方位伽馬在煤層氣水平井中的應(yīng)用

武程亮

（山東省煤田地質(zhì)局第二勘探隊(duì)，山東 濟(jì)寧272000）

0 引言

我國煤層氣地面勘探開發(fā)的探索始于20世紀(jì)80年代末90年代初，起初只以減少煤礦瓦斯災(zāi)害為目的，利用率偏低；90年代后期，政府及相關(guān)企業(yè)以開發(fā)新能源為目的，積極引進(jìn)西方國家的新技術(shù)和設(shè)備，相繼開展煤層氣勘探研究和先導(dǎo)性試驗(yàn)，取得了一批煤儲(chǔ)層測(cè)試參數(shù)和部分氣井生產(chǎn)資料，為后期的大規(guī)模開發(fā)奠定了基礎(chǔ)［1］。近些年，隨著開發(fā)技術(shù)的相對(duì)成熟，水平井逐漸成為各企業(yè)的首選井型。水平井優(yōu)勢(shì)明顯：地面占地面積小、基本不受地面條件的影響、鉆前成本小、單井揭露儲(chǔ)層面積大、單井產(chǎn)氣量大等。在施工水平井時(shí)，除前期需要準(zhǔn)備的資料外，在施工過程中需要根據(jù)遇到的實(shí)際情況及時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行完善。

隨著隨鉆測(cè)量技術(shù)的日趨成熟，在20世紀(jì)80年代末90年代初，發(fā)展起來了一種新的鉆井技術(shù)——地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)。所謂地質(zhì)導(dǎo)向鉆井，就是使用隨鉆測(cè)量數(shù)據(jù)和隨鉆地層評(píng)價(jià)測(cè)量數(shù)據(jù)來控制井眼軌跡的鉆井技術(shù)，它以井下實(shí)際地質(zhì)特征來確定和控制井眼軌跡，而不是按照預(yù)先設(shè)計(jì)的井眼軌道進(jìn)行鉆井［2］。作為煤層氣中常用的隨鉆地質(zhì)參數(shù)測(cè)量儀器，方位伽馬在煤層氣水平井中的應(yīng)用越來越廣泛。

1 地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)

地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)自20世紀(jì)90年代發(fā)展以來，一直是鉆井領(lǐng)域的前沿技術(shù)。地質(zhì)導(dǎo)向鉆井是在鉆井作業(yè)的同時(shí)，能實(shí)時(shí)測(cè)量地層參數(shù)和井眼軌跡，并能繪制各種測(cè)井曲線的一種鉆井技術(shù)。單純的幾何導(dǎo)向是依據(jù)事先設(shè)計(jì)好的軌道作為導(dǎo)向依據(jù)，鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)靶區(qū)的一種導(dǎo)向技術(shù)，但是由于地質(zhì)不確定性帶來的誤差，導(dǎo)致幾何導(dǎo)向不能更好地為工程服務(wù)。地質(zhì)導(dǎo)向不同于幾何導(dǎo)向，是根據(jù)井下實(shí)時(shí)上傳的地層數(shù)據(jù)和井眼數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)掌握的其他資料，有效指導(dǎo)鉆井施工，使井眼軌跡最大限度地按照地質(zhì)目的穿行，提高儲(chǔ)層鉆遇率［3］。

受常規(guī)煤層氣水平井開發(fā)成本約束，在煤層氣水平井施工中，隨鉆地質(zhì)參數(shù)僅為自然伽馬或方位伽馬，其中以方位伽馬應(yīng)用較廣。鑒于此，在煤層氣水平井鉆井過程中，地層評(píng)價(jià)必須結(jié)合鉆時(shí)、地質(zhì)錄井、氣測(cè)錄井、工程參數(shù)錄井等手段作為地質(zhì)導(dǎo)向的依據(jù)，來指導(dǎo)水平井的施工。

