頁巖氣水平井鉆井的隨鉆地質導向方法

劉 旭 禮

中國石油長城鉆探工程有限公司

頁巖氣水平井鉆井的隨鉆地質導向方法

劉 旭 禮

中國石油長城鉆探工程有限公司

劉旭禮.頁巖氣水平井鉆井的隨鉆地質導向方法.天然氣工業，2016,36(5):69-73.

四川盆地川南地區頁巖氣開發的主力目標層位為厚約6 m的下志留統龍馬溪組海相頁巖，具有靶窗較小、構造復雜、地層傾角變化大等特點，實鉆井眼軌跡存在脫靶和出層的風險。為此，以該盆地威遠區塊頁巖氣水平井為例，通過分析該區水平井地質導向過程中出現的技術難點及其原因，從入靶導向和水平段地質導向等關鍵環節入手尋找出解決上述難點的辦法：①應用隨鉆自然伽馬依次測量地層剖面上的高伽馬頁巖標志層，配合地質錄井確定軌跡精確入靶點，保證井眼軌道按設計井斜角姿勢入靶，避免了提前入靶和推遲入靶；②應用隨鉆自然伽馬測量優質頁巖儲層低值層段特征，配合地震深度剖面判斷地層大致視傾角以及微構造的發育情況，實現實鉆軌跡在鉆進箱體中位置的正確確認，確保了儲層的鉆遇率。2年的現場應用效果表明，該區塊已完鉆27口水平井，平均深度為5 043 m，平均水平段長度為1 428.96 m，優質頁巖箱體鉆遇率達95.75%。結論認為，優質頁巖箱體地質導向方法配合地質、三維地震、氣測全烴含量等多種方式，可實現箱體的準確著陸及水平段的精準穿行。

四川盆地 頁巖氣 水平井 地質導向 鉆遇率 測試產量 井眼軌跡 早志留世 龍馬溪組

我國富有機質頁巖分布范圍廣，陸域頁巖氣地質資源潛力為134.42×1012m3，可采資源潛力為25.08×1012m3（不含青藏區）。據《中國頁巖氣資源調查報告（2014）》稱，截至2014年底，我國探獲頁巖氣三級地質儲量近5 000×108m3[1-2]。

威遠區塊位于四川盆地西南部，川西南古中斜坡低褶帶，區塊內下志留統龍馬溪組優質頁巖大面積沉積，經過多期的構造演化，具有厚度大、埋藏深、有機碳含量高、成熟度高、含氣性高、裂縫發育、脆性好等特點，經測算地質儲量近1 200×108m3，但頁巖非常致密，其基質孔隙為納米級，滲透率介于0.000 1～0.1 mD。因此常規井難以實現規模效益開發，而水平井可以穿越更多優質頁巖儲層，并通過大規模壓裂溝通更多天然裂縫，增加單井產量[3-5]。

水平井的開發過程是首先通過對區域地質、地震、測井和油藏資料的綜合研究，結合工程施工的要求設計出井眼軌跡，然后交由現場施工人員去實施。但是鉆前研究所使用的資料具有很大的不確定性，往往會導致實鉆過程中沿著設計軌跡鉆進的水平井不在預期最佳的位置，從而影響了目的層的鉆遇效果，而地質導向可以通過隨鉆測量多種地質和工程參數對所鉆地層的地質參數進行實時評價和對比，根據對比結果而調整控制井眼軌跡，使之命中最佳地質目標并在其中有效延伸。

1　水平井地質導向鉆井技術難點

在川南地區受井控程度低，且水平井無導眼井設計，再加上縱向靶窗小、優質頁巖埋藏深、構造復雜、地層傾角變化大、地質導向判別參數少等諸多因素影響，使得頁巖氣水平井工廠化開發地質導向鉆井難度較大[5]。

1.1縱向靶窗小

通過對川南威遠、長寧地區及重慶涪陵地區大量頁巖氣井進行產能與水平井鉆遇層位分析可知，盡管優質頁巖厚度往往能達到40 m以上，但如何優中選優，精確確定最佳箱體位置對單井產能影響巨大。

威遠區塊綜合巖性、物性、含氣性多因素將箱體位置設計為優質頁巖底部6 m層位，由于縱向靶窗較小，容易造成出層的風險，同時底部上奧陶統寶塔組石灰巖為卡鉆、井漏事故多發井段，在實鉆的過程中，應盡量避免井身軌跡過于靠近底部，于是實際靶窗高度介于3～4 m，操作難度大。

