復(fù)雜地質(zhì)條件下地層視傾角的計(jì)算及實(shí)例分析
——以相國寺儲(chǔ)氣庫XC1 井為例

彭 平 吳 萍 彭 浩 羅 芳 王 瀅 師曉蓉 朱茜霞

1. 中國石油西南油氣田分公司勘探開發(fā)研究院 2. 中國石油川慶鉆探工程有限公司地質(zhì)勘探開發(fā)研究院3. 中國石油西南油氣田分公司開發(fā)事業(yè)部

0 引言

在天然氣勘探開發(fā)過程中，為增加產(chǎn)能，常常采用大斜度井、水平井以增加目的層的鉆遇長(zhǎng)度，提高井筒泄流能力。要實(shí)現(xiàn)井軌跡大位移穿越目的層，地層視傾角是一項(xiàng)重要參數(shù)，直接關(guān)系到鉆井軌跡的實(shí)時(shí)調(diào)整[1]。對(duì)于定向井、大斜度井、水平井，目的層頂界著陸點(diǎn)地層視傾角的確定就十分重要，它直接關(guān)系到設(shè)計(jì)入靶角的大小，也關(guān)系到目的層段的軌跡控制，影響到該井是否能實(shí)現(xiàn)地質(zhì)目標(biāo)。

對(duì)于簡(jiǎn)單的構(gòu)造單元目的層，地層傾角求取方法一般是利用目的層頂面或底面構(gòu)造圖，直接順傾向計(jì)算地層真傾角，或利用鉆探海拔資料計(jì)算井間的視傾角。實(shí)際在鉆井井軌跡的控制過程中，由于受到井口地形、軌跡方位及構(gòu)造條件復(fù)雜因素影響，導(dǎo)致構(gòu)造形變大、高點(diǎn)預(yù)測(cè)困難、其著陸點(diǎn)位置難以確定等因素的制約，使得以構(gòu)造圖確定目的層地層（視）傾角難以實(shí)現(xiàn)[2-4]。

1 據(jù)實(shí)鉆軌跡資料計(jì)算地層視傾角的方法及實(shí)例

在勘探開發(fā)實(shí)際生產(chǎn)過程中，井位部署受多種因素制約，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)地下地質(zhì)目標(biāo)勘探開發(fā)，一般采取地面服從地下的原則。在山區(qū)地面條件惡劣，井位部署受地形條件及環(huán)保要求的限制，個(gè)別井只能夠選擇在構(gòu)造軸部、轉(zhuǎn)折端等構(gòu)造復(fù)雜帶附近部署。這種構(gòu)造復(fù)雜帶受擠壓變形、褶皺強(qiáng)烈；地層高陡、斷裂發(fā)育；目的層地層傾角變化大。目的層著陸點(diǎn)的地層視傾角在無三維地震資料或地震資料質(zhì)量限制、無鄰井成像測(cè)井資料支持的情況下，無法有效地獲得或求取較準(zhǔn)確的著陸點(diǎn)地層視傾角。在實(shí)際鉆探及跟蹤過程中，為有效地控制軌跡，需要較精準(zhǔn)地確定目的層著陸點(diǎn)地層視傾角，以便有效控制、調(diào)整軌跡，擺正鉆具姿態(tài)順利著陸入靶，實(shí)現(xiàn)鉆探目的。針對(duì)這種情況可以充分利用同一構(gòu)造單元、靠近井軌跡著陸點(diǎn)周邊已完成井的實(shí)鉆資料，根據(jù)地層實(shí)鉆厚度、井斜角、方位角、相對(duì)海拔高差、地層真厚等，采用剖面法、垂深位移法、曲率半徑法進(jìn)行著陸點(diǎn)視傾角的推算。

