FEWD地質(zhì)導向技術在深層頁巖氣水平井中的應用

高彥峰趙文帥

1.中原石油工程有限公司鉆井工程技術研究院；2.中國石化中原油田分公司天然氣處理廠

FEWD地質(zhì)導向技術在深層頁巖氣水平井中的應用

高彥峰1趙文帥2

1.中原石油工程有限公司鉆井工程技術研究院；2.中國石化中原油田分公司天然氣處理廠

引用格式： 高彥峰，趙文帥. FEWD地質(zhì)導向技術在深層頁巖氣水平井中的應用［J］.石油鉆采工藝，2016，38（4）：427-431.

地質(zhì)導向技術是開發(fā)頁巖氣的核心技術之一，分析了頁巖氣儲層伽馬、電阻率、鉆時比值等地質(zhì)特征響應，結(jié)合FEWD地質(zhì)導向技術的特點提出了在深層頁巖氣水平井鉆井中應用該技術的優(yōu)勢。通過丁頁2HF井應用實例分析，論述了應用FEWD地質(zhì)導向技術提高頁巖氣水平井儲層鉆遇率的關鍵。丁頁2HF井創(chuàng)造了超深頁巖氣井復合鉆日進尺最高178 m的記錄，僅用55 d完成1 035 m的水平段鉆探，水平段儲層鉆遇率達95%。FEWD地質(zhì)導向技術在丁山深層頁巖氣水平井的成功運用，促進了頁巖氣非常規(guī)能源的開發(fā)，對今后國內(nèi)超深頁巖氣水平井的鉆井施工具有重要的指導意義。

FEWD；頁巖氣；水平井；地質(zhì)導向；隨鉆測井；丁頁2HF井

頁巖氣儲集層的勘探開發(fā)最早始于美國，目前已成為國內(nèi)非常規(guī)氣藏勘探開發(fā)的重點和熱點［1］。為便于后續(xù)壓裂開發(fā)，頁巖氣勘探開發(fā)主要以水平井為主，且在開發(fā)過程中探井相對較少，對儲層的認識不足；另外，由于巖性和儲層物性的不同，鉆井過程中，利用傳統(tǒng)的砂巖和碳酸鹽巖油氣層錄井評價方法評價頁巖氣儲層存在較多局限性［2-3］。因而有必要加強鉆井過程中的地質(zhì)跟蹤能力，提高儲層鉆遇能力。

近年來，隨著水平井技術的不斷發(fā)展和完善，F(xiàn)EWD地質(zhì)導向技術在國內(nèi)各大油田得到廣泛應用。FEWD（Formation Evaluation While Drilling）是從美國進口的無線隨鉆測量系統(tǒng)，具有性能穩(wěn)定，精度高，井下連續(xù)工作能力強等優(yōu)點。其實施的隨鉆測井能及時提供地質(zhì)參數(shù)和井身軌道參數(shù)，指導現(xiàn)場決策及鉆井工作，同時自動記錄井下鉆具的震動情況，并傳至地面以警示施工人員采取相關措施預防井下復雜情況或井下事故的發(fā)生［4-5］。通過分析頁巖氣儲層的響應特征，闡述了FEWD地層識別技術，并在丁頁2HF井展開了應用，該井應用效果表明，應用FEWD地質(zhì)導向技術，在降低鉆井風險、提高儲層鉆遇率、縮短鉆井周期和降低鉆井成本等方面都取得了顯著效果。

1　頁巖氣儲層地質(zhì)特征響應Responses of geologic features in shale gas reservoir formations

頁巖儲層中的“甜點”和測井響應特征是頁巖氣鉆井中的關鍵問題。對于頁巖氣儲層，其地層測井響應具有“高伽馬、低電阻率、高鉆時比”等特征。

1.1伽馬值

Gamma

泥頁巖中有機物在一定的條件下，先是變成干酪根，然后轉(zhuǎn)化為油氣等烴類物質(zhì)，因此，干酪根的含量反映含氣頁巖中有機質(zhì)含量的多少和生烴潛力大小。一般情況，干酪根的形成是在放射性元素U含量較高的還原環(huán)境下，因而它使放射性伽馬值相對較高［3］。文獻表明泥頁巖巖屑自然伽馬值比砂巖混合樣高5～10個計數(shù)值，是純砂巖的2～3倍［6］。

1.2電阻率

Resistivity

頁巖氣儲層電阻率具有普遍低值，局部高值的特征，這是由于頁巖中的高泥質(zhì)含量及高束縛水飽和度，導電性較好，使得頁巖氣層的電阻率普遍較低，但由于有機質(zhì)的電阻較高，干酪根的電阻率為無窮大，所以在有機質(zhì)豐度高的地層中，電阻率表現(xiàn)為局部高值［7］。

