川东南平桥区块页岩气水平井地质导向关键技术

谷红陶 刘江涛

(①中石化重庆页岩气有限公司；②中国石化石油工程技术研究院)

0 引 言

地质导向技术是伴随着水平井钻井技术的快速发展而产生的一项多学科融合的综合性技术[1-2]。近10年来，随着国内非常规油气资源勘探开发进程的加快，尤其是四川盆地页岩气开发的大规模开展，地质导向技术已成为页岩气水平井钻井中必不可少的关键技术之一[3-6]。目前，国内外石油工程技术服务公司主要依靠随钻测井曲线与地震、录井等多种资料综合分析，实时判断轨迹位置，来实现水平井的地质导向。随着页岩气勘探开发的深入，以构造复杂、埋深大、水平段长为特征的新区块的钻探给地质导向带来了挑战[7-8]。2014年以来，中石化重庆页岩气有限公司开展了页岩气水平井随钻地质导向技术研究，形成了基于地震资料精细分析、精准着陆技术和水平段精准轨迹调整技术的页岩气水平井地质导向技术，并在川东南平桥区块现场应用中取得了良好效果。

1 区域地质概况

平桥页岩气田构造位于四川盆地东南缘的川东高陡褶皱带包鸾-焦石坝背斜带，北距焦石坝背斜构造约40 km，是凤来复向斜内平桥西和平桥东断裂夹持的狭长、窄陡型断背斜[9]。构造内地层向南北方向倾伏，构造高点位于断背斜中部，背斜核部地层产状平缓，地层倾角在5°～15°之间，两翼地层产状较陡，地层倾角20°～30°，断背斜两翼小断层发育，但总体断距不大(图1)。地层上同焦石坝主构造相似，晚奥陶世-早志留世五峰组-龙马溪组整体位于缺氧-还原环境的半深水-深水陆棚沉积相带内，沉积了一套厚度较大的暗色富有机质泥页岩，含气性好，但五峰组-龙马溪组一段气层厚度比焦石坝主构造明显增大，介于115～155 m之间，整个页岩气层的平均TOC、孔隙度、脆性矿物含量、总含气量相比焦石坝略低[10-11]。

图1 平桥区块构造位置及剖面图

2 页岩气水平井地质导向关键技术

页岩气水平井地质导向过程是将钻井过程中采集得到的实时随钻测井数据、录井数据等进行综合分析，从而判断轨迹层位、地层倾角等关键参数，并将分析结果转化为轨迹调整指令的过程[12]。平桥断背斜两侧地层倾角较大，钻井过程中对水平段方位控制要求高，且由于断裂夹持，虽然地层整体上变化不大，但某些部位地层倾角局部变化频繁，加之目的层较深(超过3 000 m)，设计水平段一般较长(平均为2 000 m)，给地质导向及钻井施工带来了较大的困难。针对上述地质特征，地质导向人员通过开展地质导向技术研究，形成了三维地震精细解释、精准着陆技术、水平段精细轨迹控制等多项关键技术，实现了多学科融合的页岩气水平井地质导向。

2.1 三维地震精细解释

平桥区块实现了三维地震全覆盖，但囿于地震资料本身精度的限制，仅依靠地震数据本身进行钻前地层精细分析比较困难，针对复杂构造带地层深度预测精度低的问题，开展构造约束、多信息协同的精细速度建模研究，并充分利用该区已钻井获取的资料，对速度模型进行校正，从而降低复杂构造带的突变干扰，有效提升了断层叠置区的预测精度(图2)。从应用效果看，采用构造约束建立的速度模型求取的地层深度误差大幅度降低(表1)。同时，综合利用钻井、测井、录井数据对地质模型进行校正，展示拟排布水平井轨迹的地层变化特征，为水平井的设计和导向提供可靠的地质依据。通过钻前建立精细的速度建模，对待钻井剖面地层特征进行预测，并计算设计水平段地层倾角变化特征，为地质导向方案的制定提供技术依据。从图3可以看出，研究区某待钻水平井水平段目的层地层倾角变化较大，位于下倾3°至上倾12°之间，且局部存在小构造，地层倾角变化较快。通过三维地震精细分析，可以为地质导向人员提供信息，在后续地质导向过程中，针对上述情况提前采取措施。

图2 三维地震精细解释

表1 常规约束和构造约束速度模型预测精度对比

图3 某待钻水平井水平段地层倾角预测

2.2 着陆段地质导向技术

着陆段地质导向是水平井地质导向过程的关键阶段，其任务是确保钻头准确入靶[4]。如果入靶姿态不佳或在设计A靶点未能入靶，可能导致靶前距增加、钻穿目的层、井眼不规则等后果，直接影响优质页岩储层的钻遇率，甚至导致填井，给后续钻井施工和储层压裂改造等埋下隐患[5]。

