不同地層產(chǎn)狀下頁巖氣水平井地質(zhì)導(dǎo)向策略研究

陳學(xué)輝，蔡進(jìn)，劉莉，李加玉，舒志恒

中國石化江漢油田分公司勘探開發(fā)研究院（湖北 武漢 430223）

地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)是在勘探開發(fā)形勢面臨復(fù)雜地質(zhì)條件的背景和隨鉆測量技術(shù)日趨成熟的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的[1-2]。地質(zhì)導(dǎo)向鉆井是國際鉆井界近15年發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)，其定義是“用近鉆頭地質(zhì)、工程參數(shù)測量和隨鉆控制手段來保證實(shí)際井眼穿過儲層并取得最佳位置”[3-4]，體現(xiàn)了現(xiàn)代鉆井技術(shù)與測井、油藏工程技術(shù)的結(jié)合，現(xiàn)已廣泛用于水平井的鉆井中。隨著先進(jìn)隨鉆測井儀器引進(jìn)，水平井地質(zhì)導(dǎo)向在國內(nèi)迅速發(fā)展。地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)是水平井鉆井的一項(xiàng)重大發(fā)展，標(biāo)志著水平井鉆井技術(shù)上升到更高的層次[5]。

近10年，國內(nèi)地質(zhì)導(dǎo)向關(guān)鍵技術(shù)和裝備水平發(fā)展十分迅速，但整體相較于國外而言處于技術(shù)追趕階段[6]，地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)具體如何實(shí)施，實(shí)施效果是否對單井產(chǎn)能有較大的影響，水平段穿行該如何設(shè)計(jì)是本文探索的主要問題。

1 頁巖氣水平井地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)

目前國內(nèi)頁巖氣水平井地質(zhì)導(dǎo)向主要依據(jù)目的層巖性、電性特征對目的層進(jìn)行不同小層特征劃分，其中自然伽馬測井應(yīng)用最為廣泛[7]；本次研究工區(qū)重慶涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊頁巖氣井通常采用三層套管鉆完井方式[8]，其中二開中完后，三開鉆進(jìn)開始進(jìn)入造斜段，此時水平井地質(zhì)導(dǎo)向工作進(jìn)入入靶前地質(zhì)導(dǎo)向階段，在鉆至目的層標(biāo)志層后進(jìn)入水平段地質(zhì)導(dǎo)向階段，下面就這兩個階段的地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1.1 標(biāo)志層確定

地質(zhì)導(dǎo)向的基礎(chǔ)就是儲層的精細(xì)對比，精細(xì)對比的關(guān)鍵是對標(biāo)志層（點(diǎn)）的確定。涪陵地區(qū)頁巖氣開發(fā)的主要目的層為上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組，縱向上巖性、電性呈現(xiàn)三個較為明顯變化階段。結(jié)合勘探開發(fā)生產(chǎn)井的鉆、測、錄井資料及取芯觀察，將重點(diǎn)評價井焦頁A井龍馬溪組-五峰組目的層進(jìn)一步細(xì)分為9個小層[9]，并據(jù)此井劃分結(jié)果作為焦石壩區(qū)塊水平井地質(zhì)導(dǎo)向參考井，其中①-③小層為本區(qū)塊頁巖氣開發(fā)的最優(yōu)層段。

1.2 下傾地層導(dǎo)向策略

1.2.1 對比參照點(diǎn)出現(xiàn)下部地層

下傾地層水平段鉆進(jìn)中對比參照點(diǎn)出現(xiàn)下部地層時，是因?yàn)殂@井井斜角過小，與水平面的差大于地層視傾角造成的（圖1）。

此時應(yīng)先選定參照點(diǎn)，確定標(biāo)志層位對比線，地層對比確認(rèn)實(shí)鉆點(diǎn)在氣層中以上的位置，得出實(shí)鉆鉆頭位置距標(biāo)志參照點(diǎn)地層垂厚h，再用坐標(biāo)計(jì)算出參照點(diǎn)與實(shí)鉆位置的平面坐標(biāo)距離L，此時可以計(jì)算出水平段鉆進(jìn)過程中下切地層的角度α，即為：