2 方位伽馬

自然伽馬作為地層評(píng)價(jià)的重要因素，在煤層氣水平井施工中應(yīng)用廣泛，方位伽馬對(duì)地層的判斷，特別是水平段施工時(shí)，能夠準(zhǔn)確地對(duì)地層界面做出判斷。常規(guī)自然伽馬測(cè)井是通過測(cè)量地層巖石中自然存在的放射性核衰變過程中發(fā)出的γ射線來獲取不同的地層信息的，具有能準(zhǔn)確識(shí)別地層巖性的特點(diǎn)，但是在水平井的施工中，由于本身沒有方位信息且不具備實(shí)時(shí)性，不能及時(shí)有效地確定層位。在水平段鉆井施工過程中，常因?qū)蝈e(cuò)誤導(dǎo)致鉆頭鉆出目的礦層，影響鉆井施工周期和降低儲(chǔ)層鉆遇率［4］。方位伽馬通過與MWD的高低邊相結(jié)合，能夠在復(fù)合和滑動(dòng)鉆進(jìn)過程中，準(zhǔn)確判別儲(chǔ)層邊界位置，有助于地質(zhì)導(dǎo)向工作，根據(jù)方位伽馬的數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出該地區(qū)的地層傾角，實(shí)時(shí)進(jìn)行地層構(gòu)造研究分析，有效地指導(dǎo)水平井的鉆井施工。

2.1 方位伽馬工作原理

方位伽馬測(cè)井儀測(cè)量的是巖層中自然存在的放射性核衰變過程中放射出來的γ射線的能級(jí)寬度，通過閃爍計(jì)數(shù)器俘獲來自地層的伽馬射線，采用API刻度，也可同時(shí)在裸眼井和套管井中施工［5］。從工作原理上來講，方位伽馬和普通的周向測(cè)量伽馬沒有本質(zhì)的區(qū)別，數(shù)據(jù)的處理可沿用傳統(tǒng)伽馬的數(shù)據(jù)處理方法。

但方位伽馬除具有自然伽馬的功能外，還具有以下功能：

（1）測(cè)量特定方向的自然伽馬值。

（2）準(zhǔn)確判斷不同地層的界面位置。

（3）計(jì)算及預(yù)計(jì)地層傾角。

傳統(tǒng)的自然伽馬測(cè)井雖然能夠較好地指示鉆井軌跡是在煤層中還是在非煤層中，但是在意外鉆出煤層后，不能及時(shí)地指明如何鉆回至煤層。方位伽馬除有自然伽馬的功能外，還具有方位信息，即方位伽馬測(cè)井時(shí)，可以實(shí)時(shí)上傳上下伽馬數(shù)據(jù)，明確地告訴定向工程師如何調(diào)整鉆井軌跡回到煤層中。

常見的兩種鉆出煤層的模式如圖1所示，上下伽馬數(shù)值表現(xiàn)為：

鉆頭從頂板鉆出煤層時(shí)，上伽馬數(shù)值先增大，然后下伽馬增大，直至趨于相近。

圖1 鉆頭分別從頂、底板鉆出煤層Fig.1 Drill bits exiting coal seams from the roof and the bottom respectively

