页岩气水平井地质导向中的几个问题

汪凯明，韩克宁

（1.中国石化华东分公司石油勘探开发研究院，江苏 南京 210011;2.中国石化华东分公司非常规资源处，江苏 南京 210000）

在缺乏三维地震资料、钻井少等勘探程度较低的探区，在不打导眼井且设计井及井轨迹不在二维地震测线上的情况下，如何预测水平井靶点垂深、目的层地层倾角（以多大井斜角着陆、入靶）、确保准确中靶并控制钻头在靶窗有效穿行，提高目的层的钻遇率，从而有效地达到地质目的，是钻井过程中地质导向面临的几个关键问题。

1 地质导向

目前国际钻井界对地质导向的定义尚无统一权威性表述[1]。国内一般认为地质导向就是在钻井过程中通过随钻测量（MWD）、随钻录井和随钻测井资料（LWD）等多种地质和工程参数对所钻地层的地质参数进行实时评价和对比，根据评价对比结果实时调整控制井眼轨迹，使之命中最佳地质目标（靶窗或“甜点”）并在其中有效延伸[1-4]。

2 随钻测井中含气页岩响应特征

随钻测井技术[5-9]是在钻井的同时完成测井作业，可在水平井整个井筒长度范围内进行自然伽马、电阻率、成像测井和井筒地层倾角分析，能够实时利用监控关键钻井参数进行井眼轨迹控制和定位，并将测量结果和钻井信息实时送到地面进行处理和应用，用于优化钻、完井作业、帮助作业者确定压裂分段、射孔位置和增产的最佳方案。且与常用的电缆测井技术不同，随钻测井获得的资料是在泥浆滤液侵入地层之前或侵入很浅时测得的。因此，不仅能够更为真实地反映原状地层的地质特征，大幅提高地层评价的准确性，而且可以有效减少井场钻机占用时间，提高钻井效率。

含气页岩与常规储层对比，含气页岩地层具有以下测井响应特征[8-12]：1）井径一般出现扩径现象；2）自然伽马高值，页岩泥质含量较高，其中的某些有机质中含有高放射性物质，因而含气页岩层总体自然伽马值偏高；3）电阻率低值，局部高值，页岩中的高泥质含量及高束缚水饱和度将使页岩气层的电阻率降低，但由于有机质的电阻较高，干酪根的电阻率为无穷大，所以在有机质丰度高的地层中，电阻率表现为高值；4）高声波时差、低密度。因此，利用随钻测井曲线形态和测井曲线相对大小可以快速而直观地识别含气页岩层，从而判断和控制页岩气水平井井身轨迹，确保在优质页岩段中钻进。

3 水平井方位校正

水平井方位的校正在水平随钻地质导向中是一件非常重要的工作，水平位移越大，越显得重要，否则，极容易导致脱靶，甚至触碰断层发生地质事故。页岩气水平井水平段一般都比较长，目前普遍在1 000～1 500m之间，水平段方位一般都垂直工区内现今最大水平主应力方向，以便在后期压裂改造过程中促进复杂网络裂缝系统的形成，扩大泄气面积，提高单井产量。

井斜方位角的测量通常使用磁性测量仪器，所测得的井斜方位角是磁方位角，所计算出的井眼轨迹将是以地磁北极为基准。当使用非磁性测量仪器（例如陀螺仪）时，测得的方位角是以真北为基准。但通常水平井轨道设计和轨迹计算都使用的是高斯—克吕格投影坐标系（图1），是以网格北为基准的。所以需要把测量的磁北作为基准的井斜方位角，以真北为基准的井斜真方位角转换成以网格北为基准的井斜方位角，这项工作称为“方位角校正”，国外称为“方位参照系转换”[13-14]。

由于地磁北极是随时间变化的，建议不以地磁北极作为基准，否则所得到的井眼轨迹会给今后的井眼防撞、老井侧钻以及储层压裂改造、甚至开发井网的布局等施工带来不便。大地北极和高斯平面坐标北都可以作为北极基准（一般多用后者）。只有将实钻井眼轨迹和设计井眼轨道转换到同一个坐标系内，才能保证井眼轨迹监测与控制的有效性和科学性。

图1 高斯投影坐标系Fig.1 Gauss projective coordinate system

真北方位、网格北方位和磁方位三者之间可相互转换，其转换关系为：真北方位=网格北方位+子午收敛角；真北方位=磁方位+磁偏角；网格北方位=磁方位+磁偏角-子午收敛角。

4 井眼轨迹方向地层视倾角的确定

目的层视倾角的确定直接关系水平井着陆方案的合理制定，即井眼轨迹以多大的井斜角着陆和入靶，狗腿度是否控制在合理的范围内等。

制定合理的着陆方案的基础是准确的地层对比，地层对比非常关键，只有地层对比准确了，才能计算出真实的地层倾角，因此，制定的着陆方案才能合理，否则制定的着陆方案只能是错误的。

