页岩气水平井钻井的随钻地质导向方法

刘 旭 礼

中国石油长城钻探工程有限公司

页岩气水平井钻井的随钻地质导向方法

刘 旭 礼

中国石油长城钻探工程有限公司

刘旭礼.页岩气水平井钻井的随钻地质导向方法.天然气工业，2016,36(5):69-73.

四川盆地川南地区页岩气开发的主力目标层位为厚约6 m的下志留统龙马溪组海相页岩，具有靶窗较小、构造复杂、地层倾角变化大等特点，实钻井眼轨迹存在脱靶和出层的风险。为此，以该盆地威远区块页岩气水平井为例，通过分析该区水平井地质导向过程中出现的技术难点及其原因，从入靶导向和水平段地质导向等关键环节入手寻找出解决上述难点的办法：①应用随钻自然伽马依次测量地层剖面上的高伽马页岩标志层，配合地质录井确定轨迹精确入靶点，保证井眼轨道按设计井斜角姿势入靶，避免了提前入靶和推迟入靶；②应用随钻自然伽马测量优质页岩储层低值层段特征，配合地震深度剖面判断地层大致视倾角以及微构造的发育情况，实现实钻轨迹在钻进箱体中位置的正确确认，确保了储层的钻遇率。2年的现场应用效果表明，该区块已完钻27口水平井，平均深度为5 043 m，平均水平段长度为1 428.96 m，优质页岩箱体钻遇率达95.75%。结论认为，优质页岩箱体地质导向方法配合地质、三维地震、气测全烃含量等多种方式，可实现箱体的准确着陆及水平段的精准穿行。

四川盆地 页岩气 水平井 地质导向 钻遇率 测试产量 井眼轨迹 早志留世 龙马溪组

我国富有机质页岩分布范围广，陆域页岩气地质资源潜力为134.42×1012m3，可采资源潜力为25.08×1012m3（不含青藏区）。据《中国页岩气资源调查报告（2014）》称，截至2014年底，我国探获页岩气三级地质储量近5 000×108m3[1-2]。

威远区块位于四川盆地西南部，川西南古中斜坡低褶带，区块内下志留统龙马溪组优质页岩大面积沉积，经过多期的构造演化，具有厚度大、埋藏深、有机碳含量高、成熟度高、含气性高、裂缝发育、脆性好等特点，经测算地质储量近1 200×108m3，但页岩非常致密，其基质孔隙为纳米级，渗透率介于0.000 1～0.1 mD。因此常规井难以实现规模效益开发，而水平井可以穿越更多优质页岩储层，并通过大规模压裂沟通更多天然裂缝，增加单井产量[3-5]。

水平井的开发过程是首先通过对区域地质、地震、测井和油藏资料的综合研究，结合工程施工的要求设计出井眼轨迹，然后交由现场施工人员去实施。但是钻前研究所使用的资料具有很大的不确定性，往往会导致实钻过程中沿着设计轨迹钻进的水平井不在预期最佳的位置，从而影响了目的层的钻遇效果，而地质导向可以通过随钻测量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，根据对比结果而调整控制井眼轨迹，使之命中最佳地质目标并在其中有效延伸。

1　水平井地质导向钻井技术难点

在川南地区受井控程度低，且水平井无导眼井设计，再加上纵向靶窗小、优质页岩埋藏深、构造复杂、地层倾角变化大、地质导向判别参数少等诸多因素影响，使得页岩气水平井工厂化开发地质导向钻井难度较大[5]。

1.1纵向靶窗小

通过对川南威远、长宁地区及重庆涪陵地区大量页岩气井进行产能与水平井钻遇层位分析可知，尽管优质页岩厚度往往能达到40 m以上，但如何优中选优，精确确定最佳箱体位置对单井产能影响巨大。

