煤層氣L型水平井錄井綜合導(dǎo)向技術(shù)應(yīng)用研究

黎 鋮 姜維寨 張君子 張秀峰 廖可鵬 周 旖

(中國石油渤海鉆探工程有限公司第二錄井分公司，河北 062552)

煤層氣L型水平井錄井綜合導(dǎo)向技術(shù)應(yīng)用研究

黎 鋮 姜維寨 張君子 張秀峰 廖可鵬 周 旖

(中國石油渤海鉆探工程有限公司第二錄井分公司，河北 062552)

通過分析山西煤層氣L型井施工的技術(shù)特點(diǎn)，總結(jié)L型水平井導(dǎo)向技術(shù)流程，建立著陸導(dǎo)向和水平段導(dǎo)向兩個(gè)階段的井眼軌跡調(diào)控模型，形成了現(xiàn)場導(dǎo)向時(shí)極具可操作性的煤層氣L型水平井導(dǎo)向技術(shù)方法。2015年在現(xiàn)場實(shí)施應(yīng)用5口井，取得了煤層鉆遇率提高5.72%、鉆井周期縮短1.35天的良好應(yīng)用效果。

地質(zhì)導(dǎo)向 地層對比 煤層氣 地層傾角 MWD

1 煤層氣L型井施工技術(shù)特點(diǎn)

1.1 著陸點(diǎn)預(yù)測與水平段導(dǎo)向難度更大

煤層氣水平井施工區(qū)域井控程度相對較低，以物探和有限的鄰井資料為主要依據(jù)的施工設(shè)計(jì)不足以指導(dǎo)整個(gè)水平井的鉆探。實(shí)鉆表明，多分支井、U型井和山字型井等井型的施工，依靠井組近端或遠(yuǎn)端的洞穴井資料結(jié)合實(shí)鉆井資料重新對施工軌跡進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與調(diào)整后，對整個(gè)水平井的導(dǎo)向具有重要指導(dǎo)作用。而L型水平井由于其井型特點(diǎn)，缺少了洞穴井，造成著陸點(diǎn)預(yù)測精度有限，實(shí)現(xiàn)一次性“軟著陸”難度加大，并且水平段軌跡重新設(shè)計(jì)后仍然無法對施工起到有效指導(dǎo)，導(dǎo)向難度增加。

1.2 水平段井眼軌跡控制精度要求更高

L型水平井比其它類型水平井軌跡控制精度要求更高。一方面，L型水平井一般垂深淺、曲率半徑小、設(shè)計(jì)水平段長800～1000m，鉆至水平段后期往往出現(xiàn)井下鉆具摩阻大、扭矩高、托壓嚴(yán)重而無法定向鉆進(jìn)，造成井眼軌跡調(diào)整困難，較高的軌跡控制精度可以規(guī)避地層傾角頻繁小幅度變化；另一方面，L型水平井采取下鋼篩管的完井方式，與U型井下PE篩管、多分支井和山字型井裸眼的完井方式相比對井眼軌跡質(zhì)量要求更高，給導(dǎo)向軌跡調(diào)整與控制提出了更高要求。

圖1 地層傾角與著陸點(diǎn)計(jì)算示意圖

1.3 低成本隨鉆儀器條件下導(dǎo)向施工更難

受口井投資額度的限制，目前L型水平井一般使用MWD+360°GR隨鉆儀器組合，與國外或合資公司使用的EM-MWD隨鉆儀器相比具有伽馬無方向性、測量盲區(qū)長等劣勢。在煤層厚度變化大、內(nèi)部無明顯穩(wěn)定標(biāo)志特征的區(qū)塊使用表現(xiàn)出一定的不適應(yīng)性，極大的增加了導(dǎo)向施工的難度。

2 L型井導(dǎo)向技術(shù)方法

2.1 L型井導(dǎo)向施工操作流程

通過總結(jié)今年以來所鉆L型水平井的施工方法與步驟，并結(jié)合往年其它水平井導(dǎo)向施工的經(jīng)驗(yàn)，形成了針對山西沁水盆地L型水平井的導(dǎo)向操作流程。

