不同地層產狀下頁巖氣水平井地質導向策略研究

陳學輝，蔡進，劉莉，李加玉，舒志恒

中國石化江漢油田分公司勘探開發研究院（湖北 武漢 430223）

地質導向鉆井技術是在勘探開發形勢面臨復雜地質條件的背景和隨鉆測量技術日趨成熟的基礎上發展起來的[1-2]。地質導向鉆井是國際鉆井界近15年發展起來的一項高新技術，其定義是“用近鉆頭地質、工程參數測量和隨鉆控制手段來保證實際井眼穿過儲層并取得最佳位置”[3-4]，體現了現代鉆井技術與測井、油藏工程技術的結合，現已廣泛用于水平井的鉆井中。隨著先進隨鉆測井儀器引進，水平井地質導向在國內迅速發展。地質導向技術是水平井鉆井的一項重大發展，標志著水平井鉆井技術上升到更高的層次[5]。

近10年，國內地質導向關鍵技術和裝備水平發展十分迅速，但整體相較于國外而言處于技術追趕階段[6]，地質導向技術具體如何實施，實施效果是否對單井產能有較大的影響，水平段穿行該如何設計是本文探索的主要問題。

1 頁巖氣水平井地質導向技術

目前國內頁巖氣水平井地質導向主要依據目的層巖性、電性特征對目的層進行不同小層特征劃分，其中自然伽馬測井應用最為廣泛[7]；本次研究工區重慶涪陵頁巖氣田焦石壩區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，三開鉆進開始進入造斜段，此時水平井地質導向工作進入入靶前地質導向階段，在鉆至目的層標志層后進入水平段地質導向階段，下面就這兩個階段的地質導向技術進行詳細闡述。

1.1 標志層確定

地質導向的基礎就是儲層的精細對比，精細對比的關鍵是對標志層（點）的確定。涪陵地區頁巖氣開發的主要目的層為上奧陶統五峰組-下志留統龍馬溪組，縱向上巖性、電性呈現三個較為明顯變化階段。結合勘探開發生產井的鉆、測、錄井資料及取芯觀察，將重點評價井焦頁A井龍馬溪組-五峰組目的層進一步細分為9個小層[9]，并據此井劃分結果作為焦石壩區塊水平井地質導向參考井，其中①-③小層為本區塊頁巖氣開發的最優層段。

1.2 下傾地層導向策略

1.2.1 對比參照點出現下部地層

下傾地層水平段鉆進中對比參照點出現下部地層時，是因為鉆井井斜角過小，與水平面的差大于地層視傾角造成的（圖1）。

此時應先選定參照點，確定標志層位對比線，地層對比確認實鉆點在氣層中以上的位置，得出實鉆鉆頭位置距標志參照點地層垂厚h，再用坐標計算出參照點與實鉆位置的平面坐標距離L，此時可以計算出水平段鉆進過程中下切地層的角度α，即為：

而根據已知的鉆井井斜角x可計算出水平面與井斜角的差β，即為：

通過（1）、（2）式結果可計算出實際地層視傾角γ，即為：

式中：α為標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，（°）。

此種情況表現為鉆井出現下部地層，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，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，再調整β與γ趨于相等，為沿合適層位的平行鉆進。

圖1 下傾地層鉆進下切的地層傾角計算與鉆穿氣底的預測計算示意圖

1.2.2 對比參照點出現上部地層

下傾地層水平段鉆進中出現上部地層時，是因為鉆井井斜角過大，與水平面夾角小于地層視傾角造成（圖2）。

圖2 下傾地層鉆進上切的地層傾角計算與鉆穿氣底的預測計算示意圖

選定參照標志層位對比線后，地層對比確認實鉆點在氣層中以下的位置，得出距參照點地層垂厚h，再用坐標計算出參照點與實鉆位置的平面坐標距離L，利用公式（1）、（2）計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，而此時由于實鉆軌跡位于標志對比線下方，因此實際地層視傾角γ為：

此種情況表現為鉆井出現上部地層，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，井軌跡將會鉆穿氣層頂。這時要建議降低井斜角，增加β，調整在β大于γ時，鉆頭的位置會逐步下切地層，到適當層位，再調整β與γ趨于相等，則為沿合適層位的平行鉆進。

1.3 上傾地層導向策略

1.3.1 對比參照點出現下部地層

上傾地層鉆進中出現下部地層，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 上傾地層鉆進下切的地層傾角計算與鉆穿氣底的預測計算示意圖

此時標志層位對比線地層對比確認，實鉆點在標志層位對比線以上的位置，得出距參照點地層垂厚h，再用坐標計算出參照點與實鉆位置的平面坐標距離L，利用公式（1）計算出鉆井過程中下切地層角度α，由于鉆井地層產狀上傾，此時水平井井斜角也往往隨地層產狀進行調整，此時水平面與井斜角差值β計算公式為

式中：x為鉆井井斜角。再利用公式（4）計算出實際地層視傾角γ。

此種情況表現為鉆井出現下部地層，說明β是小于實際地層視傾角γ，若不及時更改井斜角，隨著水平段不斷鉆進，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，再調整β與γ趨于相等，則為沿合適層位的平行鉆進。

1.3.2 對比參照點出現上部地層

上傾地層鉆進中出現返回上部地層，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 上傾地層鉆進上切的地層傾角計算與鉆穿氣底的預測計算示意圖

此時標志層位對比線地層對比確認，實鉆點在標志層位對比線以上的位置，得出距參照點地層垂厚h，再用坐標計算出參照點與實鉆位置的平面坐標距離L，利用公式（1）、（5）計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）計算出出實際地層視傾角γ。

此種情況表現為鉆進中出現上部地層，說明β是大于實際地層視傾角γ，若不及時更改井斜角，隨著水平段不斷鉆進，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，再調整β與γ趨于相等，則為沿合適層位的平行鉆進。

1.4 復雜地層導向策略

水平段地層有時會出現或高、或低、或斷等復雜情況（圖5），需要在地層拐點處增加控制點，將復雜地層分解為多個簡單段，再按上述方法進行判斷和計算，及時發現問題，推測結果，提出調整方案，為了便于后期施工作業，鉆井水平段軌跡盡量保持平整，合理設計靶點和控制點[10]。

圖5 復雜地層水平鉆進控制點間地層傾角計算示意圖

2 水平井軌跡優化設計

通過水平井穿行軌跡與無阻流量的關系分析，獲得高產一般是多穿行圖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設計，A靶點設置在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設計，A靶點設置在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，各有優缺點，“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，井眼軌跡調控回旋余地大，但對主要的高產層①小層的穿行長度少，在一定程度會影響單井產能。

綜合上述分析，建議在構造簡單的地區，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，提高單井產量；對于構造復雜，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施。

3 結論

1）針對不同的井形和地層產狀及地層復雜情況，利用針對性地質導向措施，及時調整鉆井井斜角度，可有效提高穿行優質地層效率。

2）針對不同區塊采取不同的軌跡優化設計方案，在構造簡單的地區，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，提高單井產量；對于構造復雜，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。