水平井地質(zhì)導(dǎo)向著陸段技術(shù)分析

李曉強(qiáng),王靜,楊志華

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司解釋中心,河北廊坊,065201;2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司,陜西西安,710016)

0 引 言

水平井鉆探的目的是最大程度提高儲(chǔ)層鉆遇率,由于受到儲(chǔ)層變化、地層產(chǎn)狀、鉆井工藝、鉆井施工參數(shù)等因素的影響,為確保鉆井準(zhǔn)確中靶,施工中需要實(shí)時(shí)掌握入層點(diǎn)的變化,實(shí)時(shí)進(jìn)行井身軌跡的調(diào)整,控制鉆頭進(jìn)入靶心及在儲(chǔ)層中運(yùn)行。

水平井地質(zhì)導(dǎo)向著陸段的難點(diǎn)是如何精確預(yù)測(cè)目的層頂?shù)捉绲纳疃群偷貙觾A角,指導(dǎo)井眼軌跡準(zhǔn)確入窗并在儲(chǔ)層中穿行,避免入窗失敗或水平段在鉆進(jìn)中偏離儲(chǔ)層。設(shè)計(jì)階段利用地震、測(cè)井等資料建立地質(zhì)模型,預(yù)測(cè)目的層海拔、儲(chǔ)層厚度并完成地質(zhì)設(shè)計(jì)和工程軌跡設(shè)計(jì);鉆井階段利用隨鉆測(cè)井曲線(xiàn)識(shí)別標(biāo)志層,利用隨鉆測(cè)量的井斜角和方位角計(jì)算垂深,預(yù)測(cè)入層點(diǎn)參數(shù)在完井最大狗腿度范圍內(nèi)的軌跡更新,嚴(yán)格按照中靶要求入窗,完成水平段鉆進(jìn)。但是由于測(cè)量深度、地質(zhì)構(gòu)造和地震分辨率等不確定性因素,采用鄰井測(cè)井資料難以精確預(yù)測(cè)儲(chǔ)層頂界海拔和儲(chǔ)層是否缺失,利用地震資料難以準(zhǔn)確識(shí)別水平段構(gòu)造、地層傾角、展布特征,導(dǎo)致著陸挑戰(zhàn)性大和入窗準(zhǔn)確率低。利用造斜過(guò)程中鉆頭與著陸位置的相對(duì)關(guān)系,校正著陸點(diǎn)的位置,準(zhǔn)確預(yù)測(cè)著陸點(diǎn),確保成功著陸。

1 著陸難點(diǎn)

水平井存在井身結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜和鉆井技術(shù)特殊的特點(diǎn),會(huì)出現(xiàn)著陸在目的層的井斜正確但是深度錯(cuò)誤、深度正確但井斜錯(cuò)誤的問(wèn)題[1]。

1.1 著陸段的問(wèn)題

水平井的著陸段如圖1所示。假設(shè)地層為水平,可能會(huì)遇到目的層垂直深度提前、滯后、儲(chǔ)層變薄或缺失、造斜率過(guò)大或過(guò)小及目的層上部干擾層等問(wèn)題[2-3],如果地質(zhì)導(dǎo)向不到位可能造成著陸失敗,延長(zhǎng)施工周期,增加投資成本。

圖1 水平井著陸示意圖

分析目的層垂直深度提前和滯后、鉆遇斷層,定向井工具造斜率不足的原因:①目的層垂深提前。隨鉆測(cè)量工具高邊測(cè)點(diǎn)造成實(shí)鉆入層點(diǎn)垂深較設(shè)計(jì)入層點(diǎn)垂深變淺,地層視垂直厚度變薄造成較鄰井深度變淺(目的層由設(shè)計(jì)地層傾角下傾變?yōu)樗?設(shè)計(jì)地層傾角下傾變?yōu)樯蟽A),目的層上部地層變薄或缺失,入層點(diǎn)存在微上傾的構(gòu)造,地層局部微隆起;②目的層垂深滯后。隨鉆測(cè)量工具低邊測(cè)點(diǎn)造成實(shí)鉆入層點(diǎn)垂深較設(shè)計(jì)入層點(diǎn)垂深變深,地層視垂直厚度變厚造成較鄰井深度變深(目的層由設(shè)計(jì)地層傾角上傾變?yōu)樗?設(shè)計(jì)地層傾角上傾變?yōu)橄聝A),目的層上部出現(xiàn)干擾層,入層點(diǎn)存在微下傾的構(gòu)造;③著陸段鉆遇斷層。地震有限的分辨率以及地層對(duì)比過(guò)程中的地層缺失段和重復(fù)段識(shí)別的復(fù)雜性,導(dǎo)致斷距存在不確定性;④定向工具造斜率不足。地層傾角、巖石硬度、巖性變化等因素,造成定向工具造斜率不足導(dǎo)致軌跡著陸在儲(chǔ)層底部或從目的層底部鉆出。

