3中的救援井(c)。
直接连通形轨道与“J”形轨道类似，但没有以稳斜段大切入角直接与目标井建立连通，而是在稳斜段后逐步降斜，然后以较小的切入角实现与目标井的直接连通，如图 3中的救援井(b)。
穿越(pass-by)形轨道属于三维改进“S”形轨道，救援井以较小的切入角穿越目标井，实现救援井与目标井的精确定位，然后调整救援井与目标井以近似平行的方式钻至连通点前，再定向钻穿目标井与之建立连通，如图 3中的救援井(d)。
与其他类型轨道相比，穿越(pass-by)形轨道在扩大探测范围和提高定位精度方面有很大的优势，因此，救援井常选用穿越(pass-by)形轨道。
3 穿越(pass-by)形轨道设计确定救援井井口位置和连通点位置后，结合救援井特点即可进行救援井井眼轨道设计。根据救援井穿越(pass-by)形轨道特点可以将其划分为接近、测距定位、追踪跟随和连通4个阶段，如图 4所示。
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| 图 4 深水救援井穿越(pass-by)形轨道的4个阶段 Fig.4 Four stages of “pass-by” trajectory in deepwater relief wells |
接近阶段是指从救援井井口开始至初始测距点的井眼轨道部分，设计时重点考虑的因素是狗腿度和井斜角的限制，并保证钻至预期的初始探测点。为保证电缆电磁探测定位工具顺利下入，一般要求井眼轨道的狗腿度小于3°/30 m，同时最大井斜角小于60 °。
3.2 测距定位阶段测距定位阶段采用探测定位工具进行测距作业，实现目标井定位，从而减小救援井和目标井相对位置的不确定性。该阶段既要保证尽可能地靠近目标井，又要避免与目标井提前连通。在探测到目标井后，继续钻进，以穿越(pass-by)方式穿越目标井，采用三角测量方法提高探测定位精度，如图 5所示。
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| 图 5 测距定位阶段轨道设计 Fig.5 Well trajectory design for ranging and positioning stages |
采用穿越(pass-by)方式穿越目标井可以提高探测精度和扩大探测范围、减小救援井和目标井相对位置的不确定性。与定向和探测定位工具的要求相结合，穿越(pass-by)形轨道的设计要求主要有：以10°左右的切入角切入，在5.00~15.00 m的距离内穿越目标井，交叉点距离计划连通点至少300.00 m，以保证有足够的调整空间；“pass-by”穿越阶段增斜率不超过3.0°/30 m，降斜率不超过1.5°/30 m。
3.3 追踪跟随阶段追踪跟随阶段的目标是保证救援井以一定距离沿目标井向下钻进，确保目标井处于可定位状态，并调整井眼轨迹为最后的连通做准备。该阶段从实现目标井定位后开始(一般在计划连通点前至少300.00 m)直至准备开始连通(计划连通点前30.00~50.00 m)，并下入套管，以确保救援井的安全和为后续连通轨道的调整提供空间。在设计该阶段轨道时，应保证救援井与目标井距离从开始的10.00~15.00 m逐步减小，在该阶段结束时两者之间的距离缩至5.00 m以内，救援井与目标井的切入角控制在8°±3°，如图 6所示。
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| 图 6 追踪跟随及连通阶段轨道设计 Fig.6 Well trajectory design for tracking and connecting stages |
连通阶段的目标是救援井以较小的切入角切入，实现与目标井的连通，从连通点前30.00~50.00 m开始，到连通点截止。连通阶段切入角一般控制在5°以内，救援井井眼轨道与目标井井眼轨迹以近似平行的方式向下钻进，这样可以增加救援井和目标井的交叉距离，同时便于实时调整救援井井眼轨迹，实现与目标井的连通，如图 6所示。
4 应用实例中国海油某海外区块一口作业水深30.00 m的探井在弃井作业过程中发生了井下故障，在正常处理井下故障的同时，为避免井下故障恶化，提前设计了救援井。目标井井身结构如图 7所示。
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| 图 7 目标井的井身结构 Fig.7 Casing program of the target well |
1) 连通点的选择 通过分析目标井溢出气体的组分和气体运移通道，认为潜在的气层在井深2 318.00 m左右，位于φ473.1 mm套管鞋下方。因该井段有套管，可选用主动探测定位系统准确确定目标井的位置。根据上文所述连通点选择原则，从压井和探测定位方面考虑，选择气层顶部井深2 318.00 m处作为首选连通点。
2) 救援井井口位置的确定 根据气象调查，该井所处区域常年以西北风为主，海洋主流向同样为西北方向。考虑海底管线、航线及最差工况下的热辐射等因素的影响，根据上文所述救援井井口位置选择方法并结合前期井场调查情况和最大水平地应力方向，救援井井位选取在目标井上风上流方向，距离目标井约757.00 m。
3) 救援井井眼轨道设计 结合救援井井口和连通点的位置及目标井的套管分布，选用“S”形轨道，并采用穿越(pass-by)连通方式以提高探测精度和扩大探测范围。按照上文所述方法，设计救援井最大井斜角为30°，增斜段造斜率为3.0°/30 m，降斜段及连通前增斜段的造斜率为1.5°/30 m，“pass-by”穿越段切入角10°，连通段切入角5°，从交叉点至连通点测深约310.00 m。救援井的井眼轨道设计结果如图 8所示。
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| 图 8 救援井井眼轨道设计结果 Fig.8 The design results of well trajectories in relief wells |
4) 探测定位方案设计 根据目标井的套管分布，选用电磁探测定位工具，按照实际探测距离30.00 m(理想工况下最大探测距离60.00 m)进行初始探测点分析；根据救援井井眼轨道设计和目标井测斜数据，对救援井与目标井的相对位置进行扫描，结合救援井和目标井误差椭圆半径数据及探测工具探测距离，确定初始探测点位于井深2 005.00 m。
5 结论及建议1) 通过分析救援井实施限定条件，形成了一套深水救援井轨道设计井口位置选择图版，确定了深水救援井井眼轨道连通点选择原则。
2) 在分析深水救援井常用井眼轨道类型特点的基础上，结合深水救援井特点选择穿越(pass-by)形轨道作为深水救援井井眼轨道，将其划分为正常接近、测距定位、追踪跟随和连通4个阶段，确定了各阶段轨道的长度、狗腿度和造斜率等参数。
3) 伴随着深水油气井作业的不断增多，应加强深水救援井井眼轨道设计研究，并制定深水救援井井眼轨道设计标准或者指南，以指导深水救援井轨道设计，保障海上钻井作业安全。
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