安場頁巖氣井眼軌道優化與地質導向技術

摘要：隨著安場向斜頁巖氣井開發的深入，對水平井組的井眼軌跡控制技術、井間井眼軌跡的防碰繞障、防碰分析、定向儀器工具的優選及地質導向技術均提出了更高的要求。為此，針對這些問題，從井眼軌跡控制技術方法、防碰繞障分析的方法、井眼軌跡控制技術和地質導向技術入手開展分析研究，形成了相關技術優化，為安場向斜頁巖氣井開發提供支撐。

關鍵詞：長水平段水平井"防碰分析"井眼軌道優化"地質導向技術"油層鉆遇率

中圖分類號：TE37""文獻標識碼：A"Hole"Trajectory"Optimization"and"Geosteering"Technology"of"Shale"Gas"Wells"in"Anchang

ZHUANG"Yanjun*

（Guizhou"Shale"Gas"Exploration"and"Development"Co.，"Ltd.，"Zunyi，"Guizhou"Province，"563400"China）

Abstract："With"the"deepening"of"the"development"of"the"syncline"shale"gas"well"in"Anchang，"higher"requirements"are"put"forward"for"the"hole"trajectory"control"technology，"the"anti-collision"obstacle"and"anti-collision"analysis"of"the"hole"trajectorynbsp;among"wells，"the"optimization"of"directional"instruments"and"tools，"and"the"geosteering"technology"of"the"horizontal"well"group."Therefore，"in"view"of"these"problems，"analysis"and"research"are"carried"out"from"the"aspects"of"the"hole"trajectory"control"technology"method，"anti-collision"obstacle"analysis"method，"hole"trajectory"control"technology"and"geosteering"technology，"and"relevant"technical"optimization"is"formed，"which"provides"supportnbsp;for"the"development"of"the"syncline"shale"gas"well"in"Anchang.

Key"Words："Long"horizontal"well;"Anti-collision"analysis;"Hole"trajectory"optimization;"Geosteering"technology;"Reservoir"drilling"rate

目前，貴州頁巖氣勘探開發有限責任公司已經對黔北地區頁巖氣成藏機理、分布預測、資源評價、戰略選區以及先導性試驗等方面取得了一系列認識。隨著勘探開發的深入、水平井組部署的增多，對安場向斜頁巖氣井眼軌跡優化技術與地質導向技術提出了更高的要求，如何提高水平井組的井眼軌跡質量、提高井組防碰施工的安全性、提高水平段的油層鉆遇率已成為當下鉆井施工的主要難點問題。因此，加強井眼軌道優化設計、大井組防碰技術、軌跡控制技術、地質導向技術的研究應用具有重要意義[1]。

1"前期鉆井施工情況

安場向斜目前共完成5個平臺17口井的鉆探工作。其中，1號臺部署9口；2號臺、4號臺各部署井3口；3號臺、5號臺各部署井1口，井組投影如圖1所示。在已施工的兩輪次井中，經過技術的改進和完善，第二輪井較第一輪井鉆井周期有較大幅度縮短，主要得益于復雜情況的減少和機械鉆速提高，第二輪部署先導性試驗井已完鉆7口，相比前8口勘探評價井，鉆井周期縮短27%（前期部分井含直導眼），平均機械鉆速提高44%，單井鉆頭使用數量減少，單只鉆頭進尺提升，全井平均機械鉆速最高的是安頁4-1HF井，達到9.80"m/h。

1.1井眼軌道設計

在井眼軌道設計方面，已完成井井眼軌道設計，均采用“直-增-穩-增（扭）-平”方式施工。這種井眼軌道設計方式具有總進尺短、直井段長有利于提速等優勢。對于單井而言，這種井眼軌道設計方式不存在防碰問題，直井段無須考慮防碰因素，但對于大井組頁巖氣水平井而言，目前國內采用這種方式進行井眼軌道設計正在逐步減少。另一方面，這種軌道設計一般從40°開始扭方位，一直到水平段著陸點扭方位結束，存在大井斜扭方位施工難的問題。

1.2井眼軌跡控制方式

從井眼軌跡控制方式來看，該區前期施工過程中分別用到了常規螺桿鉆具、旋轉導向鉆具的控制方式，由于第一輪井施工過程中，井壁失穩的問題尚未得到完全解決，因此部分井在施工中出現了井壁坍塌、長井段劃眼、阻卡等問題，因此后續多數井在水平段采用螺桿鉆具進行井眼軌跡控制。在第二輪井施工過程中，定向初期采用螺桿鉆具、增斜段采用旋轉導向、水平段采用螺桿鉆具成為了比較成熟的做法，不僅提高了機械鉆速，也極大縮短了鉆井周期。