威远区块综合岩性、物性、含气性多因素将箱体位置设计为优质页岩底部6 m层位，由于纵向靶窗较小，容易造成出层的风险，同时底部上奥陶统宝塔组石灰岩为卡钻、井漏事故多发井段，在实钻的过程中，应尽量避免井身轨迹过于靠近底部，于是实际靶窗高度介于3～4 m，操作难度大。

1.2靶点精确预测难度大

由于威远区块构造复杂，地层倾角变化较大，井控程度低，地震资料精确程度不够，根据构造预测及邻井推测的箱体设计深度及地层倾角与实际目的层深度和倾角存在一定程度的偏差。

一方面当箱体设计深度比实际目的层浅时，就会推迟入靶，加长稳斜段，增加靶前距，造成水平井段损失；另一方面当设计箱体深度比实际目的层深时，就会提前入靶，增加了狗腿度，减少靶前距，造成工程施工难度大，若造斜率不够，容易沿箱体底出层。如图1-a所示威X-3井设计箱体垂深3 565 m，设计地层倾角0.8 º ，实钻计算A点（箱体中部）垂深3 543.31 m，地层倾角0.98º，A点深度提前21.69 m（图1-b），提前入靶造成狗腿度增加（约6.5º），加大了施工难度，也对后期完井及压裂施工作业造成较大的影响。而地层倾角认识的错误对导向工作造成了较大的误导，增加了脱靶及出层的风险。

同时，由于部分井区地层倾角较大，地层倾角变化频繁，沿地层下倾方向的水平井钻遇地层视厚度明显增加，沿地层上倾上倾方向的水平井钻遇地层视厚度明显变薄，对跟踪过程中准确预测靶点造成了较大的难度及挑战。

图1　威X-3井设计与实钻导向对比图

1.3对比标志层选取困难

随钻伽马测井在大套稳定的页岩层段追踪储层导向作业，难度仍然较大。威远区块龙马溪组厚度介于286～450 m，第三次开钻即进入龙马溪组页岩层，在大套稳定沉积的页岩层段，仅一条伽马曲线，可对比的参数少，标志点选取难度大。

1.4钻时、气测资料失真严重

第三次开钻采用旋转导向和过平衡钻井，机械钻速较快，现场气测和钻时资料可靠性降低。水平井在钻进过程中，由于钻具与井壁的碰触、钻压的传导以及定向钻进都对钻时都有较大影响；另外在水平段钻进过程中，岩石破碎程度、钻井液密度、轨迹角度较大时气体在水平段运移等因素对气测的影响较大。

1.5仪器盲区影响

地质导向钻井过程中，随钻测井资料能够最直接最真实有效地反映地层变化，但是，在实际操作工程中，随钻测井仪器距井底有10～15 m的测量盲区，不能及时测量井底地质资料。当伽马测到箱体边界，此时钻头已出箱体10多米，此时调整井斜，当钻头再次回到箱体，轨迹钻遇箱体外已钻进了40～50 m的进尺，造成箱体钻遇率偏低。

2　页岩气水平井地质导向关键技术

受制于解释精度不够、靶窗小、设计偏差大等诸多因素的影响，为实现水平井精确地质导向，提高钻遇率，对靶点深度、入靶角度的预测、水平段的准确导向显得尤为重要。

2.1靶点深度预测

2.1.1构造预测法

威远区块地震资料精度较差，在探井控制程度低的情况下对地质导向造成了较大的影响，通过开发的深入，已钻井控制程度越来越高，相关单位重新对地震资料进行了精确标定，并通过已钻井对龙马溪组底部构造图进行多次修正，很大程度上减小了深度的误差，在地层发育平缓的井区可以结合邻井，直接利用构造预测法对靶点数据进行预测，但是在地层倾角变化复杂的区域，邻井参考性大大降低，单纯使用地震资料进行靶点预测仍然存在较大的风险，仅可作为参考使用。

2.1.2 地层对比预测法

威远地区龙马溪组由于上部地层遭受剥蚀，整体地层厚度变化范围较大，介于286～450 m，但下部优质页岩地层保存完好，厚度介于40～50 m，横向可对比性强[6-7]。

