彭 平 吳 萍 彭 浩 羅 芳 王 瀅 師曉蓉 朱茜霞

1. 中國石油西南油氣田分公司勘探開發(fā)研究院 2. 中國石油川慶鉆探工程有限公司地質勘探開發(fā)研究院3. 中國石油西南油氣田分公司開發(fā)事業(yè)部

0 引言

在天然氣勘探開發(fā)過程中，為增加產能，常常采用大斜度井、水平井以增加目的層的鉆遇長度，提高井筒泄流能力。要實現井軌跡大位移穿越目的層，地層視傾角是一項重要參數，直接關系到鉆井軌跡的實時調整[1]。對于定向井、大斜度井、水平井，目的層頂界著陸點地層視傾角的確定就十分重要，它直接關系到設計入靶角的大小，也關系到目的層段的軌跡控制，影響到該井是否能實現地質目標。

對于簡單的構造單元目的層，地層傾角求取方法一般是利用目的層頂面或底面構造圖，直接順傾向計算地層真傾角，或利用鉆探海拔資料計算井間的視傾角。實際在鉆井井軌跡的控制過程中，由于受到井口地形、軌跡方位及構造條件復雜因素影響，導致構造形變大、高點預測困難、其著陸點位置難以確定等因素的制約，使得以構造圖確定目的層地層（視）傾角難以實現[2-4]。

1 據實鉆軌跡資料計算地層視傾角的方法及實例

在勘探開發(fā)實際生產過程中，井位部署受多種因素制約，為了實現對地下地質目標勘探開發(fā)，一般采取地面服從地下的原則。在山區(qū)地面條件惡劣，井位部署受地形條件及環(huán)保要求的限制，個別井只能夠選擇在構造軸部、轉折端等構造復雜帶附近部署。這種構造復雜帶受擠壓變形、褶皺強烈；地層高陡、斷裂發(fā)育；目的層地層傾角變化大。目的層著陸點的地層視傾角在無三維地震資料或地震資料質量限制、無鄰井成像測井資料支持的情況下，無法有效地獲得或求取較準確的著陸點地層視傾角。在實際鉆探及跟蹤過程中，為有效地控制軌跡，需要較精準地確定目的層著陸點地層視傾角，以便有效控制、調整軌跡，擺正鉆具姿態(tài)順利著陸入靶，實現鉆探目的。針對這種情況可以充分利用同一構造單元、靠近井軌跡著陸點周邊已完成井的實鉆資料，根據地層實鉆厚度、井斜角、方位角、相對海拔高差、地層真厚等，采用剖面法、垂深位移法、曲率半徑法進行著陸點視傾角的推算。

以相國寺構造為例。相國寺儲氣庫是西南地區(qū)首座儲氣庫，以相國寺構造石炭系枯竭性氣藏為注采目的層而建設，儲氣庫區(qū)內地形屬山地地貌，地形起伏較大（最低海拔200 m，最高1 040 m），相對高差達840 m，工區(qū)中部山體陡峭，溝壑縱橫，地形切割嚴重，兩側地區(qū)相對較平緩，地面井位選址困難。相國寺構造為一不對稱受傾軸逆斷層控制的“斷壘型”狹長背斜，構造走向北北東向，主體構造軸部主要出露須家河組，局部出露雷口坡組石灰?guī)r，構造西陡東緩，東西兩翼受斷層控制，地層傾角變化大、在軸線從0°到兩翼近40°，構造形變強烈、軸向呈“S”型，石炭系厚度僅10 米[5-12]。其目的層石炭系在志留系準平原化地貌的基礎上沉積，具有底超頂蝕的特征，其儲層為裂縫—孔隙型且連續(xù)性好，其上覆梁山組泥頁巖為直接蓋層，下伏志留系泥巖為底托層。同時儲氣庫具有運行周期長、強注強采的特點，注采井井型受地形和構造特征的制約多采用大斜度井、定向井。

以XC1 井為例。XC1 井為先導性試驗井，井場受地面條件限制，目的層石炭系要求按照水平井的方式實施，設計軌跡從構造西翼定向鉆進，越過構造高點，于構造東翼入靶（圖1）。在實施過程中，由于儲氣庫高陡構造頂部目的層地震波反射能量弱，波形雜亂，反射層位有效識別及追蹤困難（圖2），構造軸線高點位置難以確定。導致井軌跡處著陸點地層視傾角很難預測，加之鉆具在梁山組泥巖易垮塌地層增斜受限等原因，XC1 井為達到地質目的，完成先導性設計任務，前后穿越構造共鉆4 個井眼。正眼石炭系鉆至構造西翼，電測換算至軌跡方向地層視傾角約12°，井底沒有邁過構造軸線，因大尺寸先導井工程復雜（梁山組泥巖掉塊、增斜困難）和謹慎的鉆井措施（保護注氣層的密封性）又先后側鉆了3 個井眼，才達到構造軸部[13-16]。

