地质导向建模提高煤层气水平井开发效果

林昕 饶孟余 吴雪飞 赵婧姝 刘昆

1.奥瑞安能源国际有限公司；2.中石油煤层气有限责任公司

地质导向建模提高煤层气水平井开发效果

林昕1饶孟余1吴雪飞2赵婧姝2刘昆2

1.奥瑞安能源国际有限公司；2.中石油煤层气有限责任公司

煤层气受资源条件的约束采收率低，投资回报周期长，其相关工艺发展缓慢，严重制约了煤层气产业的勘探开发进程，因此必须通过不断创新提升工艺效果、优化资源配置。分析认为利用地质导向建模的方法可以有效指导地质导向施工，从而提高水平井的开发效果。基于目前国内常用的地质导向技术，介绍了利用模拟拟合的思想来建立地质导向模型的流程，通过分析河东煤层气区块开发中遇到的实际案例，纠正当前水平井地质导向普遍存在的问题，并提出优化方案。从2016年已经完成的13口多分支水平井开发效果来分析，地质导向建模技术可以提升钻井品质进而改善产能。该技术提高了水平井开发的综合效率，为区块建设提供了技术保障。

地质导向；建模；煤层气；水平井

通过地质导向提高水平井钻遇率、提升钻井时效是煤层气勘探行业公认的成熟技术［1-2］。地质导向建模是地质导向技术的重要组成部分，其流程贯穿整个地质导向过程。国内目前流行利用数据表格形式的模型草图［3］辅助地质导向分析：该模型图是基于地层等厚连续的假设前提下建立的简单示意图，不能直观展示水平段的细节信息，同时缺乏对新地层变化趋势的预测，因此未能发挥有效作用。针对目标区块煤层非均质性较强的地层特征，研究利用地质导向建模提升煤层气水平井工艺，对正在进行中的区块大开发具有实际意义。

1 煤层气地质导向工艺发展历程

Development history of CBM geo-steering technologies

煤层气资源采收率低，投资回报周期长，特别是水平井开发工艺单井投资大，水平段地质导向难度高［1-2］，为此必须选择合适费用的随钻开发方案以适应不断升级的挑战。煤层气地质导向工艺从被动导向到主动导向，其发展经历常规随钻测量（被动式）、（可打捞式）方向性测量（主动式）、近钻头成像测量（主动式）3 个阶段［4-5］（见表 1）。

表1 煤层气地质导向工艺演变Table 1 Evolution of CBM geo-steering technologies

利用常规随钻测量，录井岩屑、气测以及钻井参数等指导地质导向，难以判断地层与轨迹之间的相对位置关系，导致钻遇率低。

2006年国内引入方向性伽马测量技术，来判断轨迹与地层的位置关系（图1），从而实现主动调整轨迹并在出层后快速返回目的层［6］。2008年引入可打捞式的方向性测量工具，进一步降低了钻具落井的风险成本。

图1 利用方向性曲线判断地层与轨迹相对位置关系Fig. 1 Using directional curve to judge the relative position between strata and trajectory

2 地质导向建模流程

Work flow of geo-steering modeling

地质导向建模立足于导向工艺本身，不同的工艺水平所采用建模流程也互不相同。根据目前国内应用最多的方向性测量技术，可以采用模拟拟合技术（Model-Compare-Update）［4，7］来指导地质导向建模流程。该流程包含3个步骤（见图2）：

首先，选取多口邻井数据建立三维地质模型。导入设计轨迹在地质模型中切面从而获得二维地质模型，将井区煤层测井特征曲线赋值到二维地质模型后得到导向模型。根据新导入轨迹在模型中的特定位置生成正演拟合曲线，同时模拟出不同场景条件下地层响应特征，以识别实钻中出现的复杂情况。

图2 由三维地质模型建立导向模型Fig. 2 Geo-steering modeling based on 3D geologic model

其次，在实钻过程中将正演拟合曲线（图3）与实时曲线、钻井参数、录井资料等进行拟合度分析，综合判断导向模型是否反映了地下真实情况。导向模型的横轴采用水平段真长（True Horizontal Length）以体现轨迹在方位上的变化，因此导向模型实现了通过二维平面展示了三维空间信息。

图3 对比实时曲线与正演拟合曲线Fig. 3 Comparison between real-time curve and forward fitting curve

最后，更新模型：（1）更新导向模型，使轨迹体现与当前地层之间的真实位置关系；（2）更新地质模型，通过已钻分支数据调整模型，指导后续分支的钻进。地质导向建模流程如图4所示。