2.2.1 确定标志层

地层对比标志层的确定是地质导向作业顺利完成的前提[4]。平桥区块五峰组-龙马溪组页岩地层与焦石坝主区块发育特征类似，因此采用与JY 1井同样的地层划分方案，将五峰组-龙马溪组页岩划分为9个小层(从下至上分别为①-⑨小层)，加上页岩层上部的浊积砂地层，作为地层对比的主要标志层。特征点的选取原则一般是随钻GR曲线的高低尖峰、驼峰或GR曲线的趋势性变化。从图4平桥区块某直井龙马溪组GR特征可以看出，龙马溪组三段、龙马溪组二段及龙马溪组一段的①-⑨小层GR曲线特征点清晰，其中进入龙二段后的浊积砂岩位置有一个明显的GR低值尖峰，位于龙一段页岩之上50 m左右。这里需要注意的是，由于横向沉积相变，个别井可能缺失浊积砂岩。

图4 对比井标志层选取

2.2.2 预测A靶点垂深

在三开钻进以后，从进入浊积砂岩开始，每出现一个标志层，都要将该层实钻井深和设计井深进行对比，预测A靶点垂深。在页岩水平井单井控制区域范围内，海相页岩层沉积较稳定，层位厚度极少发生较大的变化，因此在地质导向过程中，认为各小层是等厚的。以此为依据，可以根据地层视倾角计算A靶点深度(地层视倾角计算方法见2.3.1所述)。

首先，识别出标志层1，在对比井(直井)上读取该标志层至A靶点所在地层的视垂厚h，并将h校正到地层倾角为0°时该标志层至A靶点所在地层的垂厚h1(图5a)，其公式如下：

h1=hcosβ

(1)

式中：h为对比井标志层1至A靶点所在地层的视垂厚，m；β为对比井所在位置的地层倾角，(°)。

再将h1校正到地层视倾角为α的情况下，标志层1至A靶点所在地层的垂深H1(图5b)，公式如下：

H1=h1/cosα

(2)

在地层下倾情况下(图6a)，地层视倾角为α，预测正钻井标志层1至A靶点的视垂厚H，公式如下：

H=H1+L/tanα

(3)

式中：L为实钻轨迹上标志层1至设计A靶点的水平距离，m。

将公式(1)、(2)、(3)合并：

H=hcosβ/cosα+L/tanα

(4)

在地层上倾的情况下(图6b)，预测正钻井标志层1至A靶点的垂深H的计算公式为：

H=hcosβ/cosα-L/tanα

(5)

如果最新预测的A靶点与设计A靶点深度误差大于15 m，需要重新设计入靶前轨道，并根据新设计轨道进行轨迹调整；如果误差小于15 m，则直接对轨迹进行调整。

图5 标志层1至A靶点垂厚、垂深校正示意

图6 地层等厚法计算靶点垂深示意

2.2.3 入靶轨迹优化

(1)轨道类型：井眼轨道类型主要采用增斜-稳斜-增斜的渐增式轨道设计，降低初始定向时的造斜率，以降低定向施工压力，同时保证充足的轨迹调整井段，以应对A靶点频繁调整带来的轨迹调整压力。

(2)扭方位井段选择：由于井工厂模式下轨迹设计原因，在三开以后，需要进行大角度的扭方位操作，将方位角调整到水平段方向上。扭方位作业会降低定向效率，因此明确扭方位井段的井斜角以小于30°为宜，即在钻遇浊积砂地层之前完成扭方位。

(3)入靶角选择：在入靶前，精确预测A靶点深度，并据此进行井斜调整，合理安排增斜速率，确保轨迹以最佳姿态入靶。入靶角的选择需根据不同的地层变化情况，采取相应的策略[13]。一是地层为简单单斜的情况，地层倾角变化小，入靶井斜应略小于90°与地层视倾角之差，保持小角度下切，以降低入靶前造斜压力，并保持轨迹平滑；二是地层倾角逐渐增大的情况，根据地层倾角增加的幅度，适当增加入靶井斜角，适当增加下切地层的速度，以避免入靶后降斜过快；三是地层倾角逐渐减小的情况，包括地层变缓或由下倾变为上倾，此时入靶井斜角应等于或略大于90°与地层视倾角之差，保持轨迹平行地层或小角度上切地层，以避免入靶后增斜过快。

2.3 水平段地质导向技术

水平段地质导向是水平井地质导向过程的核心，其目的是确保井眼位于靶窗内。由于实钻地层与设计常存在偏差，水平段地质导向不可以B靶为目标，而是综合利用随钻测井(LWD)、综合录井(钻时、气测、岩性)、地震等资料，通过多井对比，实时预测地层倾角，并根据地震剖面地层变化趋势，精细调整钻井轨迹，在保持井眼光滑的情况下，确保优质页岩储层的高钻遇率。

2.3.1 地层视倾角实时预测技术

长水平段的主力页岩储层钻遇率的高低，在很大程度上取决于对目标地层的地层视倾角预测是否准确[14]。为了保持井眼光滑，避免大幅度增斜、降斜操作，在地质导向过程中，需控制井斜角与地层的夹角在1°以内，这就需要实时对地层视倾角进行精准预测。通常情况下，主要通过实钻轨迹数据，结合对比井和目标井的标志层对比情况，可以快速计算钻遇目标地层的视倾角，以指导下步施工。

