煤層氣分支水平井地質導向實踐與認識

紀 偉 姜維寨 胡錦堂 李新房 孟憲軍 趙年峰

（1.渤海鉆探工程有限公司第二錄井公司，河北任丘 062552；2.渤海石油職業學院，河北任丘 062552；3.渤海裝備制造公司，河北任丘 062552）

分支井技術是水平井、側鉆井技術的集成和發展。依據裝備水平和水平鉆探目的層的差異，國內外各公司在水平井鉆探過程中所采用的地質導向技術也各有所異。從調研結果來看，煤層氣分支水平井導向工具一般選用較為先進的LWD或EMWD電磁波聚焦伽馬進行近圍巖識別，引導鉆頭在煤層中穿越。然而，煤層易垮塌的特性導致埋鉆具事故頻發，LWD和EMWD電磁波聚焦伽馬進口儀器價格的高昂增加了煤層氣分支水平井鉆探的經濟風險。

為實現低成本開發煤層氣的目的，通過借鑒油氣水平井導向施工經驗，分析承鉆井區塊的煤層特點，在ZP02井、ZP05井采取了用綜合錄井監測參數彌補國產MWD導向儀器地質參數不足的方法，嘗試采用國產化的綜合錄井和隨鉆伽馬測量儀器相結合的方式實現煤層地質導向。

1 導向施工難點

承鉆的多分支水平井結構由工藝井（分支水平井）和洞穴直井組成，設計主井眼水平位移600~800 m，分支井眼長度200~500 m。鉆探目的煤層為山西組3#煤層，厚度5~7 m，地層傾向基本為上傾，地層傾角2~9°。受鉆探區域地質構造特點和鉆井工藝特點的影響，導向施工主要面臨三方面挑戰。

（1）分支水平井井眼覆蓋區域內，小型褶曲、斷層發育，煤層的地層傾角、厚度、深度變化規律難以掌握。褶曲發育區，縱橫向鉆探井眼地層傾向變化頻繁，井眼軌跡需要不斷進行大幅度調整；斷層發育區，受斷層傾向和斷距影響，煤層傾角和深度突變，水平追蹤難度大，甚至無法追蹤。

（2）受煤層非均質性影響，煤層內部GR值波動區間大（表1），干擾鉆頭位置判斷。GR曲線是煤層導向的主要依據，然而在水平段長距離的縱向延伸和橫向跨越過程中，不僅存在GR測量值與煤層頂底泥巖GR測量值近似的煤矸石，且煤層中所含的泥質粉砂質成分含量和煤矸石位置均有較大變化，導致煤層內部的GR曲線形態、GR值差異較大，僅依據無方向性的隨鉆伽馬曲線無法準確進行煤層近圍巖識別和判斷。

表1 ZP2井鄰井3#煤層內部電測GR變化統計

（3）鉆時、全烴、巖屑等綜合錄井導向參數干擾因素多，建立綜合錄井參數與地層的直接對應關系難度大。如鉆時在鉆井條件一致的情況下，主要反映巖石的可鉆性，在3#煤層附近發育的巖性，煤層可鉆性最好，灰巖的可鉆性最差，泥巖、砂巖介于二者之間。然而在實際鉆進過程中，受鉆壓大、轉盤轉速高、摩阻小等施工條件影響，泥巖的鉆時和煤層的鉆時經常難以區分，需要根據施工情況綜合分析，去偽存真。全烴和巖屑則受到煤層硬脆、易垮塌特性影響，在活動鉆具、定向加壓等鉆井施工過程中，由鉆具變形造成煤層段井壁二次破壞，產生高全烴異常和巖樣中煤屑增多的假象。

2 導向參數優選

利用綜合錄井和地球物理測井及其他分析化驗資料對地層綜合判斷是現場錄井的主要任務。通過統計13口晉城地區的探井資料發現，煤層氣儲層在綜合錄井中表現為鉆時快、扭矩小、氣測全量和組分含量中甲烷含量劇增甚至飽和。在地球物理測井曲線上，視電阻率曲線表現為高阻，深、淺側向曲線有較高的幅度差，自然電位曲線一般呈正異常，自然伽馬則表現為明顯低值，密度測井曲線上表現為最小值，聲波時差較大表現為高值，井徑曲線擴徑明顯（圖1）。

