彭水页岩气水平井中靶技术与应用

谷红陶，袁航，夏海帮

（中国石化华东油气分公司非常规资源勘探开发指挥部，山西乡宁042100）

彭水页岩气水平井中靶技术与应用

谷红陶，袁航，夏海帮

（中国石化华东油气分公司非常规资源勘探开发指挥部，山西乡宁042100）

通过对彭水地区PYHF-1井地质导向技术的攻关研究与总结，提出了一种“数学逼近算法”。依据地质标志层逐步计算实钻地层倾角进而预测靶点垂深位置的中靶技术，建立了适合彭水区块的页岩气水平井中靶计算的数学模型，给出了数学模型的解析解。并在中靶技术计算过程中，提出了“地层微分化”的概念，提高了靶点垂深计算的准确性。该方法具有直观性、操作简便的优点，并在PY2HF、PY3HF、PY4HF井中靶计算过程中成功应用。

页岩气水平井；中靶技术；地质标志层；数学逼近算法；地层微分化

彭水页岩气区是华东油气分公司在重庆地区的页岩气重点勘探目标区带，属于川东南地区典型的盆缘改造型常压页岩气藏分布区，目前该区已投产页岩气生产井4口，获得了日产（4～6）×104m3的稳定工业气流，年供气规模超1 000×104m3。

1 彭水区块水平井中靶难点

1）二维地震资料精度较低，地层产状、微小断层落实程度差，目的层钻遇率难以保障。桑柘坪向斜作为彭水区块页岩气勘探主战场，面积1 553 km2，目前仅完成密度1 km×2 km/17条二维地震剖面，后期二维地震资料解释过程中，时深的转换所需建立的速度模型准确性较低，最终导致二维地震资料对目的页岩层深度预测存在较大的偏差，PY1井地层底深设计与实钻最大相差385 m，水平井A靶点垂深设计与实钻相差105 m。

2）区块勘探程度低，探井地质资料少，地层产状变化大。勘探目标区目的页岩层地层倾角从翼部的18°～20°变化到核部的3°～4°，目的层顶界埋深从2 000 m变化到3 300 m。而该区目前只钻探一口页岩气探井（PY1井），缺少必要的地层资料参考和对比依据。

鉴于以上原因，彭水地区页岩气水平井钻探施工过程中，利用常规对比手段已不能满足精确中靶的要求。通过对PYHF-1井钻探经验摸索、技术攻关，提出了一种适应彭水区块构造复杂带地层（非单斜地层、地层倾角变化大）、无导眼页岩气水平井的中靶技术，在PY2HF井、PY3HF井、PY4HF井钻探过程中得到了良好的应用。

2 水平井中靶技术研究

2.1 中靶原则

水平井的靶窗可以假想为一个在目的层内以水平井眼轨道为轴线的空间靶，页岩气水平井准确中靶原则：现场技术人员在满足地质要求的前提下，根据实钻井轨迹参数、地层岩性组合变化特征等数据，实时调整靶点数据、控制好靶前距，确保钻井以最优的角度和方位进入到靶窗内。

2.2 中靶技术

彭水地区页岩气水平井中靶工作思路包括：根据区域参数井PY1井钻探获取地层岩性组合、钻时气测、电测特征。目的页岩层段上部选取区域地质标志层，钻遇地质标志层段。根据实钻井轨迹数据，计算正钻地层视倾角，地质标志层与A靶靶窗之间地层真厚度特征，完成A靶垂深预测。

2.2.1 区域地质标志层的选择

PY1井作为彭水地区唯一的参数井，五峰—龙马溪组累计完成102.04 m取心，并完成一系列常规、特殊测井项目，完善了区域地质资料，获取了区域地层“铁柱子”。为满足区域页岩气水平评价井中靶的要求，根据地层岩性特征、钻时气测特征以及电测特征，五峰—龙马溪组地层共计完成7个区域地质标志层的刻度[1-2]。

表1 彭水区块不同岩性地层对应参数Table 1 Corresponding reference parameters of different lithostratigraphy in Pengshui block

1）井底岩性及时识别

页岩气水平井实钻过程中，由于迟到时间和随钻测井仪器盲区的存在，无论是返出的岩屑还是随钻测井曲线均表现出一定的滞后性。这时利用钻时、扭矩、地层自然造斜能力等实钻参数（表1），结合地层岩性组合特征，可大致判断正钻钻头位置。

