煤層氣分支水平井地質(zhì)導(dǎo)向?qū)嵺`與認(rèn)識(shí)

紀(jì) 偉 姜維寨 胡錦堂 李新房 孟憲軍 趙年峰

（1.渤海鉆探工程有限公司第二錄井公司，河北任丘 062552；2.渤海石油職業(yè)學(xué)院，河北任丘 062552；3.渤海裝備制造公司，河北任丘 062552）

分支井技術(shù)是水平井、側(cè)鉆井技術(shù)的集成和發(fā)展。依據(jù)裝備水平和水平鉆探目的層的差異，國內(nèi)外各公司在水平井鉆探過程中所采用的地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)也各有所異。從調(diào)研結(jié)果來看，煤層氣分支水平井導(dǎo)向工具一般選用較為先進(jìn)的LWD或EMWD電磁波聚焦伽馬進(jìn)行近圍巖識(shí)別，引導(dǎo)鉆頭在煤層中穿越。然而，煤層易垮塌的特性導(dǎo)致埋鉆具事故頻發(fā)，LWD和EMWD電磁波聚焦伽馬進(jìn)口儀器價(jià)格的高昂增加了煤層氣分支水平井鉆探的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

為實(shí)現(xiàn)低成本開發(fā)煤層氣的目的，通過借鑒油氣水平井導(dǎo)向施工經(jīng)驗(yàn)，分析承鉆井區(qū)塊的煤層特點(diǎn)，在ZP02井、ZP05井采取了用綜合錄井監(jiān)測(cè)參數(shù)彌補(bǔ)國產(chǎn)MWD導(dǎo)向儀器地質(zhì)參數(shù)不足的方法，嘗試采用國產(chǎn)化的綜合錄井和隨鉆伽馬測(cè)量?jī)x器相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)煤層地質(zhì)導(dǎo)向。

1 導(dǎo)向施工難點(diǎn)

承鉆的多分支水平井結(jié)構(gòu)由工藝井（分支水平井）和洞穴直井組成，設(shè)計(jì)主井眼水平位移600~800 m，分支井眼長(zhǎng)度200~500 m。鉆探目的煤層為山西組3#煤層，厚度5~7 m，地層傾向基本為上傾，地層傾角2~9°。受鉆探區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)和鉆井工藝特點(diǎn)的影響，導(dǎo)向施工主要面臨三方面挑戰(zhàn)。

（1）分支水平井井眼覆蓋區(qū)域內(nèi)，小型褶曲、斷層發(fā)育，煤層的地層傾角、厚度、深度變化規(guī)律難以掌握。褶曲發(fā)育區(qū)，縱橫向鉆探井眼地層傾向變化頻繁，井眼軌跡需要不斷進(jìn)行大幅度調(diào)整；斷層發(fā)育區(qū)，受斷層傾向和斷距影響，煤層傾角和深度突變，水平追蹤難度大，甚至無法追蹤。

（2）受煤層非均質(zhì)性影響，煤層內(nèi)部GR值波動(dòng)區(qū)間大（表1），干擾鉆頭位置判斷。GR曲線是煤層導(dǎo)向的主要依據(jù)，然而在水平段長(zhǎng)距離的縱向延伸和橫向跨越過程中，不僅存在GR測(cè)量值與煤層頂?shù)啄鄮rGR測(cè)量值近似的煤矸石，且煤層中所含的泥質(zhì)粉砂質(zhì)成分含量和煤矸石位置均有較大變化，導(dǎo)致煤層內(nèi)部的GR曲線形態(tài)、GR值差異較大，僅依據(jù)無方向性的隨鉆伽馬曲線無法準(zhǔn)確進(jìn)行煤層近圍巖識(shí)別和判斷。

表1 ZP2井鄰井3#煤層內(nèi)部電測(cè)GR變化統(tǒng)計(jì)