(1)通過鄰井的地層對比分析，確定縱向上距離目的煤層較近、沉積穩(wěn)定、易于識(shí)別的巖電標(biāo)志層。沁水盆地以3號(hào)煤層為目的煤層的水平井可以選擇山西組頂界、1號(hào)、2號(hào)煤線等作為標(biāo)志層；以15號(hào)煤層為目的煤層的水平井可以選擇3號(hào)煤層、太原組四套灰?guī)r作為標(biāo)志層；

(2)實(shí)鉆中依靠錄井、隨鉆測井等手段卡準(zhǔn)以上標(biāo)志層，不斷計(jì)算每一個(gè)標(biāo)志層地層傾角，并以此作為下伏標(biāo)志層和目標(biāo)煤層的地層傾角，計(jì)算預(yù)測下一標(biāo)志層深度和著陸點(diǎn)深度；

(3)根據(jù)實(shí)際鉆遇結(jié)果，判斷標(biāo)志層和著陸點(diǎn)計(jì)算預(yù)測深度與設(shè)計(jì)吻合程度，若吻合較好，則按設(shè)計(jì)軌跡施工；若吻合較差，結(jié)合剩余靶前距和工程施工工具軌跡控制能力，適時(shí)對著陸軌跡進(jìn)行調(diào)整，直至煤層著陸；

(4)對比分析鄰井煤層內(nèi)部及頂?shù)装鍘r電性特征，劃分煤層內(nèi)部和頂?shù)装宓奶卣鲉卧?號(hào)煤層一般可以劃分為頂板泥巖、頂煤、頂矸、好煤、中矸、中煤、底矸、底煤、底板泥巖；15號(hào)煤層一般可以劃分為頂板灰?guī)r、好煤、底矸、底煤、底板泥巖；

(5)根據(jù)以上劃分的煤層特征區(qū)間，確定煤層內(nèi)部導(dǎo)向標(biāo)志和頂?shù)壮鎏卣骷芭袛嘁罁?jù)，實(shí)鉆中跟蹤隨鉆參數(shù)，判斷軌跡在煤層中的位置，通過水平段軌跡控制模型對施工軌跡加以調(diào)整與控制，直至完成整個(gè)水平段鉆進(jìn)。

2.2 地層傾角與著陸靶點(diǎn)計(jì)算

地層傾角是水平井著陸和水平段導(dǎo)向所需要的關(guān)鍵參數(shù)，其預(yù)測方法主要有地層傾角測井、地震資料預(yù)測、鄰井井間預(yù)測、構(gòu)造等高線預(yù)測以及實(shí)鉆井標(biāo)志層計(jì)算預(yù)測等方法。L型水平井由于其鄰井少，構(gòu)造落實(shí)程度有限，通過多種方法預(yù)測并應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，實(shí)鉆井計(jì)算預(yù)測的地層傾角對著陸軌跡的指導(dǎo)意義較大。下面是實(shí)鉆計(jì)算預(yù)測地層傾角和著陸靶點(diǎn)的方法(如圖1)。

(1)

H=H2+h2+tanα×(L-L2)

(2)

H=H2+h2-tanα×(L-L2)

(3)

當(dāng)?shù)貙酉聝A時(shí)(如圖1左)，由公式(1)、(2)可計(jì)算地層傾角和著陸點(diǎn)垂深；

當(dāng)?shù)貙由蟽A時(shí)(如圖1右)，由公式(1)、(3)可計(jì)算地層傾角和著陸點(diǎn)垂深。

式中，

L1、L2：鉆遇標(biāo)志層一、標(biāo)志層二的位移；

H1、H2：鉆遇標(biāo)志層一、標(biāo)志層二的垂深

h1：標(biāo)志層一到標(biāo)志層二的地層厚度；

h2：標(biāo)志層二到目的層的地層厚度；

L：設(shè)計(jì)靶前距；

H：預(yù)測著陸點(diǎn)垂深；

α：地層傾角。

2.3 著陸軌跡控制模型

總結(jié)近年來煤層氣著陸軌跡調(diào)整方式與施工經(jīng)驗(yàn)，為避免因煤層埋深變淺或變深，導(dǎo)致軌跡提前著陸來不及上調(diào)而底出煤層或滯后著陸甚至著陸失敗，建立了煤層上傾和下傾兩類4種著陸軌跡控制模型，如圖2所示。

