地質(zhì)導(dǎo)向建模提高煤層氣水平井開發(fā)效果

林昕 饒孟余 吳雪飛 趙婧姝 劉昆

1.奧瑞安能源國際有限公司；2.中石油煤層氣有限責(zé)任公司

地質(zhì)導(dǎo)向建模提高煤層氣水平井開發(fā)效果

林昕1饒孟余1吳雪飛2趙婧姝2劉昆2

1.奧瑞安能源國際有限公司；2.中石油煤層氣有限責(zé)任公司

煤層氣受資源條件的約束采收率低，投資回報周期長，其相關(guān)工藝發(fā)展緩慢，嚴(yán)重制約了煤層氣產(chǎn)業(yè)的勘探開發(fā)進程，因此必須通過不斷創(chuàng)新提升工藝效果、優(yōu)化資源配置。分析認(rèn)為利用地質(zhì)導(dǎo)向建模的方法可以有效指導(dǎo)地質(zhì)導(dǎo)向施工，從而提高水平井的開發(fā)效果。基于目前國內(nèi)常用的地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)，介紹了利用模擬擬合的思想來建立地質(zhì)導(dǎo)向模型的流程，通過分析河?xùn)|煤層氣區(qū)塊開發(fā)中遇到的實際案例，糾正當(dāng)前水平井地質(zhì)導(dǎo)向普遍存在的問題，并提出優(yōu)化方案。從2016年已經(jīng)完成的13口多分支水平井開發(fā)效果來分析，地質(zhì)導(dǎo)向建模技術(shù)可以提升鉆井品質(zhì)進而改善產(chǎn)能。該技術(shù)提高了水平井開發(fā)的綜合效率，為區(qū)塊建設(shè)提供了技術(shù)保障。

地質(zhì)導(dǎo)向；建模；煤層氣；水平井

通過地質(zhì)導(dǎo)向提高水平井鉆遇率、提升鉆井時效是煤層氣勘探行業(yè)公認(rèn)的成熟技術(shù)［1-2］。地質(zhì)導(dǎo)向建模是地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)的重要組成部分，其流程貫穿整個地質(zhì)導(dǎo)向過程。國內(nèi)目前流行利用數(shù)據(jù)表格形式的模型草圖［3］輔助地質(zhì)導(dǎo)向分析：該模型圖是基于地層等厚連續(xù)的假設(shè)前提下建立的簡單示意圖，不能直觀展示水平段的細(xì)節(jié)信息，同時缺乏對新地層變化趨勢的預(yù)測，因此未能發(fā)揮有效作用。針對目標(biāo)區(qū)塊煤層非均質(zhì)性較強的地層特征，研究利用地質(zhì)導(dǎo)向建模提升煤層氣水平井工藝，對正在進行中的區(qū)塊大開發(fā)具有實際意義。

1 煤層氣地質(zhì)導(dǎo)向工藝發(fā)展歷程

Development history of CBM geo-steering technologies

煤層氣資源采收率低，投資回報周期長，特別是水平井開發(fā)工藝單井投資大，水平段地質(zhì)導(dǎo)向難度高［1-2］，為此必須選擇合適費用的隨鉆開發(fā)方案以適應(yīng)不斷升級的挑戰(zhàn)。煤層氣地質(zhì)導(dǎo)向工藝從被動導(dǎo)向到主動導(dǎo)向，其發(fā)展經(jīng)歷常規(guī)隨鉆測量（被動式）、（可打撈式）方向性測量（主動式）、近鉆頭成像測量（主動式）3 個階段［4-5］（見表 1）。

表1 煤層氣地質(zhì)導(dǎo)向工藝演變Table 1 Evolution of CBM geo-steering technologies

利用常規(guī)隨鉆測量，錄井巖屑、氣測以及鉆井參數(shù)等指導(dǎo)地質(zhì)導(dǎo)向，難以判斷地層與軌跡之間的相對位置關(guān)系，導(dǎo)致鉆遇率低。

2006年國內(nèi)引入方向性伽馬測量技術(shù)，來判斷軌跡與地層的位置關(guān)系（圖1），從而實現(xiàn)主動調(diào)整軌跡并在出層后快速返回目的層［6］。2008年引入可打撈式的方向性測量工具，進一步降低了鉆具落井的風(fēng)險成本。

圖1 利用方向性曲線判斷地層與軌跡相對位置關(guān)系Fig. 1 Using directional curve to judge the relative position between strata and trajectory

2 地質(zhì)導(dǎo)向建模流程

Work flow of geo-steering modeling

地質(zhì)導(dǎo)向建模立足于導(dǎo)向工藝本身，不同的工藝水平所采用建模流程也互不相同。根據(jù)目前國內(nèi)應(yīng)用最多的方向性測量技術(shù)，可以采用模擬擬合技術(shù)（Model-Compare-Update）［4，7］來指導(dǎo)地質(zhì)導(dǎo)向建模流程。該流程包含3個步驟（見圖2）：