1.2 不確定性因素

影響地質(zhì)導(dǎo)向著陸段入層點(diǎn)預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確的主要因素有3個(gè):①深度不確定性。測(cè)量井深過(guò)程中產(chǎn)生的誤差、隨鉆測(cè)量?jī)x器測(cè)量的井斜角誤差、隨鉆測(cè)量?jī)x器測(cè)量的方位角誤差[4];②地震數(shù)據(jù)不確定性。地震數(shù)據(jù)的分辨率有限,故無(wú)法識(shí)別微構(gòu)造和小斷層,造成縱橫向地震速度變化差異大、層位解釋的錯(cuò)位、噪音數(shù)據(jù)、斷層附近的構(gòu)造假象;③地質(zhì)認(rèn)識(shí)的不確定性。地層構(gòu)造傾角起伏導(dǎo)致大斜度井地層視垂直厚度變化[5]、儲(chǔ)層橫向厚度變化,儲(chǔ)層非均質(zhì)性導(dǎo)致的橫向連續(xù)性差、縱橫向的儲(chǔ)層物性變化。

2 著陸流程

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)水平井著陸實(shí)踐,總結(jié)出著陸過(guò)程中應(yīng)遵循的工作流程(見(jiàn)圖2),關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)包括定向井軌跡參數(shù)、著陸關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)、入窗井斜角和中靶井斜角。利用標(biāo)志層識(shí)別法,對(duì)比設(shè)計(jì)軌跡和實(shí)鉆軌跡鉆遇著陸點(diǎn)關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù),入層點(diǎn)地層視傾角、入層點(diǎn)目的層垂直深度和真厚度,計(jì)算入窗井斜角?；谌雽釉瓌t,確定合理的中靶井斜角。

圖2 水平井地質(zhì)導(dǎo)向著陸流程示意圖

目的層頂深和厚度準(zhǔn)確預(yù)測(cè)后,需要確定合理的入層點(diǎn)和著陸點(diǎn),設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求的靶前軌跡。鉆進(jìn)時(shí)及時(shí)收集實(shí)鉆井斜數(shù)據(jù),密切監(jiān)控實(shí)鉆地質(zhì)導(dǎo)向井眼軌跡是否與設(shè)計(jì)出現(xiàn)偏差。若新鉆地層出現(xiàn)新情況或者與前期預(yù)測(cè)不吻合,則根據(jù)最新實(shí)鉆地層情況對(duì)目的儲(chǔ)層深度重新預(yù)測(cè)、重新調(diào)整軌跡。該過(guò)程是循環(huán)重復(fù)的地質(zhì)導(dǎo)向過(guò)程,直至順利中靶。

3 水平井著陸段的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 著陸段的關(guān)鍵參數(shù)

為解決水平井著陸段的技術(shù)難點(diǎn),本文提出精準(zhǔn)計(jì)算入層點(diǎn)的地層視傾角和預(yù)測(cè)目的層頂?shù)状股畹慕鉀Q方案,確定合理的入窗井斜角和靶前軌跡設(shè)計(jì)。在著陸過(guò)程中,動(dòng)態(tài)優(yōu)化鉆前設(shè)計(jì)軌跡,合理控制靶前軌跡,準(zhǔn)確判斷著陸點(diǎn),并使中完點(diǎn)與地層平行。

3.1.1入層點(diǎn)地層視傾角

地層傾角在研究地質(zhì)構(gòu)造與沉積環(huán)境、追蹤地下油氣的分布情況等方面應(yīng)用頗多。在著陸過(guò)程中,實(shí)時(shí)計(jì)算入層點(diǎn)地層視傾角的主要方法是利用隨鉆方位曲線(xiàn)成像提取地層傾角。地質(zhì)導(dǎo)向過(guò)程中,通過(guò)成像圖中正弦曲線(xiàn)的形狀可以準(zhǔn)確地判斷井眼軌跡是向下切入地層或是向上切入地層。

利用隨鉆方位曲線(xiàn)成像計(jì)算地層視傾角,主要分為下切和上切成像提取地層視傾角和傾向。隨鉆方位曲線(xiàn)成像主要有方位性伽馬、密度、電阻率測(cè)井曲線(xiàn)成像,應(yīng)用成像資料提取地層傾角,利用方位測(cè)井資料確定鉆頭井斜的校正量,確保井眼軌跡保持在目的層段內(nèi)或在偏離后重新回到目的層內(nèi)[6-7]。圖3為假設(shè)地層傾向與井眼軌跡方位一致,井眼軌跡與地層下切和上切各參數(shù)的相對(duì)關(guān)系。

