起伏型地層水平段井筒軌跡控制方法

趙紅燕 廖 勇 項克偉 鄒筱春 陳 輝 石元會

(中石化經(jīng)緯有限公司江漢測錄井分公司)

0 引 言

水平段軌跡優(yōu)化控制方法主要是根據(jù)物探、測井、錄井等資料，建立油氣藏的地質(zhì)模型，在鉆遇過程中實時修正模型，確保井眼軌跡控制和目的層鉆遇的最優(yōu)化[1-2]；當(dāng)?shù)貙觾A角發(fā)生變化時，根據(jù)地層的變化趨勢和規(guī)律對實鉆井斜角進行調(diào)整，井斜角的調(diào)整應(yīng)考慮井斜角與地層傾角之間的匹配關(guān)系。

隨著頁巖氣開發(fā)的進一步深入，鉆遇目的層由以往簡單儲層形態(tài)到各種復(fù)雜儲層形態(tài)的出現(xiàn)，制約了鉆井工程施工進度和水平段儲層的有效鉆遇率。對于目的層產(chǎn)狀變化較大的水平段儲層，地質(zhì)導(dǎo)向通常采用的方法是增加控制點，將地層分解為多個單斜段，利用鉆時、氣測、隨鉆方位伽馬等資料監(jiān)測鉆頭所在目的層中的位置，依據(jù)地層傾角分段調(diào)整[3]。這種方法在實鉆追蹤控制過程中，當(dāng)鉆遇地層產(chǎn)狀變化較多的連續(xù)起伏型儲層時，往往容易出現(xiàn)井斜角調(diào)整頻次多、調(diào)整輻度大，導(dǎo)致井筒軌跡不圓滑、鉆出目的層等一系列地質(zhì)和工程風(fēng)險。因此，迫切需要建立一種操作性強，易于現(xiàn)場普遍推廣應(yīng)用的連續(xù)頁巖氣儲層水平段地質(zhì)導(dǎo)向軌跡控制方法，達到助力鉆井提速提效的目的。

本文探討的起伏型地層是指同一地層界面地層變化呈波浪形狀，起伏角度明顯，如同“M”“W”“V”或反“V”形狀的對稱或非對稱、連續(xù)或非連續(xù)地層。

1 解決思路

通過研究大量起伏型地層地質(zhì)導(dǎo)向成功和失敗的典型案例，分析地質(zhì)導(dǎo)向指令的針對性、合理性、穿層的效果和軌跡的圓滑度，提出在目的層頂界面和底界面的起伏拐點處設(shè)置標(biāo)識點，結(jié)合入靶點和出靶點形成最優(yōu)的軌跡控制路徑，配合相應(yīng)公式計算獲得軌跡到達入靶點井斜角和每個分段中前一點到達后一點所需的井斜角，實現(xiàn)對連續(xù)起伏型儲層水平段軌跡控制。其目的是簡化控制方法、優(yōu)化工程曲率、減少軌跡調(diào)整頻次、縮短鉆井路線、提高鉆井質(zhì)量和時效。連續(xù)起伏型地層水平段軌跡控制方法作業(yè)流程圖如圖1所示。

圖1 連續(xù)起伏型地層水平段軌跡控制方法作業(yè)流程

2 實現(xiàn)方法和步驟

連續(xù)起伏型地層水平段軌跡控制的具體實現(xiàn)方法：收集待導(dǎo)向井及鄰井資料，建立精細地質(zhì)導(dǎo)向模型，明確最優(yōu)穿行層位、目的層水平段軌跡方向地層產(chǎn)狀變化；依據(jù)地質(zhì)導(dǎo)向模型確定起伏型地層軌跡分段參數(shù)和控制路徑；利用隨鉆伽馬、錄井資料、入靶前標(biāo)志層特征和水平段地層產(chǎn)狀變化控制入靶井斜；通過建立軌跡控制路徑計算模型獲得軌跡到達入靶點井斜角和到達地層起伏轉(zhuǎn)折點所需的井斜角，實現(xiàn)對起伏型地層水平段軌跡的合理控制。