圖2 著陸軌跡控制模型

軌跡上調(diào)模型：以目的層為3號(hào)煤層為例，15號(hào)煤層軌跡調(diào)整思路與3號(hào)煤層一致。通過水平井鉆遇1號(hào)煤線(2號(hào)煤線)標(biāo)志層時(shí)地層對比預(yù)測，發(fā)現(xiàn)3號(hào)煤層埋深比設(shè)計(jì)高，繼續(xù)按設(shè)計(jì)軌跡鉆進(jìn)會(huì)提前著陸，由于井斜角太小，造成軌跡來不及增斜而底出煤層。這種情況下軌跡調(diào)整方法是：在設(shè)計(jì)允許的狗腿度范圍內(nèi)，增大軌跡造斜率快速增斜上調(diào)軌跡。調(diào)整幅度以保證入層后軌跡增斜調(diào)平過程中不底出煤層為最小幅度(如圖2左，著陸點(diǎn)A2)，以上調(diào)軌跡至設(shè)計(jì)靶前位移處著陸為最大調(diào)整幅度(如圖2左，著陸點(diǎn)A1)。

軌跡下調(diào)模型：仍以目的層為3號(hào)煤層為例，15號(hào)煤層軌跡調(diào)整思路與3號(hào)煤層一致。通過水平井鉆遇1號(hào)煤線(2號(hào)煤線)標(biāo)志層時(shí)地層對比預(yù)測，發(fā)現(xiàn)3號(hào)煤層埋深比設(shè)計(jì)低，繼續(xù)按設(shè)計(jì)軌跡鉆進(jìn)會(huì)推遲著陸甚至遲遲無法著陸而降斜下探油頂，這無疑增加了靶前位移，浪費(fèi)了水平段長度，同時(shí)影響井眼軌跡質(zhì)量。為避免這種著陸方式，軌跡調(diào)整方法是：以保證著陸軌跡流暢、圓滑，不降斜為基本原則，降低軌跡造斜率緩慢增斜或穩(wěn)斜下調(diào)軌跡。調(diào)整幅度為達(dá)到設(shè)計(jì)靶前位移時(shí)著陸，并且井斜角與地層傾角的角差要合適，保證著陸后軌跡增斜調(diào)平過程中不底出煤層(如圖2右，著陸點(diǎn)A1)；如果軌跡調(diào)整無法同時(shí)滿足著陸位置和著陸角度要求時(shí)，先滿足著陸角度要求，著陸位置適當(dāng)后移，增加少量靶前距(如圖2右，著陸點(diǎn)A2)。

2.4 水平段軌跡控制模型

根據(jù)煤層內(nèi)部特征以及井軌跡自然增斜趨勢，以優(yōu)化井眼軌跡質(zhì)量，加快鉆井速度為原則，提高煤層鉆遇率為目的，建立了水平段層內(nèi)軌跡控制、頂出軌跡控制和底出軌跡控制3種水平段軌跡控制模型，如圖3所示。

圖3 水平段軌跡控制模型

層內(nèi)軌跡控制模型：在煤層內(nèi)部選取上下兩處跟蹤參數(shù)差異明顯，且距頂?shù)装宥加幸欢ň嚯x的范圍作為導(dǎo)向軌跡控制區(qū)間。軌跡著陸后，控制井斜角略小于地層傾角(一般小2°左右，視復(fù)合鉆進(jìn)自然增斜趨勢而定)復(fù)合鉆進(jìn)向控制區(qū)間下邊界緩慢靠近，鉆遇區(qū)間下邊界時(shí)井斜角與地層傾角基本相等，繼續(xù)復(fù)合鉆進(jìn)至井斜角略大于地層傾角(一般大0.5°左右)向控制區(qū)間上邊界緩慢靠近，鉆遇區(qū)間上邊界時(shí)開始定向鉆進(jìn)控制井斜角略小于地層傾角，以此反復(fù)，完成整個(gè)水平段鉆進(jìn)(如圖3上)。