1.3鉆時比值

Drilling time ratio

由于儲層孔隙度較大，可鉆性好，相鄰的泥頁巖非儲層與儲層段的鉆時存在明顯的差異。泥頁巖非儲層與儲層鉆時之比稱為鉆時比值。一般當鉆時比值大于1.5 h，儲層物性相對較好；鉆時比值大于4 h，儲層一般為高壓儲層。表1為典型區(qū)塊頁巖氣地層伽馬、電阻率、鉆時比值統(tǒng)計［8-9］。

表1　典型區(qū)塊頁巖氣地層伽馬、電阻率、鉆時比值統(tǒng)計Table 1 Statistics of gamma readings， resistivity and drilling time ratio in shale gas formations of typical blocks

2　FEWD地質(zhì)導向技術FEWD geology steering technology

FEWD通常也稱為LWD（Logging While Drilling），是20世紀90年代以來廣泛應用于石油鉆探開發(fā)領域的隨鉆測量儀器，是在先期MWD（Measurement While Drilling）的基礎上發(fā)展起來的一種隨鉆測量井眼軌道參數(shù)和地質(zhì)參數(shù)的先進設備，其測量傳感器與工程參數(shù)傳感器組合在一起使用，依據(jù)設置內(nèi)容順序采集最新的工程、地質(zhì)參數(shù)，統(tǒng)一編碼后，通過鉆具內(nèi)鉆井液傳至地面，再經(jīng)地面設備對鉆井液脈沖進行檢波、濾波、解碼等處理，形成數(shù)據(jù)和測井曲線。

2.1FEWD技術優(yōu)點

Advantages of FEWD

FEWD與傳統(tǒng)的MWD相比，具有在鉆進作業(yè)的同時，實時采集、測量各種地質(zhì)參數(shù)，并繪制各類測井曲線。與常規(guī)的電纜測井相比，隨鉆測井獲得的地質(zhì)資料是實時測量的，地層暴露時間短，油氣層被鉆井液侵入更少，更接近地層的實際情況，測量精度更高［10-11］。

2.2FEWD地層識別技術

FEWD formation identification technology

（1）儲層物理特性的識別。提供實時的地質(zhì)參數(shù)、巖性變化情況及隨鉆測井圖，應用自然伽馬、電阻率測井曲線，分析頁巖氣鉆井中儲層物理特性，標定儲層垂深，準確劃定地層界面。

（2）地質(zhì)導向作業(yè)指導。在頁巖氣鉆井中，最初使用的是自然伽馬來指導地質(zhì)導向，但是一個自然伽馬數(shù)值可以表示不同的儲層位置，如果單純利用這種技術很難準確找到“甜點”。為了解決這一問題可以綜合使用電阻率數(shù)據(jù)，這樣就可以得到較好的井眼軌跡。

（3）優(yōu)化井眼軌道控制。FEWD的電阻率傳感器探測半徑（R）為0.76 m，如圖1所示，在井斜角接近90°時，電阻率傳感器（A）可以相對鉆頭（B）提前探測到下部儲層（C）性質(zhì)。通過計算，確定鉆頭與儲層間的位置關系，可以預測所鉆地層的變化情況，提前采取相應措施，不斷調(diào)整鉆進參數(shù)，優(yōu)化軌跡的控制。計算公式為

式中，X為鉆頭與儲層界面的距離；R為電阻率傳感器探測半徑；θ為鉆具延伸線與儲層界面線夾角；L為電阻率測點與鉆頭間距離。

圖1　預測鉆頭與儲層邊界距離示意圖Fig.1 Distance between predicted bit position and reservoir boundary

當?shù)貙踊蛄黧w性質(zhì)將要改變時，電阻率傳感器測量數(shù)據(jù)就會發(fā)生明顯的變化，通過式（1），可以計算出鉆頭鉆遇儲層界面所需的準確距離，據(jù)此可以優(yōu)化軌跡控制，提高儲層鉆遇率。

3　丁山深層頁巖氣水平井軌跡跟蹤難點Difficulties in tracking trajectory of horizontal wells drilled for shale gas development in deep Dingshan Formation

丁山構造位于四川盆地川東南地區(qū)林灘場—丁山北東向構造帶，頁巖氣主力儲層為志留系龍馬溪組：上部以厚層灰黑色灰質(zhì)泥巖為主；中部以灰色—深灰色泥巖為主；下部以深灰色—黑色碳質(zhì)泥巖為主［12］。與涪陵、長寧等頁巖氣相比，該區(qū)塊頁巖氣具有儲層埋藏深、地質(zhì)不確定因素多等特點，給水平井軌跡控制帶來困難。具體表現(xiàn)如下。