图4 地质导向建模流程Fig. 4 Work flow of geo-steering modeling

地质导向模型根据随钻数据实时同步调整。随钻过程中应根据仪器的数据采样间隔参数设置机械钻速、转速，以确保数据密度从而提高模型精度［4］。

3 地质导向建模的应用

Application of geo-steering modeling

目标区块是我国煤层气勘探开发对外合作示范区块之一，目前处于产能建设期。区块煤层地质条件复杂：（1）煤层夹矸的不规律发育，分叉和减薄现象普遍；（2）煤体结构以原生、碎裂结构为主，局部发育薄层状、透镜状构造煤；（3）小型构造（断层、褶曲）的不可预测性［8-9］。此外，随着开发向薄煤区、深煤区推进，对水平井开发技术工艺提出了更高要求。下面以该区块施工的实际案例来分析地质导向建模在水平井开发中的作用。

3.1 优化井眼轨迹

Optimization of well trajectory

方向性测量技术提供了导向决策相关的信息，但对这些信息不加以正确利用会产生适得其反的效果。按照施工标准，本井共有6次超最大狗腿限制，2次（图5黄圈）超连续狗腿限制。如图6黄色框所示轨迹形态，在施工中对于煤层横向变化采取过大幅度的调整措施，即盲目规避储层不均质发育段，导致轨迹在目的层内剧烈起伏，形成波浪式的轨迹形态［10］。这种过大幅度的调整为后续钻井施工埋下隐患，并且在波浪形轨迹低部位位置容易形成煤粉沉淀堆积，直接影响后期排采生产。

通过地质导向建模可以一目了然轨迹的不合理情况，指导施工过程，减少不必要的导向调整从而实现优化井眼轨迹目的。

图5 水平段狗腿度分析Fig. 5 Analysis on the dogleg of horizontal section

图6 水平段波浪式的轨迹形态Fig. 6 Wave-like trajectory of horizontal section

3.2 减少侧钻次数

Reduction of sidetracking frequency

目前多分支水平井完井多采用分支裸眼的完井方式。因此为降低侧钻点垮塌堵塞井眼的风险，分支钻进中要尽量减少侧钻次数。如图7黄圈位置所示，在轨迹第2次出层后，施工时为抢进度，选择通过侧钻的方式迅速穿过出层段。

图7 通过导向建模来分析侧钻原因Fig. 7 Analysis on the reasons for the sidetracking based on steering modeling

分析导向模型可以发现分支第2次出层点位置就在目的层顶界处，预测轨迹显示只需很少的进尺就可以返回目标煤层。2次侧钻点煤岩井壁遭到破坏，易坍塌并容易形成岩屑床等现象，因此盲目追求钻井时效进行频繁侧钻，只会为后续施工生产带来不利影响。

提高分支井眼稳定性，有利于排采通道畅通。通过地质导向建模来综合分析侧钻原因，进而分析侧钻是否真实必要，达到减少侧钻次数的目的。

3.3 追踪储层“甜点”

Tracing of reservoir“ sweet spot”

煤层分叉和减薄的不规律发育在本区块普遍存在。通过钻前地质导向建模（图8），可以观察到该井水平段后半段发育5#煤层。5#煤层因泥质含量高，煤层薄被定为差储层，因此在地质设计中要求将轨迹摆放在3+4#煤层内。

图8 钻前地质导向建模显示水平段后半段发育5#煤层Fig. 8 5# Coal seam developed in the second half part of horizontal section displayed in pre-drilling geo-steering modeling

如图9所示，在实钻过程中，决策人员2次把轨迹导入底部5#煤层，伽马值高（40～60 API），气测值低（15%～20%），类电阻信号值高。由于缺乏有效的导向模型手段辅助，很容易把煤层夹矸和差储层段相混淆。最终因为5#煤层可钻性差造成侧钻1次，并由于调整不及时形成近200 m的差储层段。

图9 两次钻入底部差储层段Fig. 9 Drilling of poor reservoir intervals at the bottom twice

差储层段不仅可钻性差，而且降低了分支的产能。通过地质导向建模可以提前认知储层的发育形态，“甜点”位置分布，从而达到追踪储层“甜点”的目的［11］。

3.4 应对复杂地质情况

Countermeasures for complex geological situations

断层、陷落柱以及相变等复杂地质情况对地质导向带来巨大挑战，在钻遇复杂地质情况下应有效应对，将不利的地质因素影响最小化［12］。

如图10所示，在轨迹出层位置分别通过对上中下3个方向探层，受限于随钻测量项目及现有资料，仍无法核实目的层的位置变化。结合导向模型分析，可判断地层变化存在断层或相变两种可能性。

图10 模型表明存在断层或者相变两种可能Fig. 10 Possibility of fault or facies change based on the model