鉆頭從底板鉆出煤層時(shí)，下伽馬數(shù)值先增大，然后上伽馬增大，直至趨于相近。

2.2 方位伽馬儀器結(jié)構(gòu)簡介

國外方位伽馬大多采用對(duì)稱排列的2個(gè)傳感器或是90°排列的4個(gè)傳感器進(jìn)行測(cè)量［5］，國產(chǎn)方位伽馬不同于國外儀器，是在普通自然伽馬儀器的基礎(chǔ)上加裝了270°～300°的屏蔽，保留60°～90°的開放測(cè)量區(qū)，使傳感器只能測(cè)量特定角度的伽馬值，同時(shí)增加了窗口掃描位置判斷功能以及井眼姿態(tài)測(cè)量單元［6］。方位伽馬測(cè)量有兩種模式：旋轉(zhuǎn)測(cè)量和滑動(dòng)測(cè)量［7］。旋轉(zhuǎn)測(cè)量模式下，方位伽馬的微處理器利用井眼姿態(tài)測(cè)量單元的實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)解算出窗口中心線的位置，根據(jù)窗口中心線位置和設(shè)定位置比較，確定測(cè)量的伽馬數(shù)據(jù)來自哪個(gè)方向，從而實(shí)現(xiàn)上下伽馬的測(cè)量，如圖2所示；滑動(dòng)測(cè)量模式下，鉆進(jìn)一段距離后，將測(cè)量窗口處于上部的位置，重復(fù)以上鉆進(jìn)軌跡，得到上伽馬；再將測(cè)量窗口處于下部的位置，重復(fù)以上鉆進(jìn)軌跡，得到下伽馬。上下伽馬測(cè)量范圍：0～500 API，精度：±7%。

圖2 上下伽馬判定示意Fig.2 Identification of the upper and the lower gamma sensors

2.3 方位伽馬測(cè)量儀器及其選擇

隨鉆方位伽馬測(cè)量儀器是在傳統(tǒng)的無線隨鉆測(cè)量儀器的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，加裝方位伽馬測(cè)量探管，地面?zhèn)鞲衅髟黾泳顐鞲衅?、鉤載傳感器等，并在地面解碼程序中加載伽馬解碼單元。方位伽馬測(cè)量儀器按隨鉆儀器的傳輸方式分為泥漿脈沖式和電磁波式。

泥漿脈沖測(cè)量儀器：儀器將測(cè)得的數(shù)據(jù)經(jīng)編碼發(fā)送給脈沖傳感器，引起脈沖傳感器閥桿動(dòng)作，使立管內(nèi)泥漿壓力按照一定的規(guī)律發(fā)生變化，產(chǎn)生脈沖信號(hào)，在地面計(jì)算機(jī)接收到脈沖信號(hào)后，按照預(yù)先設(shè)定的程序進(jìn)行解碼得到地層伽馬值。

泥漿脈沖測(cè)量儀器適合于含砂量1%＜B＜4%、含氣量＜7%的鉆井液鉆進(jìn)施工，優(yōu)點(diǎn)是通訊結(jié)果可靠，相對(duì)簡單實(shí)用，目前國內(nèi)已可自行生產(chǎn)；缺點(diǎn)是對(duì)鉆井液有嚴(yán)格要求，不能實(shí)現(xiàn)雙向通訊，傳輸速度較慢，對(duì)含氣量特別敏感，不能用于空氣鉆進(jìn)、泡沫鉆進(jìn)等沒有連續(xù)液相的欠平衡鉆進(jìn)。

電磁波測(cè)量儀器：井下儀器完成工程參數(shù)和地質(zhì)參數(shù)的隨鉆測(cè)量，并通過發(fā)射機(jī)將所測(cè)參數(shù)以電磁波形式發(fā)往地面。電磁波信號(hào)主要沿鉆柱傳輸，經(jīng)過地層返回到鉆具。地面系統(tǒng)接收信號(hào)，經(jīng)過放大、去噪和解碼，將數(shù)據(jù)送至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將這些信息和無線深度系統(tǒng)發(fā)過來的井深及工程參數(shù)等信息進(jìn)行綜合處理，恢復(fù)井下儀器的實(shí)測(cè)工程參數(shù)和地質(zhì)參數(shù)［8］。

電磁波傳輸方式適合于3000 m以淺的鉆井，優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸速度快，速率可達(dá)100 b/s以上，可在鉆進(jìn)、循環(huán)及起下鉆過程中隨時(shí)接收數(shù)據(jù)；使用范圍廣，不受鉆井液介質(zhì)、鉆井方式等條件的限制，適合于普通鉆井液鉆進(jìn)、欠平衡鉆進(jìn)和充氣鉆進(jìn)的相關(guān)參數(shù)測(cè)量，可以直接對(duì)井內(nèi)測(cè)量儀器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)地面與井下的雙向通訊。缺點(diǎn)是對(duì)地層電阻率反應(yīng)敏感，特別是低電阻率地層，電磁波信號(hào)衰減較快甚至不能穿過，傳輸距離相對(duì)較短，不適合深井的測(cè)量。