（3）鉆時(shí)、全烴、巖屑等綜合錄井導(dǎo)向參數(shù)干擾因素多，建立綜合錄井參數(shù)與地層的直接對(duì)應(yīng)關(guān)系難度大。如鉆時(shí)在鉆井條件一致的情況下，主要反映巖石的可鉆性，在3#煤層附近發(fā)育的巖性，煤層可鉆性最好，灰?guī)r的可鉆性最差，泥巖、砂巖介于二者之間。然而在實(shí)際鉆進(jìn)過程中，受鉆壓大、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速高、摩阻小等施工條件影響，泥巖的鉆時(shí)和煤層的鉆時(shí)經(jīng)常難以區(qū)分，需要根據(jù)施工情況綜合分析，去偽存真。全烴和巖屑則受到煤層硬脆、易垮塌特性影響，在活動(dòng)鉆具、定向加壓等鉆井施工過程中，由鉆具變形造成煤層段井壁二次破壞，產(chǎn)生高全烴異常和巖樣中煤屑增多的假象。

2 導(dǎo)向參數(shù)優(yōu)選

利用綜合錄井和地球物理測(cè)井及其他分析化驗(yàn)資料對(duì)地層綜合判斷是現(xiàn)場(chǎng)錄井的主要任務(wù)。通過統(tǒng)計(jì)13口晉城地區(qū)的探井資料發(fā)現(xiàn)，煤層氣儲(chǔ)層在綜合錄井中表現(xiàn)為鉆時(shí)快、扭矩小、氣測(cè)全量和組分含量中甲烷含量劇增甚至飽和。在地球物理測(cè)井曲線上，視電阻率曲線表現(xiàn)為高阻，深、淺側(cè)向曲線有較高的幅度差，自然電位曲線一般呈正異常，自然伽馬則表現(xiàn)為明顯低值，密度測(cè)井曲線上表現(xiàn)為最小值，聲波時(shí)差較大表現(xiàn)為高值，井徑曲線擴(kuò)徑明顯（圖1）。

圖1 ZP02井3#煤層氣測(cè)井曲線

根據(jù)煤層氣儲(chǔ)層的綜合錄井和地球物理測(cè)井曲線顯示特征統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，鉆時(shí)、全烴、GR、巖屑、扭矩等5項(xiàng)參數(shù)在隨鉆跟蹤鉆頭位置方面變化明顯，可作為導(dǎo)向指示依據(jù)。其中鉆時(shí)快、全烴顯示活躍為鉆頭是否在煤層中鉆進(jìn)的首要判斷參數(shù)，巖屑、扭矩作為是否在煤層中鉆進(jìn)的輔助判斷參數(shù)；GR測(cè)量值由于煤矸石的存在，將3#煤層進(jìn)一步細(xì)分為上煤、中煤、下煤等單元（表1、圖1、圖3），可作為分析鉆頭在煤層中位置的依據(jù)參數(shù)。

3 地質(zhì)導(dǎo)向方法

煤層氣分支水平井鉆探基本上沒有使用隨鉆伽馬測(cè)量?jī)x作為導(dǎo)向工具的先例，也就談不上經(jīng)驗(yàn)借鑒。在現(xiàn)場(chǎng)施工過程中，通過ZP02井M1及其5個(gè)分支的實(shí)驗(yàn)摸索，建立起導(dǎo)向工作流程，細(xì)化了鉆前分析、軌跡控制、頂出底出判斷和總結(jié)認(rèn)識(shí)4個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的技術(shù)措施，在后期鉆探施工中取得了良好效果，ZP02井實(shí)現(xiàn)見煤進(jìn)尺3105 m，煤層鉆遇率88.08%；ZP05井實(shí)現(xiàn)見煤進(jìn)尺3169 m，煤層鉆遇率89.40%。

3.1 鉆前分析

鉆前分析就是采用“已知推未知”的方法，了解施工井的構(gòu)造地質(zhì)特點(diǎn)及錄、測(cè)井資料響應(yīng)特征，獲取導(dǎo)向鉆進(jìn)的基本指導(dǎo)信息。

（1）煤層氣分支水平井橫向跨度大、縱向穿越距離遠(yuǎn)，通過提前分析海拔等值線與構(gòu)造設(shè)計(jì)井眼軌跡投影圖以及地震測(cè)線剖面，掌握主、分支井眼的地層傾角變化情況，可以為水平鉆進(jìn)過程中準(zhǔn)確判斷煤層頂?shù)?、有目的的調(diào)整井眼軌跡提供可靠依據(jù)。

