起伏型地层水平段井筒轨迹控制方法

赵红燕 廖 勇 项克伟 邹筱春 陈 辉 石元会

(中石化经纬有限公司江汉测录井分公司)

0 引 言

水平段轨迹优化控制方法主要是根据物探、测井、录井等资料，建立油气藏的地质模型，在钻遇过程中实时修正模型，确保井眼轨迹控制和目的层钻遇的最优化[1-2]；当地层倾角发生变化时，根据地层的变化趋势和规律对实钻井斜角进行调整，井斜角的调整应考虑井斜角与地层倾角之间的匹配关系。

随着页岩气开发的进一步深入，钻遇目的层由以往简单储层形态到各种复杂储层形态的出现，制约了钻井工程施工进度和水平段储层的有效钻遇率。对于目的层产状变化较大的水平段储层，地质导向通常采用的方法是增加控制点，将地层分解为多个单斜段，利用钻时、气测、随钻方位伽马等资料监测钻头所在目的层中的位置，依据地层倾角分段调整[3]。这种方法在实钻追踪控制过程中，当钻遇地层产状变化较多的连续起伏型储层时，往往容易出现井斜角调整频次多、调整辐度大，导致井筒轨迹不圆滑、钻出目的层等一系列地质和工程风险。因此，迫切需要建立一种操作性强，易于现场普遍推广应用的连续页岩气储层水平段地质导向轨迹控制方法，达到助力钻井提速提效的目的。

本文探讨的起伏型地层是指同一地层界面地层变化呈波浪形状，起伏角度明显，如同“M”“W”“V”或反“V”形状的对称或非对称、连续或非连续地层。

1 解决思路

通过研究大量起伏型地层地质导向成功和失败的典型案例，分析地质导向指令的针对性、合理性、穿层的效果和轨迹的圆滑度，提出在目的层顶界面和底界面的起伏拐点处设置标识点，结合入靶点和出靶点形成最优的轨迹控制路径，配合相应公式计算获得轨迹到达入靶点井斜角和每个分段中前一点到达后一点所需的井斜角，实现对连续起伏型储层水平段轨迹控制。其目的是简化控制方法、优化工程曲率、减少轨迹调整频次、缩短钻井路线、提高钻井质量和时效。连续起伏型地层水平段轨迹控制方法作业流程图如图1所示。

图1 连续起伏型地层水平段轨迹控制方法作业流程

2 实现方法和步骤

连续起伏型地层水平段轨迹控制的具体实现方法：收集待导向井及邻井资料，建立精细地质导向模型，明确最优穿行层位、目的层水平段轨迹方向地层产状变化；依据地质导向模型确定起伏型地层轨迹分段参数和控制路径；利用随钻伽马、录井资料、入靶前标志层特征和水平段地层产状变化控制入靶井斜；通过建立轨迹控制路径计算模型获得轨迹到达入靶点井斜角和到达地层起伏转折点所需的井斜角，实现对起伏型地层水平段轨迹的合理控制。

2.1 资料准备阶段

(1)收集待导向井目的层的构造属性体和设计靶点数据，获取待导向井目的层的精细解释信息。

(2)收集待导向水平井所在区域标准井、已钻直井和邻井地质资料，获取待导向井目的层综合属性信息。

(3)依据待导向井目的层的构造数据和属性信息建立地质导向模型。

依据待导向井的水平段地震剖面图和地质导向模型，判断储层的起伏组合形态是否满足连续起伏型储层的变化特点，连续起伏型储层的变化特点为“上倾”段和“下倾”段连续交替出现；若不满足，则按常规水平段井眼轨迹控制。

2.2 确定轨迹分段控制路径

2.2.1 确定分段参数

依据连续起伏型储层的变化特点，结合导向井的水平段地震剖面图和地质导向模型，将目的层水平段同一顶界面入靶点表示为A1，中间起伏变化点依次表示为A2，A3，…，An-1，出靶点表示为An；将目的层水平段同一底界面入靶点表示为B1，中间起伏变化点依次表示为B2，B3，…，Bn-1，出靶点表示为Bn。其中，n为大于2的任意整数。

2.2.2 确定轨迹控制点

据待导向井水平段地震剖面图和地层导向模型分别确定顶界面或底界面上相邻两点之间的分段视水平位移差L、分段高程差h、分段地层倾角α的数据。

2.2.3 确定轨迹控制路径

当连续起伏型储层的第一段为“上倾”段时，则以A1作为入靶点，水平段轨迹控制路径为A1、B2、A3、B4、……，直至到出靶点An或Bn；当连续起伏型储层的第一段为“下倾”段时，则以B1作为入靶点，水平段轨迹控制路径为B1、A2、B3、A4、……，直至到出靶点An或Bn。对“M”型地层按“A1-B2-A3-B4-A5”标记的路径，分A1B2、B2A3、A3B4、B4A5共4段依次控制水平段轨迹(图2)。对“W”型地层按“B1-A2-B3-A4-B5”标记的路径，分B1A2、A2B3、B3A4、A4B5共4段依次控制水平段轨迹(图3)。

