地质导向钻井着陆关键技术及分析图版

林昕，苑仁国，谭伟雄，郭家，佟昕航，陈玉山

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

0 引言

水平井井眼轨迹控制包括着陆段和水平段2个关键井段。着陆段是水平段作业的基础，良好的着陆作业可降低因钻穿储层而填井侧钻、水平段起始阶段大幅调整井眼轨迹等钻井风险［1］。区块作业者通常采用地质导向钻井技术支持着陆作业，以提高其成功率。着陆作业因其风险高、难度大，被业内比喻为“在大雾中，将飞机降落在高低起伏不平的跑道上”［2］。现有的着陆作业模式主要依赖个人经验，通常由多专业的随钻团队（包括地质导向、随钻测井、定向井、油藏、地球物理及地质等）跟井，以下达作业指令［3］，因此，存在因个人经验差别影响预测精度、跨专业信息协同影响作业决策效率等问题。国内外学者对着陆作业相关研究集中于对现场作业流程整理、经验总结，以及高级随钻测井（Logging-While-Drilling，LWD）工具的应用［4-6］，已有研究成果中未见到针对着陆过程控制的算法研究。

地质导向钻井着陆本质上是指将钻井轨迹以正确的深度、井斜和方位角摆放到目的层中。因此，需要将目的层预测和钻井轨迹控制紧密结合。因为预测手段的局限性，可造成目的层预测的垂深误差从几米到十几米不等，相应的轨迹调整需要同预测结果保持动态同步。为此，本文研究了针对地质导向钻井着陆过程分析的算法流程以辅助作业决策。本研究从目的层预测和轨迹控制计算2个方面展开，提出了基于上述算法流程自动分析预测的分析图版方法，便于分析人员直观获取着陆作业的关键信息以提高协同决策效率，实现对着陆作业的过程控制。

1 目的层预测

目的层预测需要综合利用录井、地震剖面、正钻井和邻井测井曲线等资料［7-8］。不同资料存在各自的局限性，例如录井数据受迟到时间的影响，不能及时反映地层变化信息；地震资料分辨率低，无法指导工程决策。目前应用最广泛的是利用测井曲线的标志层对比进行目的层预测的方法。本文采用以下算法步骤实现目的层预测功能：

1.1 测井曲线对比

测井曲线对比是根据正钻井和邻井的测井曲线形态进行相似性对比，获取正钻井相对邻井地层层序的位置校正。测井曲线所记录的地层物理性质随井深发生变化，在岩性不同地层的界面位置，这种变化表现的最为剧烈［9-11］。本文采用了皮尔森相关系数r（Pearson Correlation Coefficient，PCC）来计算测井曲线形态之间的相似性［12-13］，计算公式为

式中：xi，yi为不同测井序列的样本值；下标i为序号；N为序列样本个数；r为 PCC 值，取值范围为［-1，1］，结果为1时，表示2个序列相关性最强，结果为-1时，表示相关性最弱。

以正钻井测井曲线作为样本，搜索邻井不同深度位置进行曲线形态的相似性对比。图1展示了某着陆井全井段r值的分布，在垂深5 100～5 200 m处出现2个相关性较强的对比结果，其r值分别为0.91和0.62。需要指出的是，在正钻井曲线数据量较少的情况下，基于形态的相似性，对比方法会出现多个近似峰值的情况，这种情况下，该对比方法不能明确指示正钻井相对邻井地层层序的位置校正。

图1 某着陆井全井段r值分布

截取并放大该井段的测井曲线，如图2a所示。其中相关性最强的2个井段分别用红色和蓝色横虚线标识为对比1和对比2，并放大展示为图2b和2c，代表了2种可能的对比方案。人工分析的方法无法直接排除任意一种对比方案，利用r可以量化不同对比方案的可信度。该案例中对比1的可信度更高。

图2 随钻曲线对比示意

1.2 标志层对比

标志层对比是通过划分正钻井和邻井的标志层，结合邻井标志层层间距预测正钻井目的层垂深。区别于常规测井解释中的精细地层对比，着陆作业的地层对比通常只关注区域内发育稳定或明显的地层。分析人员将这种沉积环境稳定、变化特征明显的地层提取为标志层后，进行标志层之间的配对，可以消除地层发育、构造环境等因素造成的细微变化影响。

利用标志层对比结果预测目的层位置是基于邻井标志层层间距固定的前提假设。显然，不同邻井的标志层层间距存在差异，因此地层预测结果以区间范围形式存在。通常情况下，标志层划分越精确、邻井与正钻井距离越近、邻井数量越多，预测结果准确度越高。实现标志层对比包括以下3个步骤：1）划分标志层组；2）标志层组配对；3）预测目的层垂深。

