水平井地质导向着陆段技术分析

2021-06-17李晓强王静杨志华

测井技术 2021年2期

李晓强,王静,杨志华

(1.中海油田服务股份有限公司解释中心,河北廊坊,065201;2.中国石油长庆油田分公司,陕西西安,710016)

0 引言

水平井钻探的目的是最大程度提高储层钻遇率,由于受到储层变化、地层产状、钻井工艺、钻井施工参数等因素的影响,为确保钻井准确中靶,施工中需要实时掌握入层点的变化,实时进行井身轨迹的调整,控制钻头进入靶心及在储层中运行。

水平井地质导向着陆段的难点是如何精确预测目的层顶底界的深度和地层倾角,指导井眼轨迹准确入窗并在储层中穿行,避免入窗失败或水平段在钻进中偏离储层。设计阶段利用地震、测井等资料建立地质模型,预测目的层海拔、储层厚度并完成地质设计和工程轨迹设计;钻井阶段利用随钻测井曲线识别标志层,利用随钻测量的井斜角和方位角计算垂深,预测入层点参数在完井最大狗腿度范围内的轨迹更新,严格按照中靶要求入窗,完成水平段钻进。但是由于测量深度、地质构造和地震分辨率等不确定性因素,采用邻井测井资料难以精确预测储层顶界海拔和储层是否缺失,利用地震资料难以准确识别水平段构造、地层倾角、展布特征,导致着陆挑战性大和入窗准确率低。利用造斜过程中钻头与着陆位置的相对关系,校正着陆点的位置,准确预测着陆点,确保成功着陆。

1 着陆难点

水平井存在井身结构相对复杂和钻井技术特殊的特点,会出现着陆在目的层的井斜正确但是深度错误、深度正确但井斜错误的问题[1]。

1.1 着陆段的问题

水平井的着陆段如图1所示。假设地层为水平,可能会遇到目的层垂直深度提前、滞后、储层变薄或缺失、造斜率过大或过小及目的层上部干扰层等问题[2-3],如果地质导向不到位可能造成着陆失败,延长施工周期,增加投资成本。

图1 水平井着陆示意图

分析目的层垂直深度提前和滞后、钻遇断层,定向井工具造斜率不足的原因:①目的层垂深提前。随钻测量工具高边测点造成实钻入层点垂深较设计入层点垂深变浅,地层视垂直厚度变薄造成较邻井深度变浅(目的层由设计地层倾角下倾变为水平,设计地层倾角下倾变为上倾),目的层上部地层变薄或缺失,入层点存在微上倾的构造,地层局部微隆起;②目的层垂深滞后。随钻测量工具低边测点造成实钻入层点垂深较设计入层点垂深变深,地层视垂直厚度变厚造成较邻井深度变深(目的层由设计地层倾角上倾变为水平,设计地层倾角上倾变为下倾),目的层上部出现干扰层,入层点存在微下倾的构造;③着陆段钻遇断层。地震有限的分辨率以及地层对比过程中的地层缺失段和重复段识别的复杂性,导致断距存在不确定性;④定向工具造斜率不足。地层倾角、岩石硬度、岩性变化等因素,造成定向工具造斜率不足导致轨迹着陆在储层底部或从目的层底部钻出。

1.2 不确定性因素

影响地质导向着陆段入层点预测不准确的主要因素有3个:①深度不确定性。测量井深过程中产生的误差、随钻测量仪器测量的井斜角误差、随钻测量仪器测量的方位角误差[4];②地震数据不确定性。地震数据的分辨率有限,故无法识别微构造和小断层,造成纵横向地震速度变化差异大、层位解释的错位、噪音数据、断层附近的构造假象;③地质认识的不确定性。地层构造倾角起伏导致大斜度井地层视垂直厚度变化[5]、储层横向厚度变化,储层非均质性导致的横向连续性差、纵横向的储层物性变化。