如圖2所示，在ZP05井第一主支M1井眼施工前，通過計(jì)算已鉆鄰井與洞穴井間煤層地層傾角變化，能夠得出覆蓋區(qū)域地層傾角總體為上傾，地層傾角在91.25~91.48°變化的特征；以接近于M1井眼鉆探方位的ZHS32井與洞穴井ZP05-1V井間地層傾角為基礎(chǔ)，推算出ZP05井主支M1井眼地層傾角為91.35°，與實(shí)際鉆探地層傾角89.87°誤差為1.48°。獲得主分支地層傾角變化情況后，可有效增強(qiáng)主分支井眼軌跡控制的目的性。

圖2 地層傾角推測(cè)示意圖

式中，α為ZP05-1H井與ZP05-1V井的地層傾角；α1為ZHS32井與ZP05-1V井的地層傾角；L1為ZHS32井與ZP05-1V井25 m等高線間的距離；L2為ZP05-1H井與ZP05-1V井25 m等高線間的距離。

（2）煤層內(nèi)部成分并非均一的，在垂向分布上，不同深度的煤巖所含的泥質(zhì)、粉砂質(zhì)、炭質(zhì)泥巖成分含量都有所差異。這種差異表現(xiàn)為煤層縱向上的伽馬測(cè)量曲線高低起伏變化，尤其是放射性元素含量多的煤矸石，伽馬曲線響應(yīng)特征明顯，可以作為細(xì)分煤層的標(biāo)志。如表1、圖1所示，ZP02井3#煤層發(fā)育上、下兩層煤矸石，可將煤層分為上煤層段、上煤矸石段、中煤層段、下煤矸石段和底煤層段5個(gè)深度區(qū)間。在實(shí)鉆過程中，就可依據(jù)GR值的大小及形態(tài)變化，判斷出鉆頭在煤層中的哪個(gè)深度區(qū)間，計(jì)算出距煤層頂?shù)椎拇蟾藕穸龋▓D3），指導(dǎo)井眼軌跡控制。

圖3 ZP05井3#煤層內(nèi)部GR特征圖解

3.2 軌跡控制

軌跡控制的主要目的是提高煤層鉆遇率，并保證井眼軌跡平滑，其關(guān)鍵是及早確定地層傾角，控制好井斜角與地層傾角的角差，減少出層和大幅度的井眼軌跡調(diào)整。地層傾角雖然能夠根據(jù)已揭開地層的頂出、底出或進(jìn)出煤矸石標(biāo)志層計(jì)算得出，但是計(jì)算所得的地層傾角為已鉆過地層的平均角度，并不能準(zhǔn)確反映正鉆地層的地層傾角。在褶曲發(fā)育區(qū)，地層傾角反復(fù)變化，僅依據(jù)已揭開地層的傾角指導(dǎo)后續(xù)鉆進(jìn)，極易造成井斜角總也跟不上地層傾角變化，頻繁出層。如何能預(yù)測(cè)正鉆地層角差控制是否合理，是提前進(jìn)行井眼軌跡微調(diào)，保障最佳軌跡控制效果的基礎(chǔ)。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，利用GR、全烴、鉆時(shí)等參數(shù)分別建立了層內(nèi)判斷和層外判斷2種角差合理性判斷方法。

3.2.1 GR曲線特征判斷法（層內(nèi)判斷） ZP區(qū)塊3#煤層下部煤矸石區(qū)域穩(wěn)定分布，且距頂?shù)啄鄮r均有一定的距離。在水平鉆進(jìn)過程中，圍繞著下部煤矸石施工，既可以根據(jù)鉆頭進(jìn)出煤矸石的同一界面（煤矸石頂面或底面）計(jì)算已鉆井段的平均地層傾角，也可依據(jù)穿越同一厚度煤矸石的鉆進(jìn)進(jìn)尺差異計(jì)算正鉆位置的地層傾角，在煤層內(nèi)部鉆進(jìn)過程中獲得較準(zhǔn)確地層傾角，進(jìn)行井眼軌跡調(diào)整，避免鉆遇頂?shù)啄鄮r后匆忙調(diào)整井斜，有利于井眼軌跡圓滑和減少無效進(jìn)尺。

如圖4所示，假定煤矸石厚度不變，當(dāng)井斜角與地層傾角一致時(shí)，鉆頭將保持在煤矸石的同一位置鉆進(jìn)，只有當(dāng)井斜角與地層傾角有角度差時(shí)，鉆頭才可能鉆穿煤矸石。煤矸石厚度與鉆穿煤矸石的進(jìn)尺、角差間可建立正弦三角函數(shù)關(guān)系，即穿越煤矸石PQ間的鉆井進(jìn)尺L1和EF間的鉆井進(jìn)尺L2，與煤矸石厚度H和穿越煤矸石時(shí)的井斜角與地層傾角間的角差β1、β2能夠建立關(guān)系式

