重新審視井碰概率

編譯:唐可偉 (西南石油大學研究生院)

審校:李甫 (西南石油大學研究生院)

重新審視井碰概率

編譯:唐可偉 (西南石油大學研究生院)

審校:李甫 (西南石油大學研究生院)

鑒于意外井碰導致的災難性的人類和環境損害,一個關于井眼碰撞概率的評價提供了一種寶貴的風險管理方法。目前工業上使用的評估技術不少,但都有其局限性。解決問題的一個合理方法是開始就明確地估計井碰概率。本文提出了一種方法,以確定所鉆井特定井段與鄰井相交的可能性。通過對參考井上連續井段相關可能性的綜合考慮,可以得到總的碰撞概率。井碰概率的估計是基于已測井眼軌跡及測量不確定性的知識,并以位置協方矩陣的形式來表達。本文研發出一個更精確的碰撞概率評估方法,此方法克服了以往方法的限制。實例表明, 2口井在相交區域都是垂直的情況下,此新方法與平行和非平行井眼軌跡的分析結果相一致。

井碰概率 馬氏距離 數值積分 概率稀釋

1 介紹

近期的重點是模型的改進,此模型用于描述測量的精確性和測量數據的質量控制。這些測量數據和合適的誤差模型為評估碰撞概率提供了基礎。Thorogood等人 (1990年和1991年)、Brooks和Wilson(1996年)、Roper和 Henly(1996年),以及Tsao等人 (1999年),已經描述了通過對二維或三維概率密度函數積分來解決問題的方法。必須認識到,井碰概率的數值估計不可能比推導它的數據更可靠。

2 問題描述

現有的資料包括2口井的測量數據以及與這些數據相關的不確定性,這些數據是以測量誤差模型或位置誤差的協方差矩陣形式表示的。該測量不確定性可根據標準方法 (Brooks和 Wilson,1996年;Williamson,2000年;Torkildsen等人,2008年)估計參考井上的一點和目標井上另外一點之間相對位置的不確定性。而兩點間的相關不確定性過去常用于評估井碰總的概率。這種不確定性以一些標準偏差表示,對某一給定的誤差分布,它們可以轉換為概率密度函數。碰撞概率的建立是通過整合表示參考井和目標井中巨大風險的所有點的密度函數可能性來實現的。

3 基本原理

測點的位置以空間的點來表示。根據適當模型(一般為最小曲率)在這些點之間進行插值,給出了每個井眼軌跡假定的中線軌跡。如果參考井段的中線在目標井井眼軌跡中線的一定范圍內,就會發生碰撞。這個臨界距離就是2口井半徑之和。因此,可以想象,目標井就是一個半徑等于2口井半徑之和的圓柱體,如果參考井段的中線有可能穿過這個圓柱體,那么就會發生碰撞 (圖1)。通過為目標井指定兩個直徑,并結合相關位置不確定性,我們只需要關注參考井中線上一點的唯一不確定區域。

圖1 相交井眼軌跡等價表示

目標井的位置與參考井段從何處開始有關,可以用一個圓柱體表示,其半徑是井半徑之和。當沿著參考井段前行觀察時,目標井的相對位置以相反的方向變化。因此,當沿著參考井向西移動時,目標井的相對位置向東移動。于是,提出了這樣的問題:參考井段應該從哪個位置開始才穿過目標井?這些位置的建立是通過沿著與參考井段相反軌跡來投影目標井圓筒的。

當將所有沿著參考井段的點都應用到目標井圓筒時,其投影繪制出了一個體積,它是一個三維板,其中兩個相反的面受到目標井管道形狀的限制,另外兩個面由與參考井段相反的形狀確定。而且,其厚度是所有井直徑的總和 (圖2)。在參考井段開始處,與目標井相關位置相鄰的面是一個凹形圓柱體,而其反面則是一個凸形圓柱體。如果參考井段的初始位置恰好位于此體積內,就可能在參考井段內發生碰撞。