首先根据二维地震资料编制的目的层顶面/底面构造图求解井眼轨迹方向地层视倾角，因为地震分辨率的限制，该值只是一个概值，但能从宏观上大体反映出地层产状的变化趋势。较准确的是将邻井及设计井钻遇的单层厚度进行深度换算，变成垂厚度，选用标志层，利用电性、岩性组合特征进行地层对比，提高预测精度，以确保准确着陆。地层对比结果跟设计没有误差是最好的结果，这种情况下，只要严格按照设计提供的轨迹控制好就没有问题了。但这种情况比较少见，一般情况下，实钻深度与设计深度总是存在着或大或小的偏差。

以川东南XX地区PY-X1井（已钻井、有导眼井）和PY-X2井（正钻井）为例，本次主要利用PY-X1井的标志层（特征面）来计算和预测PY-X2井目的层的地层倾角和靶点垂深（图2、表1），从PY-X1井的实钻来看，入靶前存在5个特征面，利用这5个特征面形成5种组合样式，地层倾角计算结果为13.07°～18.16°。显然，求解的值是一个范围，据此也不能制定完善合理的着陆方案。此时，必须考虑依据井眼轨迹“既能增加垂深，又能增斜上挑”的原则来选择井斜角。当优质页岩提前时，能够及时增斜，且进入优质页岩深度有限；当优质页岩推后时，及时增加垂深，尽量在A靶点前探到优质页岩或少损失水平段。目前，所选用探窗顶的井斜角，一般选择小于地层倾角的4°～5°，实钻效果比较好，这样既可以在着陆前增加垂深，也可以在确定目的层着陆后增斜钻进，使钻头保持在目的层里穿行，即“宜上宜下”，本次选择14°为地层视倾角，PY-X2井以76°的井斜角入窗，在实钻中取得了较好的效果。

5 靶窗内轨迹的控制

在水平井钻探过程中，入窗后如何保持钻头一直在靶窗内穿行也是地质导向面临的一个重要问题，及时修正靶点垂深是确保水平段长度和井眼轨迹控制在目的层合适位置的关键。

图2 PY-X1井导眼井垂深测录井地层综合剖面Fig.2 Sratigrafic composite section of pilot hole vertical depth measuring and recording of well PY-X1

表1 PY-X2井特征面法地层倾角及靶点预测Table 1 Sratigrafic dip and target prediction of well PY-X2 by feature surface method

现场具体实施时，根据优质页岩提前或推后深度、位置和优质页岩厚度情况，及时修正构造图，实时将测斜数据投影至地震剖面，判断钻头位置，给出靶点位置，并在实钻过程中，利用钻时、气测、随钻电测（伽马、电阻率）等资料实时对井眼轨迹进行调整，对靶点进行修正，做到微调井斜、轻摆方位，尽量使井眼轨迹平滑。

现场导向过程中，主要利用PY-X2井的随钻电测资料来判断钻遇地层的视倾角，以调整井斜角，钻头在钻遇同一页岩层时，随钻电测上具有相似或相同的曲线特征，利用钻头垂深变化和水平位移即可以求解钻遇段的地层视倾角。表2及图3中给出了PY-X2井随钻过程中9套电测组合特征点，地层视倾角在13.1°～14.37°，平均为13.72°，当然此时计算的地层倾角是已经钻遇的地层倾角，下步井斜角的调整，仍应结合地震剖面波组的特征，若地震剖面上显示地层产状稳定，那么该值可以作为即将钻遇地层的视倾角，若有所起伏，则可据此做适当调整即可。

此外，PY-X2井给定的纵向靶窗半径为7.5m，因其底板为临湘组—宝塔组灰岩，严禁触碰，实钻过程中控制轨迹在靶窗轴线的较上部地层穿越（后期压裂施工，下靶窗优质页岩可得以改造），尽量远离底板灰岩，以及井眼轨迹的圆滑，确保后期工程的顺利实施。

6 结论

1）大地北极和高斯平面坐标北都可以作为北极基准（一般多用后者）。只有将实钻井眼轨迹和设计井眼轨道转换到同一个坐标系内，才能保证井眼轨迹监测与控制的有效性和科学性。

2）利用标志层组合法求取地层视倾角的同时，必须考虑依据井眼轨迹“既能增加垂深，又能增斜上挑”的原则来选择井斜角。

表2 PY-X2井随钻电测法地层视倾角计算Table 2 Sratigrafic dip calculation of well PY-X2 by electric logging while drilling

图3 PY-X2井随钻电测伽马曲线Fig.3 Gamma curves of well PY-X2 by electric logging while drilling

3）及时修正靶点垂深是确保水平段长度和井眼轨迹控制在目的层合适位置的关键。在实钻过程中，必须充分利用地震、钻时、气测、随钻电测等资料实时对井眼轨迹进行调整，对靶点进行修正，做到微调井斜、轻摆方位，尽量使井眼轨迹平滑，确保后期工程的顺利实施。

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