水平井地質導向著陸段技術分析

李曉強,王靜,楊志華

(1.中海油田服務股份有限公司解釋中心,河北廊坊,065201;2.中國石油長慶油田分公司,陜西西安,710016)

0 引 言

水平井鉆探的目的是最大程度提高儲層鉆遇率,由于受到儲層變化、地層產狀、鉆井工藝、鉆井施工參數等因素的影響,為確保鉆井準確中靶,施工中需要實時掌握入層點的變化,實時進行井身軌跡的調整,控制鉆頭進入靶心及在儲層中運行。

水平井地質導向著陸段的難點是如何精確預測目的層頂底界的深度和地層傾角,指導井眼軌跡準確入窗并在儲層中穿行,避免入窗失敗或水平段在鉆進中偏離儲層。設計階段利用地震、測井等資料建立地質模型,預測目的層海拔、儲層厚度并完成地質設計和工程軌跡設計;鉆井階段利用隨鉆測井曲線識別標志層,利用隨鉆測量的井斜角和方位角計算垂深,預測入層點參數在完井最大狗腿度范圍內的軌跡更新,嚴格按照中靶要求入窗,完成水平段鉆進。但是由于測量深度、地質構造和地震分辨率等不確定性因素,采用鄰井測井資料難以精確預測儲層頂界海拔和儲層是否缺失,利用地震資料難以準確識別水平段構造、地層傾角、展布特征,導致著陸挑戰性大和入窗準確率低。利用造斜過程中鉆頭與著陸位置的相對關系,校正著陸點的位置,準確預測著陸點,確保成功著陸。

1 著陸難點

水平井存在井身結構相對復雜和鉆井技術特殊的特點,會出現著陸在目的層的井斜正確但是深度錯誤、深度正確但井斜錯誤的問題[1]。

1.1 著陸段的問題

水平井的著陸段如圖1所示。假設地層為水平,可能會遇到目的層垂直深度提前、滯后、儲層變薄或缺失、造斜率過大或過小及目的層上部干擾層等問題[2-3],如果地質導向不到位可能造成著陸失敗,延長施工周期,增加投資成本。

圖1 水平井著陸示意圖

分析目的層垂直深度提前和滯后、鉆遇斷層,定向井工具造斜率不足的原因:①目的層垂深提前。隨鉆測量工具高邊測點造成實鉆入層點垂深較設計入層點垂深變淺,地層視垂直厚度變薄造成較鄰井深度變淺(目的層由設計地層傾角下傾變為水平,設計地層傾角下傾變為上傾),目的層上部地層變薄或缺失,入層點存在微上傾的構造,地層局部微隆起;②目的層垂深滯后。隨鉆測量工具低邊測點造成實鉆入層點垂深較設計入層點垂深變深,地層視垂直厚度變厚造成較鄰井深度變深(目的層由設計地層傾角上傾變為水平,設計地層傾角上傾變為下傾),目的層上部出現干擾層,入層點存在微下傾的構造;③著陸段鉆遇斷層。地震有限的分辨率以及地層對比過程中的地層缺失段和重復段識別的復雜性,導致斷距存在不確定性;④定向工具造斜率不足。地層傾角、巖石硬度、巖性變化等因素,造成定向工具造斜率不足導致軌跡著陸在儲層底部或從目的層底部鉆出。

1.2 不確定性因素

影響地質導向著陸段入層點預測不準確的主要因素有3個:①深度不確定性。測量井深過程中產生的誤差、隨鉆測量儀器測量的井斜角誤差、隨鉆測量儀器測量的方位角誤差[4];②地震數據不確定性。地震數據的分辨率有限,故無法識別微構造和小斷層,造成縱橫向地震速度變化差異大、層位解釋的錯位、噪音數據、斷層附近的構造假象;③地質認識的不確定性。地層構造傾角起伏導致大斜度井地層視垂直厚度變化[5]、儲層橫向厚度變化,儲層非均質性導致的橫向連續性差、縱橫向的儲層物性變化。

2 著陸流程

經過現場水平井著陸實踐,總結出著陸過程中應遵循的工作流程(見圖2),關鍵技術參數包括定向井軌跡參數、著陸關鍵地質參數、入窗井斜角和中靶井斜角。利用標志層識別法,對比設計軌跡和實鉆軌跡鉆遇著陸點關鍵地質參數,入層點地層視傾角、入層點目的層垂直深度和真厚度,計算入窗井斜角?；谌雽釉瓌t,確定合理的中靶井斜角。