2.1 資料準(zhǔn)備階段

(1)收集待導(dǎo)向井目的層的構(gòu)造屬性體和設(shè)計靶點數(shù)據(jù)，獲取待導(dǎo)向井目的層的精細解釋信息。

(2)收集待導(dǎo)向水平井所在區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)井、已鉆直井和鄰井地質(zhì)資料，獲取待導(dǎo)向井目的層綜合屬性信息。

(3)依據(jù)待導(dǎo)向井目的層的構(gòu)造數(shù)據(jù)和屬性信息建立地質(zhì)導(dǎo)向模型。

依據(jù)待導(dǎo)向井的水平段地震剖面圖和地質(zhì)導(dǎo)向模型，判斷儲層的起伏組合形態(tài)是否滿足連續(xù)起伏型儲層的變化特點，連續(xù)起伏型儲層的變化特點為“上傾”段和“下傾”段連續(xù)交替出現(xiàn)；若不滿足，則按常規(guī)水平段井眼軌跡控制。

2.2 確定軌跡分段控制路徑

2.2.1 確定分段參數(shù)

依據(jù)連續(xù)起伏型儲層的變化特點，結(jié)合導(dǎo)向井的水平段地震剖面圖和地質(zhì)導(dǎo)向模型，將目的層水平段同一頂界面入靶點表示為A1，中間起伏變化點依次表示為A2，A3，…，An-1，出靶點表示為An；將目的層水平段同一底界面入靶點表示為B1，中間起伏變化點依次表示為B2，B3，…，Bn-1，出靶點表示為Bn。其中，n為大于2的任意整數(shù)。

2.2.2 確定軌跡控制點

據(jù)待導(dǎo)向井水平段地震剖面圖和地層導(dǎo)向模型分別確定頂界面或底界面上相鄰兩點之間的分段視水平位移差L、分段高程差h、分段地層傾角α的數(shù)據(jù)。

2.2.3 確定軌跡控制路徑

當(dāng)連續(xù)起伏型儲層的第一段為“上傾”段時，則以A1作為入靶點，水平段軌跡控制路徑為A1、B2、A3、B4、……，直至到出靶點An或Bn；當(dāng)連續(xù)起伏型儲層的第一段為“下傾”段時，則以B1作為入靶點，水平段軌跡控制路徑為B1、A2、B3、A4、……，直至到出靶點An或Bn。對“M”型地層按“A1-B2-A3-B4-A5”標(biāo)記的路徑，分A1B2、B2A3、A3B4、B4A5共4段依次控制水平段軌跡(圖2)。對“W”型地層按“B1-A2-B3-A4-B5”標(biāo)記的路徑，分B1A2、A2B3、B3A4、A4B5共4段依次控制水平段軌跡(圖3)。

圖2 “M”型地層軌跡分段控制方案

圖3 “W”型地層軌跡分段控制方案

2.3 入靶井斜控制

入靶控制應(yīng)依據(jù)目的層產(chǎn)狀變化，利用入靶前地層標(biāo)志層、厚度、地層傾角變化等特征，合理使用靶前距，分段控制造斜率，實現(xiàn)垂深、層位、靶前距、井斜、方位“五位一體”目標(biāo)，達到精確入靶的目的[4-5]。入靶井斜角計算公式為：

γ0=90°-α0-β

式中：α0為入靶點地層傾角(地層下傾為正，上傾為負(fù))，(°)；β為軌跡方向與目的層水平段地層下切夾角，(°)，范圍為1°～3°(經(jīng)驗常數(shù))；γ0為到達入靶點井斜角，(°)。

2.4 分段軌跡控制

從入靶點起，前后相鄰兩點為一個分段，對每個分段依次進行軌跡角度控制，直至到達出靶點?！癕”型地層4個分段的軌跡控制路徑公式計算模型如圖4所示。在每個分段中，第1段前一點到達后一點所需的井斜角用γ1′表示，第2段前一點到達后一點所需的井斜角用γ2′表示，第i個分段前一點到達后一點所需的井斜角用γi′表示。γi′計算公式為：

圖4 “M”型地層軌跡控制路徑公式計算模型

hi=tanαi·Li

di=hi-H

γi=arctan(di/Li)