目前在煤層氣水平井施工中，山西柳林區(qū)塊運(yùn)用電磁波儀器較廣［9］，晉城區(qū)塊兩種儀器均有運(yùn)用。根據(jù)施工井型設(shè)計(jì)，淺井或水平段較短的井大多使用電磁波儀器，深井或水平段較長的井一般用泥漿脈沖儀器，也有兩種儀器結(jié)合使用的。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 水平井簡介

該井位于山西省沁水盆地某區(qū)塊，系煤層氣賦存條件較好的區(qū)塊，該區(qū)域煤層氣含量達(dá)28 m3/t，尤以3煤含氣量最高。該水平井就是3煤L形水平井，煤層埋深480.00 m，設(shè)計(jì)水平段900.00 m，鉆遇率達(dá)90%，水平段清水鉆進(jìn)。

3.2 施工簡介

該水平井一開井徑311.15 mm，鉆進(jìn)至基巖20.00 m，井深60.00 m，下?244.5 mm表層套管，并固井。二開井徑215.9 mm，鉆進(jìn)至190.00 m，換造斜鉆具組合定向鉆進(jìn)，至井深616.00 m，煤層頂板以上5.00 m，下入?177.8 mm套管并固井。三開井徑152.4 mm，井深657.20 m進(jìn)入煤層，沿煤層水平鉆進(jìn)至井深1560.00 m完鉆。

井身結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 某煤層氣水平井井身結(jié)構(gòu)Table 1 Structure of a coal bed methane horizontal well

3.3 軌跡控制技術(shù)

3.3.1 造斜段軌跡控制

（1）結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，特別是鄰井鉆探、地質(zhì)資料，對(duì)水平井著陸點(diǎn)進(jìn)行預(yù)判。參照本地區(qū)方位漂移規(guī)律合理確定方位提前量；設(shè)計(jì)軌道盡量為雙增模型，留足夠的調(diào)整井段，根據(jù)調(diào)整井段測(cè)量和中靶預(yù)測(cè)結(jié)果、造斜難易程度合理選擇馬達(dá)彎殼體度數(shù)，調(diào)整工具面，達(dá)到中靶要求［10］。

（2）加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)鉆資料的錄取工作，對(duì)巖屑錄井、鉆時(shí)錄井、氣測(cè)錄井和隨鉆錄井資料實(shí)時(shí)分析，準(zhǔn)確判層，特別是對(duì)標(biāo)志層的判定要準(zhǔn)確。掌握鉆具造斜能力，在地質(zhì)目標(biāo)不確定的情況下，對(duì)井眼軌道實(shí)施優(yōu)化，精控鉆井軌跡，以保證探得煤頂順利著陸。

（3）優(yōu)化鉆井液體系，使其有較高的攜巖能力、護(hù)壁能力及潤滑能力，確保鉆井安全；適時(shí)進(jìn)行短起下作業(yè)，消除巖屑床，修整井眼，使其更加圓滑、穩(wěn)定，為下步鉆進(jìn)提供安全保障。

3.3.2 水平段軌跡控制

在順利著陸后，進(jìn)入水平段施工，水平段的軌跡控制既要保證井下安全，又要保證鉆遇率，水平井段也必須達(dá)到設(shè)計(jì)要求的長度。現(xiàn)場(chǎng)施工必須充分結(jié)合鉆時(shí)、巖屑、氣測(cè)錄井、隨鉆方位伽馬及井眼軌跡參數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，并對(duì)后續(xù)井段的地層狀況做出預(yù)判，包括煤層、夾矸、頂?shù)装褰缑?、地層傾角等，有效指導(dǎo)施工，使鉆頭最大限度地在煤層中鉆進(jìn)，提高煤層鉆遇率，不能盲目地按照事先設(shè)計(jì)的鉆井軌道施工［11］。

