趙紅燕 廖 勇 項(xiàng)克偉 鄒筱春 陳 輝 石元會(huì)

(中石化經(jīng)緯有限公司江漢測(cè)錄井分公司)

0 引 言

水平段軌跡優(yōu)化控制方法主要是根據(jù)物探、測(cè)井、錄井等資料，建立油氣藏的地質(zhì)模型，在鉆遇過程中實(shí)時(shí)修正模型，確保井眼軌跡控制和目的層鉆遇的最優(yōu)化[1-2]；當(dāng)?shù)貙觾A角發(fā)生變化時(shí)，根據(jù)地層的變化趨勢(shì)和規(guī)律對(duì)實(shí)鉆井斜角進(jìn)行調(diào)整，井斜角的調(diào)整應(yīng)考慮井斜角與地層傾角之間的匹配關(guān)系。

隨著頁巖氣開發(fā)的進(jìn)一步深入，鉆遇目的層由以往簡單儲(chǔ)層形態(tài)到各種復(fù)雜儲(chǔ)層形態(tài)的出現(xiàn)，制約了鉆井工程施工進(jìn)度和水平段儲(chǔ)層的有效鉆遇率。對(duì)于目的層產(chǎn)狀變化較大的水平段儲(chǔ)層，地質(zhì)導(dǎo)向通常采用的方法是增加控制點(diǎn)，將地層分解為多個(gè)單斜段，利用鉆時(shí)、氣測(cè)、隨鉆方位伽馬等資料監(jiān)測(cè)鉆頭所在目的層中的位置，依據(jù)地層傾角分段調(diào)整[3]。這種方法在實(shí)鉆追蹤控制過程中，當(dāng)鉆遇地層產(chǎn)狀變化較多的連續(xù)起伏型儲(chǔ)層時(shí)，往往容易出現(xiàn)井斜角調(diào)整頻次多、調(diào)整輻度大，導(dǎo)致井筒軌跡不圓滑、鉆出目的層等一系列地質(zhì)和工程風(fēng)險(xiǎn)。因此，迫切需要建立一種操作性強(qiáng)，易于現(xiàn)場(chǎng)普遍推廣應(yīng)用的連續(xù)頁巖氣儲(chǔ)層水平段地質(zhì)導(dǎo)向軌跡控制方法，達(dá)到助力鉆井提速提效的目的。

本文探討的起伏型地層是指同一地層界面地層變化呈波浪形狀，起伏角度明顯，如同“M”“W”“V”或反“V”形狀的對(duì)稱或非對(duì)稱、連續(xù)或非連續(xù)地層。

1 解決思路

通過研究大量起伏型地層地質(zhì)導(dǎo)向成功和失敗的典型案例，分析地質(zhì)導(dǎo)向指令的針對(duì)性、合理性、穿層的效果和軌跡的圓滑度，提出在目的層頂界面和底界面的起伏拐點(diǎn)處設(shè)置標(biāo)識(shí)點(diǎn)，結(jié)合入靶點(diǎn)和出靶點(diǎn)形成最優(yōu)的軌跡控制路徑，配合相應(yīng)公式計(jì)算獲得軌跡到達(dá)入靶點(diǎn)井斜角和每個(gè)分段中前一點(diǎn)到達(dá)后一點(diǎn)所需的井斜角，實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)起伏型儲(chǔ)層水平段軌跡控制。其目的是簡化控制方法、優(yōu)化工程曲率、減少軌跡調(diào)整頻次、縮短鉆井路線、提高鉆井質(zhì)量和時(shí)效。連續(xù)起伏型地層水平段軌跡控制方法作業(yè)流程圖如圖1所示。

圖1 連續(xù)起伏型地層水平段軌跡控制方法作業(yè)流程

2 實(shí)現(xiàn)方法和步驟

連續(xù)起伏型地層水平段軌跡控制的具體實(shí)現(xiàn)方法：收集待導(dǎo)向井及鄰井資料，建立精細(xì)地質(zhì)導(dǎo)向模型，明確最優(yōu)穿行層位、目的層水平段軌跡方向地層產(chǎn)狀變化；依據(jù)地質(zhì)導(dǎo)向模型確定起伏型地層軌跡分段參數(shù)和控制路徑；利用隨鉆伽馬、錄井資料、入靶前標(biāo)志層特征和水平段地層產(chǎn)狀變化控制入靶井斜；通過建立軌跡控制路徑計(jì)算模型獲得軌跡到達(dá)入靶點(diǎn)井斜角和到達(dá)地層起伏轉(zhuǎn)折點(diǎn)所需的井斜角，實(shí)現(xiàn)對(duì)起伏型地層水平段軌跡的合理控制。