1.3地質導向方式

安場向斜頁巖氣儲層厚度較薄，地層產狀變化大，水平段箱體只有5"m左右，井眼軌跡容易出箱體，優質頁巖鉆遇難度大。第一輪井儲層鉆遇率平均95.56%，第二輪井儲層鉆遇率100%。除安頁2HF井采用常規隨鉆導向工具外，其余井均采用近鉆頭地質導向、旋轉地質導向技術，安頁2HF井也是統計井中儲層鉆遇率最低的一口井，證明后續采用近鉆頭地質導向、旋轉地質導向技術能夠有效解決安場向斜儲層鉆遇率的問題。

2"井眼防碰技術分析

對于叢式井組施工來說，防碰施工是井眼軌道設計和控制的重中之重[2]，為此，對前期井眼軌跡控制情況進行了掃描分析。

以安場向斜1號平臺為例，該平臺累計完成9口井，井口間距最小約6"m，分別是安頁1-8HF和安頁1-3HF、安頁1-5HF和安頁1-6HF，井間距最遠的是安頁1-1HF和安頁1井，距離約129"m，直井段地層自然漂移方向主要為西偏北方向。利用防碰掃描方法和分離系數計算方法，分別對1號平臺井間距和分離系數進行掃描，最近距離掃描如圖2所示，分離系數掃描如圖3所示，發現安頁1-4HF井與安頁1-8HF井在井深2"341.41"m附近距離僅2.28"m，分離系數為0.24，兩口井相碰概率極高。

通過以上實例分析，可見安場向斜施工在井眼軌跡防碰方面存在薄弱環節，尚需進一步研究和加強，從而降低井眼軌跡相碰風險。

3"井眼軌道優化建議

川渝頁巖氣水平井早期勘探階段通常采用常規二維水平井進行開發，鉆井過程中只增斜，方位角保持不變，設計和施工難度相對較低[3-4]。隨著開發階段井位部署越來越多，多采用大型叢式井組方式，且多為三維水平井，鉆進過程中既要增斜，又要扭方位，同時還要考慮鄰井防碰，鉆具組合在三維井段扭方位能力以及摩阻扭矩問題，設計和施工難度逐步增加。

鑒于以上原因，經過長期研究和試驗，逐步形成了“二維單增”“三維五段制”“六段制”“雙二維”等井眼軌道設計方法。對于三維水平井而言，軌道設計方式主要有“五段制”“六段制”以及“雙二維”三種方式，以某井為例，依據軌道設計方法，摩阻扭矩模擬軟件及前期三維井施工經驗，對三維水平井軌道設計方法進行了評價和優選，相關計算參數如表1所示。

目前軌道設計采用五段制方式，造斜點深度較深，摩阻與雙二維基本一致，但采用雙二維方式可以在上部井段完成偏移距，避開下部可鉆性差的地層扭方位，并且有利于整體防碰[5-6]。因此，基于以上分析，以安頁1-5HF井為例，對井眼軌道進行優化，兩種優化數據見表2、表3，投影圖對比見圖4。

利用摩阻扭矩計算軟件，對原設計和兩種優化設計軌道進行摩阻扭矩計算，結果如表4所示。

對比幾種井眼軌道設計方案，首先在完鉆井深方面，方案1、方案2相比原設計，均具有優勢，井深更短，總進尺更少，其次，方案1、2相比原設計有利于防碰，再者方案1在小井斜（18～25°）井段完成扭方位，避免后期大井斜扭方位的不便，摩阻扭矩方面方案1有一定優勢；最后由于目的層垂深總體較淺，推薦采用方案1，有利于減少定向工作量，避免降斜。

4"井眼軌道控制技術

4.1"導向方式優化對比

前期不少學者對不同導向控制方式進行了對比[7]，該區二開井段一般長2"200"m，鉆井輔助成本按照鉆機日費進行計算，以50ZJ型鉆機日費7.0萬元/天為例，在假定其他影響因素相同的情況下對3種井眼軌跡控制方式的綜合成本進行了側鉆。計算結果見表5。

根據計算結果可以看出，旋轉導向工具總體而言有一定的優勢，但其優勢在逐步減弱，主要體現在：旋轉導向工具供不應求，導致價格上漲；工具使用頻次高，維護保養不及時，造成故障率提高；頁巖氣施工邊緣構造、復雜構造、井漏、井塌等情況較多，旋導施工風險高等。因此，公司在重慶地區的頁巖氣水平井逐步減少了旋轉導向系統施工方式，二開215.9"mm井眼主要采用“鉆頭+螺桿+無磁+LWD+鉆桿+水力振蕩器+鉆桿”的施工方式。

