煤層氣L型水平井錄井綜合導向技術應用研究

黎 鋮 姜維寨 張君子 張秀峰 廖可鵬 周 旖

(中國石油渤海鉆探工程有限公司第二錄井分公司，河北 062552)

煤層氣L型水平井錄井綜合導向技術應用研究

黎 鋮 姜維寨 張君子 張秀峰 廖可鵬 周 旖

(中國石油渤海鉆探工程有限公司第二錄井分公司，河北 062552)

通過分析山西煤層氣L型井施工的技術特點，總結L型水平井導向技術流程，建立著陸導向和水平段導向兩個階段的井眼軌跡調控模型，形成了現場導向時極具可操作性的煤層氣L型水平井導向技術方法。2015年在現場實施應用5口井，取得了煤層鉆遇率提高5.72%、鉆井周期縮短1.35天的良好應用效果。

地質導向 地層對比 煤層氣 地層傾角 MWD

1 煤層氣L型井施工技術特點

1.1 著陸點預測與水平段導向難度更大

煤層氣水平井施工區域井控程度相對較低，以物探和有限的鄰井資料為主要依據的施工設計不足以指導整個水平井的鉆探。實鉆表明，多分支井、U型井和山字型井等井型的施工，依靠井組近端或遠端的洞穴井資料結合實鉆井資料重新對施工軌跡進行優化設計與調整后，對整個水平井的導向具有重要指導作用。而L型水平井由于其井型特點，缺少了洞穴井，造成著陸點預測精度有限，實現一次性“軟著陸”難度加大，并且水平段軌跡重新設計后仍然無法對施工起到有效指導，導向難度增加。

1.2 水平段井眼軌跡控制精度要求更高

L型水平井比其它類型水平井軌跡控制精度要求更高。一方面，L型水平井一般垂深淺、曲率半徑小、設計水平段長800～1000m，鉆至水平段后期往往出現井下鉆具摩阻大、扭矩高、托壓嚴重而無法定向鉆進，造成井眼軌跡調整困難，較高的軌跡控制精度可以規避地層傾角頻繁小幅度變化；另一方面，L型水平井采取下鋼篩管的完井方式，與U型井下PE篩管、多分支井和山字型井裸眼的完井方式相比對井眼軌跡質量要求更高，給導向軌跡調整與控制提出了更高要求。

圖1 地層傾角與著陸點計算示意圖

1.3 低成本隨鉆儀器條件下導向施工更難

受口井投資額度的限制，目前L型水平井一般使用MWD+360°GR隨鉆儀器組合，與國外或合資公司使用的EM-MWD隨鉆儀器相比具有伽馬無方向性、測量盲區長等劣勢。在煤層厚度變化大、內部無明顯穩定標志特征的區塊使用表現出一定的不適應性，極大的增加了導向施工的難度。

2 L型井導向技術方法

2.1 L型井導向施工操作流程

通過總結今年以來所鉆L型水平井的施工方法與步驟，并結合往年其它水平井導向施工的經驗，形成了針對山西沁水盆地L型水平井的導向操作流程。

(1)通過鄰井的地層對比分析，確定縱向上距離目的煤層較近、沉積穩定、易于識別的巖電標志層。沁水盆地以3號煤層為目的煤層的水平井可以選擇山西組頂界、1號、2號煤線等作為標志層；以15號煤層為目的煤層的水平井可以選擇3號煤層、太原組四套灰巖作為標志層；

(2)實鉆中依靠錄井、隨鉆測井等手段卡準以上標志層，不斷計算每一個標志層地層傾角，并以此作為下伏標志層和目標煤層的地層傾角，計算預測下一標志層深度和著陸點深度；

(3)根據實際鉆遇結果，判斷標志層和著陸點計算預測深度與設計吻合程度，若吻合較好，則按設計軌跡施工；若吻合較差，結合剩余靶前距和工程施工工具軌跡控制能力，適時對著陸軌跡進行調整，直至煤層著陸；