在穿过不同标志层的情况下，根据地层等厚的原则，利用钻遇的地层标志层，对地层视倾角(α)进行计算(图7a)，公式如下：

α=arcsin(H视垂厚/L空间距离)-arcsin(H真厚/L空间距离)

(6)

在穿过同一标志层的情况下，对地层视倾角进行计算(图7b)，公式如下：

α=arctan(H垂向距离/H平面距离)

(7)

2.3.2 钻井轨迹精细控制技术

在地质导向过程中，轨迹调整指令的形成是个复杂的过程，不仅需要对未钻地层准确预测(有赖于地层倾角的准确计算)，而且对当前轨迹与地层的关系、调整轨迹后在地层中的走势都必须有明确的认识。

(1)轨迹与地层的关系:当前轨迹与地层的关系判断主要依靠地层视倾角和井斜角。为了便于描述，引入地层切角(γ)的概念来定义地层和轨迹的夹角。地层与轨迹的关系主要包括6种情况，如图8所示。

图7 地层视倾角实时计算

图8 地层与轨迹的关系图示

地层视倾角为α，井斜角为90°-β(井斜角<90°)或90°+β(井斜角>90°)，那么地层切角γ=井斜角-90°-α，γ=0表示轨迹与地层平行，γ>0表示轨迹正在上切地层，γ<0表示轨迹正在下切地层。γ绝对值的大小表示轨迹穿层速度的快慢，γ绝对值越大，表明轨迹穿层速度越快，反之则越慢。

(2)轨迹预测:为了下达合适的轨迹调整指令，不但要明确当前轨迹与地层的关系，还要对钻头前方地层情况以及调整期间轨迹的穿行情况进行预测。轨迹计算主要涉及到地层视倾角、井斜角、造斜率、钻进距离4个参数，并通过预测轨迹中最大上切或下切地层厚度，以判断在该情况下，轨迹是否会穿出靶窗，计算公式如下：

以某井水平段为例，当前井深3 500 m，位于①小层中部，地层倾角为下倾5°，井斜角为83°，此时地层切角为2°，在下切地层，此时轨迹距离①小层底为2 m，有下穿到临湘组灰岩的风险(图9)，因此需要立即增斜调整轨迹，将轨迹调整至②小层或③小层中下部(向上穿地层2～3 m)，同时地层切角尽量小。采用前述计算方法，预测在不同造斜率情况下的钻井轨迹和最大下穿地层厚度(表2)。可以看出，3种方案均实现了地层切角为0°、轨迹与地层平行的目的。其中，方案一上穿地层厚度为2.1 m，轨迹位于②小层中部，仅从调整轨迹后地层位置的角度来看，认为该方案为最优轨迹调整方案。

图9 某井轨迹调整方案

表2 某井水平段轨迹调整方案

3 应用效果

利用页岩气水平井随钻地质导向技术在南川工区平桥、东胜等区块完成70余口井的页岩气水平井地质导向任务。在地震资料预测地层深度与实钻深度差异较大的情况下，精准预测着陆点深度，合理优化钻井轨迹，实现A靶点中靶率100%；在地质构造越来越复杂、设计水平段长度越来越大的情况下，利用钻井轨迹精细调整技术，准确预测地层视倾角，精细优化钻井轨迹调整，确保了优质页岩储层的高钻遇率，年平均优质页岩储层钻遇率始终保持在96%以上，单井平均靶窗钻遇率始终保持在92.5%以上，有力地保障了页岩气水平井后续施工作业的顺利开展。其中，南川工区某井打破了中石化页岩气水平井井深(6 780 m)、水平段长(3 601 m)、裸眼段长(4 248 m)3项记录，优质储层钻遇率98%(图10)。

图10 南川工区某井地质导向建模结果

4 结 论

(1)平桥区块页岩气水平井地质导向关键技术主要包括三维地震精细解释、精准着陆技术和水平段轨迹精细控制技术：钻前开展基于构造约束和多信息协同的三维地震精细解释，有效提升了构造预测精度，为钻前制定地质导向方案提供了技术依据；着陆段基于标志层和地层视倾角进行着陆点精准预测，并从轨道类型、扭方位井段、入靶角选择等方面优化入靶轨迹，确保了准确入靶；水平段基于标志层对比实时预测地层视倾角，并从地层切角入手精细控制钻井轨迹，保持轨迹位于靶窗内。

(2)通过川东南平桥区块页岩气水平井地质导向关键技术研究，有效解决了水平井地质导向过程中由于地震解释精度低导致入靶阶段靶点预测困难及入靶姿态不佳、水平段轨迹调整频繁及轨迹不平滑等难题，不但提高了钻遇率，对于提高钻井效率、降低后期工程施工难度也有较重要的意义。