2.1 資料準(zhǔn)備階段

(1)收集待導(dǎo)向井目的層的構(gòu)造屬性體和設(shè)計(jì)靶點(diǎn)數(shù)據(jù)，獲取待導(dǎo)向井目的層的精細(xì)解釋信息。

(2)收集待導(dǎo)向水平井所在區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)井、已鉆直井和鄰井地質(zhì)資料，獲取待導(dǎo)向井目的層綜合屬性信息。

(3)依據(jù)待導(dǎo)向井目的層的構(gòu)造數(shù)據(jù)和屬性信息建立地質(zhì)導(dǎo)向模型。

依據(jù)待導(dǎo)向井的水平段地震剖面圖和地質(zhì)導(dǎo)向模型，判斷儲(chǔ)層的起伏組合形態(tài)是否滿足連續(xù)起伏型儲(chǔ)層的變化特點(diǎn)，連續(xù)起伏型儲(chǔ)層的變化特點(diǎn)為“上傾”段和“下傾”段連續(xù)交替出現(xiàn)；若不滿足，則按常規(guī)水平段井眼軌跡控制。

2.2 確定軌跡分段控制路徑

2.2.1 確定分段參數(shù)

依據(jù)連續(xù)起伏型儲(chǔ)層的變化特點(diǎn)，結(jié)合導(dǎo)向井的水平段地震剖面圖和地質(zhì)導(dǎo)向模型，將目的層水平段同一頂界面入靶點(diǎn)表示為A1，中間起伏變化點(diǎn)依次表示為A2，A3，…，An-1，出靶點(diǎn)表示為An；將目的層水平段同一底界面入靶點(diǎn)表示為B1，中間起伏變化點(diǎn)依次表示為B2，B3，…，Bn-1，出靶點(diǎn)表示為Bn。其中，n為大于2的任意整數(shù)。

2.2.2 確定軌跡控制點(diǎn)

據(jù)待導(dǎo)向井水平段地震剖面圖和地層導(dǎo)向模型分別確定頂界面或底界面上相鄰兩點(diǎn)之間的分段視水平位移差L、分段高程差h、分段地層傾角α的數(shù)據(jù)。

2.2.3 確定軌跡控制路徑

當(dāng)連續(xù)起伏型儲(chǔ)層的第一段為“上傾”段時(shí)，則以A1作為入靶點(diǎn)，水平段軌跡控制路徑為A1、B2、A3、B4、……，直至到出靶點(diǎn)An或Bn；當(dāng)連續(xù)起伏型儲(chǔ)層的第一段為“下傾”段時(shí)，則以B1作為入靶點(diǎn)，水平段軌跡控制路徑為B1、A2、B3、A4、……，直至到出靶點(diǎn)An或Bn。對(duì)“M”型地層按“A1-B2-A3-B4-A5”標(biāo)記的路徑，分A1B2、B2A3、A3B4、B4A5共4段依次控制水平段軌跡(圖2)。對(duì)“W”型地層按“B1-A2-B3-A4-B5”標(biāo)記的路徑，分B1A2、A2B3、B3A4、A4B5共4段依次控制水平段軌跡(圖3)。

圖2 “M”型地層軌跡分段控制方案

圖3 “W”型地層軌跡分段控制方案

2.3 入靶井斜控制

入靶控制應(yīng)依據(jù)目的層產(chǎn)狀變化，利用入靶前地層標(biāo)志層、厚度、地層傾角變化等特征，合理使用靶前距，分段控制造斜率，實(shí)現(xiàn)垂深、層位、靶前距、井斜、方位“五位一體”目標(biāo)，達(dá)到精確入靶的目的[4-5]。入靶井斜角計(jì)算公式為：

γ0=90°-α0-β

式中：α0為入靶點(diǎn)地層傾角(地層下傾為正，上傾為負(fù))，(°)；β為軌跡方向與目的層水平段地層下切夾角，(°)，范圍為1°～3°(經(jīng)驗(yàn)常數(shù))；γ0為到達(dá)入靶點(diǎn)井斜角，(°)。

2.4 分段軌跡控制

從入靶點(diǎn)起，前后相鄰兩點(diǎn)為一個(gè)分段，對(duì)每個(gè)分段依次進(jìn)行軌跡角度控制，直至到達(dá)出靶點(diǎn)。“M”型地層4個(gè)分段的軌跡控制路徑公式計(jì)算模型如圖4所示。在每個(gè)分段中，第1段前一點(diǎn)到達(dá)后一點(diǎn)所需的井斜角用γ1′表示，第2段前一點(diǎn)到達(dá)后一點(diǎn)所需的井斜角用γ2′表示，第i個(gè)分段前一點(diǎn)到達(dá)后一點(diǎn)所需的井斜角用γi′表示。γi′計(jì)算公式為：

圖4 “M”型地層軌跡控制路徑公式計(jì)算模型

hi=tanαi·Li

di=hi-H

γi=arctan(di/Li)