2）区域地质标志层的刻度

上下接触的地层产状一般具有继承性或规律性变化，在造斜点至目的层之间选择分布相对稳定、上下岩性变化明显的地层界面，以及测井曲线上易于识别的具有区域代表性的特征段来作为区域地质标志层的刻度标准，实现实钻深度、地层产状变化及变化趋势的实时对比分析，提前预测目的层构造变化及变化幅度。根据彭水区块PY1井实钻地层特点，按照位置特征、岩性特征、厚度特征、曲线特征相结合的方式，刻度了具有区域代表性的1个标志层和6个特征段作为区域地质标志层（表2）。

表2 彭水区块区域标志层特征描述Table 2 Character description of regional marked bed in Pengshui block

2.2.2 地层视倾角计算

设钻遇地质标志层上下界面分别与实钻井轨迹相交于特征点b、特征点c，特征点b已知参数包括垂深Db、视平移Vb以及北南位移Nb、东西位移Eb，特征点c已知参数包括垂深Dc、视平移Vc以及北南位移Nc、东西位移Ec。图1采用柱面图表示法[3]绘制井轨迹水平投影图及垂直剖面图，图中，H为钻遇地质标志层的真厚度，α为钻至特征点c处时井轨迹井斜角，ΔV为特征点b与特征点c之间的视位移差，ΔD为特征点b、c两点垂深差，ΔL为特征点b、c两点井深差，设定θ为实钻井轨迹井斜方位角方向地层视倾角。

合并（1）、（2）、（3）式得地层视倾角计算公式为：

图1 地层视倾角计算示意图Fig.1 Calculation schematic diagram of apparent formation dip

2.2.3 水平井靶点垂深预测

1）数学模型的建立

根据实钻井轨迹参数、地质标志层深度及其真厚度值，可以计算得出正钻地层视倾角，再利用“标志层逐步逼近控制”的方法，在实钻数据不断更新的过程中，对地层产状加以核实和修正，同时逐级预测和校正钻遇地质标志层的产状变化特征，实现设计轨道的调整和优化，最终可以完成水平井精细中靶的目标[5-7]（图2）。

2）水平井靶点预测

本文公式中，具有长度量纲的参数其物理单位为米，角度参数的物理单位为度。

假设hk为k标志层顶板在铅垂线上的投影，Δhk为k标志层厚度在铅垂线上的投影，Hk表示k标志层底板到靶点A的垂直距离（图2）。则靶点垂深HA预测公式为[8]：

图2 水平井局部构造预测及轨迹调整示意图Fig.2 Local structure prediction and trajectory adjustment schematic diagram of horizontal wells

依据“标志层逐步逼近控制”的原则，现场实际操作过程中，选取的区域标志层越多，即k值选取的越多，靶点垂深预测数值越精确。

进一步分解公式（5），如下：

公路工程机械设备自身的科技含量高低，会对设备的综合性能造成很大的影响，因此在施工机械设备采购的过程中，需要了解机械设备的性能，不能盲目地购买，导致工程受到影响。机械设备在应用的过程中，机械的完好率、工作性能和维护管理效果，在一定的程度上会对机械设备运行效率造成影响，因此采购人员在设备购买的过程中，需要做好机械设备的综合性能检测以及设备的完好率检测，同时还要货比三家，选择质量好、价格适中的设备，从而给公路工程提供重要保障[1]。

假设特征点b井深为Lb，垂深为Db，相对井口北南位移为Nb，东西位移为Eb，特征点c斜深为Lc，垂深为Dc，相对井口北南位移为Nc，东西位移为Ec；特征点b与特征点c之间视位移为ΔV、井深深度差值为ΔL、垂深深度差为ΔD，特征点b与特征点c之间地层真厚度[9]为H；正钻地层视倾角（实钻井轨迹井斜方位角方向）为θ，靶点处地层视倾角为θA，γ为岩层走向与特征点b、c连线在水平面上的投影线之间的夹角；实钻井轨迹井斜角为α、井斜方位角为φ，正钻地层真倾向为ω。