式中，L1、L2、β1可由隨鉆GR測(cè)量曲線或第1次穿越煤矸石已知井斜角φ1和地層傾角α1獲得，從而計(jì)算得出第2次穿越煤矸石時(shí)井斜角與地層傾角的差值，并根據(jù)第2次穿越煤矸石時(shí)的已知井斜角φ2計(jì)算出正鉆地層的地層傾角α2。

圖4 角差計(jì)算示意圖

3.2.2 鉆時(shí)全烴特征判斷法（層外判斷） 在非煤層鉆進(jìn)過程中，為了減少無效進(jìn)尺，一般采用最大造斜率進(jìn)行鉆進(jìn)，確定進(jìn)入目標(biāo)層后，再進(jìn)行反向調(diào)整。由于GR、井斜測(cè)量工具距離井底有一定距離，全烴、巖屑受遲到時(shí)間影響同樣有滯后性，如果在追層鉆進(jìn)過程中，保持定向鉆進(jìn)至各參數(shù)均反映進(jìn)入煤層，則井斜角可能已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地層傾角，很快需要反向調(diào)整井斜角度，不利于井眼軌跡的圓滑。因此利用基本上與鉆頭同步的鉆時(shí)為指示，循環(huán)觀察全烴變化的方法，盡可能在第一時(shí)間判斷進(jìn)入煤層并計(jì)算地層傾角，減少井眼軌跡調(diào)整幅度。

3.3 頂出底出判斷

方向GR導(dǎo)向工具條件下，頂出底出判斷相對(duì)簡(jiǎn)單，上伽馬值先抬升、下伽馬值后抬升為頂出，下伽馬值先抬升、上伽馬值后抬升為底出。而在MWD導(dǎo)向工具條件下，由于GR曲線無方向性，頂出底出判斷相對(duì)困難，需要根據(jù)GR、鉆時(shí)、全烴和巖屑等參數(shù)的組合變化特征進(jìn)行綜合分析。

3.3.1 GR曲線組合特征判斷法 3#煤層內(nèi)部縱向上不同位置存在的煤矸石，不僅能對(duì)鉆頭處在煤層中的位置進(jìn)行判斷，還可以依據(jù)揭開地層的GR曲線組合特征變化進(jìn)行頂出、底出煤層判斷。如圖5所示，ZP02井上下煤矸石分布較為穩(wěn)定，在水平鉆進(jìn)過程中，一般控制鉆頭在上下煤矸石間鉆進(jìn)。當(dāng)?shù)壮雒簩訒r(shí)，GR曲線顯示為低（煤）、高（下煤矸石）、中（底煤）、高（底板泥巖）組合特征；頂出煤層時(shí)，GR曲線組合特征表現(xiàn)為低（煤）、中（上煤矸石）、低（上煤）、高（頂板泥巖）。

圖5 ZP02井3#煤層GR曲線特征

3.3.2 GR、鉆時(shí)組合特征判斷法 由于隨鉆伽馬滯后井段較長(zhǎng)（10 m左右），僅依據(jù)GR測(cè)量值進(jìn)行判斷，就會(huì)造成無效進(jìn)尺增多。多分支水平井鉆探覆蓋區(qū)域較大，在不同方位、不同位移鉆遇煤層的成分和煤矸石位置難免發(fā)生變化，GR測(cè)量值和曲線形態(tài)隨之產(chǎn)生差異，困擾頂出、底出判斷。經(jīng)過實(shí)鉆發(fā)現(xiàn)，3#煤層頂板泥巖致密堅(jiān)硬，可鉆性差，底板泥巖含粉砂質(zhì)、炭質(zhì)成分，可鉆性較好，可作為頂出、底出判斷的依據(jù)；鉆時(shí)能夠?qū)崟r(shí)反映井底情況，基本上沒有滯后井段，可及時(shí)進(jìn)行井眼軌跡調(diào)整，因此GR、鉆時(shí)組合特征判斷法是實(shí)鉆中最常用的方法。

