长庆某区块长63大斜度井钻井地质设计关键技术优化

郑 杨

(中国石油长城钻探录井公司地质设计中心)

0 引 言

经过多年的实践，常规定向井(最大井斜角小于30°的定向井)钻井地质设计技术已经在长庆油田勘探开发应用中趋于成熟。2018年，长庆油田在长庆某区块部署了一批大斜度井(最大井斜角为60°～86°的定向井)，以提高单井产量和产能建设效益。为了适应新的市场需求和满足施工需要，针对长庆某区块长63目的层的地质特点，结合大斜度井的工程要求，在单井设计中，重点针对地层预测、地层压力预测[1-2]两项关键技术进行科学优化[3-4]，以便更好地指导工程施工，减少风险，合理制定施工措施，使之更切合实际、更具可操作性，从而保障勘探开发效益。

1 优化地层预测技术

常规定向井地质设计的地层预测内容主要有地层分层、地层岩性剖面和油气层预测。针对大斜度井的工程和地质特点，设计中对地层预测技术进行了优化，主要优化过程为：充分分析已有地质资料，针对大斜度井的工程特点，结合定向井单考核靶点和水平井多考核靶点轨迹特征，制定“三靶点”轨迹，即A靶点(首靶点)、C靶点(末靶点)和B靶点(中心靶点)，保证入窗井斜角在60°～86°范围；简化水平井地质设计[5-7]中的工程防碰设计过程，最大程度使轨迹穿越最优储集层，对设计井进行地质建模，达到地质效益最大化，最后科学地对靶点深度进行预测。

1.1 区域地质资料及邻井资料分析

长庆某区块属陕北斜坡西南段，局部构造位于庆阳鼻褶带，构造形态为西倾单斜。长6段层顶构造对油气没有明显的控制作用，坡度平缓，地层倾角为0.5°～0.7°，局部有微弱鼻状构造，鼻轴长50～60 km，宽为3～5 km，这些鼻状构造对油气富集起到一定的控制作用[8-9]。

通过区域资料和邻井资料分析，认为长63储集层属于半深湖-深湖相沉积环境，该区块长63油层基本分布在海拔-550 m以下，砂体中部砂层较厚，长631小层为15～35 m，长632小层约15～30 m，边部厚度变化较快。岩性为细粒-极细粒长石岩屑砂岩及长石砂岩，碎屑成分以石英为主，长石次之，其中石英含量为32.6%，长石含量为30.57%，其他岩屑含量为21.23%，填隙物含量为10.84%。根据岩心分析统计，该区块岩性致密，平均孔隙度为10.0%，渗透率为0.41 mD。

1.2 地质建模

地质建模前，收集、整理了长庆某区块13口井的井位、目的层深度、油层、测井曲线、井斜等数据。将以上整理好的数据导入到地质建模软件中，建立长庆某区块作业工区新建井位图，根据井位顺序进行顺序连井，按照程序建立区块长63油藏剖面图。

1.3 绘制长63渗砂体顶面起伏图和井身轨迹示意图

完成地质建模工作后，返回长庆某区块长6段井位图界面，按照线性克里金建模方法[10-11]，建立长63渗砂体顶面起伏构造图(图1),以便直观显示区块内井位部署情况，以及设计井与邻井在目的层砂体顶面上的构造差异。

图1 长庆某区块长63渗砂体顶面起伏图

根据长63渗砂体顶面起伏图分析确定设计井井口位置及3个靶点位置，选择建立井身轨迹示意图最合理的两口控制井，利用井斜数据将控制井测井和地质剖面数据进行校直，建立过井对比剖面图，隐藏井口及靶点虚拟井柱，根据设计要求将靶点位置确定，添加设计井井身轨迹示意曲线(图2)。

1.4 确定预测层顶底海拔及设计靶点数据

首先，根据邻井对比分析，确定两口对比井S 151-X5井和S 151-X6井的长63顶底海拔深度(垂直海拔)；利用虚拟靶点井和连井剖面交叉的方法，结合建设方对A、C靶点的地质要求，确定A、C靶点位置，读取预测层顶底海拔及A、C靶点海拔数据；再将A、C靶点连线，与B靶点虚拟井柱相交叉，以此确定B靶点位置，读取预测层顶底海拔及B靶点海拔数据。

1.5 绘制地层预告表及油气水位置预告表

选择离第一靶点(A靶点)较近的控制井，读取其垂深地层分层数据，利用线性插值法计算确定设计井地质层位的顶部埋深，再用厚度法计算本井的地质分层(垂深)。通过重点考虑参考井和设计井的海拔差和设计井的构造差，以及区域资料研究中发现的地层突变因素和断层影响，对预测的地层深度给予合理的调整，绘制地层预告表和油气水位置预告表。

图2 S 152-XXX井大斜度段轨迹示意图

2 优化地层压力预测技术

地层压力预测技术就是利用设计井附近已钻井的钻井、录井、测井和测试等资料，在钻井前对设计井位的地表以下地层压力进行估算。在以往的地层压力预测[12]工作中，大多采用区域性的压力数据进行压力预测，这种方法虽然能反映大致的地层压力，但存在平面上数据点分散、纵向上数据点不连续的现象，严重制约了地层压力预测的精度，需要通过地层压力预测技术的优化，提高压力预测的准确性。