以相國寺構(gòu)造為例。相國寺儲(chǔ)氣庫是西南地區(qū)首座儲(chǔ)氣庫，以相國寺構(gòu)造石炭系枯竭性氣藏為注采目的層而建設(shè)，儲(chǔ)氣庫區(qū)內(nèi)地形屬山地地貌，地形起伏較大（最低海拔200 m，最高1 040 m），相對(duì)高差達(dá)840 m，工區(qū)中部山體陡峭，溝壑縱橫，地形切割嚴(yán)重，兩側(cè)地區(qū)相對(duì)較平緩，地面井位選址困難。相國寺構(gòu)造為一不對(duì)稱受傾軸逆斷層控制的“斷壘型”狹長(zhǎng)背斜，構(gòu)造走向北北東向，主體構(gòu)造軸部主要出露須家河組，局部出露雷口坡組石灰?guī)r，構(gòu)造西陡東緩，東西兩翼受斷層控制，地層傾角變化大、在軸線從0°到兩翼近40°，構(gòu)造形變強(qiáng)烈、軸向呈“S”型，石炭系厚度僅10 米[5-12]。其目的層石炭系在志留系準(zhǔn)平原化地貌的基礎(chǔ)上沉積，具有底超頂蝕的特征，其儲(chǔ)層為裂縫—孔隙型且連續(xù)性好，其上覆梁山組泥頁巖為直接蓋層，下伏志留系泥巖為底托層。同時(shí)儲(chǔ)氣庫具有運(yùn)行周期長(zhǎng)、強(qiáng)注強(qiáng)采的特點(diǎn)，注采井井型受地形和構(gòu)造特征的制約多采用大斜度井、定向井。

以XC1 井為例。XC1 井為先導(dǎo)性試驗(yàn)井，井場(chǎng)受地面條件限制，目的層石炭系要求按照水平井的方式實(shí)施，設(shè)計(jì)軌跡從構(gòu)造西翼定向鉆進(jìn)，越過構(gòu)造高點(diǎn)，于構(gòu)造東翼入靶（圖1）。在實(shí)施過程中，由于儲(chǔ)氣庫高陡構(gòu)造頂部目的層地震波反射能量弱，波形雜亂，反射層位有效識(shí)別及追蹤困難（圖2），構(gòu)造軸線高點(diǎn)位置難以確定。導(dǎo)致井軌跡處著陸點(diǎn)地層視傾角很難預(yù)測(cè)，加之鉆具在梁山組泥巖易垮塌地層增斜受限等原因，XC1 井為達(dá)到地質(zhì)目的，完成先導(dǎo)性設(shè)計(jì)任務(wù)，前后穿越構(gòu)造共鉆4 個(gè)井眼。正眼石炭系鉆至構(gòu)造西翼，電測(cè)換算至軌跡方向地層視傾角約12°，井底沒有邁過構(gòu)造軸線，因大尺寸先導(dǎo)井工程復(fù)雜（梁山組泥巖掉塊、增斜困難）和謹(jǐn)慎的鉆井措施（保護(hù)注氣層的密封性）又先后側(cè)鉆了3 個(gè)井眼，才達(dá)到構(gòu)造軸部[13-16]。

圖1 XC1 井設(shè)計(jì)垂直剖面軌跡圖

圖2 XC1 井地震反射剖面圖（局部）

圖3 XC1 井側(cè)眼2 實(shí)鉆剖面圖

為達(dá)到地質(zhì)目的，在實(shí)施跟蹤過程中，在地層傾角資料受限的情況下，為有效地判斷井軌跡鉆頭位置點(diǎn)，利用先后3 次鉆達(dá)目的層構(gòu)造頂面的成果資料，采取了以下方法：剖面恢復(fù)法、垂深位移法、曲率半徑法，對(duì)石炭系頂界（著陸點(diǎn)）地層視傾角進(jìn)行分析、求取[17-20]。

1.1 剖面恢復(fù)法

先導(dǎo)性試驗(yàn)井XC1 井，井軌跡有3 次均穿過上覆梁山組頂、底界，利用井軌跡穿越梁山組的鉆厚、井斜、頂、底面海拔的數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)鉆參數(shù)，逐一求取正眼、側(cè)眼1、側(cè)眼2 在石炭系著陸點(diǎn)地層視傾角（圖3）。井筒區(qū)域梁山組厚度不變，利用傾斜巖層界面的原理，將井筒范圍內(nèi)不同軌跡方位分別投影，計(jì)算出地層真傾角，然后換算到已知的軌跡方位（側(cè)眼2 鉆進(jìn)方位143°），按照軌跡做圖法恢復(fù)剖面后測(cè)算出地層視傾角（分別為11°、8°、5°）。