图2 “M”型地层轨迹分段控制方案

图3 “W”型地层轨迹分段控制方案

2.3 入靶井斜控制

入靶控制应依据目的层产状变化，利用入靶前地层标志层、厚度、地层倾角变化等特征，合理使用靶前距，分段控制造斜率，实现垂深、层位、靶前距、井斜、方位“五位一体”目标，达到精确入靶的目的[4-5]。入靶井斜角计算公式为：

γ0=90°-α0-β

式中：α0为入靶点地层倾角(地层下倾为正，上倾为负)，(°)；β为轨迹方向与目的层水平段地层下切夹角，(°)，范围为1°～3°(经验常数)；γ0为到达入靶点井斜角，(°)。

2.4 分段轨迹控制

从入靶点起，前后相邻两点为一个分段，对每个分段依次进行轨迹角度控制，直至到达出靶点。“M”型地层4个分段的轨迹控制路径公式计算模型如图4所示。在每个分段中，第1段前一点到达后一点所需的井斜角用γ1′表示，第2段前一点到达后一点所需的井斜角用γ2′表示，第i个分段前一点到达后一点所需的井斜角用γi′表示。γi′计算公式为：

图4 “M”型地层轨迹控制路径公式计算模型

hi=tanαi·Li

di=hi-H

γi=arctan(di/Li)

γi′=90°-γi

式中：hi为目的层同一界面上第i个分段前后相邻两点的高程差，m；αi为第i个分段地层倾角，(°)；Li为第i个分段视水平位移差，m；di为水平段第i个分段轨迹控制路径上相邻两点的高程差，m；H为目的层厚度，m；γi为消除水平段控制轨迹路径上第i个分段相邻两点间同一地层界限高程差所需倾角度数(地层下倾为正，上倾为负)，(°)；γi′为到达第i个分段后一点处的井斜角，(°)；i为≥1的整数。

在从A1-B2点水平段控制轨迹过程中，进入B2点时采取快进缓出的控制方法，如实际钻遇地层变化，根据B2点位置改变的L1或α1变化情况，按到达B2点所需井斜角计算公式，重新计算到达B2点所需要的井斜角，确保在分段结束的位置准确抵达B2点；如B2点位置前移或后移改变分段长度L1，B2点位置上移或下移改变地层倾角α1。后续分段轨迹控制操作方法类似。

该方法适用于目的层同一界面上满足1≤h/H≤10(目的层太厚，即h/H≤1，此方法无意义；目的层太薄，即h/H≥10，此方法也不可保证准确钻遇率，容易出层)的对称或非对称、连续或非连续“M”“W”“V”或反“V”形状起伏地层。水平段轨迹效果评价依据地质设计中井身质量靶体考核范围指标和全角变化率考核指标执行。本文所讲的对称“M”形状地层模型，其h、H均为理想化统一数值，如遇非对称模型，h、H会有变化，应根据实际情况计算。

3 应用实例分析

该方法在中扬子地区页岩气井应用50余口井，克服了起伏型地层水平段轨迹控制难度大，井眼欠圆滑的问题，实现目的层平均钻遇率90.0%，提高定向效率40.0%以上，大幅提高了钻井时效，地质导向成功效果明显。

B 2-X1HF井水平段为非对称“M”型连续起伏储层，目的层厚度9.0 m；入靶前地层下倾2.00°，于井深2 690.0 m井斜86.20°入A靶点，根据地震剖面图和地质导向模型及实时随钻监控，水平段方向地层明显起伏点有5个，实钻分段水平位移差在284.28～871.57 m之间，地层倾角在上倾3.35°至下倾4.20°范围内变化(表1)。应用本方法调整水平段轨迹，井深5 386.8 m井斜86.6°后稳斜钻进至B靶点，实现实钻水平段长2 760.0 m，储层钻遇率100%，全角变化率0.50°/30 m～0.85°/30 m、平均0.61°/30 m，轨迹控制圆滑，工程易于实现(图5)。

表1 B 2-X1HF井水平段连续起伏型地层轨迹控制计算数据

图5 B 2-X1HF井水平段连续起伏型地层穿层轨迹

4 结 论

本文提出的起伏型地层水平段地质导向控制路径方法经实践检验方案合理，可操作性强。在目的层同一界面上满足1≤h/H≤10的条件下，计算模型适用于对称或非对称、连续或非连续“M”“W”“V”或反“V”形状起伏地层。

建立的起伏型地层水平段地质导向控制方法简单、轨迹调整频次少、钻井路线短，在提高钻井质量和时效方面具有明显优势，可为国内其他页岩气探区连续起伏型地层水平段井筒轨迹控制提供借鉴和指导。