水平段施工過程中，巖屑床更容易形成，要堅(jiān)持“多轉(zhuǎn)少定”，提高攜巖能力；堅(jiān)持短起下作業(yè)，消除巖屑床，修正井壁，保證井壁圓滑，減少起伏；提高機(jī)械鉆速，控制MWD測(cè)量時(shí)間，縮短鉆井液對(duì)煤層的沖刷。水平段鉆進(jìn)，為保證煤層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不坍塌，復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)宜采用小鉆壓、低轉(zhuǎn)速的鉆進(jìn)參數(shù)［12］。

在該井水平段鉆進(jìn)時(shí)，方位伽馬有明顯特征的顯示段如圖3所示。在井深772.00 m，上伽馬比下伽馬大，并且都變大，已經(jīng)接近泥巖，此時(shí)鉆時(shí)是唯一實(shí)時(shí)反映實(shí)鉆情況的數(shù)據(jù)，鉆時(shí)明顯比煤層鉆進(jìn)時(shí)大，煤層鉆進(jìn)時(shí)鉆時(shí)為5～7 min/m，此時(shí)的鉆時(shí)達(dá)到10～12 min/m。到井深775.00 m時(shí)，上下伽馬趨于一致，說明是上切，就是從煤層打到頂板。然后開始降斜，降到比地層傾角還小的角度，較煤層走勢(shì)，軌跡開始往下走，即下伽馬比上伽馬小，且都變小，到井深805.00 m重新鉆回至煤層，上下伽馬趨于一致。在隨后上返至地面的巖屑，結(jié)合氣測(cè)錄井資料，和已掌握的地質(zhì)資料做對(duì)比，也證明是從煤層頂板鉆出了煤層。

如圖4所示，井深1240.00 m，下伽馬比上伽馬大，并且都變大，最后趨于一致，說明是下切，就是從煤層打到底板。鉆時(shí)明顯變大，然后開始增斜，增到比地層傾角還大的角度，較煤層走勢(shì)，軌跡開始往上走，即上伽馬比下伽馬小，且都變小，到井深1263.00 m重新鉆回至煤層，上下伽馬趨于一致。后期對(duì)上返至地面的巖屑，結(jié)合氣測(cè)錄井資料，和已掌握的地質(zhì)資料做比對(duì)，證明此次是從煤層底板鉆出了煤層。

圖3 軌跡上切后返回煤層Fig.3 Return to the coal seam after cutting through the roof

3.4 地層傾角的計(jì)算

利用傳統(tǒng)的伽馬探管計(jì)算地層傾角時(shí)，只有鉆井軌跡穿越同一個(gè)地層界面兩次或者明確知道目標(biāo)層厚度并且同時(shí)穿越該層頂、底界面，利用所得到的界面位置和穿越距離，結(jié)合鉆井軌跡參數(shù)可以計(jì)算出地層視傾角。如果利用方位伽馬測(cè)井，任何情況下，只要一次經(jīng)過頂或底界面，就可以準(zhǔn)確獲得穿越點(diǎn)處的視地層傾角信息，而且可以準(zhǔn)確判斷出層位置，為及時(shí)調(diào)整軌跡贏得時(shí)間［13］。

圖4 軌跡下切后返回煤層Fig.4 Return to the coal seam after cutting through the bottom

利用上下伽馬計(jì)算視地層傾角的公式［14］：

式中：α——視地層傾角，（°）；D——井徑，cm；Δd——上、下伽馬數(shù)值變化點(diǎn)的間距，cm；β——井斜角，（°）。

式中各參數(shù)間關(guān)系見圖5所示。

圖5 計(jì)算地層傾角公式各參數(shù)間關(guān)系示意Fig.5 Calculation of the formation dip and the relationship between various parameters