γi′=90°-γi

式中：hi為目的層同一界面上第i個分段前后相鄰兩點的高程差，m；αi為第i個分段地層傾角，(°)；Li為第i個分段視水平位移差，m；di為水平段第i個分段軌跡控制路徑上相鄰兩點的高程差，m；H為目的層厚度，m；γi為消除水平段控制軌跡路徑上第i個分段相鄰兩點間同一地層界限高程差所需傾角度數(shù)(地層下傾為正，上傾為負(fù))，(°)；γi′為到達第i個分段后一點處的井斜角，(°)；i為≥1的整數(shù)。

在從A1-B2點水平段控制軌跡過程中，進入B2點時采取快進緩出的控制方法，如實際鉆遇地層變化，根據(jù)B2點位置改變的L1或α1變化情況，按到達B2點所需井斜角計算公式，重新計算到達B2點所需要的井斜角，確保在分段結(jié)束的位置準(zhǔn)確抵達B2點；如B2點位置前移或后移改變分段長度L1，B2點位置上移或下移改變地層傾角α1。后續(xù)分段軌跡控制操作方法類似。

該方法適用于目的層同一界面上滿足1≤h/H≤10(目的層太厚，即h/H≤1，此方法無意義；目的層太薄，即h/H≥10，此方法也不可保證準(zhǔn)確鉆遇率，容易出層)的對稱或非對稱、連續(xù)或非連續(xù)“M”“W”“V”或反“V”形狀起伏地層。水平段軌跡效果評價依據(jù)地質(zhì)設(shè)計中井身質(zhì)量靶體考核范圍指標(biāo)和全角變化率考核指標(biāo)執(zhí)行。本文所講的對稱“M”形狀地層模型，其h、H均為理想化統(tǒng)一數(shù)值，如遇非對稱模型，h、H會有變化，應(yīng)根據(jù)實際情況計算。

3 應(yīng)用實例分析

該方法在中揚子地區(qū)頁巖氣井應(yīng)用50余口井，克服了起伏型地層水平段軌跡控制難度大，井眼欠圓滑的問題，實現(xiàn)目的層平均鉆遇率90.0%，提高定向效率40.0%以上，大幅提高了鉆井時效，地質(zhì)導(dǎo)向成功效果明顯。

B 2-X1HF井水平段為非對稱“M”型連續(xù)起伏儲層，目的層厚度9.0 m；入靶前地層下傾2.00°，于井深2 690.0 m井斜86.20°入A靶點，根據(jù)地震剖面圖和地質(zhì)導(dǎo)向模型及實時隨鉆監(jiān)控，水平段方向地層明顯起伏點有5個，實鉆分段水平位移差在284.28～871.57 m之間，地層傾角在上傾3.35°至下傾4.20°范圍內(nèi)變化(表1)。應(yīng)用本方法調(diào)整水平段軌跡，井深5 386.8 m井斜86.6°后穩(wěn)斜鉆進至B靶點，實現(xiàn)實鉆水平段長2 760.0 m，儲層鉆遇率100%，全角變化率0.50°/30 m～0.85°/30 m、平均0.61°/30 m，軌跡控制圓滑，工程易于實現(xiàn)(圖5)。

表1 B 2-X1HF井水平段連續(xù)起伏型地層軌跡控制計算數(shù)據(jù)

圖5 B 2-X1HF井水平段連續(xù)起伏型地層穿層軌跡

4 結(jié) 論

本文提出的起伏型地層水平段地質(zhì)導(dǎo)向控制路徑方法經(jīng)實踐檢驗方案合理，可操作性強。在目的層同一界面上滿足1≤h/H≤10的條件下，計算模型適用于對稱或非對稱、連續(xù)或非連續(xù)“M”“W”“V”或反“V”形狀起伏地層。

建立的起伏型地層水平段地質(zhì)導(dǎo)向控制方法簡單、軌跡調(diào)整頻次少、鉆井路線短，在提高鉆井質(zhì)量和時效方面具有明顯優(yōu)勢，可為國內(nèi)其他頁巖氣探區(qū)連續(xù)起伏型地層水平段井筒軌跡控制提供借鑒和指導(dǎo)。