通过邻近探井威X井及实钻井伽马曲线对比分析可知，优质页岩段GR特征明显，可对比性强（图2），由上到下可以识别出4个标志层，特征如下。

图2　龙马溪组标志层示意图

标志层1：优质页岩顶部标志层，位于威X井2 530.61 m（垂深），伽马曲线层微小幅度锯齿状，往下曲线缓慢抬升，气测异常高值明显。

标志层2、3：位于优质页岩层段中部，曲线呈钟形双峰特征，伽马曲线中等幅度正异常。

标志层4：位于优质页岩层段中下部，靠近箱体顶部，曲线呈钟形单峰高尖状。往下以3.7 m左右低值伽马页岩段与箱体直接接触。

通过以上标志层的选取，在实钻过程中可由上到下依次进行识别对比，得出该点垂直方向箱体深度，同时结合靶点偏移距和地层倾角，准确计算箱体深度。

2.1.3 地层倾角预测法

通过邻井地层深度及倾角资料，选取邻井与待钻井设计靶点距离最近的点，计算两点的距离以及该方向上地层视倾角，由该已知点深度推出待钻井靶点深度，在距离较近、微构造不发育的情况下，计算出的靶点深度可信度高。

2.2入靶角论证

同靶点深度预测方法类似，入靶角预测主要依据地震资料结合邻井地层倾角方法以及实钻计算方法予以确认，在此主要对实钻地层倾角计算方法进行说明。

由于页岩地层厚度发育稳定，在入靶前可以利用直井标志层深度结合实钻井标志层深度进行地层倾角计算，计算模型如图3所示。计算方法如下[8-9]：

式中H表示实钻井的标志层2（c2点）与标志层2（c3点）垂深差，m；L表示实钻井标志层1（c4点）与实钻井标志层2（c3点）视平移差，m。

图3　地层倾角计算方法图

实钻过程中，由于地层倾角变化频繁及井轨迹方位对视地层倾角计算结果影响较大，需要结合不同标志层对地层倾角进行多次复核计算，以达到逐步控制精确入靶的目的。

以威X-5井为例（图2）：井深3 060.5 m时，垂深2 984.81 m，视平移164.32 m，通过对比相当于直井威X井2 541.44 m，通过1、2两点计算的地层倾角为10.22º。

井深3 077.1 m时，垂深2 992.51 m，视平移178.45 m，通过对比相当于直井威X井2547 m，通过1、3两点计算的地层倾角为9.45º。

井深3 140 m时，垂深3 015.45 m，视平移235.79 m，通过对比相当于直井威X井2 560.31 m，通过2、4两点计算的地层倾角为9.35º，通过3、4两点计算的地层倾角为9.53º。

最终确认箱体地层倾角在9.5º左右，进入箱体后确认地层倾角为9.45º，与计算结果基本一致。同时可以看出通过不同的标志层进行计算，地层倾角差异较大，标志层离箱体位置越近，计算结果误差越小。

2.3水平段导向

2.3.1 三维地震预测

在地层倾角变化大，微构造发育的背景下，充分利用三维地震模型指导水平段导向。沿水平段设计轨迹方位切一条地震深度剖面，通过地震剖面，判断地层大致视倾角以及微构造的发育情况。

2.3.2 目标储层细化分层

图2威远区块优质页岩底部箱体伽马特征呈山峰状特征，存在2个伽马高峰和1个伽马低值段，而且伽马高峰之间、箱体内伽马低值层段与箱体上部伽马低值段在伽马数值上差异明显。实践中依据伽马曲线特征，将龙马溪组底部箱体页岩精细划分，达到了实钻过程中轨迹位于钻遇箱体内部具体位置的正确确认，实现对箱体的精细化控制，同时在水平段导向过程中，利用小层的伽马特征，结合钻时、气测录井等资料，消除仪器盲区的影响，做到提前预判，及时调整，实现水平段精准地质导向。