圖2 目標井相對位置波及的體積

為了估計井碰概率,對所有井使用相對不確定性,以創建參考點可能性區域。這個可能性區域可被認為是一系列同心的橢球表面,每個面包含的點都與原點具有相同的標準差,得到三維概率密度函數的輪廓線。輪廓線由以下方程式表示

式中,r是一個矢量,它定義了相對于參考井段初始位置的目標點的位置;C是目標井中原點和目標點間定義相對不確定性的位置協方差矩陣;k是一個比例因子,它以一些標準差表示距離,也稱作馬氏距離 (圖3)。為了列舉出給定體積中一個點可能的位置,有必要確定誤差分布。工業上普遍的做法是利用高斯分布,這里也將這個高斯分布用到目前的例子中,此方法也適用于誤差分布。誤差分布定義了概率密度函數,它將概率密度與馬氏距離聯系了起來。目標體積里參考井段開始處的概率可以通過對體積上三維概率密度函數積分而建立,這樣得出碰撞概率的近似值。

3.1 基本解決辦法的局限

雖然實現起來有些困難,但這一過程還是提供了一種簡單而又完整的一般三維問題的解決方案。然而,由于在2口井中用到了不變的不確定區域,積分結果最多也只是一個近似值。如果不確定區域在目的層段上變化不大,那么對相交來說結果是合理的;如果確定2口井是平行的或者是并排的話,就不能采用這種簡單方法。在平行井的情況下,井碰危險性的增加完全在于測點的不確定性,它必須在相對不確定性中有所變化。如果沒有測點的不確定性,那么測量的水平井就的確是平行的,沒有任何碰撞發生。

圖3 馬氏距離

4 模擬天體動力學

研究油井相交與宇宙飛船碰撞有很多相似的地方。特別是,指出了天體運動學中短周期或線性相交與長周期或非線性相交之間的區別。短周期或線性相交中衛星軌道的關鍵點假定是直的,而且不確定位置不變;長周期或非線性相交中必須認為軌道是彎曲的或者不確定位置是變量?？偟膩碚f,非線性問題可以通過對三維概率密度函數積分來解決,而線性問題則可以降為二維問題。短周期的宇宙飛船的相遇和近似于常量的相對位置不確定性的直的井眼軌跡的相交,二者之間非常相似;同樣,長周期宇宙飛船的相遇和彎曲井或變化的相對不確定性的井眼軌跡的相交很相似。

航空與油田上的應用最主要的區別是,參考井不僅僅要避免與目標井中的一點相交,它必須得避免與整個目標井井眼軌跡相交。這就意味著,幾乎所有的油井問題在相交區域都將涉及到彎曲的井眼軌跡或變化的位置誤差的協方差矩陣,因此必須將它們看做是需要三維積分來解決的非線性問題。

4.1 轉換為馬氏空間

目標井的目的層段包括了一些被認為碰撞概率很高的點,這通常包括參考井段中6個標準差以內的點。對于參考井目標點和與此相關的相對確定區域來說,目標井中每個已測點都是可知的。對于可能性區域來說,點的位置才是重要的,而不在于它在空間的什么地方。當移動到2口井中另外一個點時,相對不確定性可能會有所變化,因此相交的位置也可能會改變。如果能夠將目標井中點的位置標準化,以使它們相對于變化的可能性區域是固定的,那么通過一個包括許多點的不確定體積就可以表示目標井,所有的這些都被繪制在同樣的可能性區域里。位置的標準化是通過將橢圓體區域減小為球體區域來實現的,其結果圖圖2相似,但在空間上它是用標準差來衡量而不是單位長度。這個空間就是馬氏空間,其中從原點到任何點的距離就是馬氏距離k,相當于從原點的標準差的數量。

轉換為馬氏空間是通過重新調整橢圓體區域使主軸相等 (圖4)實現的。這個過程對位置協方差矩陣C進行波譜分解,分解成一個旋轉矩陣V和一個縮放矩陣E,這里體積V是C的特征矢量,E是一個包含特征向量C的對角矩陣。