井眼軌跡下切地層示意圖見(jiàn)圖3(a),視傾角的計(jì)算

α=π/2-β-γ

(1)

井眼軌跡上切地層示意圖見(jiàn)圖3(b),視傾角的計(jì)算

圖3 井眼軌跡下切和上切地層相對(duì)關(guān)系示意圖

α=π/2-β+γ

(2)

γ=arctan(BH+2DOI)/SA

(3)

式中,α為入層點(diǎn)的地層視傾角,地層下傾為正值,地層上傾為負(fù)值,(°);γ為從圖像中提取得到地層與井眼軌跡相對(duì)夾角,(°);β為井斜角,(°);BH為井眼尺寸,m;DOI為隨鉆方位曲線(xiàn)的探測(cè)深度,m;SA為成像的正弦曲線(xiàn)幅度,m。用α+β可以判斷井眼軌跡與地層的切割關(guān)系,當(dāng)α+β<90°,井眼軌跡下切地層;當(dāng)α+β>90°,井眼軌跡上切地層;當(dāng)α+β=90°,井眼軌跡平行于地層鉆進(jìn)[8]。

3.1.2入層點(diǎn)的目的層深度

精細(xì)地層對(duì)比是精準(zhǔn)預(yù)測(cè)儲(chǔ)層垂深的關(guān)鍵。地層對(duì)比可選擇區(qū)域標(biāo)志層(大段對(duì)比粗調(diào))或者局部標(biāo)志層(精細(xì)對(duì)比微調(diào)),尋找上部標(biāo)志層可對(duì)比的油氣顯示,選取距離較近或者在同一微相上的鄰井,結(jié)合構(gòu)造位置編制實(shí)時(shí)連井地層對(duì)比圖等。

鉆進(jìn)過(guò)程中可根據(jù)地質(zhì)導(dǎo)向井的實(shí)鉆地層情況,與鄰井逐層對(duì)比,仔細(xì)尋找相同巖性組合特征、特殊巖性標(biāo)志層,并用井斜數(shù)據(jù)對(duì)各個(gè)穩(wěn)定的主要標(biāo)志層的視垂直厚度和深度逐個(gè)進(jìn)行校正對(duì)比。核實(shí)入窗處的深度變化(目的層、油氣層界面的垂深),保證在著陸點(diǎn)前的地層對(duì)比更加準(zhǔn)確。

水平井地層對(duì)比預(yù)測(cè)入層點(diǎn)深度時(shí),盡量建立多個(gè)對(duì)比標(biāo)志,與鄰井地層對(duì)比校正目的層垂深設(shè)計(jì)誤差,為定向井實(shí)鉆軌跡調(diào)整提供地質(zhì)依據(jù)[9]。著陸點(diǎn)越接近目的層,預(yù)測(cè)深度越準(zhǔn)確。目的層上覆地層整合接觸,地層傾向與井眼軌跡方位一致,上傾型地層模型入層點(diǎn)深度預(yù)測(cè)示意圖見(jiàn)圖4,上傾地層模型入層點(diǎn)視傾角和深度預(yù)測(cè)

圖4 上傾型地層模型入層點(diǎn)深度預(yù)測(cè)示意圖

(4)

H=H2+h2-tanα(L-L2)

(5)

式中,H為預(yù)測(cè)著陸點(diǎn)的垂深,m;H1、H2分別為鉆遇標(biāo)志層1和標(biāo)志層2時(shí)的垂深,m;h1為標(biāo)志層1到標(biāo)志層2的地層厚度,m;h2為標(biāo)志層2到目的層的地層厚度,m;L為設(shè)計(jì)靶前距,m;L2、L1分別為標(biāo)志層1和標(biāo)志層2的位移,m。

3.1.3入窗井斜角

在著陸過(guò)程中,確認(rèn)入層點(diǎn)的地層視傾角和垂深后,從入層點(diǎn)到中靶點(diǎn),綜合考慮靶前位移、地層厚度、入層厚度和中完點(diǎn)距離目的層頂部距離,確定合理的入窗井斜角。水平井著陸段入窗參數(shù)見(jiàn)圖5。以井眼軌跡下切地層為例,圖5中h為水平井目的層真實(shí)地層厚度,TVT為導(dǎo)眼井目的層的真實(shí)垂直厚度,α為地層視傾角,LA為入層點(diǎn)的水平位移,LB為靶前距,BR為工具造斜率,γ為井眼軌跡與地層界面夾角,β+γ為中靶井斜角。著陸點(diǎn)位于儲(chǔ)層中部位置,水平井軌跡與地層平行。