3　现场应用效果

以威X-2井为例，该井由东向400 m的1口已完钻水平井，北偏东方向约5 km的一口直井评价井控制。目标箱体设计在优质页岩底部，设计A点位置箱体垂深为2 881～2 887 m，设计箱体中部入靶，入靶角为98º。在入靶地质导向过程中，通过地层对比，各标志点修正靶点深度和计算地层视倾角[10]，在垂深2 884 m处，以95º稳斜探箱体顶，最终准确入靶，实钻靶点垂深为2 878.5 m，井斜角为98º。水平段钻进过程中，以箱体顶部的高伽马和底部的高伽马来控制轨迹在箱体中穿行，同时利用重复出现地层计算地层视倾角，结合气测钻时曲线消除仪器盲区的影响。最终该井完钻井深为4 650 m，水平段长度为1 370 m，平均伽马值为300.98 API，平均测井解释TOC为4.28%，箱体钻遇率达100%。

自2014年以来，通过对威远区块地质认识的不断深入，水平井地质导向技术的不断总结提升，水平井箱体钻遇率取得了明显的提升，平均钻遇率由2014年的89.26%上升到2015年的99.36%，水平段各项参数均取得较大的提升（表1）。

表1　已钻井钻遇储层情况统计表

目前，区块已完钻27口水平井，平均井深为5 043 m，水平段长度为1 428.96 m，箱体钻遇率为95.75%。为后续工作的进行打下了坚实的基础。从目前已钻井的生产情况可以看出（表2），箱体的钻遇率对页岩气产能影响巨大。以威X-4井为例，箱体钻遇率为100%，测井解释水平段平均TOC为5.42%，含气量为4.99 m3/t，脆性指数为77.05%，一类储层长度占水平段总长度为87.35%，测试产量为28.77×104m3/d。自2015年5月5日开井截至2015年9月底累计产气为3 398× 104m3。为目前威远区块测试产量及累积产量最高的一口井。而威XX-4井，箱体钻遇率为79%，测井解释水平段平均TOC为3.75%，含气量为3.64 m3/t，脆性指数为56.43%，一类储层长度占水平段总长度为60.53%，测试产量为10.22×104m3/d。自2015年7月25日开井截至2015年9月底累计产气量为420×104m3。由此可见箱体的钻遇对于页岩气生产影响重大。因此加大导向工作力度，实现箱体及优质页岩的精准钻遇对应页岩气后期开发至关重要，是确保威远页岩气示范区顺利建成的首要工作。

表2　已钻井生产情况统计表

4　结论与建议

在综合地质研究的基础上，以地质、三维地震、随钻测井、气测全烃多种方式进行优质页岩箱体地质导向，可实现箱体的准确着陆及水平段的精准穿行。

1）充分利用地质资料、地震资料、邻井资料进行靶点深度、箱体倾角预测。

2）实钻过程中优选标志层组合、根据根据实钻伽马曲线特征，加强地层精细对比，精确计算地层倾角，箱体深度，同时结合钻时气测特征等多种参数，预判钻头位置及储层变化趋势，及时调整轨迹，降低钻井风险，提高箱体钻遇率。

3）为进一步提高导向工作效果，确保开发工作有效运行，可适当选取近钻头伽马导向仪器，随钻电阻率成像、伽马成像等新的设备、技术运用到页岩气钻井导向工作中来，以进一步提高工作成效。

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(修改回稿日期 2016-03-03编 辑 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

刘旭礼，1963年生，高级工程师，硕士；现任中国石油长城钻探工程有限公司副总工程师兼四川页岩气项目部经理；主要从事页岩气开发技术研究及管理工作。地址：（100101）北京市朝阳区安立路101号名人大厦。ORCID:0000-0003-2374-5825。E-mail:liuxuli2005@126.com