首先要完成正钻井和邻井测井曲线的标志层序列自动划分，为此，采用了曲线活度计算方法［14］。计算公式为

式中：Ed为活度函数值；d为活度函数值位置；n为计算活度时的长度设置；xi为测井曲线的离散值；i为序号；为 xi在区间［d-n，d+n］内的平均值。

选取活度值最高的5标志层作为划分结果序列，运算结果如图2b—2d中黑色虚线，选取的活度最高的2套标志层序列并不全部满足一一对应的关系。

其次，实现2套标志层序列的自动配对。通过自动划分获得的2套标志层序列存在多种配对可能性的情况。结合前人研究成果［15］，设定如下标志层配对规则：1）允许不连续配对；2）不允许交叉配对。为实现该规则，本文借鉴动态弯曲路径的算法思路［16］，建立2组标志层序列的r矩阵（见表1）。矩阵网格代表了不同序列标志层之间的r值。

表1 用于标志层自动对比的r矩阵

选定矩阵的任意位置Rij作为起始对比标志层组，其下一组对比只能从i+1（行）和j+1（列）为起始的矩阵内寻找，矩阵中的负数说明2个标志层不相关，可以直接跳过。通过比较标志层对比的不同组合情况下的累加r值获取最佳标志层配对方案。表1展示BB′-CC′-DD′-EE′为最佳方案（对应的测井曲线图为2b和2d）。

最后，根据邻井标志层层间距预测最佳方案下的正钻井目的层垂深。需要注意的是，此处着陆地层垂深是针对当前水平位移处垂直向下预测得到的地层结果。统计多口邻井、不同标志层的预测值可得到目的层的垂深分布范围。

2 轨迹控制计算

地质导向区别于几何导向，其在钻进过程中需要根据随钻数据分析得到的目的层位置变化，对钻井轨迹进行动态调整。对比设计着陆点，目的层垂深的变化存在提前或滞后2种情况，需采取以下措施：1）如地层提前，则需要提高轨迹增斜率，避免钻穿目的层；2）如地层滞后，则需要稳斜（或降斜）下探，确保在设计靶前位移距内着陆。轨迹控制计算是为了和上一节的目的层预测结果进行匹配分析，确保轨迹可到达的垂深覆盖目的层预测分布范围。

不同井的导向目标存在差异，会影响着陆作业的轨迹控制方案。例如为提高水平井产能，将轨迹放置在贴近地层顶部；或者为确保钻遇率，将轨迹放置在地层中部等［17-18］。为方便讨论，选用常见的着陆作业场景进行研究，并假设着陆存在以下条件：1）着陆目标位置为地层中部；2）着陆点位移不允许超过设计靶前位移距。

2.1 着陆窗口计算

如图3所示，K为造斜点，L为着陆点，F为完钻点。钻井轨迹上取任意位置点M为正钻井钻头位置，由M延伸出去的2条虚线分别代表该M点在轨迹最大造斜率下能够到达的最深W点（下边界）和最浅S点（上边界）垂深的预测着陆轨迹形态。

图3 着陆窗口示意

此处定义着陆窗口包含3个参数：上、下边界的垂深值，以及2条边界之间的垂深差（如图3蓝色着陆窗口所示）。当蓝色的着陆窗口能够覆盖红色的目的层时，说明着陆作业正常。着陆窗口的高度变化如图4所示，着陆窗口的计算是通过上下边界的垂深差获取的，可以观察到，随着井深的增加，2条边界之间的距离变小，即着陆窗口高度不断收缩变窄。

图4 着陆窗口变化示意

可以发现，上边界的着陆点S位移小于或等于设计靶前位移，而下边界的着陆点W位移等于设计靶前位移。其中，最深轨迹着陆点W的垂深Wtvd的计算公式为

式中：Lvsec为设计着陆点位移，m；Svsec为 S点位移，m；Mvsec为 M 点位移，m；θ1为 M 点井斜角，（°）；Stvd为上边界垂深，m；Mtvd为井底垂深，m。

S点的相关参数为

式中：θ2为着陆点井斜角，（°）；Smd为 S 点斜深，m；Mmd为 M 点斜深，m；BR 为轨迹增斜率，（°）/m。

在计算上边界垂深时，需选取轨迹最大造斜率。

采用行业通用的最小曲率半径法，计算得到轨迹的着陆窗口和水平位移的关系，部分数据如表2所示。计算时设置轨迹增斜率为6°/30 m，设置轨迹最大增斜率为12°/30 m。实际作业过程中，需要结合后期的完井施工井身质量要求对轨迹最大增斜率进行限制。需要说明的是，着陆过程中如出现因为地层滞后不得不采取降斜探层，说明前期着陆决策出现问题，此处下边界计算时未考虑降斜的导向钻进方案。

表2 着陆窗口计算模拟

实际作业过程中，可以通过多种手段对着陆窗口进一步扩大，例如在三维导向井着陆中，必要时候可以考虑牺牲方位以满足井斜调整的需要，或者起钻更换更高造斜率的定向工具。

2.2 探层角度计算

如图5a所示，当轨迹靠近目的层时，为避免着陆井斜角同地层倾角夹角过大导致后续水平段作业钻穿地层，通常采用如下方案：设定合适的探层角度保持井斜不变钻进，确认目的层钻达后，增加井斜角，与地层倾角保持一致。