（1）儲層埋藏深，溫度高，壓力大。丁頁區(qū)塊儲層埋藏深度超過4 400 m，海相地層的壓力系數(shù)達到2.0（棲霞組地層），其余地層壓力系數(shù)基本都在1.6以下，井底溫度高達140 ℃，屬于典型的高溫高壓地層，這對于隨鉆測量儀器的性能要求更高。

（2）地質(zhì)構造復雜。丁山構造斷裂均發(fā)育于構造翼部， 含有七躍山斷裂帶，鉆遇多達16套地層，不同部位地層差異性大，地層傾角變化大，不利于水平井的精確中靶和鉆遇油層。水平段有斷層或斷層發(fā)育帶，規(guī)避風險、安全鉆進難度大。

（3）地質(zhì)資料少。該區(qū)塊頁巖氣勘探程度低，二維地震數(shù)據(jù)和探井資料相對不足，常規(guī)的巖屑錄井對比找層準確性相對較低。水平段地層傾角存在一定不確定性，保證儲層鉆遇率難度大。

4　現(xiàn)場應用On-site application

4.1丁頁2HF井概況

Introduction of Well Dingye 2HF

丁頁2HF井是一口海相頁巖氣深層預探水平井，該井采用優(yōu)化的三開次井身結(jié)構，具體井眼軌道分段設計數(shù)據(jù)見表2。

表2　丁頁2HF井井眼軌道設計Table 2 Borehole trajectory design of Well Dingye 2HF

4.2提高FEWD地質(zhì)導向工藝效果的關鍵

Key techniques to enhance performance of FEWD geology steering

為了獲得最佳的開發(fā)效果，確保井眼軌道在下志留統(tǒng)龍馬溪組下部泥頁巖氣層優(yōu)質(zhì)頁巖氣層段中的鉆遇率。鉆井施工過程中，從造斜點開始使用FEWD技術對井眼軌道進行控制，要求必須準確確定儲層位置，并控制水平段井眼軌道在儲層中最佳位置，同時及早預測和發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的裂縫或斷層發(fā)育帶。

4.2.1隨鉆設備連續(xù)工作能力的提高 考慮到該井屬于超深井、循環(huán)溫度高等因素，選用進口的FEWD隨鉆測井系統(tǒng)。該系統(tǒng)標稱耐溫150 ℃，采用渦輪發(fā)電供給脈沖發(fā)生器和定向探管工作，鋰電池僅提供電阻率傳感器和伽馬傳感器的工作電源，井下環(huán)境溫度在120 ℃左右時，連續(xù)工作時間達240 h，有效減少起下鉆次數(shù)，降低鉆井風險。

采取以下措施保證隨鉆設備工作：（1）施工過程中嚴格要求每20柱灌漿1次，井深超過5 000 m，每下20柱要求開泵循環(huán)1～2 h，給井下傳感器充分降溫；（2）不允許鉆具在井底靜止1 h以上，防止溫度過高，損壞井下傳感器；（3）如維修設備需要，必須進行短起，將井下傳感器短起至5 000 m以上的井段或者套管內(nèi)。

4.2.2井眼軌道的精確控制 在龍馬溪組—龍馬溪底部的鉆進過程中除了濁積砂沒有明顯的標志層，儲層不確定性相對較大，加上測量信息滯后（FEWD測點距離鉆頭16～18 m左右），準確探頂、安全著陸有較大難度。為此在鉆井過程中，根據(jù)隨鉆測井伽馬及電阻率曲線變化，結(jié)合錄井烴值變化情況，準確地做出判斷及時調(diào)整，順利著陸、精確命中目的層至關重要。鉆至4 467～ 4 471 m，根據(jù)隨鉆測井曲線響應特征，結(jié)合地質(zhì)錄井撈取砂樣情況，確定鉆遇濁積砂標志層。鉆至4 660～ 4 670 m井段時，測井曲線沒有明顯的波動，該井段錄井資料顯示的全烴值和鉆速都有升高，全烴值由10%～12%升高到16%～17%，鉆速由16～17 min/m升高到8～10 min/m，由此數(shù)據(jù)顯示可以判斷鉆至4 665.77 m時，順利鉆達A靶。

4.2.3出層的判斷和回追 在水平段鉆進過程中，當井眼軌跡接近上部砂巖或下部灰?guī)r時，電阻率和自然伽馬測井曲線會發(fā)生特征反應。利用這一點，可以準確判斷井眼軌跡在儲層中的位置，提前預知儲層界面的出現(xiàn)，將井眼軌跡控制在儲層物性最佳的位置。