1.2靶點精確預測難度大

由于威遠區塊構造復雜，地層傾角變化較大，井控程度低，地震資料精確程度不夠，根據構造預測及鄰井推測的箱體設計深度及地層傾角與實際目的層深度和傾角存在一定程度的偏差。

一方面當箱體設計深度比實際目的層淺時，就會推遲入靶，加長穩斜段，增加靶前距，造成水平井段損失；另一方面當設計箱體深度比實際目的層深時，就會提前入靶，增加了狗腿度，減少靶前距，造成工程施工難度大，若造斜率不夠，容易沿箱體底出層。如圖1-a所示威X-3井設計箱體垂深3 565 m，設計地層傾角0.8 o ，實鉆計算A點（箱體中部）垂深3 543.31 m，地層傾角0.98o，A點深度提前21.69 m（圖1-b），提前入靶造成狗腿度增加（約6.5o），加大了施工難度，也對后期完井及壓裂施工作業造成較大的影響。而地層傾角認識的錯誤對導向工作造成了較大的誤導，增加了脫靶及出層的風險。

同時，由于部分井區地層傾角較大，地層傾角變化頻繁，沿地層下傾方向的水平井鉆遇地層視厚度明顯增加，沿地層上傾上傾方向的水平井鉆遇地層視厚度明顯變薄，對跟蹤過程中準確預測靶點造成了較大的難度及挑戰。

圖1　威X-3井設計與實鉆導向對比圖

1.3對比標志層選取困難

隨鉆伽馬測井在大套穩定的頁巖層段追蹤儲層導向作業，難度仍然較大。威遠區塊龍馬溪組厚度介于286～450 m，第三次開鉆即進入龍馬溪組頁巖層，在大套穩定沉積的頁巖層段，僅一條伽馬曲線，可對比的參數少，標志點選取難度大。

1.4鉆時、氣測資料失真嚴重

第三次開鉆采用旋轉導向和過平衡鉆井，機械鉆速較快，現場氣測和鉆時資料可靠性降低。水平井在鉆進過程中，由于鉆具與井壁的碰觸、鉆壓的傳導以及定向鉆進都對鉆時都有較大影響；另外在水平段鉆進過程中，巖石破碎程度、鉆井液密度、軌跡角度較大時氣體在水平段運移等因素對氣測的影響較大。

1.5儀器盲區影響

地質導向鉆井過程中，隨鉆測井資料能夠最直接最真實有效地反映地層變化，但是，在實際操作工程中，隨鉆測井儀器距井底有10～15 m的測量盲區，不能及時測量井底地質資料。當伽馬測到箱體邊界，此時鉆頭已出箱體10多米，此時調整井斜，當鉆頭再次回到箱體，軌跡鉆遇箱體外已鉆進了40～50 m的進尺，造成箱體鉆遇率偏低。

2　頁巖氣水平井地質導向關鍵技術

受制于解釋精度不夠、靶窗小、設計偏差大等諸多因素的影響，為實現水平井精確地質導向，提高鉆遇率，對靶點深度、入靶角度的預測、水平段的準確導向顯得尤為重要。

2.1靶點深度預測

2.1.1構造預測法

威遠區塊地震資料精度較差，在探井控制程度低的情況下對地質導向造成了較大的影響，通過開發的深入，已鉆井控制程度越來越高，相關單位重新對地震資料進行了精確標定，并通過已鉆井對龍馬溪組底部構造圖進行多次修正，很大程度上減小了深度的誤差，在地層發育平緩的井區可以結合鄰井，直接利用構造預測法對靶點數據進行預測，但是在地層傾角變化復雜的區域，鄰井參考性大大降低，單純使用地震資料進行靶點預測仍然存在較大的風險，僅可作為參考使用。

2.1.2 地層對比預測法

威遠地區龍馬溪組由于上部地層遭受剝蝕，整體地層厚度變化范圍較大，介于286～450 m，但下部優質頁巖地層保存完好，厚度介于40～50 m，橫向可對比性強[6-7]。