圖2 水平井地質導向著陸流程示意圖

目的層頂深和厚度準確預測后,需要確定合理的入層點和著陸點,設計滿足要求的靶前軌跡。鉆進時及時收集實鉆井斜數據,密切監控實鉆地質導向井眼軌跡是否與設計出現偏差。若新鉆地層出現新情況或者與前期預測不吻合,則根據最新實鉆地層情況對目的儲層深度重新預測、重新調整軌跡。該過程是循環重復的地質導向過程,直至順利中靶。

3 水平井著陸段的關鍵技術

3.1 著陸段的關鍵參數

為解決水平井著陸段的技術難點,本文提出精準計算入層點的地層視傾角和預測目的層頂底垂深的解決方案,確定合理的入窗井斜角和靶前軌跡設計。在著陸過程中,動態優化鉆前設計軌跡,合理控制靶前軌跡,準確判斷著陸點,并使中完點與地層平行。

3.1.1入層點地層視傾角

地層傾角在研究地質構造與沉積環境、追蹤地下油氣的分布情況等方面應用頗多。在著陸過程中,實時計算入層點地層視傾角的主要方法是利用隨鉆方位曲線成像提取地層傾角。地質導向過程中,通過成像圖中正弦曲線的形狀可以準確地判斷井眼軌跡是向下切入地層或是向上切入地層。

利用隨鉆方位曲線成像計算地層視傾角,主要分為下切和上切成像提取地層視傾角和傾向。隨鉆方位曲線成像主要有方位性伽馬、密度、電阻率測井曲線成像,應用成像資料提取地層傾角,利用方位測井資料確定鉆頭井斜的校正量,確保井眼軌跡保持在目的層段內或在偏離后重新回到目的層內[6-7]。圖3為假設地層傾向與井眼軌跡方位一致,井眼軌跡與地層下切和上切各參數的相對關系。

井眼軌跡下切地層示意圖見圖3(a),視傾角的計算

α=π/2-β-γ

(1)

井眼軌跡上切地層示意圖見圖3(b),視傾角的計算

圖3 井眼軌跡下切和上切地層相對關系示意圖

α=π/2-β+γ

(2)

γ=arctan(BH+2DOI)/SA

(3)

式中,α為入層點的地層視傾角,地層下傾為正值,地層上傾為負值,(°);γ為從圖像中提取得到地層與井眼軌跡相對夾角,(°);β為井斜角,(°);BH為井眼尺寸,m;DOI為隨鉆方位曲線的探測深度,m;SA為成像的正弦曲線幅度,m。用α+β可以判斷井眼軌跡與地層的切割關系,當α+β<90°,井眼軌跡下切地層;當α+β>90°,井眼軌跡上切地層;當α+β=90°,井眼軌跡平行于地層鉆進[8]。

3.1.2入層點的目的層深度

精細地層對比是精準預測儲層垂深的關鍵。地層對比可選擇區域標志層(大段對比粗調)或者局部標志層(精細對比微調),尋找上部標志層可對比的油氣顯示,選取距離較近或者在同一微相上的鄰井,結合構造位置編制實時連井地層對比圖等。

鉆進過程中可根據地質導向井的實鉆地層情況,與鄰井逐層對比,仔細尋找相同巖性組合特征、特殊巖性標志層,并用井斜數據對各個穩定的主要標志層的視垂直厚度和深度逐個進行校正對比。核實入窗處的深度變化(目的層、油氣層界面的垂深),保證在著陸點前的地層對比更加準確。

水平井地層對比預測入層點深度時,盡量建立多個對比標志,與鄰井地層對比校正目的層垂深設計誤差,為定向井實鉆軌跡調整提供地質依據[9]。著陸點越接近目的層,預測深度越準確。目的層上覆地層整合接觸,地層傾向與井眼軌跡方位一致,上傾型地層模型入層點深度預測示意圖見圖4,上傾地層模型入層點視傾角和深度預測

圖4 上傾型地層模型入層點深度預測示意圖

(4)

