頁(yè)巖氣水平井地質(zhì)導(dǎo)向中的幾個(gè)問(wèn)題

汪凱明，韓克寧

（1.中國(guó)石化華東分公司石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，江蘇 南京 210011;2.中國(guó)石化華東分公司非常規(guī)資源處，江蘇 南京 210000）

在缺乏三維地震資料、鉆井少等勘探程度較低的探區(qū)，在不打?qū)а劬以O(shè)計(jì)井及井軌跡不在二維地震測(cè)線上的情況下，如何預(yù)測(cè)水平井靶點(diǎn)垂深、目的層地層傾角（以多大井斜角著陸、入靶）、確保準(zhǔn)確中靶并控制鉆頭在靶窗有效穿行，提高目的層的鉆遇率，從而有效地達(dá)到地質(zhì)目的，是鉆井過(guò)程中地質(zhì)導(dǎo)向面臨的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

1 地質(zhì)導(dǎo)向

目前國(guó)際鉆井界對(duì)地質(zhì)導(dǎo)向的定義尚無(wú)統(tǒng)一權(quán)威性表述[1]。國(guó)內(nèi)一般認(rèn)為地質(zhì)導(dǎo)向就是在鉆井過(guò)程中通過(guò)隨鉆測(cè)量（MWD）、隨鉆錄井和隨鉆測(cè)井資料（LWD）等多種地質(zhì)和工程參數(shù)對(duì)所鉆地層的地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)和對(duì)比，根據(jù)評(píng)價(jià)對(duì)比結(jié)果實(shí)時(shí)調(diào)整控制井眼軌跡，使之命中最佳地質(zhì)目標(biāo)（靶窗或“甜點(diǎn)”）并在其中有效延伸[1-4]。

2 隨鉆測(cè)井中含氣頁(yè)巖響應(yīng)特征

隨鉆測(cè)井技術(shù)[5-9]是在鉆井的同時(shí)完成測(cè)井作業(yè)，可在水平井整個(gè)井筒長(zhǎng)度范圍內(nèi)進(jìn)行自然伽馬、電阻率、成像測(cè)井和井筒地層傾角分析，能夠?qū)崟r(shí)利用監(jiān)控關(guān)鍵鉆井參數(shù)進(jìn)行井眼軌跡控制和定位，并將測(cè)量結(jié)果和鉆井信息實(shí)時(shí)送到地面進(jìn)行處理和應(yīng)用，用于優(yōu)化鉆、完井作業(yè)、幫助作業(yè)者確定壓裂分段、射孔位置和增產(chǎn)的最佳方案。且與常用的電纜測(cè)井技術(shù)不同，隨鉆測(cè)井獲得的資料是在泥漿濾液侵入地層之前或侵入很淺時(shí)測(cè)得的。因此，不僅能夠更為真實(shí)地反映原狀地層的地質(zhì)特征，大幅提高地層評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性，而且可以有效減少井場(chǎng)鉆機(jī)占用時(shí)間，提高鉆井效率。

含氣頁(yè)巖與常規(guī)儲(chǔ)層對(duì)比，含氣頁(yè)巖地層具有以下測(cè)井響應(yīng)特征[8-12]：1）井徑一般出現(xiàn)擴(kuò)徑現(xiàn)象；2）自然伽馬高值，頁(yè)巖泥質(zhì)含量較高，其中的某些有機(jī)質(zhì)中含有高放射性物質(zhì)，因而含氣頁(yè)巖層總體自然伽馬值偏高；3）電阻率低值，局部高值，頁(yè)巖中的高泥質(zhì)含量及高束縛水飽和度將使頁(yè)巖氣層的電阻率降低，但由于有機(jī)質(zhì)的電阻較高，干酪根的電阻率為無(wú)窮大，所以在有機(jī)質(zhì)豐度高的地層中，電阻率表現(xiàn)為高值；4）高聲波時(shí)差、低密度。因此，利用隨鉆測(cè)井曲線形態(tài)和測(cè)井曲線相對(duì)大小可以快速而直觀地識(shí)別含氣頁(yè)巖層，從而判斷和控制頁(yè)巖氣水平井井身軌跡，確保在優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段中鉆進(jìn)。

3 水平井方位校正

水平井方位的校正在水平隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向中是一件非常重要的工作，水平位移越大，越顯得重要，否則，極容易導(dǎo)致脫靶，甚至觸碰斷層發(fā)生地質(zhì)事故。頁(yè)巖氣水平井水平段一般都比較長(zhǎng)，目前普遍在1 000～1 500m之間，水平段方位一般都垂直工區(qū)內(nèi)現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力方向，以便在后期壓裂改造過(guò)程中促進(jìn)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)裂縫系統(tǒng)的形成，擴(kuò)大泄氣面積，提高單井產(chǎn)量。