2 着陆流程

经过现场水平井着陆实践,总结出着陆过程中应遵循的工作流程(见图2),关键技术参数包括定向井轨迹参数、着陆关键地质参数、入窗井斜角和中靶井斜角。利用标志层识别法,对比设计轨迹和实钻轨迹钻遇着陆点关键地质参数,入层点地层视倾角、入层点目的层垂直深度和真厚度,计算入窗井斜角。基于入层原则,确定合理的中靶井斜角。

图2 水平井地质导向着陆流程示意图

目的层顶深和厚度准确预测后,需要确定合理的入层点和着陆点,设计满足要求的靶前轨迹。钻进时及时收集实钻井斜数据,密切监控实钻地质导向井眼轨迹是否与设计出现偏差。若新钻地层出现新情况或者与前期预测不吻合,则根据最新实钻地层情况对目的储层深度重新预测、重新调整轨迹。该过程是循环重复的地质导向过程,直至顺利中靶。

3 水平井着陆段的关键技术

3.1 着陆段的关键参数

为解决水平井着陆段的技术难点,本文提出精准计算入层点的地层视倾角和预测目的层顶底垂深的解决方案,确定合理的入窗井斜角和靶前轨迹设计。在着陆过程中,动态优化钻前设计轨迹,合理控制靶前轨迹,准确判断着陆点,并使中完点与地层平行。

3.1.1入层点地层视倾角

地层倾角在研究地质构造与沉积环境、追踪地下油气的分布情况等方面应用颇多。在着陆过程中,实时计算入层点地层视倾角的主要方法是利用随钻方位曲线成像提取地层倾角。地质导向过程中,通过成像图中正弦曲线的形状可以准确地判断井眼轨迹是向下切入地层或是向上切入地层。

利用随钻方位曲线成像计算地层视倾角,主要分为下切和上切成像提取地层视倾角和倾向。随钻方位曲线成像主要有方位性伽马、密度、电阻率测井曲线成像,应用成像资料提取地层倾角,利用方位测井资料确定钻头井斜的校正量,确保井眼轨迹保持在目的层段内或在偏离后重新回到目的层内[6-7]。图3为假设地层倾向与井眼轨迹方位一致,井眼轨迹与地层下切和上切各参数的相对关系。

井眼轨迹下切地层示意图见图3(a),视倾角的计算

α=π/2-β-γ

(1)

井眼轨迹上切地层示意图见图3(b),视倾角的计算

图3 井眼轨迹下切和上切地层相对关系示意图

α=π/2-β+γ

(2)

γ=arctan(BH+2DOI)/SA

(3)

式中,α为入层点的地层视倾角,地层下倾为正值,地层上倾为负值,(°);γ为从图像中提取得到地层与井眼轨迹相对夹角,(°);β为井斜角,(°);BH为井眼尺寸,m;DOI为随钻方位曲线的探测深度,m;SA为成像的正弦曲线幅度,m。用α+β可以判断井眼轨迹与地层的切割关系,当α+β<90°,井眼轨迹下切地层;当α+β>90°,井眼轨迹上切地层;当α+β=90°,井眼轨迹平行于地层钻进[8]。

3.1.2入层点的目的层深度

精细地层对比是精准预测储层垂深的关键。地层对比可选择区域标志层(大段对比粗调)或者局部标志层(精细对比微调),寻找上部标志层可对比的油气显示,选取距离较近或者在同一微相上的邻井,结合构造位置编制实时连井地层对比图等。

钻进过程中可根据地质导向井的实钻地层情况,与邻井逐层对比,仔细寻找相同岩性组合特征、特殊岩性标志层,并用井斜数据对各个稳定的主要标志层的视垂直厚度和深度逐个进行校正对比。核实入窗处的深度变化(目的层、油气层界面的垂深),保证在着陆点前的地层对比更加准确。