通過鄰近探井威X井及實鉆井伽馬曲線對比分析可知，優質頁巖段GR特征明顯，可對比性強（圖2），由上到下可以識別出4個標志層，特征如下。

圖2　龍馬溪組標志層示意圖

標志層1：優質頁巖頂部標志層，位于威X井2 530.61 m（垂深），伽馬曲線層微小幅度鋸齒狀，往下曲線緩慢抬升，氣測異常高值明顯。

標志層2、3：位于優質頁巖層段中部，曲線呈鐘形雙峰特征，伽馬曲線中等幅度正異常。

標志層4：位于優質頁巖層段中下部，靠近箱體頂部，曲線呈鐘形單峰高尖狀。往下以3.7 m左右低值伽馬頁巖段與箱體直接接觸。

通過以上標志層的選取，在實鉆過程中可由上到下依次進行識別對比，得出該點垂直方向箱體深度，同時結合靶點偏移距和地層傾角，準確計算箱體深度。

2.1.3 地層傾角預測法

通過鄰井地層深度及傾角資料，選取鄰井與待鉆井設計靶點距離最近的點，計算兩點的距離以及該方向上地層視傾角，由該已知點深度推出待鉆井靶點深度，在距離較近、微構造不發育的情況下，計算出的靶點深度可信度高。

2.2入靶角論證

同靶點深度預測方法類似，入靶角預測主要依據地震資料結合鄰井地層傾角方法以及實鉆計算方法予以確認，在此主要對實鉆地層傾角計算方法進行說明。

由于頁巖地層厚度發育穩定，在入靶前可以利用直井標志層深度結合實鉆井標志層深度進行地層傾角計算，計算模型如圖3所示。計算方法如下[8-9]：

式中H表示實鉆井的標志層2（c2點）與標志層2（c3點）垂深差，m；L表示實鉆井標志層1（c4點）與實鉆井標志層2（c3點）視平移差，m。

圖3　地層傾角計算方法圖

實鉆過程中，由于地層傾角變化頻繁及井軌跡方位對視地層傾角計算結果影響較大，需要結合不同標志層對地層傾角進行多次復核計算，以達到逐步控制精確入靶的目的。

以威X-5井為例（圖2）：井深3 060.5 m時，垂深2 984.81 m，視平移164.32 m，通過對比相當于直井威X井2 541.44 m，通過1、2兩點計算的地層傾角為10.22o。

井深3 077.1 m時，垂深2 992.51 m，視平移178.45 m，通過對比相當于直井威X井2547 m，通過1、3兩點計算的地層傾角為9.45o。

井深3 140 m時，垂深3 015.45 m，視平移235.79 m，通過對比相當于直井威X井2 560.31 m，通過2、4兩點計算的地層傾角為9.35o，通過3、4兩點計算的地層傾角為9.53o。

最終確認箱體地層傾角在9.5o左右，進入箱體后確認地層傾角為9.45o，與計算結果基本一致。同時可以看出通過不同的標志層進行計算，地層傾角差異較大，標志層離箱體位置越近，計算結果誤差越小。

2.3水平段導向

2.3.1 三維地震預測

在地層傾角變化大，微構造發育的背景下，充分利用三維地震模型指導水平段導向。沿水平段設計軌跡方位切一條地震深度剖面，通過地震剖面，判斷地層大致視傾角以及微構造的發育情況。

2.3.2 目標儲層細化分層

圖2威遠區塊優質頁巖底部箱體伽馬特征呈山峰狀特征，存在2個伽馬高峰和1個伽馬低值段，而且伽馬高峰之間、箱體內伽馬低值層段與箱體上部伽馬低值段在伽馬數值上差異明顯。實踐中依據伽馬曲線特征，將龍馬溪組底部箱體頁巖精細劃分，達到了實鉆過程中軌跡位于鉆遇箱體內部具體位置的正確確認，實現對箱體的精細化控制，同時在水平段導向過程中，利用小層的伽馬特征，結合鉆時、氣測錄井等資料，消除儀器盲區的影響，做到提前預判，及時調整，實現水平段精準地質導向。

3　現場應用效果

以威X-2井為例，該井由東向400 m的1口已完鉆水平井，北偏東方向約5 km的一口直井評價井控制。目標箱體設計在優質頁巖底部，設計A點位置箱體垂深為2 881～2 887 m，設計箱體中部入靶，入靶角為98o。在入靶地質導向過程中，通過地層對比，各標志點修正靶點深度和計算地層視傾角[10]，在垂深2 884 m處，以95o穩斜探箱體頂，最終準確入靶，實鉆靶點垂深為2 878.5 m，井斜角為98o。水平段鉆進過程中，以箱體頂部的高伽馬和底部的高伽馬來控制軌跡在箱體中穿行，同時利用重復出現地層計算地層視傾角，結合氣測鉆時曲線消除儀器盲區的影響。最終該井完鉆井深為4 650 m，水平段長度為1 370 m，平均伽馬值為300.98 API，平均測井解釋TOC為4.28%，箱體鉆遇率達100%。

自2014年以來，通過對威遠區塊地質認識的不斷深入，水平井地質導向技術的不斷總結提升，水平井箱體鉆遇率取得了明顯的提升，平均鉆遇率由2014年的89.26%上升到2015年的99.36%，水平段各項參數均取得較大的提升（表1）。