井斜方位角的測(cè)量通常使用磁性測(cè)量?jī)x器，所測(cè)得的井斜方位角是磁方位角，所計(jì)算出的井眼軌跡將是以地磁北極為基準(zhǔn)。當(dāng)使用非磁性測(cè)量?jī)x器（例如陀螺儀）時(shí)，測(cè)得的方位角是以真北為基準(zhǔn)。但通常水平井軌道設(shè)計(jì)和軌跡計(jì)算都使用的是高斯—克呂格投影坐標(biāo)系（圖1），是以網(wǎng)格北為基準(zhǔn)的。所以需要把測(cè)量的磁北作為基準(zhǔn)的井斜方位角，以真北為基準(zhǔn)的井斜真方位角轉(zhuǎn)換成以網(wǎng)格北為基準(zhǔn)的井斜方位角，這項(xiàng)工作稱為“方位角校正”，國(guó)外稱為“方位參照系轉(zhuǎn)換”[13-14]。

由于地磁北極是隨時(shí)間變化的，建議不以地磁北極作為基準(zhǔn)，否則所得到的井眼軌跡會(huì)給今后的井眼防撞、老井側(cè)鉆以及儲(chǔ)層壓裂改造、甚至開(kāi)發(fā)井網(wǎng)的布局等施工帶來(lái)不便。大地北極和高斯平面坐標(biāo)北都可以作為北極基準(zhǔn)（一般多用后者）。只有將實(shí)鉆井眼軌跡和設(shè)計(jì)井眼軌道轉(zhuǎn)換到同一個(gè)坐標(biāo)系內(nèi)，才能保證井眼軌跡監(jiān)測(cè)與控制的有效性和科學(xué)性。

圖1 高斯投影坐標(biāo)系Fig.1 Gauss projective coordinate system

真北方位、網(wǎng)格北方位和磁方位三者之間可相互轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換關(guān)系為：真北方位=網(wǎng)格北方位+子午收斂角；真北方位=磁方位+磁偏角；網(wǎng)格北方位=磁方位+磁偏角-子午收斂角。

4 井眼軌跡方向地層視傾角的確定

目的層視傾角的確定直接關(guān)系水平井著陸方案的合理制定，即井眼軌跡以多大的井斜角著陸和入靶，狗腿度是否控制在合理的范圍內(nèi)等。

制定合理的著陸方案的基礎(chǔ)是準(zhǔn)確的地層對(duì)比，地層對(duì)比非常關(guān)鍵，只有地層對(duì)比準(zhǔn)確了，才能計(jì)算出真實(shí)的地層傾角，因此，制定的著陸方案才能合理，否則制定的著陸方案只能是錯(cuò)誤的。

首先根據(jù)二維地震資料編制的目的層頂面/底面構(gòu)造圖求解井眼軌跡方向地層視傾角，因?yàn)榈卣鸱直媛实南拗?，該值只是一個(gè)概值，但能從宏觀上大體反映出地層產(chǎn)狀的變化趨勢(shì)。較準(zhǔn)確的是將鄰井及設(shè)計(jì)井鉆遇的單層厚度進(jìn)行深度換算，變成垂厚度，選用標(biāo)志層，利用電性、巖性組合特征進(jìn)行地層對(duì)比，提高預(yù)測(cè)精度，以確保準(zhǔn)確著陸。地層對(duì)比結(jié)果跟設(shè)計(jì)沒(méi)有誤差是最好的結(jié)果，這種情況下，只要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)提供的軌跡控制好就沒(méi)有問(wèn)題了。但這種情況比較少見(jiàn)，一般情況下，實(shí)鉆深度與設(shè)計(jì)深度總是存在著或大或小的偏差。

以川東南XX地區(qū)PY-X1井（已鉆井、有導(dǎo)眼井）和PY-X2井（正鉆井）為例，本次主要利用PY-X1井的標(biāo)志層（特征面）來(lái)計(jì)算和預(yù)測(cè)PY-X2井目的層的地層傾角和靶點(diǎn)垂深（圖2、表1），從PY-X1井的實(shí)鉆來(lái)看，入靶前存在5個(gè)特征面，利用這5個(gè)特征面形成5種組合樣式，地層傾角計(jì)算結(jié)果為13.07°～18.16°。顯然，求解的值是一個(gè)范圍，據(jù)此也不能制定完善合理的著陸方案。此時(shí)，必須考慮依據(jù)井眼軌跡“既能增加垂深，又能增斜上挑”的原則來(lái)選擇井斜角。當(dāng)優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖提前時(shí)，能夠及時(shí)增斜，且進(jìn)入優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖深度有限；當(dāng)優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖推后時(shí)，及時(shí)增加垂深，盡量在A靶點(diǎn)前探到優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖或少損失水平段。目前，所選用探窗頂?shù)木苯?，一般選擇小于地層傾角的4°～5°，實(shí)鉆效果比較好，這樣既可以在著陸前增加垂深，也可以在確定目的層著陸后增斜鉆進(jìn)，使鉆頭保持在目的層里穿行，即“宜上宜下”，本次選擇14°為地層視傾角，PY-X2井以76°的井斜角入窗，在實(shí)鉆中取得了較好的效果。

