彭水頁(yè)巖氣水平井中靶技術(shù)與應(yīng)用

谷紅陶，袁航，夏海幫

（中國(guó)石化華東油氣分公司非常規(guī)資源勘探開發(fā)指揮部，山西鄉(xiāng)寧042100）

彭水頁(yè)巖氣水平井中靶技術(shù)與應(yīng)用

谷紅陶，袁航，夏海幫

（中國(guó)石化華東油氣分公司非常規(guī)資源勘探開發(fā)指揮部，山西鄉(xiāng)寧042100）

通過對(duì)彭水地區(qū)PYHF-1井地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)的攻關(guān)研究與總結(jié)，提出了一種“數(shù)學(xué)逼近算法”。依據(jù)地質(zhì)標(biāo)志層逐步計(jì)算實(shí)鉆地層傾角進(jìn)而預(yù)測(cè)靶點(diǎn)垂深位置的中靶技術(shù)，建立了適合彭水區(qū)塊的頁(yè)巖氣水平井中靶計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，給出了數(shù)學(xué)模型的解析解。并在中靶技術(shù)計(jì)算過程中，提出了“地層微分化”的概念，提高了靶點(diǎn)垂深計(jì)算的準(zhǔn)確性。該方法具有直觀性、操作簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)，并在PY2HF、PY3HF、PY4HF井中靶計(jì)算過程中成功應(yīng)用。

頁(yè)巖氣水平井；中靶技術(shù)；地質(zhì)標(biāo)志層；數(shù)學(xué)逼近算法；地層微分化

彭水頁(yè)巖氣區(qū)是華東油氣分公司在重慶地區(qū)的頁(yè)巖氣重點(diǎn)勘探目標(biāo)區(qū)帶，屬于川東南地區(qū)典型的盆緣改造型常壓頁(yè)巖氣藏分布區(qū)，目前該區(qū)已投產(chǎn)頁(yè)巖氣生產(chǎn)井4口，獲得了日產(chǎn)（4～6）×104m3的穩(wěn)定工業(yè)氣流，年供氣規(guī)模超1 000×104m3。

1 彭水區(qū)塊水平井中靶難點(diǎn)

1）二維地震資料精度較低，地層產(chǎn)狀、微小斷層落實(shí)程度差，目的層鉆遇率難以保障。桑柘坪向斜作為彭水區(qū)塊頁(yè)巖氣勘探主戰(zhàn)場(chǎng)，面積1 553 km2，目前僅完成密度1 km×2 km/17條二維地震剖面，后期二維地震資料解釋過程中，時(shí)深的轉(zhuǎn)換所需建立的速度模型準(zhǔn)確性較低，最終導(dǎo)致二維地震資料對(duì)目的頁(yè)巖層深度預(yù)測(cè)存在較大的偏差，PY1井地層底深設(shè)計(jì)與實(shí)鉆最大相差385 m，水平井A靶點(diǎn)垂深設(shè)計(jì)與實(shí)鉆相差105 m。

2）區(qū)塊勘探程度低，探井地質(zhì)資料少，地層產(chǎn)狀變化大?？碧侥繕?biāo)區(qū)目的頁(yè)巖層地層傾角從翼部的18°～20°變化到核部的3°～4°，目的層頂界埋深從2 000 m變化到3 300 m。而該區(qū)目前只鉆探一口頁(yè)巖氣探井（PY1井），缺少必要的地層資料參考和對(duì)比依據(jù)。

鑒于以上原因，彭水地區(qū)頁(yè)巖氣水平井鉆探施工過程中，利用常規(guī)對(duì)比手段已不能滿足精確中靶的要求。通過對(duì)PYHF-1井鉆探經(jīng)驗(yàn)摸索、技術(shù)攻關(guān)，提出了一種適應(yīng)彭水區(qū)塊構(gòu)造復(fù)雜帶地層（非單斜地層、地層傾角變化大）、無(wú)導(dǎo)眼頁(yè)巖氣水平井的中靶技術(shù)，在PY2HF井、PY3HF井、PY4HF井鉆探過程中得到了良好的應(yīng)用。