鉆至4 990 m時，伽馬值開始明顯降低，電阻率值開始升高，至5 000 m時，伽馬值由原來的140 API降低到50 API，電阻率值由原來20 Ω·m升高到100 Ω·m，鉆速由原來的10～13 min/m降低到40～50 min/m，全烴值顯示由原來的50%～60%降低到20%～30%，巖屑中見少量方解石次生礦物，綜合FEWD隨鉆測井數(shù)據(jù)和地質(zhì)錄井資料，判斷鉆遇小的逆斷層，出了儲層。將井斜角增加2.6°至88.6°回追儲層，鉆至5 046 m時，伽馬值升回140 API，電阻率值降回20 Ω·m，返回儲層。從FEWD實測的測井曲線可以很明顯的看到鉆遇逆斷層的過程，隨鉆測井曲線變化情況，如圖2。

圖2　丁頁2HF井4 980～5 050 m隨鉆測井曲線Fig.2 LWD plots of 4980-5050m interval in Well Dingye 2HF

4.3應用效果分析

Application performance

通過FEWD地質(zhì)導向技術的應用，丁頁2HF井順利鉆至5 700 m完鉆。實鉆全井共發(fā)現(xiàn)油氣顯示層16層1 106 m，在主要目的層龍馬溪組下部水平段發(fā)現(xiàn)4層1 056 m巨厚優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲層，鉆進過程中最高全烴達89.56%，平均22%以上，后效顯示全烴最高達92.20%。創(chuàng)造了超深頁巖氣井復合鉆日進尺最高178 m的記錄，僅用55 d完成1 035 m的水平段鉆探，水平段儲層鉆遇率達到95%。

后期測試，丁頁2HF井日產(chǎn)量最高達10.5×104m3，日均產(chǎn)量4.6×104m3，油壓和氣量比較穩(wěn)定。進一步拓展了川東南地區(qū)龍馬溪組頁巖氣勘探領域，顯示了良好的勘探開發(fā)前景。

5　結(jié)論及認識Conclusions and proposals

（1）應用FEWD地質(zhì)導向技術能夠很好地解決深層水平井軌跡控制與儲層識別問題，實現(xiàn)地質(zhì)中靶，保證儲層鉆遇率和優(yōu)質(zhì)井眼，同時減少儲層浸泡時間、保護儲層，提高單井產(chǎn)量和油氣采收率。

（2）丁山區(qū)塊3口水平井利用FEWD地質(zhì)導向技術效果顯著，隨鉆儀器故障起鉆平均每口井減少2趟，節(jié)省1趟完井電測作業(yè)。平均建井周期縮短5.5 d，從整體上提高頁巖氣鉆井和開發(fā)的效益。

（3）FEWD地質(zhì)導向技術在丁山區(qū)塊的成功應用，為今后超深頁巖氣水平井的施工積累了經(jīng)驗，對加快頁巖氣等非常規(guī)能源的開發(fā)具有重要意義。

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（修改稿收到日期 2016-06-20）

〔編輯 薛改珍〕

Application of FEWD geology steering technology in deep shale gas horizontal wells

GAO Yanfeng1， ZHAO Wenshuai2
1. Drilling Engineering Technology Research Institute of Zhongyuan Petroleum Engineering Corporation， Puyang， Henan 457001， China；2. Natural Gas Processing Plant of SINOPEC Zhongyuan Oilfield Branch Company， Puyang， Henan 457061， China

Geology steering technology is one of core technologies available for shale gas development. The geologic responses such as gamma， resistivity， drilling time ratio etc of shale gas reservoirs have been analyzed in the paper， in light of the features of FEWD geology steering technology， its advantages in drilling horizontal wells for shale gas development in deep layers have been pointed out. By a case study of Well Dingye 2HF， the keys in enhancing drilling rate of reservoir formations in horizontal wells with FEWD geology steering technology have been demonstrated. Well Dingye 2HF set the record of drilling 178 m in one day for super-deep shale gas wells，and its horizontal interval of 1 035 m was completed in only 55 d， and its reservoir drilling rate of the horizontal interval is up to 95%. Successful application of FEWD geology steering technology in horizontal wells for shale gas development in deep Dingshan Formation can effectively promote development of unconventional shale gas， and provide valuable guidance for drilling horizontal wells for shale gas development in super deep formations in China.

FEWD； shale gas； horizontal well； geology steering； LWD； Well Dingye 2HF

TE243

A

1000 - 7393（ 2016 ） 04- 0427- 05

10.13639/j.odpt.2016.04.004

GAO Yanfeng， ZHAO Wenshuai. Application of FEWD geology steering technology in deep shale gas horizontal wells［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2016， 38（4）: 427-431.

高彥峰（1980-），2007年畢業(yè)于中國石油大學（華東）無線電物理專業(yè)，現(xiàn)主要從事定向井、水平井技術服務與研究工作。通訊地址：（457001）河南省濮陽市華龍區(qū)中原東路462號鉆井工程技術研究院儀表研究所。E-mail：gaoyanfeng223@163.com