表1　已鉆井鉆遇儲層情況統計表

目前，區塊已完鉆27口水平井，平均井深為5 043 m，水平段長度為1 428.96 m，箱體鉆遇率為95.75%。為后續工作的進行打下了堅實的基礎。從目前已鉆井的生產情況可以看出（表2），箱體的鉆遇率對頁巖氣產能影響巨大。以威X-4井為例，箱體鉆遇率為100%，測井解釋水平段平均TOC為5.42%，含氣量為4.99 m3/t，脆性指數為77.05%，一類儲層長度占水平段總長度為87.35%，測試產量為28.77×104m3/d。自2015年5月5日開井截至2015年9月底累計產氣為3 398× 104m3。為目前威遠區塊測試產量及累積產量最高的一口井。而威XX-4井，箱體鉆遇率為79%，測井解釋水平段平均TOC為3.75%，含氣量為3.64 m3/t，脆性指數為56.43%，一類儲層長度占水平段總長度為60.53%，測試產量為10.22×104m3/d。自2015年7月25日開井截至2015年9月底累計產氣量為420×104m3。由此可見箱體的鉆遇對于頁巖氣生產影響重大。因此加大導向工作力度，實現箱體及優質頁巖的精準鉆遇對應頁巖氣后期開發至關重要，是確保威遠頁巖氣示范區順利建成的首要工作。

表2　已鉆井生產情況統計表

4　結論與建議

在綜合地質研究的基礎上，以地質、三維地震、隨鉆測井、氣測全烴多種方式進行優質頁巖箱體地質導向，可實現箱體的準確著陸及水平段的精準穿行。

1）充分利用地質資料、地震資料、鄰井資料進行靶點深度、箱體傾角預測。

2）實鉆過程中優選標志層組合、根據根據實鉆伽馬曲線特征，加強地層精細對比，精確計算地層傾角，箱體深度，同時結合鉆時氣測特征等多種參數，預判鉆頭位置及儲層變化趨勢，及時調整軌跡，降低鉆井風險，提高箱體鉆遇率。

3）為進一步提高導向工作效果，確保開發工作有效運行，可適當選取近鉆頭伽馬導向儀器，隨鉆電阻率成像、伽馬成像等新的設備、技術運用到頁巖氣鉆井導向工作中來，以進一步提高工作成效。

[1] 張金川, 徐波, 聶海寬, 汪宗余, 林拓, 姜生玲, 等. 中國頁巖氣資源勘探潛力[J]. 天然氣工業, 2008, 28(6): 136-140. Zhang Jinchuan, Xu Bo, Nie Haikuan, Wang Zongyu, Lin Tuo,Jiang Shengling, et al. Exploration potential of shale gas resources in China[J]. Natural Gas Industry, 2008, 28(6): 136-140.

[2] 鄒才能, 董大忠, 王社教, 李建忠, 李新景, 王玉滿, 等. 中國頁巖氣形成機理、地質特征及資源潛力[J]. 石油勘探與開發, 2010, 37(6): 641-653. Zou Caineng, Dong Dazhong, Wang Shejiao, Li Jianzhong,Li Xinjing, Wang Yuman, et al. Geological characteristics, formation mechanism and resource potential of shale gas in China[J]. Petroleum Exploration and Development, 2010, 37(6): 641-653.

[3] 郭彤樓, 劉若冰. 復雜構造區高演化程度海相頁巖氣勘探突破的啟示——以四川盆地東部盆緣JY1井為例[J]. 天然氣地球科學, 2013, 24(4): 643-651. Guo Tonglou,Liu Ruobing. Implications from marine shale gas exploration breakthrough in complicated structural area at high thermal stage: Taking Longmaxi Formation in Well JY1 as an example[J]. Natural Gas Geoscience, 2013, 24(4): 643-651.

[4] 李玉喜, 喬德武, 姜文利, 張春賀. 頁巖氣含氣量和頁巖氣地質評價綜述[J]. 地質通報, 2011, 30(增刊1): 308-317. Li Yuxi, Qiao Dewu, Jiang Wenli, Zhang Chunhe. Gas content of gas-bearing shale and its geological evaluation summary[J]. Geological Bulletin of China, 2011, 30(S1): 308-317.

[5] 汪凱明, 韓克寧. 頁巖氣水平井地質導向中的幾個問題[J]. 油氣藏評價與開發, 2014, 4(1): 69-73. Wang Kaiming, Han Kening. Several issues about geosteering of shale gas horizontal wells[J]. Reservoir Evaluation and Development, 2014, 4(1): 69-73.