2 水平井中靶技術(shù)研究

2.1 中靶原則

水平井的靶窗可以假想為一個(gè)在目的層內(nèi)以水平井眼軌道為軸線的空間靶，頁(yè)巖氣水平井準(zhǔn)確中靶原則：現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員在滿足地質(zhì)要求的前提下，根據(jù)實(shí)鉆井軌跡參數(shù)、地層巖性組合變化特征等數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)調(diào)整靶點(diǎn)數(shù)據(jù)、控制好靶前距，確保鉆井以最優(yōu)的角度和方位進(jìn)入到靶窗內(nèi)。

2.2 中靶技術(shù)

彭水地區(qū)頁(yè)巖氣水平井中靶工作思路包括：根據(jù)區(qū)域參數(shù)井PY1井鉆探獲取地層巖性組合、鉆時(shí)氣測(cè)、電測(cè)特征。目的頁(yè)巖層段上部選取區(qū)域地質(zhì)標(biāo)志層，鉆遇地質(zhì)標(biāo)志層段。根據(jù)實(shí)鉆井軌跡數(shù)據(jù)，計(jì)算正鉆地層視傾角，地質(zhì)標(biāo)志層與A靶靶窗之間地層真厚度特征，完成A靶垂深預(yù)測(cè)。

2.2.1 區(qū)域地質(zhì)標(biāo)志層的選擇

PY1井作為彭水地區(qū)唯一的參數(shù)井，五峰—龍馬溪組累計(jì)完成102.04 m取心，并完成一系列常規(guī)、特殊測(cè)井項(xiàng)目，完善了區(qū)域地質(zhì)資料，獲取了區(qū)域地層“鐵柱子”。為滿足區(qū)域頁(yè)巖氣水平評(píng)價(jià)井中靶的要求，根據(jù)地層巖性特征、鉆時(shí)氣測(cè)特征以及電測(cè)特征，五峰—龍馬溪組地層共計(jì)完成7個(gè)區(qū)域地質(zhì)標(biāo)志層的刻度[1-2]。

表1 彭水區(qū)塊不同巖性地層對(duì)應(yīng)參數(shù)Table 1 Corresponding reference parameters of different lithostratigraphy in Pengshui block

1）井底巖性及時(shí)識(shí)別

頁(yè)巖氣水平井實(shí)鉆過程中，由于遲到時(shí)間和隨鉆測(cè)井儀器盲區(qū)的存在，無(wú)論是返出的巖屑還是隨鉆測(cè)井曲線均表現(xiàn)出一定的滯后性。這時(shí)利用鉆時(shí)、扭矩、地層自然造斜能力等實(shí)鉆參數(shù)（表1），結(jié)合地層巖性組合特征，可大致判斷正鉆鉆頭位置。

2）區(qū)域地質(zhì)標(biāo)志層的刻度

上下接觸的地層產(chǎn)狀一般具有繼承性或規(guī)律性變化，在造斜點(diǎn)至目的層之間選擇分布相對(duì)穩(wěn)定、上下巖性變化明顯的地層界面，以及測(cè)井曲線上易于識(shí)別的具有區(qū)域代表性的特征段來作為區(qū)域地質(zhì)標(biāo)志層的刻度標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)鉆深度、地層產(chǎn)狀變化及變化趨勢(shì)的實(shí)時(shí)對(duì)比分析，提前預(yù)測(cè)目的層構(gòu)造變化及變化幅度。根據(jù)彭水區(qū)塊PY1井實(shí)鉆地層特點(diǎn)，按照位置特征、巖性特征、厚度特征、曲線特征相結(jié)合的方式，刻度了具有區(qū)域代表性的1個(gè)標(biāo)志層和6個(gè)特征段作為區(qū)域地質(zhì)標(biāo)志層（表2）。

表2 彭水區(qū)塊區(qū)域標(biāo)志層特征描述Table 2 Character description of regional marked bed in Pengshui block