圖1 ZP02井3#煤層氣測井曲線

根據煤層氣儲層的綜合錄井和地球物理測井曲線顯示特征統計分析結果，鉆時、全烴、GR、巖屑、扭矩等5項參數在隨鉆跟蹤鉆頭位置方面變化明顯，可作為導向指示依據。其中鉆時快、全烴顯示活躍為鉆頭是否在煤層中鉆進的首要判斷參數，巖屑、扭矩作為是否在煤層中鉆進的輔助判斷參數；GR測量值由于煤矸石的存在，將3#煤層進一步細分為上煤、中煤、下煤等單元（表1、圖1、圖3），可作為分析鉆頭在煤層中位置的依據參數。

3 地質導向方法

煤層氣分支水平井鉆探基本上沒有使用隨鉆伽馬測量儀作為導向工具的先例，也就談不上經驗借鑒。在現場施工過程中，通過ZP02井M1及其5個分支的實驗摸索，建立起導向工作流程，細化了鉆前分析、軌跡控制、頂出底出判斷和總結認識4個關鍵環節的技術措施，在后期鉆探施工中取得了良好效果，ZP02井實現見煤進尺3105 m，煤層鉆遇率88.08%；ZP05井實現見煤進尺3169 m，煤層鉆遇率89.40%。

3.1 鉆前分析

鉆前分析就是采用“已知推未知”的方法，了解施工井的構造地質特點及錄、測井資料響應特征，獲取導向鉆進的基本指導信息。

（1）煤層氣分支水平井橫向跨度大、縱向穿越距離遠，通過提前分析海拔等值線與構造設計井眼軌跡投影圖以及地震測線剖面，掌握主、分支井眼的地層傾角變化情況，可以為水平鉆進過程中準確判斷煤層頂底、有目的的調整井眼軌跡提供可靠依據。

如圖2所示，在ZP05井第一主支M1井眼施工前，通過計算已鉆鄰井與洞穴井間煤層地層傾角變化，能夠得出覆蓋區域地層傾角總體為上傾，地層傾角在91.25~91.48°變化的特征；以接近于M1井眼鉆探方位的ZHS32井與洞穴井ZP05-1V井間地層傾角為基礎，推算出ZP05井主支M1井眼地層傾角為91.35°，與實際鉆探地層傾角89.87°誤差為1.48°。獲得主分支地層傾角變化情況后，可有效增強主分支井眼軌跡控制的目的性。

圖2 地層傾角推測示意圖

式中，α為ZP05-1H井與ZP05-1V井的地層傾角；α1為ZHS32井與ZP05-1V井的地層傾角；L1為ZHS32井與ZP05-1V井25 m等高線間的距離；L2為ZP05-1H井與ZP05-1V井25 m等高線間的距離。

（2）煤層內部成分并非均一的，在垂向分布上，不同深度的煤巖所含的泥質、粉砂質、炭質泥巖成分含量都有所差異。這種差異表現為煤層縱向上的伽馬測量曲線高低起伏變化，尤其是放射性元素含量多的煤矸石，伽馬曲線響應特征明顯，可以作為細分煤層的標志。如表1、圖1所示，ZP02井3#煤層發育上、下兩層煤矸石，可將煤層分為上煤層段、上煤矸石段、中煤層段、下煤矸石段和底煤層段5個深度區間。在實鉆過程中，就可依據GR值的大小及形態變化，判斷出鉆頭在煤層中的哪個深度區間，計算出距煤層頂底的大概厚度（圖3），指導井眼軌跡控制。