而根據(jù)已知的鉆井井斜角x可計(jì)算出水平面與井斜角的差β，即為：

通過（1）、（2）式結(jié)果可計(jì)算出實(shí)際地層視傾角γ，即為：

式中：α為標(biāo)志層與鉆井軌跡的夾角，（°）；x為已知鉆井井斜角，（°）；γ為β與α的角度差值，（°）。

此種情況表現(xiàn)為鉆井出現(xiàn)下部地層，說明β是大于地層視傾角γ，若不及時更改井斜角，隨著水平段不斷鉆進(jìn)，井軌跡將會鉆穿氣層底(圖1)。這時需要建議增加井斜角，降低β，調(diào)整在β小于γ時，鉆頭的位置會逐步上返地層，到合適層位，再調(diào)整β與γ趨于相等，為沿合適層位的平行鉆進(jìn)。

圖1 下傾地層鉆進(jìn)下切的地層傾角計(jì)算與鉆穿氣底的預(yù)測計(jì)算示意圖

1.2.2 對比參照點(diǎn)出現(xiàn)上部地層

下傾地層水平段鉆進(jìn)中出現(xiàn)上部地層時，是因?yàn)殂@井井斜角過大，與水平面夾角小于地層視傾角造成（圖2）。

圖2 下傾地層鉆進(jìn)上切的地層傾角計(jì)算與鉆穿氣底的預(yù)測計(jì)算示意圖

選定參照標(biāo)志層位對比線后，地層對比確認(rèn)實(shí)鉆點(diǎn)在氣層中以下的位置，得出距參照點(diǎn)地層垂厚h，再用坐標(biāo)計(jì)算出參照點(diǎn)與實(shí)鉆位置的平面坐標(biāo)距離L，利用公式（1）、（2）計(jì)算出鉆井過程中下切地層角度α和水平面與井斜角差值β，而此時由于實(shí)鉆軌跡位于標(biāo)志對比線下方，因此實(shí)際地層視傾角γ為：

此種情況表現(xiàn)為鉆井出現(xiàn)上部地層，說明β是小于地層視傾角γ，若不及時更改井斜角，隨著水平段不斷鉆進(jìn)，井軌跡將會鉆穿氣層頂。這時要建議降低井斜角，增加β，調(diào)整在β大于γ時，鉆頭的位置會逐步下切地層，到適當(dāng)層位，再調(diào)整β與γ趨于相等，則為沿合適層位的平行鉆進(jìn)。

1.3 上傾地層導(dǎo)向策略

1.3.1 對比參照點(diǎn)出現(xiàn)下部地層

上傾地層鉆進(jìn)中出現(xiàn)下部地層，為井斜角過小，與水平面夾角小于地層視傾角造成（圖3）。

圖3 上傾地層鉆進(jìn)下切的地層傾角計(jì)算與鉆穿氣底的預(yù)測計(jì)算示意圖

此時標(biāo)志層位對比線地層對比確認(rèn)，實(shí)鉆點(diǎn)在標(biāo)志層位對比線以上的位置，得出距參照點(diǎn)地層垂厚h，再用坐標(biāo)計(jì)算出參照點(diǎn)與實(shí)鉆位置的平面坐標(biāo)距離L，利用公式（1）計(jì)算出鉆井過程中下切地層角度α，由于鉆井地層產(chǎn)狀上傾，此時水平井井斜角也往往隨地層產(chǎn)狀進(jìn)行調(diào)整，此時水平面與井斜角差值β計(jì)算公式為

式中：x為鉆井井斜角。再利用公式（4）計(jì)算出實(shí)際地層視傾角γ。

此種情況表現(xiàn)為鉆井出現(xiàn)下部地層，說明β是小于實(shí)際地層視傾角γ，若不及時更改井斜角，隨著水平段不斷鉆進(jìn)，井軌跡將會鉆穿氣層底。這時需要建議增加井斜角，增加β，調(diào)整在β大于γ時，鉆頭的位置會逐步上返地層，到合適層位，再調(diào)整β與γ趨于相等，則為沿合適層位的平行鉆進(jìn)。

1.3.2 對比參照點(diǎn)出現(xiàn)上部地層

上傾地層鉆進(jìn)中出現(xiàn)返回上部地層，為井斜角過大，與水平面夾角β大于地層視傾角γ造成（圖4）。

圖4 上傾地層鉆進(jìn)上切的地層傾角計(jì)算與鉆穿氣底的預(yù)測計(jì)算示意圖

此時標(biāo)志層位對比線地層對比確認(rèn)，實(shí)鉆點(diǎn)在標(biāo)志層位對比線以上的位置，得出距參照點(diǎn)地層垂厚h，再用坐標(biāo)計(jì)算出參照點(diǎn)與實(shí)鉆位置的平面坐標(biāo)距離L，利用公式（1）、（5）計(jì)算出鉆井過程中下切地層角度α和水平面與井斜角差值β，利用公式（3）計(jì)算出出實(shí)際地層視傾角γ。