采用該組合方式并未在施工方面體現出來太多的難度，反而完成了多口高難度井的施工，創造了多項施工紀錄。如2021年3月南川工區勝頁9-2HF井順利完鉆，該井水平段兩趟鉆均采用“PDC鉆頭+大扭矩低轉速螺桿+LWD+水力振蕩器”，所有工具均為國產，完鉆井深6"455"m，水平段長3"583"m，創國內頁巖氣井水平段長最高紀錄，全井鉆井周期45.5"d，較設計縮短29%，水平段平均機械鉆速13.52"m/h，鉆井周期20.6"d，較設計縮短27%，相對于國外旋轉導向工具節約費用60%以上，證明常規螺桿鉆具配合鉆井參數強化等技術措施完全可以替代旋轉導向，實現頁巖氣優快鉆井。

4.2鉆具組合優化方案

長水平段水平井井眼軌跡控制主要在于水平段的控制，經過多年的摸索，前期形成的單彎雙穩鉆具組合在現場施工過程中取得了很好的施工效果，但是隨著近年頁巖油氣藏水平井的增多，盡管大多數井均采用油基鉆井液進行施工，但施工過程中仍然有部分井出現了井眼失穩的現象。為了井下安全，單彎雙穩鉆具組合由于鉆具剛性大、扶正器多，容易出現卡鉆現象，因此很難得到現場采納和推薦。為了適應現場施工需要，近年來對扶正器進行了進一步優化，采用單彎單穩欠尺寸扶正器組合在現場得到了良好的應用效果。根據研究分析，推薦安場向斜鉆具組合為：增斜段：Ф215.9"mm混合PDC+Ф172"mm"1.5°單彎（扶正器212"mm）+LWD+水力振蕩器；水平段：Ф215.9"mm"PDC+Ф172"mm"1.5°單彎（無扶）+LWD+水力振蕩器。

5"地質導向技術

常規MWD/LWD距鉆頭13"m以上，近鉆頭地質導向組裝在鉆頭和螺桿之間，測量參數距鉆頭小于1"m，可及時獲得鉆頭處的井斜、方位伽馬等參數，解決常規伽馬地質導向工具的不足，推動薄儲層、超薄儲層及復雜油氣層水平井的開采，近鉆頭地質導向就是給鉆頭上也裝上眼睛，讓鉆頭嗅到石油[8-10]，近鉆頭測量系統結構組成如圖5所示。

采用近鉆頭地質導向儀器，具有上下伽馬實時傳輸功能，基于近鉆頭的方位伽馬可以更加明確井眼軌跡在儲層中的走向，對于提高儲層鉆遇率具有重要意義。下圖為近鉆頭地質導向儀器在某井應用成果解釋圖，通過圖形可以看出，近鉆頭地質導向儀器在識別儲層界面，區分層頂、層底方面具有明顯的技術優勢，對于安場向斜類型的儲層厚度薄、傾角變化大類型的儲層，具有良好的技術適應性。

同時也要認識到，伽馬射線測量徑向深度約0.15～0.25"m，當地層傾角與井眼夾角較小時，采用遠端方位伽馬也能夠較好地實現儲層識別和界面的判斷。考慮到目前近鉆頭儀器整體可靠性還有待提升，并且采用近鉆頭儀器在強化參數的時候可能增加工具儀器施工風險，因此建議根據地質認識程度和儲層厚度，優選地質導向儀器。

6"結論與建議

（1）頁巖氣水平井叢式井組總體部署優化是實現整體開發鉆探任務的前提與保障，部署優化時應遵循造斜點相互錯開，目的層相同、水平位移相近時方位相互錯開的防碰原則。針對頁巖氣水平井軌道設計，建議采用類似“雙二維”的方式，采用預定向進行井組防碰，避免大井斜扭方位等技術措施，提高井眼軌跡控制能力。

（2）分析了3種導向控制方式，鑒于旋轉導向控制方式優勢正逐步減弱，且常規螺桿鉆具控制方式近年不斷取得好的施工效果和指標，建議安場向斜采用常規螺桿鉆具施工方式進行井眼軌跡控制。頁巖氣水平井井眼軌道優化設計、井眼導向方式、地質導向方式對于提速提效具有重要價值，建議針對該區實際地質特征，進一步優化相關方案，并進行現場實施。

（3）近鉆頭地質導向方式相比常規工具，具有測斜零長更短，現場反應更加及時，具有區分儲層頂底界面，判斷軌跡出入層方式的能力，對于解決安場向斜區域儲層鉆遇率問題具有較強的針對性，建議根據地層情況優選應用。

參考文獻

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