而且在正規空間A點與向量r相一致,并由與馬氏空間的Tr一致的點表示,這里的變換矩陣 T由公式給出。

T是真實空間和馬氏空間之間的轉換矩陣。這是一個仿射變換,在其變換下直線被保留,但角度可能改變,圓管表示的目標井可能會變成橢圓。

圖4 轉換為馬氏空間

4.2 數值積分

概率密度與體積中表示目標井的每個點相對應。目前常見的做法是假定高斯誤差分布,盡管人們認識到這未必是最佳的。

對與目標井一致的整個體積的概率密度函數進行積分得到了一個很有用的結果,這是目標點的概率,這種情況下參考井段的原點可能與目標井相一致。在參考井中,更多的還是關心鉆前特定井段井碰概率的增加。尤其是當鉆進時,參考井段就是連接管道,或是立管到下個測點的距離。當規劃好了一口井后,也許將用到更長的井段,以包含所有可能的碰撞。這樣,參考井段可能包括沿參考井的所有點,這些點在6個標準差內達到目標井的測量位置。

因此,這個過程必須遵循沿參考井段的一系列點。在馬氏空間中,對于每個點,目標井中的目的層段是以體積表示的。該體積中加入了另外的體積元素,以前的步驟中沿參考井段并沒有這些元素,這意味著可能引起參考井段當前階段潛在井碰的發生。在當前階段,對這些新元素的概率密度函數的積分表明井碰發生可能性的增加。除目標井初始位置以外,圖2中增加的陰影體積就是目標體積,其在馬氏空間中繪出。

對所增加體積進行評估最方便的做法就是將其分成體積元素。沿參考井每個步驟完成之后,就會增加一些新的元素。第一個方面,這些元素可能近似于六面體,與沿參考井的距離一樣長;第二方面表示目標井的步長;第三方面表示井直徑之和。如果表示沿參考井段步長的尺寸被與目標井正交的它的投影替代的話,體積元素可以處理成大致正交。當保持這些元素大致等量綱時,將允許使用沿著參考井段更長的步長。井碰概率可以計算為每個新元素與形心上概率密度乘積的總和。保證元素大致等量綱對計算效率有利,因此沿著目標井的步長也許可以與井徑之和大致相等。有時候需要將體積元素進一步細分,Alfano建議尺寸可以小到標準差的1%,以得到精確的結果。通過在最后一步包括半管表示目標井,而在第一步去除半管的方法也可以提高結果的精度。這些橢圓半管可以通過多面體體積元素近似得到。

5 實例

上述方法可以解決大多數井眼軌跡相碰的問題。文中用了兩個簡單的實例來說明該方法適用于一系列廣泛的問題,其得到的結果也很容易理解。解析表達式也來自通行方法,以解決這些特殊情況。

5.1 非平行直井,不確定性恒定

如果沿著目的層段的相對不確定性變化較小,就不需要將其轉換到馬氏空間,可以直接在真實空間積分。如果在目的層段的目標井垂直延長超過6個標準差,就可以認為在每個方向上無限延伸,而對結果沒有明顯的影響。沿著目標井上的積分得到了統一,井半徑可能被賦值給參考井段并投影到正交于目標井的平面 (圖5)。在此平面上,對二維概率密度積分的面積是一個圓角矩形,其長等于參考井段,寬等于井直徑之和。此井段內井碰概率是面積上二維概率密度函數的積分。如果參考井段足夠長和直,那么問題就可以變成一維;并且,如果假定為高斯誤差,則井碰概率是對高斯概率密度函數的積分:

式中無量綱井距和半徑分別是S0和R0。S是馬氏空間中無因次距離;R是馬氏00空間中無因次的半徑之和;S是參考井和目標井點之間的距離,σ是一個標準差下的相對位置不確定性,二者都是在與2口井正交的方向上測定的。Williamson(1998)、McNair(2005)和 Poedjono (2007)等人提出的方程 (4)是更精確的表達式。