(4)對比分析鄰井煤層內部及頂底板巖電性特征，劃分煤層內部和頂底板的特征單元。3號煤層一般可以劃分為頂板泥巖、頂煤、頂矸、好煤、中矸、中煤、底矸、底煤、底板泥巖；15號煤層一般可以劃分為頂板灰巖、好煤、底矸、底煤、底板泥巖；

(5)根據以上劃分的煤層特征區間，確定煤層內部導向標志和頂底出特征及判斷依據，實鉆中跟蹤隨鉆參數，判斷軌跡在煤層中的位置，通過水平段軌跡控制模型對施工軌跡加以調整與控制，直至完成整個水平段鉆進。

2.2 地層傾角與著陸靶點計算

地層傾角是水平井著陸和水平段導向所需要的關鍵參數，其預測方法主要有地層傾角測井、地震資料預測、鄰井井間預測、構造等高線預測以及實鉆井標志層計算預測等方法。L型水平井由于其鄰井少，構造落實程度有限，通過多種方法預測并應用發現，實鉆井計算預測的地層傾角對著陸軌跡的指導意義較大。下面是實鉆計算預測地層傾角和著陸靶點的方法(如圖1)。

(1)

H=H2+h2+tanα×(L-L2)

(2)

H=H2+h2-tanα×(L-L2)

(3)

當地層下傾時(如圖1左)，由公式(1)、(2)可計算地層傾角和著陸點垂深；

當地層上傾時(如圖1右)，由公式(1)、(3)可計算地層傾角和著陸點垂深。

式中，

L1、L2：鉆遇標志層一、標志層二的位移；

H1、H2：鉆遇標志層一、標志層二的垂深

h1：標志層一到標志層二的地層厚度；

h2：標志層二到目的層的地層厚度；

L：設計靶前距；

H：預測著陸點垂深；

α：地層傾角。

2.3 著陸軌跡控制模型

總結近年來煤層氣著陸軌跡調整方式與施工經驗，為避免因煤層埋深變淺或變深，導致軌跡提前著陸來不及上調而底出煤層或滯后著陸甚至著陸失敗，建立了煤層上傾和下傾兩類4種著陸軌跡控制模型，如圖2所示。

圖2 著陸軌跡控制模型

軌跡上調模型：以目的層為3號煤層為例，15號煤層軌跡調整思路與3號煤層一致。通過水平井鉆遇1號煤線(2號煤線)標志層時地層對比預測，發現3號煤層埋深比設計高，繼續按設計軌跡鉆進會提前著陸，由于井斜角太小，造成軌跡來不及增斜而底出煤層。這種情況下軌跡調整方法是：在設計允許的狗腿度范圍內，增大軌跡造斜率快速增斜上調軌跡。調整幅度以保證入層后軌跡增斜調平過程中不底出煤層為最小幅度(如圖2左，著陸點A2)，以上調軌跡至設計靶前位移處著陸為最大調整幅度(如圖2左，著陸點A1)。

軌跡下調模型：仍以目的層為3號煤層為例，15號煤層軌跡調整思路與3號煤層一致。通過水平井鉆遇1號煤線(2號煤線)標志層時地層對比預測，發現3號煤層埋深比設計低，繼續按設計軌跡鉆進會推遲著陸甚至遲遲無法著陸而降斜下探油頂，這無疑增加了靶前位移，浪費了水平段長度，同時影響井眼軌跡質量。為避免這種著陸方式，軌跡調整方法是：以保證著陸軌跡流暢、圓滑，不降斜為基本原則，降低軌跡造斜率緩慢增斜或穩斜下調軌跡。調整幅度為達到設計靶前位移時著陸，并且井斜角與地層傾角的角差要合適，保證著陸后軌跡增斜調平過程中不底出煤層(如圖2右，著陸點A1)；如果軌跡調整無法同時滿足著陸位置和著陸角度要求時，先滿足著陸角度要求，著陸位置適當后移，增加少量靶前距(如圖2右，著陸點A2)。

2.4 水平段軌跡控制模型

根據煤層內部特征以及井軌跡自然增斜趨勢，以優化井眼軌跡質量，加快鉆井速度為原則，提高煤層鉆遇率為目的，建立了水平段層內軌跡控制、頂出軌跡控制和底出軌跡控制3種水平段軌跡控制模型，如圖3所示。