頂出軌跡控制模型：當(dāng)軌跡頂出煤層后，在保證井下安全和井眼軌跡質(zhì)量要求的前提下以最大造斜率降斜至井斜角小于地層傾角3°～5°，向下追蹤煤層，頂進(jìn)煤層后按層內(nèi)軌跡控制方法鉆水平段(如圖3中)。 底出軌跡控制模型：當(dāng)軌跡底出煤層后，在保證井

下安全和井眼軌跡質(zhì)量要求的前提下以最大造斜率增斜至井斜角大于地層傾角2°～3°，向上追蹤煤層，底進(jìn)煤層后按層內(nèi)軌跡控制方法鉆水平段(如圖3下)。

3 應(yīng)用效果

2015年，錄井綜合導(dǎo)向技術(shù)在山西煤層氣應(yīng)用5口L型水平井，取得了平均水平段長827m，平均鉆速18m/h，平均鉆遇率94.42%的技術(shù)指標(biāo)，與2014年相比在提高煤層鉆遇率、加快鉆井速度，縮短鉆井周期等方面效果顯著，見表1。其中F71P4井是樊莊區(qū)塊首口采用二開井身結(jié)構(gòu)和φ216mm大井眼(該區(qū)塊以往水平井都采用φ152mm和φ120mm井眼)的煤層氣水平井，煤層極易垮塌造成井下復(fù)雜，導(dǎo)向軌跡調(diào)控對井眼軌跡質(zhì)量和煤層鉆遇率均有較高要求，錄井綜合導(dǎo)向技術(shù)的應(yīng)用使得本井快速完成了990m水平段進(jìn)尺，同時(shí)取得了96.97%的高鉆遇率指標(biāo)。

表1 煤層氣水平井導(dǎo)向技術(shù)指標(biāo)對比

注：表中數(shù)據(jù)來源于現(xiàn)場錄井資料。

4 結(jié)論與建議

(1)L型井雖然為單支水平井，設(shè)計(jì)水平段長度比多分支水平井短，但是其導(dǎo)向施工難度不亞于其它井型，在著陸等關(guān)鍵階段其難度更高，必須引起導(dǎo)向人員重視；

(2)著陸軌跡控制模型和水平段軌跡控制模型是煤層氣多口水平井施工經(jīng)驗(yàn)和導(dǎo)向軌跡控制方法的提煉總結(jié)；

(3)針對15號(hào)煤層厚度薄，內(nèi)部標(biāo)志不穩(wěn)定的特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)階段15號(hào)煤層導(dǎo)向施工效果，認(rèn)為低精度MWD+GR的導(dǎo)向工具組合在15號(hào)煤層中表現(xiàn)出一定的不適應(yīng)性，建議使用測量盲區(qū)較短的方向伽馬隨鉆儀器。

[1] 姜維寨,黎鋮等. 煤層氣EM-MWD導(dǎo)向方法應(yīng)用探討[J].中國煤層氣,2014,11(5):31-35.

(責(zé)任編輯 王一然)

Research on Steering Technology of Comprehensive Mud Logging for L-type CBM Horizontal Well

LI Cheng, JIANG Weizhai,ZHANG Junzi, ZHANG Xiufeng, LIAO Kepeng, ZHOU Yi

(No.2 Logging Branch of Bohai Drilling Engineering Co., Ltd., CNPC, Hebei 062552)

By analyzing the technical characteristics of L-type CBM well construction in Shanxi, the paper summarizes the flow of steering technology for L-type horizontal well, establishes the well path control models based on the two sections of landing geo-steering and horizontal geo-steering, and forms the steering technology with the operability for L-type horizontal well. With the onsite implementation of 5 wells in 2015, this technology has achieved good effect of increasing the drilling rate of coal seam by 5.72% and reducing the drilling cycle by 1.35 days.

Geo-steering; comparison of strata; CBM; formation dip; MWD

黎鋮，男，資源勘查工程專業(yè)，工程師，現(xiàn)主要從事地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)研究與應(yīng)用工作。