圖3 ZP05井3#煤層內部GR特征圖解

3.2 軌跡控制

軌跡控制的主要目的是提高煤層鉆遇率，并保證井眼軌跡平滑，其關鍵是及早確定地層傾角，控制好井斜角與地層傾角的角差，減少出層和大幅度的井眼軌跡調整。地層傾角雖然能夠根據已揭開地層的頂出、底出或進出煤矸石標志層計算得出，但是計算所得的地層傾角為已鉆過地層的平均角度，并不能準確反映正鉆地層的地層傾角。在褶曲發育區，地層傾角反復變化，僅依據已揭開地層的傾角指導后續鉆進，極易造成井斜角總也跟不上地層傾角變化，頻繁出層。如何能預測正鉆地層角差控制是否合理，是提前進行井眼軌跡微調，保障最佳軌跡控制效果的基礎。通過現場實踐，利用GR、全烴、鉆時等參數分別建立了層內判斷和層外判斷2種角差合理性判斷方法。

3.2.1 GR曲線特征判斷法（層內判斷） ZP區塊3#煤層下部煤矸石區域穩定分布，且距頂底泥巖均有一定的距離。在水平鉆進過程中，圍繞著下部煤矸石施工，既可以根據鉆頭進出煤矸石的同一界面（煤矸石頂面或底面）計算已鉆井段的平均地層傾角，也可依據穿越同一厚度煤矸石的鉆進進尺差異計算正鉆位置的地層傾角，在煤層內部鉆進過程中獲得較準確地層傾角，進行井眼軌跡調整，避免鉆遇頂底泥巖后匆忙調整井斜，有利于井眼軌跡圓滑和減少無效進尺。

如圖4所示，假定煤矸石厚度不變，當井斜角與地層傾角一致時，鉆頭將保持在煤矸石的同一位置鉆進，只有當井斜角與地層傾角有角度差時，鉆頭才可能鉆穿煤矸石。煤矸石厚度與鉆穿煤矸石的進尺、角差間可建立正弦三角函數關系，即穿越煤矸石PQ間的鉆井進尺L1和EF間的鉆井進尺L2，與煤矸石厚度H和穿越煤矸石時的井斜角與地層傾角間的角差β1、β2能夠建立關系式

式中，L1、L2、β1可由隨鉆GR測量曲線或第1次穿越煤矸石已知井斜角φ1和地層傾角α1獲得，從而計算得出第2次穿越煤矸石時井斜角與地層傾角的差值，并根據第2次穿越煤矸石時的已知井斜角φ2計算出正鉆地層的地層傾角α2。

圖4 角差計算示意圖

3.2.2 鉆時全烴特征判斷法（層外判斷） 在非煤層鉆進過程中，為了減少無效進尺，一般采用最大造斜率進行鉆進，確定進入目標層后，再進行反向調整。由于GR、井斜測量工具距離井底有一定距離，全烴、巖屑受遲到時間影響同樣有滯后性，如果在追層鉆進過程中，保持定向鉆進至各參數均反映進入煤層，則井斜角可能已經遠遠大于地層傾角，很快需要反向調整井斜角度，不利于井眼軌跡的圓滑。因此利用基本上與鉆頭同步的鉆時為指示，循環觀察全烴變化的方法，盡可能在第一時間判斷進入煤層并計算地層傾角，減少井眼軌跡調整幅度。

3.3 頂出底出判斷

方向GR導向工具條件下，頂出底出判斷相對簡單，上伽馬值先抬升、下伽馬值后抬升為頂出，下伽馬值先抬升、上伽馬值后抬升為底出。而在MWD導向工具條件下，由于GR曲線無方向性，頂出底出判斷相對困難，需要根據GR、鉆時、全烴和巖屑等參數的組合變化特征進行綜合分析。

3.3.1 GR曲線組合特征判斷法 3#煤層內部縱向上不同位置存在的煤矸石，不僅能對鉆頭處在煤層中的位置進行判斷，還可以依據揭開地層的GR曲線組合特征變化進行頂出、底出煤層判斷。如圖5所示，ZP02井上下煤矸石分布較為穩定，在水平鉆進過程中，一般控制鉆頭在上下煤矸石間鉆進。當底出煤層時，GR曲線顯示為低（煤）、高（下煤矸石）、中（底煤）、高（底板泥巖）組合特征；頂出煤層時，GR曲線組合特征表現為低（煤）、中（上煤矸石）、低（上煤）、高（頂板泥巖）。