2.1 地层压力预测基本原理

基于地层压实理论和异常压力在地震、测井、录井过程中发生的异常现象，石油行业逐步形成了一套地层压力预测的基本理论。国内应用比较多的方法有声波时差法、等效深度法、经验公式法、正常压实趋势法和密度测井法等。本次研究主要应用基于伊顿原理的伊顿指数法[13]进行压力预测，其中，地层孔隙压力数据为直接计算数据，地层破裂压力和地层坍塌压力数据是根据地层孔隙压力数据和力学实验室数据进行推算衍生得来。

(1)地层孔隙压力计算模型[14]：

(1)

式中：ρp为孔隙压力当量密度，g/cm3；ρo为上覆岩层压力当量密度，g/cm3；ρn为正常孔隙压力当量密度，g/cm3；XN为正常压实趋势线上的参数值；XO为实际观测到的参数值；U为伊顿指数，无量纲。

(2)地层破裂压力计算模型：

(2)

式中：pF为地层破裂压力，MPa；pP为地层孔隙压力，MPa；pO为上覆岩层压力，MPa；μs为静态泊松比，无量纲。

(3)地层坍塌压力计算模型：

(3)

式中：pSFG为地层坍塌压力，MPa；σH、σh分别为水平最大、最小主应力，MPa；K=tan-1(π/4-φ/2)，φ为内摩擦角，一般取π/6；τ为岩石内聚力，MPa；α为有效应力贡献系数；η为应力非线性修正系数。

2.2 地层压力预测流程

钻前收集施工区块地震、测井、地质、综合录井、钻井、测试等资料。邻井选取构造位置近、揭露地层全、测井资料齐全、综合录井资料齐全的井；深度资料采用垂直井深，当井斜角大于30°时应经过垂直化校正，井深间隔不大于1 m；收集测试资料，包括层位、时间、静压及温度资料；收集孔隙度测井资料层段厚度应大于2 m。数据收集好之后，首先将邻井压力预测用的地层、测井、实测压力等基础数据导入至压力计算软件；然后，选择地层压力计算模型，通过实测压力数据点确定模型参数；利用泥岩基线来筛选泥岩点，对应筛选出符合伊顿理论的测井数据，再利用相同层位对应回归预测压力数据，提高预测精度。

地层压力预测基本流程如图3所示，图中：NHG为正常压力梯度；OBG为上覆岩层压力；PP为地层孔隙压力；FG为地层破裂压力。

2.3 成果输出

根据地层压力计算软件计算，运用改进等效深度法，即通过泥岩基线的筛选去掉泥岩外影响因素，建立正常压力趋势线，利用正常压实趋势线法计算地层压力，

最终得出设计井地层压力预测数据，读取目的层中部深度对应的地层压力数据，并绘制三压力预测剖面图(图4)。

图3 地层压力计算软件压力预测流程图

3 应用效果分析

长庆某区块大斜度井设计预测靶点统计结果为：设计52口井，符合48口，预测深度符合率为92.3%，较2018年前的符合率90%有大幅度提升；地层压力数据能给钻井施工提供更准确的技术支撑，减少钻井过程中的井下事故发生率。地质设计经过优化，减少了施工方的钻井周期，同时减少无效进尺的投资，最大程度地确保安全施工和高效开发，最终实现长庆某区块单井产量和产能建设效益“双提升”。

3.1 声波时差与电阻率法压力预测对比

图5为S 1XX-X5X井声波时差法与电阻率法孔隙压力计算曲线。从图5c中两种不同测井曲线计算孔隙压力可以看出，两种方法预测地层孔隙压力数据形态相似，数值相近，通过曲线数据表格统计，计算得出两条曲线符合率在92%～100%之间，平均符合率为97%。通过本案例可以证明，电阻率法预测孔隙压力数据与声波时差法相近，当声波时差曲线受到干扰或无法使用时，可以依据电阻率曲线进行压力预测，且预测精度与声波时差预测精度非常接近，完全可以满足地层孔隙压力预测需求。

图5 S 1XX-X5X井声波时差法与电阻率法计算孔隙压力等效数据对比

3.2 压力预测与实钻数据对比

跟踪S 1XX-X5X井施工实钻数据，通过实测的地层压力验算该地区的伊顿指数及建立的正常压力趋势线，即可进行孔隙压力计算，如图6所示。可以看出，红色线代表的地层孔隙压力(PP)稳定在0.90～1.01 g/cm3之间，为正常地层压力，且预测压力与实测压力数据点完全吻合，说明预测精度较高。蓝色线代表地层破裂压力(FG)，稳定在1.6～1.7 g/cm3。

图6 S 1XX-X5X井伊顿指数法计算孔隙压力验算对比

4 结 论

(1)通过地层预测技术优化，将水平井中多点轨迹简化成适用于大斜度井生产实际的“三靶点”轨迹控制模式，并满足入窗井斜角在60°～86°范围的工程需求，完善大斜度井地质设计。

(2)通过绘制“目的层小层渗砂体顶面起伏图”“地质模型法”“多井对比法”进行三靶点的深度预测，大幅提高了靶点和地质分层的预测精度。

(3)通过伊顿指数法和改进等效深度法绘制三压力预测剖面图。当声波时差曲线品质好时，可以准确预测地层压力；当声波时差曲线受到干扰或无法使用时，可以依据电阻率曲线进行压力预测，且预测精度与声波时差预测精度非常接近，完全可以满足地层孔隙压力预测的需求。

钻井地质设计要不断适应勘探开发的需要, 根据录井自身的技术特点,对地层预测技术、地层压力预测技术两项关键技术进行优化和完善，对完钻井施工作业的跟踪分析发现，该地层预测及地层压力预测优化技术能够很好地指导现场施工，提高了大斜度井地质设计工作的效率、精确性和指导性。