首先，選取多口鄰井?dāng)?shù)據(jù)建立三維地質(zhì)模型。導(dǎo)入設(shè)計軌跡在地質(zhì)模型中切面從而獲得二維地質(zhì)模型，將井區(qū)煤層測井特征曲線賦值到二維地質(zhì)模型后得到導(dǎo)向模型。根據(jù)新導(dǎo)入軌跡在模型中的特定位置生成正演擬合曲線，同時模擬出不同場景條件下地層響應(yīng)特征，以識別實鉆中出現(xiàn)的復(fù)雜情況。

圖2 由三維地質(zhì)模型建立導(dǎo)向模型Fig. 2 Geo-steering modeling based on 3D geologic model

其次，在實鉆過程中將正演擬合曲線（圖3）與實時曲線、鉆井參數(shù)、錄井資料等進行擬合度分析，綜合判斷導(dǎo)向模型是否反映了地下真實情況。導(dǎo)向模型的橫軸采用水平段真長（True Horizontal Length）以體現(xiàn)軌跡在方位上的變化，因此導(dǎo)向模型實現(xiàn)了通過二維平面展示了三維空間信息。

圖3 對比實時曲線與正演擬合曲線Fig. 3 Comparison between real-time curve and forward fitting curve

最后，更新模型：（1）更新導(dǎo)向模型，使軌跡體現(xiàn)與當(dāng)前地層之間的真實位置關(guān)系；（2）更新地質(zhì)模型，通過已鉆分支數(shù)據(jù)調(diào)整模型，指導(dǎo)后續(xù)分支的鉆進。地質(zhì)導(dǎo)向建模流程如圖4所示。

圖4 地質(zhì)導(dǎo)向建模流程Fig. 4 Work flow of geo-steering modeling

地質(zhì)導(dǎo)向模型根據(jù)隨鉆數(shù)據(jù)實時同步調(diào)整。隨鉆過程中應(yīng)根據(jù)儀器的數(shù)據(jù)采樣間隔參數(shù)設(shè)置機械鉆速、轉(zhuǎn)速，以確保數(shù)據(jù)密度從而提高模型精度［4］。

3 地質(zhì)導(dǎo)向建模的應(yīng)用

Application of geo-steering modeling

目標(biāo)區(qū)塊是我國煤層氣勘探開發(fā)對外合作示范區(qū)塊之一，目前處于產(chǎn)能建設(shè)期。區(qū)塊煤層地質(zhì)條件復(fù)雜：（1）煤層夾矸的不規(guī)律發(fā)育，分叉和減薄現(xiàn)象普遍；（2）煤體結(jié)構(gòu)以原生、碎裂結(jié)構(gòu)為主，局部發(fā)育薄層狀、透鏡狀構(gòu)造煤；（3）小型構(gòu)造（斷層、褶曲）的不可預(yù)測性［8-9］。此外，隨著開發(fā)向薄煤區(qū)、深煤區(qū)推進，對水平井開發(fā)技術(shù)工藝提出了更高要求。下面以該區(qū)塊施工的實際案例來分析地質(zhì)導(dǎo)向建模在水平井開發(fā)中的作用。

3.1 優(yōu)化井眼軌跡

Optimization of well trajectory

方向性測量技術(shù)提供了導(dǎo)向決策相關(guān)的信息，但對這些信息不加以正確利用會產(chǎn)生適得其反的效果。按照施工標(biāo)準(zhǔn)，本井共有6次超最大狗腿限制，2次（圖5黃圈）超連續(xù)狗腿限制。如圖6黃色框所示軌跡形態(tài)，在施工中對于煤層橫向變化采取過大幅度的調(diào)整措施，即盲目規(guī)避儲層不均質(zhì)發(fā)育段，導(dǎo)致軌跡在目的層內(nèi)劇烈起伏，形成波浪式的軌跡形態(tài)［10］。這種過大幅度的調(diào)整為后續(xù)鉆井施工埋下隱患，并且在波浪形軌跡低部位位置容易形成煤粉沉淀堆積，直接影響后期排采生產(chǎn)。

通過地質(zhì)導(dǎo)向建模可以一目了然軌跡的不合理情況，指導(dǎo)施工過程，減少不必要的導(dǎo)向調(diào)整從而實現(xiàn)優(yōu)化井眼軌跡目的。

圖5 水平段狗腿度分析Fig. 5 Analysis on the dogleg of horizontal section

圖6 水平段波浪式的軌跡形態(tài)Fig. 6 Wave-like trajectory of horizontal section

3.2 減少側(cè)鉆次數(shù)