圖5 ZP02井3#煤層GR曲線特征

3.3.2 GR、鉆時組合特征判斷法 由于隨鉆伽馬滯后井段較長（10 m左右），僅依據GR測量值進行判斷，就會造成無效進尺增多。多分支水平井鉆探覆蓋區域較大，在不同方位、不同位移鉆遇煤層的成分和煤矸石位置難免發生變化，GR測量值和曲線形態隨之產生差異，困擾頂出、底出判斷。經過實鉆發現，3#煤層頂板泥巖致密堅硬，可鉆性差，底板泥巖含粉砂質、炭質成分，可鉆性較好，可作為頂出、底出判斷的依據；鉆時能夠實時反映井底情況，基本上沒有滯后井段，可及時進行井眼軌跡調整，因此GR、鉆時組合特征判斷法是實鉆中最常用的方法。

ZP05井L7（L2）分支鉆進至井深1327.00 m時，在鉆井參數一致的情況下，鉆時由2 min/m上升至5 min/m，機械鉆速明顯變慢（圖6），有出煤層跡象，隨鉆伽馬測至井深1316 m，伽馬測量值50~60 API，顯示測量位置仍為煤層。結合鉆開井眼3#煤層自上而下整體GR變化特征分析，判斷鉆頭接近煤層頂部，進行降斜鉆進，于井深1368.00 m重新進入煤層。

圖6 ZP05井L7（L2）井眼錄井參數變化曲線

3.3.3 綜合分析判斷法 隨著煤層水平井段的延伸，鉆時、全烴、GR、巖屑等參數受到的干擾因素增多，如拖壓、活動鉆具、煤層二次破壞等，鉆時、全烴不能真實反映地層情況；煤層厚度、煤矸石位置、煤層內部成分發生變化，GR曲線測量值和測量曲線形態有所不同。這就需要綜合分析影響因素，辨別參數的可靠性，并參考已揭開井眼的垂深、曲線形態、地震測線變化以及構造圖形態進行綜合分析。

ZP05井L3（L2）分支鉆至井深1373.00 m（位移623.57 m）時，GR值由30 API上升至107.99 API。定向鉆進調整井斜，鉆壓120 kN，鉆時高達22 min/m，全烴值由76.378%下降至15.541%，各參數顯示鉆出煤層。但經過分析工程參數，定向施工下放鉆具摩阻80 kN，即鉆頭上的鉆壓僅為40 kN，機械鉆速慢主要因為鉆壓小，不能說明地層可鉆性差；而全烴值下降是由于鉆時高，鉆頭單位時間內破碎巖屑體積少。結合已鉆開井眼的GR曲線形態特征及3#煤層巖電特征，綜合分析認為鉆遇煤矸石。繼續鉆進至1430.00 m后，GR值由30 API逐漸上升至112.83 API，鉆壓30~50 kN復合鉆進，鉆時由1.5 min/m上升至6.3 min/m，全烴值由73.964%逐漸下降至11.929%，沒有上升的趨勢，綜合判斷為頂出（圖7）。

圖7 ZP05井L3（L2）井眼參數變化曲線

每口分支水平井都包括多個井眼，ZP02、ZP05井設計均為10個水平井眼，因此每鉆完一個井眼，建立以位移為標尺的地層傾角、煤層頂底深度、煤矸石的曲線形態變化統計表，不斷加深對鉆探區目標煤層的展布形態和地質特點認識，同樣為指導后續井眼鉆探施工的有效方法。

4 認識與建議

（1）ZP02、ZP05井的鉆探實踐表明，在煤層厚度較大、發育煤矸石標志層的3#煤層中，使用隨鉆伽馬測量儀器和綜合錄井儀相結合，實施分支水平井鉆探是切實可行的。

（2）隨鉆伽馬導向工具條件下，GR、鉆時、全烴、巖屑等煤層導向參數均存在著多解性，在具體應用中要注意“去偽存真”，采用多參數判斷，才能保證結論的準確性。

（3）鉆時在煤層、非煤層判斷及煤層近圍巖識別上都是十分重要的參數，建議在鉆井過程盡量不要采用“控速”鉆進方式，而采用“穩壓”鉆進。。

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