圖5 與目標井正交平面上的參考井段

5.2 并排直井,不確定性變化

第二個簡單的例子是并排的直平行井,這樣的情況在直井的近地表處產生。為了提供一個有用的例子,有必要沿著井眼軌跡改變相對不確定性。

此例中,假定測量誤差是方位對稱的,這樣在馬氏空間中目標井看起來像個圓管。由于在重大危險井段目標井是直的,可以認為它是無限延伸的,則三維表示可以變成與目標井正交的二維表示,它看起來像一個圓。隨著沿參考井深度和相對不確定性的增加,當它靠近初始位置時,目標井的投影似乎在縮小。這是因為直徑和距離在真實空間中保持不變,但是測量單位 (標準差或位置不確定性)變大了。如果所有測量誤差都是對稱的,不確定性將與深度嚴格成正比。最后,取沿參考井足夠長的井段,目標井映射的區域大致為一個扇形,張角為2sin-1[(rr+ro)/S],式中rr和ro分別是參考井和目標井的半徑,S是名義中線距離。

這種解決方法可能出人意料,但它是基于準確測量的。從直觀來說它是合理的,因為已假定所有測量誤差都是對稱的。因此,雖然它們與所測量的矢量方向可能并不完全一致,但所有可能的井眼軌跡都是直線。朝向目標井所在區域的井眼軌跡的方位角最終將與井眼軌跡碰撞。井眼軌跡的方位角朝向的可能性只是圓的很小的一部分,而圓是名義距離的井直徑之和所形成的,由方程式 (5)給出。雖然這個例子給出了一個很有用的確認方法,但它在現實中卻具有局限性,因為實際問題中將會強制給出一個參考井段的最大深度。

6 概率稀釋法

有時計算的井碰概率可能會因測量準確度很差而使得數值估計結果失常。Thorogood(1990)和航空領域的Alfano(2003、2006a、2008)已經提到過這個問題。以方程式 (4)舉例,假定2口井相交的測量距離為20 m,井半徑之和為0.3 m。如果相對不確定性的標準差是10 m,據計算井碰概率為3.2×10-3;當標準差是20 m時井碰概率為7.×10-3,但是如果標準差為50 m時,井碰概率又降為4.4×10-3。這個現象被稱為“概率稀釋”,由Alfano(2003、2008)提出。他指出,當估計的概率落入概率稀釋區域內時,此概率就不能使用,因為測量質量不足以提供一個有意義的井碰概率的估計;同時他也建議到,應該盡可能圍繞在產生最大井碰概率的地方設定不確定性進行工作。

7 結論

(1)一般情況下,沿參考井層段和已有目標井之間的井碰概率可以通過對與誤差分布一致的三維概率密度函數進行積分得到。使用不變或變化的位置不確定性,這種方法可以應用于很多問題,包括直的或彎曲的、平行或非平行的井眼軌跡。

(2)體積積分表示的空間由與原點相關的目標井中的相對位置繪制出,此原點在參考井中沿目的層段前行。

(3)受三維限制的體積積分直接與沿參考井目的層段的反向軌跡有關,與重大危險區域內 (超過6個標準差)的目標井井眼軌跡有關,還與在方向上和其他兩個方向正交的井徑之和有關。

(4)考慮到沿井段相對不確定性的變化,應在馬氏空間進行積分。真實空間和馬氏空間的轉換矩陣來源于2口井中點之間相對不確定性的協方差矩陣。

(5)數值積分可通過將目的體積打散成元素,再將所有概率密度函數值加起來而實現。這些概率密度函數值對應于元素體積加權的元素形心。

(6)如果在重大風險區域內目標井是直的,可通過與目標井正交的二維空間進行積分。

(7)已經將簡化的代數表達用于描述2口直的平行井的井碰概率,這2口井主要使用系統高斯失調誤差進行測量。

資料來源于美國《SPE 116155》

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.9.013

2009-04-20)