2.2.2 地層視傾角計(jì)算

設(shè)鉆遇地質(zhì)標(biāo)志層上下界面分別與實(shí)鉆井軌跡相交于特征點(diǎn)b、特征點(diǎn)c，特征點(diǎn)b已知參數(shù)包括垂深Db、視平移Vb以及北南位移Nb、東西位移Eb，特征點(diǎn)c已知參數(shù)包括垂深Dc、視平移Vc以及北南位移Nc、東西位移Ec。圖1采用柱面圖表示法[3]繪制井軌跡水平投影圖及垂直剖面圖，圖中，H為鉆遇地質(zhì)標(biāo)志層的真厚度，α為鉆至特征點(diǎn)c處時(shí)井軌跡井斜角，ΔV為特征點(diǎn)b與特征點(diǎn)c之間的視位移差，ΔD為特征點(diǎn)b、c兩點(diǎn)垂深差，ΔL為特征點(diǎn)b、c兩點(diǎn)井深差，設(shè)定θ為實(shí)鉆井軌跡井斜方位角方向地層視傾角。

合并（1）、（2）、（3）式得地層視傾角計(jì)算公式為：

圖1 地層視傾角計(jì)算示意圖Fig.1 Calculation schematic diagram of apparent formation dip

2.2.3 水平井靶點(diǎn)垂深預(yù)測(cè)

1）數(shù)學(xué)模型的建立

根據(jù)實(shí)鉆井軌跡參數(shù)、地質(zhì)標(biāo)志層深度及其真厚度值，可以計(jì)算得出正鉆地層視傾角，再利用“標(biāo)志層逐步逼近控制”的方法，在實(shí)鉆數(shù)據(jù)不斷更新的過程中，對(duì)地層產(chǎn)狀加以核實(shí)和修正，同時(shí)逐級(jí)預(yù)測(cè)和校正鉆遇地質(zhì)標(biāo)志層的產(chǎn)狀變化特征，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)軌道的調(diào)整和優(yōu)化，最終可以完成水平井精細(xì)中靶的目標(biāo)[5-7]（圖2）。

2）水平井靶點(diǎn)預(yù)測(cè)

本文公式中，具有長(zhǎng)度量綱的參數(shù)其物理單位為米，角度參數(shù)的物理單位為度。

假設(shè)hk為k標(biāo)志層頂板在鉛垂線上的投影，Δhk為k標(biāo)志層厚度在鉛垂線上的投影，Hk表示k標(biāo)志層底板到靶點(diǎn)A的垂直距離（圖2）。則靶點(diǎn)垂深HA預(yù)測(cè)公式為[8]：

圖2 水平井局部構(gòu)造預(yù)測(cè)及軌跡調(diào)整示意圖Fig.2 Local structure prediction and trajectory adjustment schematic diagram of horizontal wells

依據(jù)“標(biāo)志層逐步逼近控制”的原則，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作過程中，選取的區(qū)域標(biāo)志層越多，即k值選取的越多，靶點(diǎn)垂深預(yù)測(cè)數(shù)值越精確。

進(jìn)一步分解公式（5），如下：

公路工程機(jī)械設(shè)備自身的科技含量高低，會(huì)對(duì)設(shè)備的綜合性能造成很大的影響，因此在施工機(jī)械設(shè)備采購(gòu)的過程中，需要了解機(jī)械設(shè)備的性能，不能盲目地購(gòu)買，導(dǎo)致工程受到影響。機(jī)械設(shè)備在應(yīng)用的過程中，機(jī)械的完好率、工作性能和維護(hù)管理效果，在一定的程度上會(huì)對(duì)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行效率造成影響，因此采購(gòu)人員在設(shè)備購(gòu)買的過程中，需要做好機(jī)械設(shè)備的綜合性能檢測(cè)以及設(shè)備的完好率檢測(cè)，同時(shí)還要貨比三家，選擇質(zhì)量好、價(jià)格適中的設(shè)備，從而給公路工程提供重要保障[1]。

假設(shè)特征點(diǎn)b井深為L(zhǎng)b，垂深為Db，相對(duì)井口北南位移為Nb，東西位移為Eb，特征點(diǎn)c斜深為L(zhǎng)c，垂深為Dc，相對(duì)井口北南位移為Nc，東西位移為Ec；特征點(diǎn)b與特征點(diǎn)c之間視位移為ΔV、井深深度差值為ΔL、垂深深度差為ΔD，特征點(diǎn)b與特征點(diǎn)c之間地層真厚度[9]為H；正鉆地層視傾角（實(shí)鉆井軌跡井斜方位角方向）為θ，靶點(diǎn)處地層視傾角為θA，γ為巖層走向與特征點(diǎn)b、c連線在水平面上的投影線之間的夾角；實(shí)鉆井軌跡井斜角為α、井斜方位角為φ，正鉆地層真傾向?yàn)棣亍?/p>