以圖3井深770.00～780.00 m井段為例，上下伽馬明確指示鉆頭從煤層頂部出層，與綜合錄井資料的判斷一致，計(jì)算該點(diǎn)的視地層傾角為0.9°，與構(gòu)造圖拾取的2°相比，該位置地層產(chǎn)狀變緩，也印證了以88°的井斜穿頂板的事實(shí)。

地層傾角與井斜角的變化關(guān)系對(duì)井眼軌跡的控制至關(guān)重要，鉆進(jìn)過程中，如果對(duì)地層傾向判斷失誤，軌跡也可能鉆出煤層［15］。

3.5 運(yùn)用對(duì)比

該井水平段進(jìn)尺數(shù)據(jù)及煤層鉆遇率統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 某煤層氣水平井水平段進(jìn)尺及煤層鉆遇率Table 2 Horizontal drilling length and coal seam intersection rates of a coal bed methane horizontal well

某水平分支井包括1個(gè)主井眼和4個(gè)分支井眼，水平段總進(jìn)尺3163.00 m，該井施工較早，受當(dāng)時(shí)技術(shù)限制，隨鉆儀器帶自然伽馬探管作為地質(zhì)參數(shù)測(cè)量單元。水平段進(jìn)尺數(shù)據(jù)及煤層鉆遇率統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 某水平分支井水平段進(jìn)尺及煤層鉆遇率Table 3 Horizontal drilling length and coal seam intersection rates of a horizontal branch well

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用方位伽馬施工水平井確實(shí)對(duì)提高鉆遇率有明顯優(yōu)勢(shì)，在鉆出煤層后可以較早地運(yùn)用工程手段盡快地使軌跡重新回到煤層中，減少非煤層井段的長度。當(dāng)然，任何儀器、工具只是起輔助作用，工程的施工與人員整體素質(zhì)、前期資料收集、研究等因素也有很大的關(guān)系，決策人員及時(shí)地發(fā)現(xiàn)、調(diào)整才能更好地發(fā)揮儀器、設(shè)備的作用。

4 結(jié)語

（1）方位伽馬測(cè)井較傳統(tǒng)伽馬測(cè)井有明顯優(yōu)勢(shì)，不但能夠準(zhǔn)確判定鉆井軌跡所在層位，而且在意外鉆出儲(chǔ)層時(shí)，能夠明確告知決策人員鉆頭是從儲(chǔ)層的上部還是下部出層，并且可以利用上下伽馬數(shù)據(jù)計(jì)算地層視傾角，為決策者及時(shí)調(diào)整軌跡鉆回儲(chǔ)層提供明確指導(dǎo)，減少非儲(chǔ)層鉆井量，從而提高鉆效和鉆遇率，是水平井，特別是薄儲(chǔ)層水平井鉆進(jìn)的有效工具。

（2）現(xiàn)應(yīng)用在煤層氣水平井中的隨鉆儀器測(cè)點(diǎn)均距離鉆頭有12～14 m的滯后距離，測(cè)量數(shù)據(jù)的滯后，對(duì)水平井軌跡的實(shí)時(shí)調(diào)整帶來不小的挑戰(zhàn)，必須結(jié)合鉆時(shí)等錄井資料進(jìn)行施工。

（3）鉆井遲到時(shí)間導(dǎo)致巖屑錄井及氣測(cè)錄井?dāng)?shù)據(jù)也相應(yīng)的滯后，給導(dǎo)向作業(yè)帶來一定的難度。

（4）地質(zhì)導(dǎo)向作業(yè)依靠鉆時(shí)、巖屑錄井、氣測(cè)錄井、隨鉆伽馬等隨鉆數(shù)據(jù)，結(jié)合軌跡控制技術(shù)，實(shí)時(shí)更新、修正鉆井軌跡，以更好地指導(dǎo)施工。