设定k值定义为计算步长，则公式（6）可进一步解析为下式：

公式（6）中，θA为一个不确定值：若θA与θ相同，则本模型可以简化为“单斜地层”，但是现实中的地层产状是不存在这种情况的。

彭水地区页岩气水平井中靶技术采用了“数学逼近算法”，将区域地质标志层之间的地层依据数学微分的原理划分为若干层段，分次计算区域地质标志层位置处垂深，然后进行求和计算，可以有效的避免因实钻井轨迹参数不断变化而带来的数学计算误差。

3 水平井中靶技术现场应用

3.1 地层视倾角计算及靶点垂深预测

PY4HF井是彭水区块的一口无导眼页岩气水平评价井，距离PY1井直线距离约3 km，设计A靶垂深2 059.00 m。PY4HF井实钻过程中，钻进至井深1 970 m时，钻穿区域1号标志层—龙马溪组中部泥灰岩，该标志层地层实钻轨迹数据见表3。

依据表3的内容，设置计算步长为100（即n= 100）。

表3 PY4HF井1号标志层实钻数据Table 3 Real drilling data of No.1 marked bed of well PY4HF

1）若考虑地层模型为单斜剖面，即θA与θ相同，则根据公式（6）计算可得：θ=17.78°，预测靶点垂深HA=2 101.72 m。

2）若考虑地层模型为非线性变化剖面，即θA与θ不相同，根据地震剖面、邻井资料分别预测θA=11°、θA=13°、θA=15°三种情况，根据公式（6）计算得：θ=17.78°，分别预测靶点垂深HA=2 084.67 m、HA=2 089.62 m、HA=2 094.64 m。

根据计算所得，预测靶点垂深较设计有明显加深，原设计轨道已经不再适应发生变化的地层，为保证精确中靶，需要减小井斜角、重新设计井眼轨道[10-11]。

3.2 水平井中靶技术现场应用效果评价

PY4HF井设计靶窗范围为15 m×30 m，对应区域标志井PY1井井深2 154～2 156 m优质页岩层段，靶窗范围内电性GR特征值200～470 API，基于彭水区块页岩气水平井中靶技术方法，最终PY4HF井水平段长1 400 m、优质页岩钻遇率达100%，该技术现场应用成功。

4 结论

1）彭水页岩气水平井中靶技术的提出，解决了该区地质构造复杂、目的页岩层深度地震解释不精确的情况下无导眼水平井准确中靶的难题，建立了适合彭水区块页岩气水平井中靶计算的数学模型，求取该数学模型的解析解，实现了正钻地层视倾角、靶点垂深的可计算性，为合理的调整井轨迹提供了决策依据。

2）水平井靶点垂深计算过程中，创新性的提出“地层微分化”的概念，将区域地质标志层与靶点之间的地层分为若干小层，分别计算、求和，有效的避免了较长井段范围内实钻井轨迹参数不唯一而造成的靶点垂深计算误差，提高了靶点垂深预测的准确性。

3）根据彭水区块水平井实钻效果来看，靶前距控制在30～40 m、着陆点处井斜角控制在小于目的层段地层倾角4°～5°，有利于保证水平井平稳中靶及后期水平段轨迹调整。

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（编辑：尹淑容）

Application of shooting technology of horizontal wells in Pengshui shale gas area

Gu Hongtao,Yuan Hang and Xia Haibang
(Unconventional Resources Exploration and Development Headquarter,East China Oil and Gas Company,SINOPEC,Nanjing, Jiangsu 042100,China)

Through the total amount of geosteering technology and research in well PYHF-1 of Pengshui area,a mathematical ap⁃proximation algorithm is proposed.According to geologic strata,the real drilling stratigraphic dip is calculated step by step and the shooting technology of target vertical depth place is predicted,accordingly,the mathematical model of shooting calculation suited for horizontal wells of Pengshui shale gas is established and its analytical solution is obtained.During the calculation of shooting technology,the stratum differentiation concept is proposed,which improves the accuracy of the target vertical depth calculation. Having the advantages of strong visual impression and simple operation,this method is successfully applied in shooting calculation process of well PY2HF,PY3HF and PY4HF.

horizontal well of shale gas,shooting technology,geologic strata,mathematical approximation algorithm,stratum differ⁃entiation

TE243

A

2015-06-06。

谷红陶（1987—），男，助理工程师，页岩气、煤层气地质研究。