图5 探层角度计算示意

探层角度设定需兼顾水平方向和竖直方向的轨迹位移变化。探层角度过大则偏保守，浪费水平段进尺；过小则偏激进，导致钻穿地层底部。计算探层角度需要考虑3个因素：地层倾角、造斜率、地层厚度。

地层倾角计算有多种不同方法，这里仅结合上文提到的标志层匹配结果进行计算。根据上覆地层随钻获取的标志层相关信息，假设有匹配的标志层A，A′，其对应垂深为 Atvd，A′tvd，斜深为 Amd，A′md，则视倾角 β计算公式为

造斜率通常根据工具参数、上覆地层钻进中的工具造斜率统计等综合分析，同时应结合工程设计中对于轨迹最大全角变化率限定的要求进行灵活设置；地层厚度通常是由邻井数据、勘探地震资料、高级LWD探测结果［7］综合分析获取。

探层角度的计算公式为

式中：α 为探层角度，（°）；Δt2为垂深变化，m；ΔLvsec为位移变化，m。

调整导向动力工具能力的BR值，可以获得不同α对应的Δt2和ΔLvsec（见图5b）。根据具体导向目标要求，设置Δt2和ΔLvsec。如图5所示，着陆目标位置为目的层中部，则α设置应满足Δt1+Δt2=T/2（Δt1为入层后稳斜段的垂深变化，m；T为地层厚度，m）。

3 分析图版方法

前文研究了地质导向钻井着陆的2项关键技术，并实现了在随钻过程中自动分析预测的算法功能。为了更直观地对预测分析结果进行对比展示，本文提出了着陆作业的分析图版方法，以下结合具体实例应用展开讨论。

如图6所示，某海上调整井地质导向钻井着陆作业，导向团队将目的层顶部发育的差储层误判为地层位置提前，增斜并着陆到差储层导致第1次着陆失败。随后不得不降井斜进行第2次着陆，以下探目的层“甜点区”。最终着陆点距离设计着陆点有近65 m水平位移距离，影响了该井后期产能。此外，台阶状的轨迹形态容易造成岩屑堆积、管串摩阻增加，为后续水平段钻完井工程作业留下隐患。

图6 某地质导向钻井着陆分析示意

在图6中，红色和蓝色线分别代表着陆窗口的上边界和下边界；箱形数值统计图代表基于多个邻井（标志层）对比预测的目的层垂深的数值范围。分析图版方法可以更直观地了解着陆过程中数据分析结果，并进行相应的导向决策调整。

尽管目的层预测的误差数值范围达到3～ 6 m，但箱形统计图的中位数（红线）紧贴实际地层深度线，准确指示了目的层深度，说明通过多邻井对比得到的目的层预测结果较准确。导向团队在第1次着陆决策过程中，其着陆窗口选择为箱形数据的顶部，即基于个别井的对比结果进行决策。在水平位移270 m处，导向团队决定提前增斜，最终导致目的层垂深在280 m处超出着陆窗口范围。

通过分析图版可以发现，着陆作业起始阶段的着陆窗口远大于目的层预测范围，不建议过早介入导向干预，然而过晚介入则丧失调整的最佳时机。实际作业中，区块作业者为了降低作业成本，通常会要求导向技术服务团队晚介入。案例中导向团队根据作业方要求，在井斜80°的时候接手该井。在位移260 m（井斜80°）处该井的目的层预测范围已贴近着陆窗口下边界，接手后调整空间小。考虑到普遍存在的因地层原因导致着陆轨迹自然增斜现象，即使分析判断正确也会出现着陆窗口被动收缩的情况，因此，该接手方案是激进的，容易导致着陆失败。作为未来区块内待钻井的参考，建议提前导向接手点到位移220～240 m（井斜72°～76°）处，即箱型统计图位于着陆窗口中部位置时接手。

4 结论

1）研究了地质导向钻井着陆作业中通用的2项关键技术：目的层预测和轨迹控制计算。目的层预测是在随钻过程中对着陆靶点参数进行调整优化；轨迹控制计算是依据目的层预测结果，计算沿导向轨迹的着陆窗口、探层角度，分别实现了对着陆深度和着陆轨迹姿态的动态分析。

2）提出了地质导向钻井着陆作业分析图版方法。分析图版可以将地质预测和工程实施有机结合并以直观的图像形式展示，方便不同专业背景的作业人员快速获取着陆作业关键信息，提高协同决策分析效率，实现对着陆作业的过程控制。

3）实现了针对地质导向钻井着陆作业过程的自动分析预测功能。利用包括曲线活度、r矩阵、动态弯曲路线及标志层配对规则的算法流程实现该功能，相比人工方式提高了分析预测精度。本方法采用通用的常规测井曲线作为输入，因此适用性强。本研究可以为实现地质导向钻井技术智能化转型和加强地质工程一体化开发提供参考。