FEWD地质导向技术在深层页岩气水平井中的应用

高彦峰赵文帅

1.中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院；2.中国石化中原油田分公司天然气处理厂

FEWD地质导向技术在深层页岩气水平井中的应用

高彦峰1赵文帅2

1.中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院；2.中国石化中原油田分公司天然气处理厂

引用格式： 高彦峰，赵文帅. FEWD地质导向技术在深层页岩气水平井中的应用［J］.石油钻采工艺，2016，38（4）：427-431.

地质导向技术是开发页岩气的核心技术之一，分析了页岩气储层伽马、电阻率、钻时比值等地质特征响应，结合FEWD地质导向技术的特点提出了在深层页岩气水平井钻井中应用该技术的优势。通过丁页2HF井应用实例分析，论述了应用FEWD地质导向技术提高页岩气水平井储层钻遇率的关键。丁页2HF井创造了超深页岩气井复合钻日进尺最高178 m的记录，仅用55 d完成1 035 m的水平段钻探，水平段储层钻遇率达95%。FEWD地质导向技术在丁山深层页岩气水平井的成功运用，促进了页岩气非常规能源的开发，对今后国内超深页岩气水平井的钻井施工具有重要的指导意义。

FEWD；页岩气；水平井；地质导向；随钻测井；丁页2HF井

页岩气储集层的勘探开发最早始于美国，目前已成为国内非常规气藏勘探开发的重点和热点［1］。为便于后续压裂开发，页岩气勘探开发主要以水平井为主，且在开发过程中探井相对较少，对储层的认识不足；另外，由于岩性和储层物性的不同，钻井过程中，利用传统的砂岩和碳酸盐岩油气层录井评价方法评价页岩气储层存在较多局限性［2-3］。因而有必要加强钻井过程中的地质跟踪能力，提高储层钻遇能力。

近年来，随着水平井技术的不断发展和完善，FEWD地质导向技术在国内各大油田得到广泛应用。FEWD（Formation Evaluation While Drilling）是从美国进口的无线随钻测量系统，具有性能稳定，精度高，井下连续工作能力强等优点。其实施的随钻测井能及时提供地质参数和井身轨道参数，指导现场决策及钻井工作，同时自动记录井下钻具的震动情况，并传至地面以警示施工人员采取相关措施预防井下复杂情况或井下事故的发生［4-5］。通过分析页岩气储层的响应特征，阐述了FEWD地层识别技术，并在丁页2HF井展开了应用，该井应用效果表明，应用FEWD地质导向技术，在降低钻井风险、提高储层钻遇率、缩短钻井周期和降低钻井成本等方面都取得了显著效果。

1　页岩气储层地质特征响应Responses of geologic features in shale gas reservoir formations

页岩储层中的“甜点”和测井响应特征是页岩气钻井中的关键问题。对于页岩气储层，其地层测井响应具有“高伽马、低电阻率、高钻时比”等特征。

1.1伽马值

Gamma

泥页岩中有机物在一定的条件下，先是变成干酪根，然后转化为油气等烃类物质，因此，干酪根的含量反映含气页岩中有机质含量的多少和生烃潜力大小。一般情况，干酪根的形成是在放射性元素U含量较高的还原环境下，因而它使放射性伽马值相对较高［3］。文献表明泥页岩岩屑自然伽马值比砂岩混合样高5～10个计数值，是纯砂岩的2～3倍［6］。

1.2电阻率

Resistivity

页岩气储层电阻率具有普遍低值，局部高值的特征，这是由于页岩中的高泥质含量及高束缚水饱和度，导电性较好，使得页岩气层的电阻率普遍较低，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，电阻率表现为局部高值［7］。

1.3钻时比值

Drilling time ratio

由于储层孔隙度较大，可钻性好，相邻的泥页岩非储层与储层段的钻时存在明显的差异。泥页岩非储层与储层钻时之比称为钻时比值。一般当钻时比值大于1.5 h，储层物性相对较好；钻时比值大于4 h，储层一般为高压储层。表1为典型区块页岩气地层伽马、电阻率、钻时比值统计［8-9］。