ZP05井L7（L2）分支鉆進(jìn)至井深1327.00 m時(shí)，在鉆井參數(shù)一致的情況下，鉆時(shí)由2 min/m上升至5 min/m，機(jī)械鉆速明顯變慢（圖6），有出煤層跡象，隨鉆伽馬測(cè)至井深1316 m，伽馬測(cè)量值50~60 API，顯示測(cè)量位置仍為煤層。結(jié)合鉆開井眼3#煤層自上而下整體GR變化特征分析，判斷鉆頭接近煤層頂部，進(jìn)行降斜鉆進(jìn)，于井深1368.00 m重新進(jìn)入煤層。

圖6 ZP05井L7（L2）井眼錄井參數(shù)變化曲線

3.3.3 綜合分析判斷法 隨著煤層水平井段的延伸，鉆時(shí)、全烴、GR、巖屑等參數(shù)受到的干擾因素增多，如拖壓、活動(dòng)鉆具、煤層二次破壞等，鉆時(shí)、全烴不能真實(shí)反映地層情況；煤層厚度、煤矸石位置、煤層內(nèi)部成分發(fā)生變化，GR曲線測(cè)量值和測(cè)量曲線形態(tài)有所不同。這就需要綜合分析影響因素，辨別參數(shù)的可靠性，并參考已揭開井眼的垂深、曲線形態(tài)、地震測(cè)線變化以及構(gòu)造圖形態(tài)進(jìn)行綜合分析。

ZP05井L3（L2）分支鉆至井深1373.00 m（位移623.57 m）時(shí)，GR值由30 API上升至107.99 API。定向鉆進(jìn)調(diào)整井斜，鉆壓120 kN，鉆時(shí)高達(dá)22 min/m，全烴值由76.378%下降至15.541%，各參數(shù)顯示鉆出煤層。但經(jīng)過分析工程參數(shù)，定向施工下放鉆具摩阻80 kN，即鉆頭上的鉆壓僅為40 kN，機(jī)械鉆速慢主要因?yàn)殂@壓小，不能說明地層可鉆性差；而全烴值下降是由于鉆時(shí)高，鉆頭單位時(shí)間內(nèi)破碎巖屑體積少。結(jié)合已鉆開井眼的GR曲線形態(tài)特征及3#煤層巖電特征，綜合分析認(rèn)為鉆遇煤矸石。繼續(xù)鉆進(jìn)至1430.00 m后，GR值由30 API逐漸上升至112.83 API，鉆壓30~50 kN復(fù)合鉆進(jìn)，鉆時(shí)由1.5 min/m上升至6.3 min/m，全烴值由73.964%逐漸下降至11.929%，沒有上升的趨勢(shì)，綜合判斷為頂出（圖7）。

圖7 ZP05井L3（L2）井眼參數(shù)變化曲線

每口分支水平井都包括多個(gè)井眼，ZP02、ZP05井設(shè)計(jì)均為10個(gè)水平井眼，因此每鉆完一個(gè)井眼，建立以位移為標(biāo)尺的地層傾角、煤層頂?shù)咨疃?、煤矸石的曲線形態(tài)變化統(tǒng)計(jì)表，不斷加深對(duì)鉆探區(qū)目標(biāo)煤層的展布形態(tài)和地質(zhì)特點(diǎn)認(rèn)識(shí)，同樣為指導(dǎo)后續(xù)井眼鉆探施工的有效方法。

4 認(rèn)識(shí)與建議

（1）ZP02、ZP05井的鉆探實(shí)踐表明，在煤層厚度較大、發(fā)育煤矸石標(biāo)志層的3#煤層中，使用隨鉆伽馬測(cè)量?jī)x器和綜合錄井儀相結(jié)合，實(shí)施分支水平井鉆探是切實(shí)可行的。

（2）隨鉆伽馬導(dǎo)向工具條件下，GR、鉆時(shí)、全烴、巖屑等煤層導(dǎo)向參數(shù)均存在著多解性，在具體應(yīng)用中要注意“去偽存真”，采用多參數(shù)判斷，才能保證結(jié)論的準(zhǔn)確性。

（3）鉆時(shí)在煤層、非煤層判斷及煤層近圍巖識(shí)別上都是十分重要的參數(shù)，建議在鉆井過程盡量不要采用“控速”鉆進(jìn)方式，而采用“穩(wěn)壓”鉆進(jìn)。。

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