H=H2+h2-tanα(L-L2)

(5)

式中,H為預測著陸點的垂深,m;H1、H2分別為鉆遇標志層1和標志層2時的垂深,m;h1為標志層1到標志層2的地層厚度,m;h2為標志層2到目的層的地層厚度,m;L為設計靶前距,m;L2、L1分別為標志層1和標志層2的位移,m。

3.1.3入窗井斜角

在著陸過程中,確認入層點的地層視傾角和垂深后,從入層點到中靶點,綜合考慮靶前位移、地層厚度、入層厚度和中完點距離目的層頂部距離,確定合理的入窗井斜角。水平井著陸段入窗參數見圖5。以井眼軌跡下切地層為例,圖5中h為水平井目的層真實地層厚度,TVT為導眼井目的層的真實垂直厚度,α為地層視傾角,LA為入層點的水平位移,LB為靶前距,BR為工具造斜率,γ為井眼軌跡與地層界面夾角,β+γ為中靶井斜角。著陸點位于儲層中部位置,水平井軌跡與地層平行。

圖5 水平井著陸段入窗參數示意圖

β=π/2-α-γ

(6)

H=H2+h2-tanα(L-L2)

(7)

(LB-LA)tanα]}-β

(8)

3.2 著陸段軌跡調整

為使軌跡著陸在目的層的合適位置,鉆前設計軌跡基于已知數據的靜態認識;隨鉆過程中,動態優化實鉆軌跡于目的層的合適位置。造斜段過程中實時分析軌跡調整情況和對應時機,及時指導控制現場軌跡。

3.2.1軌跡調整情況

定向井軌跡造斜鉆進過程中,結合隨鉆測井曲線和工程曲線,應用實時地層對比結果,利用式(1)～(5),精確預測入層點的地層視傾角和目的層垂深。對比實鉆軌跡與設計軌跡各標志層的入層點參數,分析實鉆軌跡需要調整的因素,包括目的層垂深、地層視傾角、儲層厚度的變化。

3.2.2軌跡調整原則

基于鉆前入層判斷標準和中靶要求,分析實鉆軌跡著陸于目的層的位置是否合適。引起設計軌跡調整的原因,主要為目的層垂深提前、滯后和地層傾角變化3大因素。對調整軌跡影響最大的是目的層垂深提前,提前量越大則軌跡調整時機把握難度越高。

目的層深度和入層點的地層視傾角確定后,合理的靶前軌跡設計應該充分考慮到水平段儲層的構造趨勢,是否有向上或向下傾的情況。中靶井斜角需要考慮地層視傾角,著陸點使實鉆井軌跡與地層平行。地層水平合理入窗角的統計表見表1。假設目的層為水平,針對不同地層真厚度的矩形鉆井箱體,宜將井眼軌跡控制在靶前測量段20～60 m處,入層點垂深達到地質設計的儲層頂部或上部位置,入窗井斜角控制在85°～88°;以3°/30 m狗腿度為例,進入儲層后能及時在中靶點前調整到最大井斜,達到井眼軌跡控制在距儲層頂0.5～3.5 m范圍內,中靶井斜角控制達到90°[10]。

表1 地層水平合理入窗井斜角的統計表

3.2.3軌跡設計和控制

地層水平情況下,以地層厚度為5～8 m的巖性油氣藏的軌跡落靶控制為例,水平井入窗井眼軌跡示意圖見圖6。在著陸的入射角設計過程中,如果地層視傾角為0°,即以86.5°井斜為入射角,段長50 m,考慮到工具零長,穩斜15 m,垂深下降0.92 m,以3°/30 m的狗腿度在35 m段長內增斜至90°,垂深下降1.07 m,入層垂深約2 m。

圖6 水平井入窗井眼軌跡示意圖

4 結 論

(1)本文闡述了水平井著陸過程中涉及到的關鍵技術,針對著陸難點,分析影響著陸的不確定性因素,提出影響著陸關鍵參數的計算方法,推導水平井入窗合理井斜角的計算公式。

(2)從地質導向實踐上分析造斜段軌跡需要調整情況和相應原則,指導地質導向現場作業中著陸段軌跡的設計和控制。該技術已在中國多個油氣田的水平井著陸中成功進行應用,證明該方法的正確性和有效性。