設(shè)定k值定義為計(jì)算步長(zhǎng)，則公式（6）可進(jìn)一步解析為下式：

公式（6）中，θA為一個(gè)不確定值：若θA與θ相同，則本模型可以簡(jiǎn)化為“單斜地層”，但是現(xiàn)實(shí)中的地層產(chǎn)狀是不存在這種情況的。

彭水地區(qū)頁(yè)巖氣水平井中靶技術(shù)采用了“數(shù)學(xué)逼近算法”，將區(qū)域地質(zhì)標(biāo)志層之間的地層依據(jù)數(shù)學(xué)微分的原理劃分為若干層段，分次計(jì)算區(qū)域地質(zhì)標(biāo)志層位置處垂深，然后進(jìn)行求和計(jì)算，可以有效的避免因?qū)嶃@井軌跡參數(shù)不斷變化而帶來的數(shù)學(xué)計(jì)算誤差。

3 水平井中靶技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 地層視傾角計(jì)算及靶點(diǎn)垂深預(yù)測(cè)

PY4HF井是彭水區(qū)塊的一口無(wú)導(dǎo)眼頁(yè)巖氣水平評(píng)價(jià)井，距離PY1井直線距離約3 km，設(shè)計(jì)A靶垂深2 059.00 m。PY4HF井實(shí)鉆過程中，鉆進(jìn)至井深1 970 m時(shí)，鉆穿區(qū)域1號(hào)標(biāo)志層—龍馬溪組中部泥灰?guī)r，該標(biāo)志層地層實(shí)鉆軌跡數(shù)據(jù)見表3。

依據(jù)表3的內(nèi)容，設(shè)置計(jì)算步長(zhǎng)為100（即n= 100）。

表3 PY4HF井1號(hào)標(biāo)志層實(shí)鉆數(shù)據(jù)Table 3 Real drilling data of No.1 marked bed of well PY4HF

1）若考慮地層模型為單斜剖面，即θA與θ相同，則根據(jù)公式（6）計(jì)算可得：θ=17.78°，預(yù)測(cè)靶點(diǎn)垂深HA=2 101.72 m。

2）若考慮地層模型為非線性變化剖面，即θA與θ不相同，根據(jù)地震剖面、鄰井資料分別預(yù)測(cè)θA=11°、θA=13°、θA=15°三種情況，根據(jù)公式（6）計(jì)算得：θ=17.78°，分別預(yù)測(cè)靶點(diǎn)垂深HA=2 084.67 m、HA=2 089.62 m、HA=2 094.64 m。

根據(jù)計(jì)算所得，預(yù)測(cè)靶點(diǎn)垂深較設(shè)計(jì)有明顯加深，原設(shè)計(jì)軌道已經(jīng)不再適應(yīng)發(fā)生變化的地層，為保證精確中靶，需要減小井斜角、重新設(shè)計(jì)井眼軌道[10-11]。

3.2 水平井中靶技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

PY4HF井設(shè)計(jì)靶窗范圍為15 m×30 m，對(duì)應(yīng)區(qū)域標(biāo)志井PY1井井深2 154～2 156 m優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖層段，靶窗范圍內(nèi)電性GR特征值200～470 API，基于彭水區(qū)塊頁(yè)巖氣水平井中靶技術(shù)方法，最終PY4HF井水平段長(zhǎng)1 400 m、優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖鉆遇率達(dá)100%，該技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用成功。

4 結(jié)論

1）彭水頁(yè)巖氣水平井中靶技術(shù)的提出，解決了該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、目的頁(yè)巖層深度地震解釋不精確的情況下無(wú)導(dǎo)眼水平井準(zhǔn)確中靶的難題，建立了適合彭水區(qū)塊頁(yè)巖氣水平井中靶計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，求取該數(shù)學(xué)模型的解析解，實(shí)現(xiàn)了正鉆地層視傾角、靶點(diǎn)垂深的可計(jì)算性，為合理的調(diào)整井軌跡提供了決策依據(jù)。