1.2 垂深位移法

利用3 個(gè)井眼上覆梁山組頂?shù)椎奈灰屏?、垂深?shù)據(jù)計(jì)算石炭系著陸點(diǎn)地層視傾角（表1）。

1.3 曲率半徑法

曲率的倒數(shù)就是曲率半徑。平面曲線的曲率就是針對(duì)曲線上某個(gè)點(diǎn)的切線方向角對(duì)弧長(zhǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng)率，表明曲線偏離直線的程度。曲率半徑主要是用來描述某處曲線彎曲變化的程度。圓形越大，彎曲程度就越小，也就越近似一條直線。所以說，圓越大，曲率越小，曲率半徑也就越大。如果在某條曲線上的某個(gè)點(diǎn)可以找到一個(gè)相對(duì)的圓形具有相等的曲率，那么曲線上這個(gè)點(diǎn)的曲率半徑就是該圓形的半徑。

表1 XC1 井井軌跡石炭系頂?shù)貙右晝A角計(jì)算表

根據(jù)平面上3 點(diǎn)確定一圓的原理，XC1 井已鉆3 個(gè)眼，將3 個(gè)井眼均投影到鉆進(jìn)方位143°剖面上，可確定一圓，用以計(jì)算出3 個(gè)鉆遇點(diǎn)海拔及地層視傾角。原理如圖4，根據(jù)理論推導(dǎo)和數(shù)學(xué)計(jì)算，求得原眼、側(cè)眼1、側(cè)眼2 梁山組底地層視傾角如表2，側(cè)眼2 石炭系著陸點(diǎn)地層視傾角5.15°。

圖4 曲率半徑法原理圖

2 分析比較

在實(shí)鉆跟蹤分析過程中，利用井軌跡資料計(jì)算出的地層視傾角，可以在跟蹤過程中不斷完善軌跡目標(biāo)的調(diào)整。如實(shí)例中正眼石炭系頂，測(cè)井計(jì)算視傾角為12°（因鉆井條件限制，側(cè)眼1、側(cè)眼2 未測(cè)傾角），采取3 種方法分別計(jì)算出石炭系頂視傾角為：11°、9.8°、12.05°，幾種方法結(jié)果極為接近，可信度高，實(shí)鉆資料計(jì)算結(jié)果能夠滿足鉆井的需要。同時(shí)，從側(cè)眼1 到側(cè)眼2 石炭系頂界視傾角變化從6 ～8°逐步到5 ～5.5°，說明地層逐漸變平緩，井軌跡已接近構(gòu)造軸線高點(diǎn)但仍然在構(gòu)造西翼，側(cè)眼2 石炭系鉆厚35 m，是石炭系真厚的3 倍左右。實(shí)施過程中再次調(diào)整軌跡后側(cè)鉆，側(cè)眼3 在構(gòu)造軸線高點(diǎn)石炭系頂界用實(shí)鉆資料計(jì)算視傾角為1 ～2 °，井軌跡石炭系底已越過構(gòu)造軸線，整個(gè)石炭系鉆厚48.5 m 是石炭系真厚的4 倍左右（圖5），表明實(shí)鉆已經(jīng)達(dá)到地質(zhì)設(shè)計(jì)目的。后期動(dòng)態(tài)資料分析，XC1 實(shí)際注氣能力與設(shè)計(jì)比值為1.18，實(shí)際采氣能力與設(shè)計(jì)比值為1.14，達(dá)到儲(chǔ)氣庫注采目的。