表1　典型区块页岩气地层伽马、电阻率、钻时比值统计Table 1 Statistics of gamma readings， resistivity and drilling time ratio in shale gas formations of typical blocks

2　FEWD地质导向技术FEWD geology steering technology

FEWD通常也称为LWD（Logging While Drilling），是20世纪90年代以来广泛应用于石油钻探开发领域的随钻测量仪器，是在先期MWD（Measurement While Drilling）的基础上发展起来的一种随钻测量井眼轨道参数和地质参数的先进设备，其测量传感器与工程参数传感器组合在一起使用，依据设置内容顺序采集最新的工程、地质参数，统一编码后，通过钻具内钻井液传至地面，再经地面设备对钻井液脉冲进行检波、滤波、解码等处理，形成数据和测井曲线。

2.1FEWD技术优点

Advantages of FEWD

FEWD与传统的MWD相比，具有在钻进作业的同时，实时采集、测量各种地质参数，并绘制各类测井曲线。与常规的电缆测井相比，随钻测井获得的地质资料是实时测量的，地层暴露时间短，油气层被钻井液侵入更少，更接近地层的实际情况，测量精度更高［10-11］。

2.2FEWD地层识别技术

FEWD formation identification technology

（1）储层物理特性的识别。提供实时的地质参数、岩性变化情况及随钻测井图，应用自然伽马、电阻率测井曲线，分析页岩气钻井中储层物理特性，标定储层垂深，准确划定地层界面。

（2）地质导向作业指导。在页岩气钻井中，最初使用的是自然伽马来指导地质导向，但是一个自然伽马数值可以表示不同的储层位置，如果单纯利用这种技术很难准确找到“甜点”。为了解决这一问题可以综合使用电阻率数据，这样就可以得到较好的井眼轨迹。

（3）优化井眼轨道控制。FEWD的电阻率传感器探测半径（R）为0.76 m，如图1所示，在井斜角接近90°时，电阻率传感器（A）可以相对钻头（B）提前探测到下部储层（C）性质。通过计算，确定钻头与储层间的位置关系，可以预测所钻地层的变化情况，提前采取相应措施，不断调整钻进参数，优化轨迹的控制。计算公式为

式中，X为钻头与储层界面的距离；R为电阻率传感器探测半径；θ为钻具延伸线与储层界面线夹角；L为电阻率测点与钻头间距离。

图1　预测钻头与储层边界距离示意图Fig.1 Distance between predicted bit position and reservoir boundary

当地层或流体性质将要改变时，电阻率传感器测量数据就会发生明显的变化，通过式（1），可以计算出钻头钻遇储层界面所需的准确距离，据此可以优化轨迹控制，提高储层钻遇率。

3　丁山深层页岩气水平井轨迹跟踪难点Difficulties in tracking trajectory of horizontal wells drilled for shale gas development in deep Dingshan Formation

丁山构造位于四川盆地川东南地区林滩场—丁山北东向构造带，页岩气主力储层为志留系龙马溪组：上部以厚层灰黑色灰质泥岩为主；中部以灰色—深灰色泥岩为主；下部以深灰色—黑色碳质泥岩为主［12］。与涪陵、长宁等页岩气相比，该区块页岩气具有储层埋藏深、地质不确定因素多等特点，给水平井轨迹控制带来困难。具体表现如下。

（1）储层埋藏深，温度高，压力大。丁页区块储层埋藏深度超过4 400 m，海相地层的压力系数达到2.0（栖霞组地层），其余地层压力系数基本都在1.6以下，井底温度高达140 ℃，属于典型的高温高压地层，这对于随钻测量仪器的性能要求更高。