水平井地层对比预测入层点深度时,尽量建立多个对比标志,与邻井地层对比校正目的层垂深设计误差,为定向井实钻轨迹调整提供地质依据[9]。着陆点越接近目的层,预测深度越准确。目的层上覆地层整合接触,地层倾向与井眼轨迹方位一致,上倾型地层模型入层点深度预测示意图见图4,上倾地层模型入层点视倾角和深度预测

图4 上倾型地层模型入层点深度预测示意图

(4)

H=H2+h2-tanα(L-L2)

(5)

式中,H为预测着陆点的垂深,m;H1、H2分别为钻遇标志层1和标志层2时的垂深,m;h1为标志层1到标志层2的地层厚度,m;h2为标志层2到目的层的地层厚度,m;L为设计靶前距,m;L2、L1分别为标志层1和标志层2的位移,m。

3.1.3入窗井斜角

在着陆过程中,确认入层点的地层视倾角和垂深后,从入层点到中靶点,综合考虑靶前位移、地层厚度、入层厚度和中完点距离目的层顶部距离,确定合理的入窗井斜角。水平井着陆段入窗参数见图5。以井眼轨迹下切地层为例,图5中h为水平井目的层真实地层厚度,TVT为导眼井目的层的真实垂直厚度,α为地层视倾角,LA为入层点的水平位移,LB为靶前距,BR为工具造斜率,γ为井眼轨迹与地层界面夹角,β+γ为中靶井斜角。着陆点位于储层中部位置,水平井轨迹与地层平行。

图5 水平井着陆段入窗参数示意图

β=π/2-α-γ

(6)

H=H2+h2-tanα(L-L2)

(7)

(LB-LA)tanα]}-β

(8)

3.2 着陆段轨迹调整

为使轨迹着陆在目的层的合适位置,钻前设计轨迹基于已知数据的静态认识;随钻过程中,动态优化实钻轨迹于目的层的合适位置。造斜段过程中实时分析轨迹调整情况和对应时机,及时指导控制现场轨迹。

3.2.1轨迹调整情况

定向井轨迹造斜钻进过程中,结合随钻测井曲线和工程曲线,应用实时地层对比结果,利用式(1)～(5),精确预测入层点的地层视倾角和目的层垂深。对比实钻轨迹与设计轨迹各标志层的入层点参数,分析实钻轨迹需要调整的因素,包括目的层垂深、地层视倾角、储层厚度的变化。

3.2.2轨迹调整原则

基于钻前入层判断标准和中靶要求,分析实钻轨迹着陆于目的层的位置是否合适。引起设计轨迹调整的原因,主要为目的层垂深提前、滞后和地层倾角变化3大因素。对调整轨迹影响最大的是目的层垂深提前,提前量越大则轨迹调整时机把握难度越高。

目的层深度和入层点的地层视倾角确定后,合理的靶前轨迹设计应该充分考虑到水平段储层的构造趋势,是否有向上或向下倾的情况。中靶井斜角需要考虑地层视倾角,着陆点使实钻井轨迹与地层平行。地层水平合理入窗角的统计表见表1。假设目的层为水平,针对不同地层真厚度的矩形钻井箱体,宜将井眼轨迹控制在靶前测量段20～60 m处,入层点垂深达到地质设计的储层顶部或上部位置,入窗井斜角控制在85°～88°;以3°/30 m狗腿度为例,进入储层后能及时在中靶点前调整到最大井斜,达到井眼轨迹控制在距储层顶0.5～3.5 m范围内,中靶井斜角控制达到90°[10]。

表1 地层水平合理入窗井斜角的统计表

3.2.3轨迹设计和控制

地层水平情况下,以地层厚度为5～8 m的岩性油气藏的轨迹落靶控制为例,水平井入窗井眼轨迹示意图见图6。在着陆的入射角设计过程中,如果地层视倾角为0°,即以86.5°井斜为入射角,段长50 m,考虑到工具零长,稳斜15 m,垂深下降0.92 m,以3°/30 m的狗腿度在35 m段长内增斜至90°,垂深下降1.07 m,入层垂深约2 m。