表2 XC1 井曲率半徑法石炭系頂界的地層視傾角計(jì)算表

3 結(jié)論

相國寺儲(chǔ)氣庫在實(shí)施過程中利用實(shí)鉆軌跡資料求取著陸點(diǎn)的地層視傾角計(jì)算方法，取得了較大成功。相國寺儲(chǔ)氣庫共部署13 口注采井全部采用定向井、大斜度、水平井完成，因設(shè)計(jì)合理，精確估算著陸點(diǎn)地層視傾角，注采井在真厚（視真厚）7.4 ～13.2 m 的石炭系中，最大穿越216 m，單井鉆厚平均達(dá)到3 ～6 倍真厚，個(gè)別井鉆厚為真厚的20 倍以上，有效地提升了儲(chǔ)氣庫注采井的注氣及采氣能力。

軌跡方向。地層視傾角是大斜度井、水平井鉆井的關(guān)鍵，著陸點(diǎn)地層視傾角參數(shù)的確定直接關(guān)系到目的層段井軌跡有效控制和地質(zhì)目標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)。因地面井位選址受限，在高陡復(fù)雜構(gòu)造中鉆探，其井軌跡方向地層傾角變化大，順軸向、順傾向均有不確定性。如何有效地求取井軌跡方向地層視傾角，最大程度控制井軌跡實(shí)現(xiàn)地質(zhì)目的，在相國寺儲(chǔ)氣庫建設(shè)過程中，綜合利用地震資料、測(cè)井資料、實(shí)鉆資料對(duì)著陸點(diǎn)地層視傾角進(jìn)行了不同方法的求取，取得一些經(jīng)驗(yàn)，值得后續(xù)井借鑒。

1)在地震資料品質(zhì)好、可靠性高的前提下，地震資料能夠準(zhǔn)確地反映地腹構(gòu)造形態(tài)及深度，著陸點(diǎn)地質(zhì)特征清楚，其地質(zhì)地層與物探反射波組特征界面具有一致性，且易于識(shí)別。沿井軌跡提取著陸點(diǎn)地層視傾角是最有效的方法之一。

2）在井眼軌跡良好，井壁穩(wěn)定，無縮徑及掉塊形成的“大肚子”，且著陸點(diǎn)上覆地層要求具有層狀結(jié)構(gòu)，地層反射界面清楚，地層傾角或成像測(cè)井資料能夠有效地反映上覆地層的信息，利用測(cè)井資料提取地層傾角是常規(guī)方法之一。但該資料應(yīng)用前提是井筒及著陸點(diǎn)、包括上覆地層的真傾角，需要換算為沿軌跡方向視傾角，且要求上覆地層連續(xù)沉積。如果上覆地層與目的層著陸點(diǎn)之間，存在沉積間斷和風(fēng)化剝蝕面的條件下，對(duì)著陸點(diǎn)傾角的計(jì)算不能誤差較大，結(jié)果僅供參考。

3）利用已鉆井資料來確定著陸點(diǎn)的視傾角，需要有較嚴(yán)格的條件，除需要同一構(gòu)造單元有較多的井支撐，井周上覆地層厚度相對(duì)穩(wěn)定，還需要對(duì)已鉆井進(jìn)行過井地震地質(zhì)剖面綜合恢復(fù)解釋。

圖5 XC1 井側(cè)眼3 實(shí)鉆剖面圖

4）利用已鉆井成果資料，采用剖面法、垂深位移法、曲率半徑法，其基本原理接近，3 種方法同時(shí)運(yùn)用可以相互驗(yàn)證。在實(shí)際運(yùn)用中，要充分考慮著陸點(diǎn)的構(gòu)造位置，處于高陡構(gòu)造翼部，地層實(shí)際傾角大的地方，3 種計(jì)算方法有差異；著陸點(diǎn)越接近構(gòu)造軸線，實(shí)際地層傾角較小或接近水平狀態(tài)，3 種計(jì)算方法結(jié)果一致。因此，該方法除對(duì)著陸點(diǎn)的計(jì)算和控制外，還可以對(duì)井軌跡進(jìn)行評(píng)判，在實(shí)際運(yùn)用中要充分加以判斷和利用。