圖5 水平井著陸段入窗參數(shù)示意圖

β=π/2-α-γ

(6)

H=H2+h2-tanα(L-L2)

(7)

(LB-LA)tanα]}-β

(8)

3.2 著陸段軌跡調(diào)整

為使軌跡著陸在目的層的合適位置,鉆前設(shè)計(jì)軌跡基于已知數(shù)據(jù)的靜態(tài)認(rèn)識(shí);隨鉆過(guò)程中,動(dòng)態(tài)優(yōu)化實(shí)鉆軌跡于目的層的合適位置。造斜段過(guò)程中實(shí)時(shí)分析軌跡調(diào)整情況和對(duì)應(yīng)時(shí)機(jī),及時(shí)指導(dǎo)控制現(xiàn)場(chǎng)軌跡。

3.2.1軌跡調(diào)整情況

定向井軌跡造斜鉆進(jìn)過(guò)程中,結(jié)合隨鉆測(cè)井曲線(xiàn)和工程曲線(xiàn),應(yīng)用實(shí)時(shí)地層對(duì)比結(jié)果,利用式(1)～(5),精確預(yù)測(cè)入層點(diǎn)的地層視傾角和目的層垂深。對(duì)比實(shí)鉆軌跡與設(shè)計(jì)軌跡各標(biāo)志層的入層點(diǎn)參數(shù),分析實(shí)鉆軌跡需要調(diào)整的因素,包括目的層垂深、地層視傾角、儲(chǔ)層厚度的變化。

3.2.2軌跡調(diào)整原則

基于鉆前入層判斷標(biāo)準(zhǔn)和中靶要求,分析實(shí)鉆軌跡著陸于目的層的位置是否合適。引起設(shè)計(jì)軌跡調(diào)整的原因,主要為目的層垂深提前、滯后和地層傾角變化3大因素。對(duì)調(diào)整軌跡影響最大的是目的層垂深提前,提前量越大則軌跡調(diào)整時(shí)機(jī)把握難度越高。

目的層深度和入層點(diǎn)的地層視傾角確定后,合理的靶前軌跡設(shè)計(jì)應(yīng)該充分考慮到水平段儲(chǔ)層的構(gòu)造趨勢(shì),是否有向上或向下傾的情況。中靶井斜角需要考慮地層視傾角,著陸點(diǎn)使實(shí)鉆井軌跡與地層平行。地層水平合理入窗角的統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表1。假設(shè)目的層為水平,針對(duì)不同地層真厚度的矩形鉆井箱體,宜將井眼軌跡控制在靶前測(cè)量段20～60 m處,入層點(diǎn)垂深達(dá)到地質(zhì)設(shè)計(jì)的儲(chǔ)層頂部或上部位置,入窗井斜角控制在85°～88°;以3°/30 m狗腿度為例,進(jìn)入儲(chǔ)層后能及時(shí)在中靶點(diǎn)前調(diào)整到最大井斜,達(dá)到井眼軌跡控制在距儲(chǔ)層頂0.5～3.5 m范圍內(nèi),中靶井斜角控制達(dá)到90°[10]。

表1 地層水平合理入窗井斜角的統(tǒng)計(jì)表

3.2.3軌跡設(shè)計(jì)和控制

地層水平情況下,以地層厚度為5～8 m的巖性油氣藏的軌跡落靶控制為例,水平井入窗井眼軌跡示意圖見(jiàn)圖6。在著陸的入射角設(shè)計(jì)過(guò)程中,如果地層視傾角為0°,即以86.5°井斜為入射角,段長(zhǎng)50 m,考慮到工具零長(zhǎng),穩(wěn)斜15 m,垂深下降0.92 m,以3°/30 m的狗腿度在35 m段長(zhǎng)內(nèi)增斜至90°,垂深下降1.07 m,入層垂深約2 m。

圖6 水平井入窗井眼軌跡示意圖

4 結(jié) 論

(1)本文闡述了水平井著陸過(guò)程中涉及到的關(guān)鍵技術(shù),針對(duì)著陸難點(diǎn),分析影響著陸的不確定性因素,提出影響著陸關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算方法,推導(dǎo)水平井入窗合理井斜角的計(jì)算公式。

(2)從地質(zhì)導(dǎo)向?qū)嵺`上分析造斜段軌跡需要調(diào)整情況和相應(yīng)原則,指導(dǎo)地質(zhì)導(dǎo)向現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中著陸段軌跡的設(shè)計(jì)和控制。該技術(shù)已在中國(guó)多個(gè)油氣田的水平井著陸中成功進(jìn)行應(yīng)用,證明該方法的正確性和有效性。