（2）地质构造复杂。丁山构造断裂均发育于构造翼部， 含有七跃山断裂带，钻遇多达16套地层，不同部位地层差异性大，地层倾角变化大，不利于水平井的精确中靶和钻遇油层。水平段有断层或断层发育带，规避风险、安全钻进难度大。

（3）地质资料少。该区块页岩气勘探程度低，二维地震数据和探井资料相对不足，常规的岩屑录井对比找层准确性相对较低。水平段地层倾角存在一定不确定性，保证储层钻遇率难度大。

4　现场应用On-site application

4.1丁页2HF井概况

Introduction of Well Dingye 2HF

丁页2HF井是一口海相页岩气深层预探水平井，该井采用优化的三开次井身结构，具体井眼轨道分段设计数据见表2。

表2　丁页2HF井井眼轨道设计Table 2 Borehole trajectory design of Well Dingye 2HF

4.2提高FEWD地质导向工艺效果的关键

Key techniques to enhance performance of FEWD geology steering

为了获得最佳的开发效果，确保井眼轨道在下志留统龙马溪组下部泥页岩气层优质页岩气层段中的钻遇率。钻井施工过程中，从造斜点开始使用FEWD技术对井眼轨道进行控制，要求必须准确确定储层位置，并控制水平段井眼轨道在储层中最佳位置，同时及早预测和发现可能出现的裂缝或断层发育带。

4.2.1随钻设备连续工作能力的提高 考虑到该井属于超深井、循环温度高等因素，选用进口的FEWD随钻测井系统。该系统标称耐温150 ℃，采用涡轮发电供给脉冲发生器和定向探管工作，锂电池仅提供电阻率传感器和伽马传感器的工作电源，井下环境温度在120 ℃左右时，连续工作时间达240 h，有效减少起下钻次数，降低钻井风险。

采取以下措施保证随钻设备工作：（1）施工过程中严格要求每20柱灌浆1次，井深超过5 000 m，每下20柱要求开泵循环1～2 h，给井下传感器充分降温；（2）不允许钻具在井底静止1 h以上，防止温度过高，损坏井下传感器；（3）如维修设备需要，必须进行短起，将井下传感器短起至5 000 m以上的井段或者套管内。

4.2.2井眼轨道的精确控制 在龙马溪组—龙马溪底部的钻进过程中除了浊积砂没有明显的标志层，储层不确定性相对较大，加上测量信息滞后（FEWD测点距离钻头16～18 m左右），准确探顶、安全着陆有较大难度。为此在钻井过程中，根据随钻测井伽马及电阻率曲线变化，结合录井烃值变化情况，准确地做出判断及时调整，顺利着陆、精确命中目的层至关重要。钻至4 467～ 4 471 m，根据随钻测井曲线响应特征，结合地质录井捞取砂样情况，确定钻遇浊积砂标志层。钻至4 660～ 4 670 m井段时，测井曲线没有明显的波动，该井段录井资料显示的全烃值和钻速都有升高，全烃值由10%～12%升高到16%～17%，钻速由16～17 min/m升高到8～10 min/m，由此数据显示可以判断钻至4 665.77 m时，顺利钻达A靶。

4.2.3出层的判断和回追 在水平段钻进过程中，当井眼轨迹接近上部砂岩或下部灰岩时，电阻率和自然伽马测井曲线会发生特征反应。利用这一点，可以准确判断井眼轨迹在储层中的位置，提前预知储层界面的出现，将井眼轨迹控制在储层物性最佳的位置。

钻至4 990 m时，伽马值开始明显降低，电阻率值开始升高，至5 000 m时，伽马值由原来的140 API降低到50 API，电阻率值由原来20 Ω·m升高到100 Ω·m，钻速由原来的10～13 min/m降低到40～50 min/m，全烃值显示由原来的50%～60%降低到20%～30%，岩屑中见少量方解石次生矿物，综合FEWD随钻测井数据和地质录井资料，判断钻遇小的逆断层，出了储层。将井斜角增加2.6°至88.6°回追储层，钻至5 046 m时，伽马值升回140 API，电阻率值降回20 Ω·m，返回储层。从FEWD实测的测井曲线可以很明显的看到钻遇逆断层的过程，随钻测井曲线变化情况，如图2。