圖3 水平段軌跡控制模型

層內軌跡控制模型：在煤層內部選取上下兩處跟蹤參數差異明顯，且距頂底板都有一定距離的范圍作為導向軌跡控制區間。軌跡著陸后，控制井斜角略小于地層傾角(一般小2°左右，視復合鉆進自然增斜趨勢而定)復合鉆進向控制區間下邊界緩慢靠近，鉆遇區間下邊界時井斜角與地層傾角基本相等，繼續復合鉆進至井斜角略大于地層傾角(一般大0.5°左右)向控制區間上邊界緩慢靠近，鉆遇區間上邊界時開始定向鉆進控制井斜角略小于地層傾角，以此反復，完成整個水平段鉆進(如圖3上)。

頂出軌跡控制模型：當軌跡頂出煤層后，在保證井下安全和井眼軌跡質量要求的前提下以最大造斜率降斜至井斜角小于地層傾角3°～5°，向下追蹤煤層，頂進煤層后按層內軌跡控制方法鉆水平段(如圖3中)。 底出軌跡控制模型：當軌跡底出煤層后，在保證井

下安全和井眼軌跡質量要求的前提下以最大造斜率增斜至井斜角大于地層傾角2°～3°，向上追蹤煤層，底進煤層后按層內軌跡控制方法鉆水平段(如圖3下)。

3 應用效果

2015年，錄井綜合導向技術在山西煤層氣應用5口L型水平井，取得了平均水平段長827m，平均鉆速18m/h，平均鉆遇率94.42%的技術指標，與2014年相比在提高煤層鉆遇率、加快鉆井速度，縮短鉆井周期等方面效果顯著，見表1。其中F71P4井是樊莊區塊首口采用二開井身結構和φ216mm大井眼(該區塊以往水平井都采用φ152mm和φ120mm井眼)的煤層氣水平井，煤層極易垮塌造成井下復雜，導向軌跡調控對井眼軌跡質量和煤層鉆遇率均有較高要求，錄井綜合導向技術的應用使得本井快速完成了990m水平段進尺，同時取得了96.97%的高鉆遇率指標。

表1 煤層氣水平井導向技術指標對比

注：表中數據來源于現場錄井資料。

4 結論與建議

(1)L型井雖然為單支水平井，設計水平段長度比多分支水平井短，但是其導向施工難度不亞于其它井型，在著陸等關鍵階段其難度更高，必須引起導向人員重視；

(2)著陸軌跡控制模型和水平段軌跡控制模型是煤層氣多口水平井施工經驗和導向軌跡控制方法的提煉總結；

(3)針對15號煤層厚度薄，內部標志不穩定的特點，結合現階段15號煤層導向施工效果，認為低精度MWD+GR的導向工具組合在15號煤層中表現出一定的不適應性，建議使用測量盲區較短的方向伽馬隨鉆儀器。

[1] 姜維寨,黎鋮等. 煤層氣EM-MWD導向方法應用探討[J].中國煤層氣,2014,11(5):31-35.

(責任編輯 王一然)

Research on Steering Technology of Comprehensive Mud Logging for L-type CBM Horizontal Well

LI Cheng, JIANG Weizhai,ZHANG Junzi, ZHANG Xiufeng, LIAO Kepeng, ZHOU Yi

(No.2 Logging Branch of Bohai Drilling Engineering Co., Ltd., CNPC, Hebei 062552)

By analyzing the technical characteristics of L-type CBM well construction in Shanxi, the paper summarizes the flow of steering technology for L-type horizontal well, establishes the well path control models based on the two sections of landing geo-steering and horizontal geo-steering, and forms the steering technology with the operability for L-type horizontal well. With the onsite implementation of 5 wells in 2015, this technology has achieved good effect of increasing the drilling rate of coal seam by 5.72% and reducing the drilling cycle by 1.35 days.

Geo-steering; comparison of strata; CBM; formation dip; MWD

黎鋮，男，資源勘查工程專業，工程師，現主要從事地質導向技術研究與應用工作。