5 靶窗內(nèi)軌跡的控制

在水平井鉆探過(guò)程中，入窗后如何保持鉆頭一直在靶窗內(nèi)穿行也是地質(zhì)導(dǎo)向面臨的一個(gè)重要問(wèn)題，及時(shí)修正靶點(diǎn)垂深是確保水平段長(zhǎng)度和井眼軌跡控制在目的層合適位置的關(guān)鍵。

圖2 PY-X1井導(dǎo)眼井垂深測(cè)錄井地層綜合剖面Fig.2 Sratigrafic composite section of pilot hole vertical depth measuring and recording of well PY-X1

表1 PY-X2井特征面法地層傾角及靶點(diǎn)預(yù)測(cè)Table 1 Sratigrafic dip and target prediction of well PY-X2 by feature surface method

現(xiàn)場(chǎng)具體實(shí)施時(shí)，根據(jù)優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖提前或推后深度、位置和優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖厚度情況，及時(shí)修正構(gòu)造圖，實(shí)時(shí)將測(cè)斜數(shù)據(jù)投影至地震剖面，判斷鉆頭位置，給出靶點(diǎn)位置，并在實(shí)鉆過(guò)程中，利用鉆時(shí)、氣測(cè)、隨鉆電測(cè)（伽馬、電阻率）等資料實(shí)時(shí)對(duì)井眼軌跡進(jìn)行調(diào)整，對(duì)靶點(diǎn)進(jìn)行修正，做到微調(diào)井斜、輕擺方位，盡量使井眼軌跡平滑。

現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)向過(guò)程中，主要利用PY-X2井的隨鉆電測(cè)資料來(lái)判斷鉆遇地層的視傾角，以調(diào)整井斜角，鉆頭在鉆遇同一頁(yè)巖層時(shí)，隨鉆電測(cè)上具有相似或相同的曲線特征，利用鉆頭垂深變化和水平位移即可以求解鉆遇段的地層視傾角。表2及圖3中給出了PY-X2井隨鉆過(guò)程中9套電測(cè)組合特征點(diǎn)，地層視傾角在13.1°～14.37°，平均為13.72°，當(dāng)然此時(shí)計(jì)算的地層傾角是已經(jīng)鉆遇的地層傾角，下步井斜角的調(diào)整，仍應(yīng)結(jié)合地震剖面波組的特征，若地震剖面上顯示地層產(chǎn)狀穩(wěn)定，那么該值可以作為即將鉆遇地層的視傾角，若有所起伏，則可據(jù)此做適當(dāng)調(diào)整即可。

此外，PY-X2井給定的縱向靶窗半徑為7.5m，因其底板為臨湘組—寶塔組灰?guī)r，嚴(yán)禁觸碰，實(shí)鉆過(guò)程中控制軌跡在靶窗軸線的較上部地層穿越（后期壓裂施工，下靶窗優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖可得以改造），盡量遠(yuǎn)離底板灰?guī)r，以及井眼軌跡的圓滑，確保后期工程的順利實(shí)施。

6 結(jié)論

1）大地北極和高斯平面坐標(biāo)北都可以作為北極基準(zhǔn)（一般多用后者）。只有將實(shí)鉆井眼軌跡和設(shè)計(jì)井眼軌道轉(zhuǎn)換到同一個(gè)坐標(biāo)系內(nèi)，才能保證井眼軌跡監(jiān)測(cè)與控制的有效性和科學(xué)性。

2）利用標(biāo)志層組合法求取地層視傾角的同時(shí)，必須考慮依據(jù)井眼軌跡“既能增加垂深，又能增斜上挑”的原則來(lái)選擇井斜角。

表2 PY-X2井隨鉆電測(cè)法地層視傾角計(jì)算Table 2 Sratigrafic dip calculation of well PY-X2 by electric logging while drilling

圖3 PY-X2井隨鉆電測(cè)伽馬曲線Fig.3 Gamma curves of well PY-X2 by electric logging while drilling

3）及時(shí)修正靶點(diǎn)垂深是確保水平段長(zhǎng)度和井眼軌跡控制在目的層合適位置的關(guān)鍵。在實(shí)鉆過(guò)程中，必須充分利用地震、鉆時(shí)、氣測(cè)、隨鉆電測(cè)等資料實(shí)時(shí)對(duì)井眼軌跡進(jìn)行調(diào)整，對(duì)靶點(diǎn)進(jìn)行修正，做到微調(diào)井斜、輕擺方位，盡量使井眼軌跡平滑，確保后期工程的順利實(shí)施。

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