图2　丁页2HF井4 980～5 050 m随钻测井曲线Fig.2 LWD plots of 4980-5050m interval in Well Dingye 2HF

4.3应用效果分析

Application performance

通过FEWD地质导向技术的应用，丁页2HF井顺利钻至5 700 m完钻。实钻全井共发现油气显示层16层1 106 m，在主要目的层龙马溪组下部水平段发现4层1 056 m巨厚优质页岩气储层，钻进过程中最高全烃达89.56%，平均22%以上，后效显示全烃最高达92.20%。创造了超深页岩气井复合钻日进尺最高178 m的记录，仅用55 d完成1 035 m的水平段钻探，水平段储层钻遇率达到95%。

后期测试，丁页2HF井日产量最高达10.5×104m3，日均产量4.6×104m3，油压和气量比较稳定。进一步拓展了川东南地区龙马溪组页岩气勘探领域，显示了良好的勘探开发前景。

5　结论及认识Conclusions and proposals

（1）应用FEWD地质导向技术能够很好地解决深层水平井轨迹控制与储层识别问题，实现地质中靶，保证储层钻遇率和优质井眼，同时减少储层浸泡时间、保护储层，提高单井产量和油气采收率。

（2）丁山区块3口水平井利用FEWD地质导向技术效果显著，随钻仪器故障起钻平均每口井减少2趟，节省1趟完井电测作业。平均建井周期缩短5.5 d，从整体上提高页岩气钻井和开发的效益。

（3）FEWD地质导向技术在丁山区块的成功应用，为今后超深页岩气水平井的施工积累了经验，对加快页岩气等非常规能源的开发具有重要意义。

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（修改稿收到日期 2016-06-20）

〔编辑 薛改珍〕

Application of FEWD geology steering technology in deep shale gas horizontal wells

GAO Yanfeng1， ZHAO Wenshuai2
1. Drilling Engineering Technology Research Institute of Zhongyuan Petroleum Engineering Corporation， Puyang， Henan 457001， China；2. Natural Gas Processing Plant of SINOPEC Zhongyuan Oilfield Branch Company， Puyang， Henan 457061， China

Geology steering technology is one of core technologies available for shale gas development. The geologic responses such as gamma， resistivity， drilling time ratio etc of shale gas reservoirs have been analyzed in the paper， in light of the features of FEWD geology steering technology， its advantages in drilling horizontal wells for shale gas development in deep layers have been pointed out. By a case study of Well Dingye 2HF， the keys in enhancing drilling rate of reservoir formations in horizontal wells with FEWD geology steering technology have been demonstrated. Well Dingye 2HF set the record of drilling 178 m in one day for super-deep shale gas wells，and its horizontal interval of 1 035 m was completed in only 55 d， and its reservoir drilling rate of the horizontal interval is up to 95%. Successful application of FEWD geology steering technology in horizontal wells for shale gas development in deep Dingshan Formation can effectively promote development of unconventional shale gas， and provide valuable guidance for drilling horizontal wells for shale gas development in super deep formations in China.

FEWD； shale gas； horizontal well； geology steering； LWD； Well Dingye 2HF

TE243

A

1000 - 7393（ 2016 ） 04- 0427- 05

10.13639/j.odpt.2016.04.004

GAO Yanfeng， ZHAO Wenshuai. Application of FEWD geology steering technology in deep shale gas horizontal wells［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2016， 38（4）: 427-431.

高彦峰（1980-），2007年毕业于中国石油大学（华东）无线电物理专业，现主要从事定向井、水平井技术服务与研究工作。通讯地址：（457001）河南省濮阳市华龙区中原东路462号钻井工程技术研究院仪表研究所。E-mail：gaoyanfeng223@163.com