Reduction of sidetracking frequency

目前多分支水平井完井多采用分支裸眼的完井方式。因此為降低側(cè)鉆點垮塌堵塞井眼的風(fēng)險，分支鉆進中要盡量減少側(cè)鉆次數(shù)。如圖7黃圈位置所示，在軌跡第2次出層后，施工時為搶進度，選擇通過側(cè)鉆的方式迅速穿過出層段。

圖7 通過導(dǎo)向建模來分析側(cè)鉆原因Fig. 7 Analysis on the reasons for the sidetracking based on steering modeling

分析導(dǎo)向模型可以發(fā)現(xiàn)分支第2次出層點位置就在目的層頂界處，預(yù)測軌跡顯示只需很少的進尺就可以返回目標(biāo)煤層。2次側(cè)鉆點煤巖井壁遭到破壞，易坍塌并容易形成巖屑床等現(xiàn)象，因此盲目追求鉆井時效進行頻繁側(cè)鉆，只會為后續(xù)施工生產(chǎn)帶來不利影響。

提高分支井眼穩(wěn)定性，有利于排采通道暢通。通過地質(zhì)導(dǎo)向建模來綜合分析側(cè)鉆原因，進而分析側(cè)鉆是否真實必要，達到減少側(cè)鉆次數(shù)的目的。

3.3 追蹤儲層“甜點”

Tracing of reservoir“ sweet spot”

煤層分叉和減薄的不規(guī)律發(fā)育在本區(qū)塊普遍存在。通過鉆前地質(zhì)導(dǎo)向建模（圖8），可以觀察到該井水平段后半段發(fā)育5#煤層。5#煤層因泥質(zhì)含量高，煤層薄被定為差儲層，因此在地質(zhì)設(shè)計中要求將軌跡擺放在3+4#煤層內(nèi)。

圖8 鉆前地質(zhì)導(dǎo)向建模顯示水平段后半段發(fā)育5#煤層Fig. 8 5# Coal seam developed in the second half part of horizontal section displayed in pre-drilling geo-steering modeling

如圖9所示，在實鉆過程中，決策人員2次把軌跡導(dǎo)入底部5#煤層，伽馬值高（40～60 API），氣測值低（15%～20%），類電阻信號值高。由于缺乏有效的導(dǎo)向模型手段輔助，很容易把煤層夾矸和差儲層段相混淆。最終因為5#煤層可鉆性差造成側(cè)鉆1次，并由于調(diào)整不及時形成近200 m的差儲層段。

圖9 兩次鉆入底部差儲層段Fig. 9 Drilling of poor reservoir intervals at the bottom twice

差儲層段不僅可鉆性差，而且降低了分支的產(chǎn)能。通過地質(zhì)導(dǎo)向建模可以提前認(rèn)知儲層的發(fā)育形態(tài)，“甜點”位置分布，從而達到追蹤儲層“甜點”的目的［11］。

3.4 應(yīng)對復(fù)雜地質(zhì)情況

Countermeasures for complex geological situations

斷層、陷落柱以及相變等復(fù)雜地質(zhì)情況對地質(zhì)導(dǎo)向帶來巨大挑戰(zhàn)，在鉆遇復(fù)雜地質(zhì)情況下應(yīng)有效應(yīng)對，將不利的地質(zhì)因素影響最小化［12］。

如圖10所示，在軌跡出層位置分別通過對上中下3個方向探層，受限于隨鉆測量項目及現(xiàn)有資料，仍無法核實目的層的位置變化。結(jié)合導(dǎo)向模型分析，可判斷地層變化存在斷層或相變兩種可能性。

圖10 模型表明存在斷層或者相變兩種可能Fig. 10 Possibility of fault or facies change based on the model

通過更新導(dǎo)向模型（如圖11），觀察到靠近L2設(shè)計末端位置的X-L10分支及X-M1分支確認(rèn)在煤層位置。該位置距離L2約150 m，且對比發(fā)現(xiàn)L2垂深位置偏低。因此，若平穩(wěn)鉆過復(fù)雜煤層段后連通遠(yuǎn)處控制面積，即可達到保障分支產(chǎn)能的目的。

圖11 更新模型優(yōu)化對策方案Fig. 11 Optimization of countermeasure plans based on model updating

由于缺乏對地層整體宏觀把控，在鉆遇復(fù)雜地質(zhì)情況時容易作出不當(dāng)應(yīng)對措施：盲目追求鉆遇率，缺乏統(tǒng)籌的側(cè)鉆方案。最終因側(cè)鉆次數(shù)過多，不得不放棄該分支繼續(xù)鉆進，導(dǎo)致本井完鉆整體控制面積不高。

在水平井加密開發(fā)過程中，受限于有限的鄰井資料，即便是地質(zhì)導(dǎo)向建模也不能完全反映水平段所有位置的真實地質(zhì)情況。通過前期地質(zhì)導(dǎo)向建模，把握構(gòu)造趨勢，對指導(dǎo)鉆井施工具有現(xiàn)實的意義。

