水平井地质导向技术在油气目的层预测中的应用

方锡贤，邹 辉，张毅丰，田一鸣，张延龙 ,严俭丰

(1.中国石化河南石油工程有限公司地质录井公司，河南南阳 473132；2.中国石化河南石油工程有限公司井下作业公司；3.中国地质大学(北京)能源学院)

目前水平井技术在各油田应用越来越广泛，钻探对象也日趋复杂，小断块、小砂体、薄层、相变区成为水平井挖潜的重点对象。在这种情况下，水平井地质设计与实钻结果的很小差别就可能导致油气层钻探失败。而钻探实践证实，水平井地质设计与实钻结果有一定误差是客观存在的,甚至是难以避免的，因此，开展水平井地质导向技术研究，根据实际情况来调整井眼轨迹已成为油气钻探成功的关键。

1 水平井目的层深度预测

卡准目的层深度，保证准确入层中靶是水平井目的层深度预测的首要目的。做好目的层深度预测首先是优选对比标志层。

1.1 对比标志层的选择

1.1.1 对比标志层层次要求

选择对比标志层应有层次，由浅及深，由远及近，从造斜段开始确定，距目的层远的对比标志层密度可小，近目的层的对比标志层密度要大。由浅及深、对比标志层密度逐渐加大。距目的层顶面垂深20～50 m左右，对比标志层密度就要大，应从岩性、气测、地化、伽马、电阻等方面选择不同的对比标志层。

1.1.2 对比标志特征要求

(1)分布稳定。选择平面分布稳定、厚度稳定、物性稳定的地层作为对比标志层。区域性分布稳定的地层作为距目的层较远的对比标志层，近目的层时，则要选择局部分布稳定的地层作为对比标志层。

(2)易于识别。首选录井特征明显容易识别的地层：特殊颜色层、特殊岩性层、厚层砂岩(泥岩)所夹泥岩(砂岩)薄层、连续砂岩(泥岩)层、独立的油气显示层均可以作为“对比标志层”。其次可以选择伽马、矿物、气测有明显特征[1]的地层作为“对比标志层”。

1.2 目的层深度预测方法

1.2.1 标准井法

“标准井法”是在区域储层研究及沉积相分析的基础上，优选“标准井”，在水平井钻探过程中，将实钻资料与“标准井” 的标志层对比，确定目的层顶界深度，将不同标志层对应目的层顶深度的各点，采用线性回归的方法，连线推测出目的层顶面，进而确定地层产状，指导钻井轨迹入层及入层后的轨迹调整。

1.2.2 等厚法

该法应建立在稳定沉积及沉积补偿的基础上，认为横向上标志层与目的层间的厚度是一定的，在水平井钻探的过程中，钻达标志层后直接加上一定厚度(邻井厚度或依据邻井资料推算的厚度)，直接计算出目的层深度。该方法预测的目的层深度仅反映钻达不同位移标志层对应目的层的深度。对于A靶深度预测，还必须将地层上升(下降)速率、视倾角等加以计算预测[2]。此方法适应于地层倾角在横向上无变化，且没有断层发育和岩性突变等构造简单的区块。应用该方法时，标志层离目的层段越近越精确，对比井距离越近越精确，邻井厚度变化越小越准确，反之误差较大。

1.2.3 “虚拟井”微构造图完善法

如果钻达标志层时钻井轨迹不在A 、B靶连线，地层出现突变、起伏或扭曲，导致地层视倾角不一样时，不论是标准层法还是等厚法均不能适应，此时就要采用“虚拟井”微构造图法。此法是将不同位移时海拔深度加上相邻直井同一地层与目的层之间的厚度，作为该位移下目的层海拔深度，从而得到该位移下“虚拟井”目的层埋深数据。随着钻达地层的增多，可以得到大量不同位移下“虚拟井”的目的层数据[3]。应用这些“虚拟井”数据对现有的微构造图进行完善，能够更加清晰地掌握目的层的平面变化趋势，从而较为准确地预测A、B靶深度。

S9-1H井是一口目的层厚度仅2 m的超薄水平井，设计目的层水平段长200 m，地层下降速率为3 m/100m。由于井口到A靶间的钻井轨迹不在A、B连线上，因此，现场对目的层A、B靶目的层埋深预测采用“虚拟井”完善微构造图法，在井斜角50°时，预测地层埋深比设计深4 m，考虑到区块地层变化，提前先下调A靶深度2 m，其后，在50°～88°井斜井段，逐层跟踪对比，逐层完善微构造图，不断向下调整A靶深度，最后A靶深度比设计下调了7 m，顺利钻达设计目的层，避免了最后一个对比标志层调整深度难以钻达设计目的层、填井侧钻现象的发生。