2）水平井靶點(diǎn)垂深計(jì)算過程中，創(chuàng)新性的提出“地層微分化”的概念，將區(qū)域地質(zhì)標(biāo)志層與靶點(diǎn)之間的地層分為若干小層，分別計(jì)算、求和，有效的避免了較長(zhǎng)井段范圍內(nèi)實(shí)鉆井軌跡參數(shù)不唯一而造成的靶點(diǎn)垂深計(jì)算誤差，提高了靶點(diǎn)垂深預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

3）根據(jù)彭水區(qū)塊水平井實(shí)鉆效果來看，靶前距控制在30～40 m、著陸點(diǎn)處井斜角控制在小于目的層段地層傾角4°～5°，有利于保證水平井平穩(wěn)中靶及后期水平段軌跡調(diào)整。

[1]方錫賢，吳福鄒，李文德，等.非常規(guī)油氣水平井地質(zhì)導(dǎo)向方法探討[J].石油地質(zhì)與工程，2012，26（5）：89-91.

[2]鄭春亮，范煒，孫金浩.水平井地質(zhì)導(dǎo)向與測(cè)井資料解釋方法研究[J].內(nèi)蒙古石油化工，2010，20（11）：139-142.

[3]韓志勇.定向鉆井設(shè)計(jì)與計(jì)算[M].北京：中國(guó)石油大學(xué)出版社，2007：5-10.

[4]同濟(jì)大學(xué)數(shù)學(xué)系.高等數(shù)學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2012：85-90.

[5]鮑繼紅.定向井中靶分析的圓弧模型及其解析解[J].中國(guó)海上油氣，2007，19（5）：343-345.

[6]李瑜，李爽.定向井隨鉆監(jiān)測(cè)計(jì)算[J].天然氣工業(yè)，2005，25（1）：108-109.

[7]魯港，夏泊洢，崔艷輝.水平井中靶分析的一種實(shí)用方法[J].石油地質(zhì)與工程，2011，25（6）：99-101.

[8]王禮學(xué)，陳衛(wèi)東，賈昭清，等.井眼軌跡計(jì)算新方法[J].天然氣工業(yè)，2003，23（S1）：57-59.

[9]徐少康.巖層真厚度計(jì)算的新公式[J].化工礦產(chǎn)地質(zhì)，2006，28（4）：209-211.

[10]袁建平.水平井軌跡控制技術(shù)在江蘇油田的應(yīng)用[J].西部探礦工程，2006，18（3）：89-90.

[11]黃根爐，趙金海，趙金洲，等.基于地質(zhì)導(dǎo)向的水平井中靶優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].石油鉆采工藝，2004，26（6）：1-3.

（編輯：尹淑容）

Application of shooting technology of horizontal wells in Pengshui shale gas area

Gu Hongtao,Yuan Hang and Xia Haibang
(Unconventional Resources Exploration and Development Headquarter,East China Oil and Gas Company,SINOPEC,Nanjing, Jiangsu 042100,China)

Through the total amount of geosteering technology and research in well PYHF-1 of Pengshui area,a mathematical ap?proximation algorithm is proposed.According to geologic strata,the real drilling stratigraphic dip is calculated step by step and the shooting technology of target vertical depth place is predicted,accordingly,the mathematical model of shooting calculation suited for horizontal wells of Pengshui shale gas is established and its analytical solution is obtained.During the calculation of shooting technology,the stratum differentiation concept is proposed,which improves the accuracy of the target vertical depth calculation. Having the advantages of strong visual impression and simple operation,this method is successfully applied in shooting calculation process of well PY2HF,PY3HF and PY4HF.

horizontal well of shale gas,shooting technology,geologic strata,mathematical approximation algorithm,stratum differ?entiation

TE243

A

2015-06-06。

谷紅陶（1987—），男，助理工程師，頁(yè)巖氣、煤層氣地質(zhì)研究。