此種情況表現(xiàn)為鉆進(jìn)中出現(xiàn)上部地層，說明β是大于實(shí)際地層視傾角γ，若不及時更改井斜角，隨著水平段不斷鉆進(jìn)，井軌跡將會鉆穿氣層頂。這時需要建議降低井斜角，降低β，調(diào)整在β小于γ時，鉆頭的位置會逐步下切地層，到合適層位，再調(diào)整β與γ趨于相等，則為沿合適層位的平行鉆進(jìn)。

1.4 復(fù)雜地層導(dǎo)向策略

水平段地層有時會出現(xiàn)或高、或低、或斷等復(fù)雜情況（圖5），需要在地層拐點(diǎn)處增加控制點(diǎn)，將復(fù)雜地層分解為多個簡單段，再按上述方法進(jìn)行判斷和計(jì)算，及時發(fā)現(xiàn)問題，推測結(jié)果，提出調(diào)整方案，為了便于后期施工作業(yè)，鉆井水平段軌跡盡量保持平整，合理設(shè)計(jì)靶點(diǎn)和控制點(diǎn)[10]。

圖5 復(fù)雜地層水平鉆進(jìn)控制點(diǎn)間地層傾角計(jì)算示意圖

2 水平井軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過水平井穿行軌跡與無阻流量的關(guān)系分析，獲得高產(chǎn)一般是多穿行圖6中①、③的井，對于后期的頁巖氣水平井在水平段軌跡穿行方面，基本原則是建議以多穿行①、③小層為主，推薦兩種水平段穿行模式：

1）模式一：為“二段式”模型（圖6），水平段按1 500 m設(shè)計(jì)，A靶點(diǎn)設(shè)置在③小層中下部，距離氣層底界10 m左右，在③小層穿700 m完成前段穿行，后段800 m則以①小層頂入層，B靶點(diǎn)則靠①小層中下部。

圖6 二段式水平井井眼軌跡穿行示意圖

2）模式二：為“三段式”模型（圖7），水平段按1 500 m設(shè)計(jì)，A靶點(diǎn)設(shè)置在①小層頂界面，距離氣層底界5 m左右，在①小層穿500 m完成前段穿行，中段建議在③小層穿行500 m的，穿行部位以③小層中下部為主，后段500 m則以①小層頂入層，B靶點(diǎn)則靠①小層中下部，距底2.0 m左右。

圖7 三段式水平井井眼軌跡穿行示意圖

對比兩個穿行模式，各有優(yōu)缺點(diǎn)，“三段式”穿行主要最富集的頁巖氣層段，從目前壓裂試氣井的情況來看可獲較高的產(chǎn)量，但由于太靠近氣層底部，容易鉆出氣層底界，軌跡控制難度大，后期壓裂存在壓穿頁巖層底板風(fēng)險，造成壓裂液濾失，對壓裂改造不利；“二段式”穿行層位易于把握，井眼軌跡調(diào)控回旋余地大，但對主要的高產(chǎn)層①小層的穿行長度少，在一定程度會影響單井產(chǎn)能。

綜合上述分析，建議在構(gòu)造簡單的地區(qū)，井眼控制難度不大的情況下采用“三段式”，盡可能靠近主力氣層部位，提高單井產(chǎn)量；對于構(gòu)造復(fù)雜，井眼控制難度大的情況下采用“二段式”，保證井眼軌跡安全可行和實(shí)施。

3 結(jié)論

1）針對不同的井形和地層產(chǎn)狀及地層復(fù)雜情況，利用針對性地質(zhì)導(dǎo)向措施，及時調(diào)整鉆井井斜角度，可有效提高穿行優(yōu)質(zhì)地層效率。

2）針對不同區(qū)塊采取不同的軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，在構(gòu)造簡單的地區(qū)，井眼控制難度不大的情況下采用“三段式”，盡可能靠近主力氣層部位，提高單井產(chǎn)量；對于構(gòu)造復(fù)雜，井眼控制難度大的情況下采用“二段式”，保證井眼軌跡安全可行。