2 目的层地层产状预测

2.1 地质导向设计中的地层产状预测

地层产状预测是地质导向设计中的一个重要环节，只有准确的地层产状预测才能结合井斜资料预测钻遇各对比标志层的位移、垂深，才能提前确定合适的入窗角，才能确定水平段的井斜角，才能选择合适的对比标准井。

2.1.1 微构造图法

导向设计阶段的微构造图绘制，除采用目的层的实钻资料等常规方法外，还可以通过增加“虚拟井”的方法加以完善。虚拟井的建立有两种方法：①交会法：通过不同井之间地层变化趋势分析，通过内插法或解数学方程的方法求得不同井之间连线交点坐标及海拔数据，以此数据作为“虚拟井”数据；②斜井加厚度法：上文“1.2.3”已经介绍，所不同的是利用钻井资料，本节要求是利用区块已钻井资料，具体技术方法一致，不再表述。

2.1.2 多井剖面法

在导向设计阶段，地层产状分析除采用微构造外，可以通过建立与A、B靶连线平行的剖面来判断地层的产状，还可以通过建立与A、B靶连线相交的多井剖面(图1)，通过解数学方程或内插法获取交点目的层海拔深度，然后通过数学回归方法来确定A、B靶连线地层视倾角，预测A、B靶海拔深度，进而预测进入目的层井斜角度及水平段井斜角度。

图1 YQ3- P12井相交A、B靶连线多井剖面选择图

2.2 实钻过程中的地层产状预测

2.2.1 井斜与地层视厚度分析

通常认为，定向井(斜井)段地层的视厚度要大于直井视厚度，因此，在进行地层对比时，要将“斜图”进行校直，将定向井(斜井)视厚度换算为“直井”视厚度。但这种换算只有在地层视倾角接近于0的情况下才适合。当钻井轨迹向地层上倾方向钻进时，斜深视厚度有可能小于直井视厚度，特别是当钻井轨迹垂直于地层层面时，斜深视厚度等于地层真厚度是最小的；只有当井斜角大于2倍地层视倾角时，斜井段视厚度才大于直井视厚度。而当钻井轨迹向地层下倾方向钻进时，斜深视厚度完全大于直井视厚度，利用井斜软件计算所得的校直视厚度也大于直井视厚度(图2)。

2.2.2 简易计算地层视倾角厚度法

地层变化速率计算：

(1)

式中：K——地层变化速率,指钻1 m水平段地层纵向变化量，无量纲，正值说明地层是下降趋势，负值说明地层是抬升趋势；Ha——实钻a标志层顶面垂深，m；Hb——实钻b标志层顶面垂深，m；Ha1——邻井直井对应a标志层顶面垂深，m；Hb1——邻井直井对应b标志层顶面垂深，单位m；La——实钻至a标志层顶面位移，m；Lb——实钻至b标志层顶面位移，m。

图2 斜井视厚度与地层视倾角的关系

地层视倾角计算：获得地层变化速率后，就可以利用反三角函数求得地层视倾角，现场常常采用下式求得：

(2)

式中：α——地层视倾角，(°)；K——地层变化速率。

2.3 地层产状分析

虽然“微构造图法”与“多井剖面法”相结合能够较好地预测地层产状，但是由于地质条件的复杂，特别是在小断块水平井中，由于资料不足及认识差异，可能导致对地层产状认识的差异，如何处理这种差异，应善于利用井斜、厚度等多方面资料。

2.3.1 地层厚度变化更能反映地层产状信息

CP7井是是一口水平井，目的层为M小层，层厚4.00 m，设计A、B靶之间地层呈水平状。在导向设计时，发现井斜方位与CP7井A、B靶方位接近的定向井C8-1井控制层到目的层厚度却比设计参照井B164井(直井)同一控制层到同一目的层视厚度小10 m，这与地层视倾角为0情况下，地层斜井视厚度大于直井视厚度的基本认识相矛盾，但由于缺乏资料验证，决定仍采用设计微构造图并选择的B164井(直井)作为“标准井”进行随钻对比分析、预测。本井钻达校直井深时，见到微弱显示，虽然该显示层与控制层之间的校直厚度接近C8-1井控制层到目的层视厚度，但岩性、岩屑油气显示、气测等资料反映不符合目的层M小层特点，并且与微构造图分析地层产状、海拔深度不符合，因此，决定继续继续钻进，当钻到用B164井(直井)资料预测的深度仍未发现符合目的层为M小层特点的油气显示，对比电测确认校直井深井段，见微弱显示的地层就是设计目的层，比设计深度提前9.4 m，导致填井侧钻。本井实钻结果充分说明，在资料矛盾时，不能轻易否定某一项资料，不能轻易怀疑资料存在着问题，要从不同资料反映的地层特点加以分析对比，寻找最符合不同资料蕴藏地层信息的方案。