4 應(yīng)用效果

Application effect

結(jié)合2016年目標(biāo)區(qū)煤層氣開發(fā)整體效果來分析，地質(zhì)導(dǎo)向建模技術(shù)可以有效提高煤層氣水平井開發(fā)效果。

統(tǒng)計顯示，2016年已完成的13口水平井的單井平均鉆遇率從之前的92.81%提高到94.75%。工程施工表現(xiàn)為側(cè)鉆次數(shù)減少，作業(yè)周期變短，單井平均側(cè)鉆次數(shù)從4次減少到2次，水平段作業(yè)周期從33.8 d減少到22 d（如圖12）。

圖12 2016年鉆井時效數(shù)據(jù)分析Fig. 12 Analysis on drilling time efficiency in 2016

根據(jù)煤層氣井降壓解析周期長的特征，圖13選取了目前投產(chǎn)達到半年的2口井（X0，X1井），對比其鄰井排采歷史數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)開發(fā)效果得到提升，相同井底流壓下平均日產(chǎn)氣量提高約20%～50%。整體提產(chǎn)效果有待進一步生產(chǎn)數(shù)據(jù)驗證，預(yù)期開發(fā)效果良好。

圖13 煤層氣井降壓解析效果對比圖Fig. 13 Comparison of CBM well drawdown and desorption effect

5 結(jié)論

Conclusions

（1）煤層氣地質(zhì)導(dǎo)向工藝發(fā)展經(jīng)歷了3個階段：常規(guī)隨鉆測量，方向性測量，近鉆頭成像測量。

（2）基于目前國內(nèi)應(yīng)用最多的方向性測量技術(shù)，可以利用模擬擬合的思路來建立地質(zhì)導(dǎo)向模型。該技術(shù)提高了對地層的宏觀把握，可以有效減少盲目追求工程進度、鉆遇率等現(xiàn)象的發(fā)生。

（3）通過在目標(biāo)區(qū)塊的多分支水平井開發(fā)中優(yōu)化井眼軌跡形態(tài)，減少側(cè)鉆次數(shù)，追蹤儲層“甜點”位置等實踐，證明地質(zhì)導(dǎo)向建模技術(shù)可以提升鉆井品質(zhì)，進而改善產(chǎn)能，提高了水平井的開發(fā)效果。

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（修改稿收到日期 2017-07-12）

〔編輯 薛改珍〕

Geo-steering modeling technology used for improving the development effects of CBM horizontal wells

LIN Xin1, RAO Mengyu1, WU Xuefei2, ZHAO Jingshu2, LIU Kun2

1. Orion Energy International Inc.,Beijing100080,China; 2. PetroChina Coalbed Methane Company Limited,Beijing100013,China

Due to the resource limitation of coalbed methane (CBM), its recovery factor is low and payback period is long. Besides,its related technologies are developed slowly. And consequently, the exploration and development progress of CBM industry is restricted seriously. Therefore, it is necessary to innovate and improve technological effects and optimize resource allocation. It is indicated from the analysis that geo-steering modeling technique can instruct geo-steering operation effectively to enhance development effectiveness of horizontal wells. In this paper, the work flow of geo-steering modeling based on the concept of Model-Compare-Update was introduced from the aspect of geo-steering technologies that are commonly used in China. The most common issues of current horizontal well geosteering were solved by analyzing the actual cases encountered during the development of Hedong CBM Block, and the corresponding optimization plans were proposed. The development effects of 13 multi-lateral horizontal wells implemented in 2016 were analyzed.It is indicated that geo-steering modeling technique can improve drilling quality, and then increase the productivity. The Geo-steering modeling technique enhances the integrated development efficiency of horizontal wells and provides the technical guarantee for the construction of the block.

geo-steering; modeling; CBM; horizontal well

∶

林昕，饒孟余，吳雪飛，趙婧姝，劉昆.地質(zhì)導(dǎo)向建模提高煤層氣水平井開發(fā)效果［J］.石油鉆采工藝，2017，39（5）：559-563，569.

TE21

A

1000 – 7393（ 2017 ）05 – 0559 – 05 DOI∶10.13639/j.odpt.2017.05.005

林昕（1983-），中國地質(zhì)大學(xué)（北京）地球探測與信息技術(shù)專業(yè)碩士研究生，主要從事地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)的研究工作。通訊地址：（100195）北京市海淀區(qū)北塢村路甲25號靜芯苑I座。電話：010-52707100。E-mail：linxin.leo@163.com

: LIN Xin, RAO Mengyu, WU Xuefei, ZHAO Jingshu, LIU Kun. Geo-steering modeling technology used for improving the development effects of CBM horizontal wells［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2017, 39(5)∶ 559-563, 569.