γi′=90°-γi

式中：hi為目的層同一界面上第i個(gè)分段前后相鄰兩點(diǎn)的高程差，m；αi為第i個(gè)分段地層傾角，(°)；Li為第i個(gè)分段視水平位移差，m；di為水平段第i個(gè)分段軌跡控制路徑上相鄰兩點(diǎn)的高程差，m；H為目的層厚度，m；γi為消除水平段控制軌跡路徑上第i個(gè)分段相鄰兩點(diǎn)間同一地層界限高程差所需傾角度數(shù)(地層下傾為正，上傾為負(fù))，(°)；γi′為到達(dá)第i個(gè)分段后一點(diǎn)處的井斜角，(°)；i為≥1的整數(shù)。

在從A1-B2點(diǎn)水平段控制軌跡過程中，進(jìn)入B2點(diǎn)時(shí)采取快進(jìn)緩出的控制方法，如實(shí)際鉆遇地層變化，根據(jù)B2點(diǎn)位置改變的L1或α1變化情況，按到達(dá)B2點(diǎn)所需井斜角計(jì)算公式，重新計(jì)算到達(dá)B2點(diǎn)所需要的井斜角，確保在分段結(jié)束的位置準(zhǔn)確抵達(dá)B2點(diǎn)；如B2點(diǎn)位置前移或后移改變分段長度L1，B2點(diǎn)位置上移或下移改變地層傾角α1。后續(xù)分段軌跡控制操作方法類似。

該方法適用于目的層同一界面上滿足1≤h/H≤10(目的層太厚，即h/H≤1，此方法無意義；目的層太薄，即h/H≥10，此方法也不可保證準(zhǔn)確鉆遇率，容易出層)的對(duì)稱或非對(duì)稱、連續(xù)或非連續(xù)“M”“W”“V”或反“V”形狀起伏地層。水平段軌跡效果評(píng)價(jià)依據(jù)地質(zhì)設(shè)計(jì)中井身質(zhì)量靶體考核范圍指標(biāo)和全角變化率考核指標(biāo)執(zhí)行。本文所講的對(duì)稱“M”形狀地層模型，其h、H均為理想化統(tǒng)一數(shù)值，如遇非對(duì)稱模型，h、H會(huì)有變化，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算。

3 應(yīng)用實(shí)例分析

該方法在中揚(yáng)子地區(qū)頁巖氣井應(yīng)用50余口井，克服了起伏型地層水平段軌跡控制難度大，井眼欠圓滑的問題，實(shí)現(xiàn)目的層平均鉆遇率90.0%，提高定向效率40.0%以上，大幅提高了鉆井時(shí)效，地質(zhì)導(dǎo)向成功效果明顯。

B 2-X1HF井水平段為非對(duì)稱“M”型連續(xù)起伏儲(chǔ)層，目的層厚度9.0 m；入靶前地層下傾2.00°，于井深2 690.0 m井斜86.20°入A靶點(diǎn)，根據(jù)地震剖面圖和地質(zhì)導(dǎo)向模型及實(shí)時(shí)隨鉆監(jiān)控，水平段方向地層明顯起伏點(diǎn)有5個(gè)，實(shí)鉆分段水平位移差在284.28～871.57 m之間，地層傾角在上傾3.35°至下傾4.20°范圍內(nèi)變化(表1)。應(yīng)用本方法調(diào)整水平段軌跡，井深5 386.8 m井斜86.6°后穩(wěn)斜鉆進(jìn)至B靶點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)鉆水平段長2 760.0 m，儲(chǔ)層鉆遇率100%，全角變化率0.50°/30 m～0.85°/30 m、平均0.61°/30 m，軌跡控制圓滑，工程易于實(shí)現(xiàn)(圖5)。

表1 B 2-X1HF井水平段連續(xù)起伏型地層軌跡控制計(jì)算數(shù)據(jù)

圖5 B 2-X1HF井水平段連續(xù)起伏型地層穿層軌跡

4 結(jié) 論

本文提出的起伏型地層水平段地質(zhì)導(dǎo)向控制路徑方法經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)方案合理，可操作性強(qiáng)。在目的層同一界面上滿足1≤h/H≤10的條件下，計(jì)算模型適用于對(duì)稱或非對(duì)稱、連續(xù)或非連續(xù)“M”“W”“V”或反“V”形狀起伏地層。

建立的起伏型地層水平段地質(zhì)導(dǎo)向控制方法簡單、軌跡調(diào)整頻次少、鉆井路線短，在提高鉆井質(zhì)量和時(shí)效方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，可為國內(nèi)其他頁巖氣探區(qū)連續(xù)起伏型地層水平段井筒軌跡控制提供借鑒和指導(dǎo)。