微构造图、多井剖面法总体能较好地预测目的层深度、产状，但必须在资料较多的情况下。另外在小断块钻进时，由于资料对构造图控制程度不足，有可能产生错误的结论。而厚度法判断地层产状，是建立在实钻资料的基础上，当邻井直井资料可信时，它能够真实地反映所钻轨迹的地层产状。

正如上文所述，当钻井轨迹朝地层上倾方向钻进时，当井斜角小于2倍地层视倾角时，斜井段视厚度就小于直井视厚度。如果通过精细对比确认没有断层，就应认真分析井斜资料与地层厚度资料反映出来的地层产状信息，利用“2.2.2厚度简易计算地层视倾角”法就能够避免在随钻跟踪中出现的错误。

2.3.2 综合分析选择最优方案

导向设计阶段预测的地层产状能够总体反映地层产状变化情况，特别在单斜构造中，平行A、B靶连线所作的大剖面数据更能够在大的范围上，反映地层产状变化情况。实钻过程中，如果当预测到目的层埋深、产状出现变化时，应将实钻资料与导向设计阶段分析资料结合，分析是局部变化还是整体变化，对比不同轨迹调整方案的得失，优选工程实现难度最小、风险最低、储层钻遇率最高的方案。

X17-1H井是一口水平井，设计目的层为G小层，设计地层抬速率4.64 m/100 m,由于地层呈现上倾尖灭，虽然设计A靶地层厚度为4.8 m，但B靶设计厚度为1.4 m，要完成地质设计目的，地质导向难度较大。依据导向阶段地层产状分析结果 ，虽然地层总体为抬升，但在A靶区地层呈水平状态，过A靶1/3水平位移后，地层以较高速率抬升。实钻结果在A靶前地层基本呈现水平状态，与导向设计基本相符。但钻过A靶1/3时,各种资料反映钻井轨迹已钻达目的层底部(干层)，为快速重新回到层中较好部位，计算在当前条件下钻井井斜应达到98°。这时出现峡谷难选择的情况，如果按这个井斜钻进，不仅钻井工程实现难度极大，还将快速钻穿层顶；如果不采用大井斜钻进，则可能钻穿目的层，进入底板泥岩，重新回到层中难度较大。通过对比实钻资料与导向设计资料，判断这只是钻达局部构造扭曲段，钻过扭曲段后，地层整体抬升速率为3.5 m/100 m(相当于92°井斜)，经过细致对比分析后采用将井斜增至94°的方式进行钻进，结果仅用25 m进尺就回到目的层中较好层段，其后结合所获取的地层抬升速率，微调井斜，其后直至钻至B靶过程，钻井轨迹一直位于目的层内，顺利完成了本井地质导向工作。该井完井后采用分段投产方式进行开发，仅第一投产段即获21.6 t/d高产原油，为开发后期废弃油层重新利用、复杂区块挖潜提供了技术支撑。

3 结论与建议

(1)目的层预测的作用是通过准确提高一次中靶率与储层钻遇率，满足复杂区块对水平井地质导向不断增长的要求。为此要在优选标志层的基础上，充分利用标准井法、等厚法、“虚拟井”完善微构造图法预测目的层深度。

(2)实钻过程中判断地层产状是确定合适入层、水平段井斜角的基础，采用厚度变化与水平位移的关系不仅可以判断地层是上倾还是下倾，还可以简易快速地计算地层视倾角。

(3)地层产状预测是地质导向中的一项基础性工作，不同技术手段预测结果发生矛盾时，不可偏废，不可轻易否定资料的可信性，而是应从不同资料所包含的地层信息入手进行分析，寻找最能反映地层本质的信息。

[1] 方锡贤，牛卫刚， 施昌瑞，等．气测录井资料在泌阳凹陷稠油区钻井中的导向及评价作用 [J]．录井工程，2007，18(2)：35-38．

[2] 荣延善．水平井地质导向技术的应用 [J]．江汉石油职工大学学报，2003，16(3)：50-51.

[3] 方锡贤， 吴福邹， 李文德,等.非常规油气水平井地质导向方法探讨[J].石油地质与工程,2012，26(5)：89-91.