[6] 李增科, 馮愛國, 任元. 頁巖氣水平井地質導向標志層確定方法及應用[J]. 科學技術與工程，2015, 15（14）: 148-151. Li Zengke, Feng Aiguo, Ren Yuan. Shale gas horizontal well geosteering mark layer calculation method and application[J]. Science Technology and Engineering, 2015, 15(14): 148-151.

[7] 齊寶權, 楊小兵, 張樹東, 曹蓁. 應用測井資料評價四川盆地南部頁巖氣儲層[J]. 天然氣工業, 2011, 31(4): 44-47. Qi Baoquan, Yang Xiaobing, Zhang Shudong, Cao Zhen. Logging evaluation of shale gas reservoirs in the southern Sichuan Basin[J]. Natural Gas Industry, 2011, 31(4): 44-47.

[8] 李一超, 王志戰, 秦黎明, 徐洪澤. 水平井地質導向錄井關鍵技術[J]. 石油勘探與開發, 2012, 39(5): 620-625. Li Yichao, Wang Zhizhan, Qin Liming, Xu Hongze. Key surface logging technologies in horizontal geosteering drilling[J]. Petroleum Exploration and Development, 2012,39(5): 620-625.

[9] 竇松江, 趙平起. 水平井隨鉆地質導向方法的研究與應用[J].海洋石油, 2009, 29(4): 77-82. Dou Songjiang, Zhao Pingqi. The research and application of horizontal well geosteering method[J]. Offshore Oil, 2009,29(4): 77-82.

[10] 陳志鵬，梁興，王高成，焦亞軍，張介輝，李兆豐，等.旋轉地質導向技術在水平井中的應用及體會——以昭通頁巖氣示范區為例[J]. 天然氣工業, 2015, 35(12): 64-70. Chen Zhipeng, Liang Xing, Wang Gaocheng, Jiao Yajun,Zhang Jiehui, Li Zhaofeng, et al. Application of rotary geosteering technology in horizontal wells and its implication: A case study of the Zhaotong shale gas demonstration area of Yunnan[J]. Natural Gas Industry, 2015, 35(12): 64-70.

(修改回稿日期 2016-03-03編 輯 凌忠)

Geosteering technology in the drilling of shale gas horizontal wells

Liu Xuli
(CNPC Great Wall Drilling Company, Beijing 100101, China)

NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 5, pp.69-73,5/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

In the southern Sichuan Basin, the major target horizon of shale gas development is the 6 m-thick Lower Silurian Longmaxi Fm marine shale. It is characterized by smaller target window, complex structures and greatly varied stratigraphic dips, so it is possible for the actual drilling trajectory to miss the targets and run out of the target layers. In this paper, the shale gas horizontal wells in Weiyuan Block in the Sichuan Basin were taken as examples in analyzing the technical difficulties that occurred during the geosteering of horizontal wells in this block and the related reasons. Then, the solutions were worked out starting from the key points of target orientation and horizontal section geosteering. First, the high-GR shale markers on the stratigraphic section were measured one by one by applying GR detection while drilling, and combined with the geological logging, the accurate targeting point of hole trajectory was determined, so that the well track can run into the target accurately in accordance with the designed deviation angle. Second, the characteristics of low-value intervals in quality shale reservoirs were identified by applying GR detection in drilling, and combined with the seismic depth profile, the approximate apparent stratigraphic dips and the development situations of micro-structures were discriminated, so that the position of actual trajectory in drilling box can be confirmed accurately to guarantee the drilling ratio of reservoirs. Based on the field application within 2 years, 27 horizontal wells have been drilled in this block with an average depth of 5 043 m, average length of horizontal sections 1 428.96 m and drilling ratio of quality box shale 95.75%. It is concluded that the quality box shale geosteering method, together with geologic, 3D seismic and gas logging total hydrocarbon content technologies, can guarantee the accurate landing of boxes and the precise drilling of horizontal sections.

Sichuan Basin; Shale gas; Horizontal well; Geosteering; Drilling ratio; Test production; Well trajectory; Early Silurian; Longmaxi Fm

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.05.010

劉旭禮，1963年生，高級工程師，碩士；現任中國石油長城鉆探工程有限公司副總工程師兼四川頁巖氣項目部經理；主要從事頁巖氣開發技術研究及管理工作。地址：（100101）北京市朝陽區安立路101號名人大廈。ORCID:0000-0003-2374-5825。E-mail:liuxuli2005@126.com