通过更新导向模型（如图11），观察到靠近L2设计末端位置的X-L10分支及X-M1分支确认在煤层位置。该位置距离L2约150 m，且对比发现L2垂深位置偏低。因此，若平稳钻过复杂煤层段后连通远处控制面积，即可达到保障分支产能的目的。

图11 更新模型优化对策方案Fig. 11 Optimization of countermeasure plans based on model updating

由于缺乏对地层整体宏观把控，在钻遇复杂地质情况时容易作出不当应对措施：盲目追求钻遇率，缺乏统筹的侧钻方案。最终因侧钻次数过多，不得不放弃该分支继续钻进，导致本井完钻整体控制面积不高。

在水平井加密开发过程中，受限于有限的邻井资料，即便是地质导向建模也不能完全反映水平段所有位置的真实地质情况。通过前期地质导向建模，把握构造趋势，对指导钻井施工具有现实的意义。

4 应用效果

Application effect

结合2016年目标区煤层气开发整体效果来分析，地质导向建模技术可以有效提高煤层气水平井开发效果。

统计显示，2016年已完成的13口水平井的单井平均钻遇率从之前的92.81%提高到94.75%。工程施工表现为侧钻次数减少，作业周期变短，单井平均侧钻次数从4次减少到2次，水平段作业周期从33.8 d减少到22 d（如图12）。

图12 2016年钻井时效数据分析Fig. 12 Analysis on drilling time efficiency in 2016

根据煤层气井降压解析周期长的特征，图13选取了目前投产达到半年的2口井（X0，X1井），对比其邻井排采历史数据可发现开发效果得到提升，相同井底流压下平均日产气量提高约20%～50%。整体提产效果有待进一步生产数据验证，预期开发效果良好。

图13 煤层气井降压解析效果对比图Fig. 13 Comparison of CBM well drawdown and desorption effect

5 结论

Conclusions

（1）煤层气地质导向工艺发展经历了3个阶段：常规随钻测量，方向性测量，近钻头成像测量。

（2）基于目前国内应用最多的方向性测量技术，可以利用模拟拟合的思路来建立地质导向模型。该技术提高了对地层的宏观把握，可以有效减少盲目追求工程进度、钻遇率等现象的发生。

（3）通过在目标区块的多分支水平井开发中优化井眼轨迹形态，减少侧钻次数，追踪储层“甜点”位置等实践，证明地质导向建模技术可以提升钻井品质，进而改善产能，提高了水平井的开发效果。

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（修改稿收到日期 2017-07-12）

〔编辑 薛改珍〕

Geo-steering modeling technology used for improving the development effects of CBM horizontal wells

LIN Xin1, RAO Mengyu1, WU Xuefei2, ZHAO Jingshu2, LIU Kun2

1. Orion Energy International Inc.,Beijing100080,China; 2. PetroChina Coalbed Methane Company Limited,Beijing100013,China

Due to the resource limitation of coalbed methane (CBM), its recovery factor is low and payback period is long. Besides,its related technologies are developed slowly. And consequently, the exploration and development progress of CBM industry is restricted seriously. Therefore, it is necessary to innovate and improve technological effects and optimize resource allocation. It is indicated from the analysis that geo-steering modeling technique can instruct geo-steering operation effectively to enhance development effectiveness of horizontal wells. In this paper, the work flow of geo-steering modeling based on the concept of Model-Compare-Update was introduced from the aspect of geo-steering technologies that are commonly used in China. The most common issues of current horizontal well geosteering were solved by analyzing the actual cases encountered during the development of Hedong CBM Block, and the corresponding optimization plans were proposed. The development effects of 13 multi-lateral horizontal wells implemented in 2016 were analyzed.It is indicated that geo-steering modeling technique can improve drilling quality, and then increase the productivity. The Geo-steering modeling technique enhances the integrated development efficiency of horizontal wells and provides the technical guarantee for the construction of the block.

geo-steering; modeling; CBM; horizontal well

∶

林昕，饶孟余，吴雪飞，赵婧姝，刘昆.地质导向建模提高煤层气水平井开发效果［J］.石油钻采工艺，2017，39（5）：559-563，569.

TE21

A

1000 – 7393（ 2017 ）05 – 0559 – 05 DOI∶10.13639/j.odpt.2017.05.005

林昕（1983-），中国地质大学（北京）地球探测与信息技术专业硕士研究生，主要从事地质导向技术的研究工作。通讯地址：（100195）北京市海淀区北坞村路甲25号静芯苑I座。电话：010-52707100。E-mail：linxin.leo@163.com

: LIN Xin, RAO Mengyu, WU Xuefei, ZHAO Jingshu, LIU Kun. Geo-steering modeling technology used for improving the development effects of CBM horizontal wells［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2017, 39(5)∶ 559-563, 569.