圖1 XC1 井設計垂直剖面軌跡圖

圖2 XC1 井地震反射剖面圖（局部）

圖3 XC1 井側眼2 實鉆剖面圖

為達到地質目的，在實施跟蹤過程中，在地層傾角資料受限的情況下，為有效地判斷井軌跡鉆頭位置點，利用先后3 次鉆達目的層構造頂面的成果資料，采取了以下方法：剖面恢復法、垂深位移法、曲率半徑法，對石炭系頂界（著陸點）地層視傾角進行分析、求取[17-20]。

1.1 剖面恢復法

先導性試驗井XC1 井，井軌跡有3 次均穿過上覆梁山組頂、底界，利用井軌跡穿越梁山組的鉆厚、井斜、頂、底面海拔的數據，根據實鉆參數，逐一求取正眼、側眼1、側眼2 在石炭系著陸點地層視傾角（圖3）。井筒區(qū)域梁山組厚度不變，利用傾斜巖層界面的原理，將井筒范圍內不同軌跡方位分別投影，計算出地層真傾角，然后換算到已知的軌跡方位（側眼2 鉆進方位143°），按照軌跡做圖法恢復剖面后測算出地層視傾角（分別為11°、8°、5°）。

1.2 垂深位移法

利用3 個井眼上覆梁山組頂底的位移量、垂深數據計算石炭系著陸點地層視傾角（表1）。

1.3 曲率半徑法

曲率的倒數就是曲率半徑。平面曲線的曲率就是針對曲線上某個點的切線方向角對弧長的轉動率，表明曲線偏離直線的程度。曲率半徑主要是用來描述某處曲線彎曲變化的程度。圓形越大，彎曲程度就越小，也就越近似一條直線。所以說，圓越大，曲率越小，曲率半徑也就越大。如果在某條曲線上的某個點可以找到一個相對的圓形具有相等的曲率，那么曲線上這個點的曲率半徑就是該圓形的半徑。

表1 XC1 井井軌跡石炭系頂地層視傾角計算表

根據平面上3 點確定一圓的原理，XC1 井已鉆3 個眼，將3 個井眼均投影到鉆進方位143°剖面上，可確定一圓，用以計算出3 個鉆遇點海拔及地層視傾角。原理如圖4，根據理論推導和數學計算，求得原眼、側眼1、側眼2 梁山組底地層視傾角如表2，側眼2 石炭系著陸點地層視傾角5.15°。

圖4 曲率半徑法原理圖

2 分析比較

在實鉆跟蹤分析過程中，利用井軌跡資料計算出的地層視傾角，可以在跟蹤過程中不斷完善軌跡目標的調整。如實例中正眼石炭系頂，測井計算視傾角為12°（因鉆井條件限制，側眼1、側眼2 未測傾角），采取3 種方法分別計算出石炭系頂視傾角為：11°、9.8°、12.05°，幾種方法結果極為接近，可信度高，實鉆資料計算結果能夠滿足鉆井的需要。同時，從側眼1 到側眼2 石炭系頂界視傾角變化從6 ～8°逐步到5 ～5.5°，說明地層逐漸變平緩，井軌跡已接近構造軸線高點但仍然在構造西翼，側眼2 石炭系鉆厚35 m，是石炭系真厚的3 倍左右。實施過程中再次調整軌跡后側鉆，側眼3 在構造軸線高點石炭系頂界用實鉆資料計算視傾角為1 ～2 °，井軌跡石炭系底已越過構造軸線，整個石炭系鉆厚48.5 m 是石炭系真厚的4 倍左右（圖5），表明實鉆已經達到地質設計目的。后期動態(tài)資料分析，XC1 實際注氣能力與設計比值為1.18，實際采氣能力與設計比值為1.14，達到儲氣庫注采目的。

表2 XC1 井曲率半徑法石炭系頂界的地層視傾角計算表

3 結論

相國寺儲氣庫在實施過程中利用實鉆軌跡資料求取著陸點的地層視傾角計算方法，取得了較大成功。相國寺儲氣庫共部署13 口注采井全部采用定向井、大斜度、水平井完成，因設計合理，精確估算著陸點地層視傾角，注采井在真厚（視真厚）7.4 ～13.2 m 的石炭系中，最大穿越216 m，單井鉆厚平均達到3 ～6 倍真厚，個別井鉆厚為真厚的20 倍以上，有效地提升了儲氣庫注采井的注氣及采氣能力。

軌跡方向。地層視傾角是大斜度井、水平井鉆井的關鍵，著陸點地層視傾角參數的確定直接關系到目的層段井軌跡有效控制和地質目標能否實現。因地面井位選址受限，在高陡復雜構造中鉆探，其井軌跡方向地層傾角變化大，順軸向、順傾向均有不確定性。如何有效地求取井軌跡方向地層視傾角，最大程度控制井軌跡實現地質目的，在相國寺儲氣庫建設過程中，綜合利用地震資料、測井資料、實鉆資料對著陸點地層視傾角進行了不同方法的求取，取得一些經驗，值得后續(xù)井借鑒。

1)在地震資料品質好、可靠性高的前提下，地震資料能夠準確地反映地腹構造形態(tài)及深度，著陸點地質特征清楚，其地質地層與物探反射波組特征界面具有一致性，且易于識別。沿井軌跡提取著陸點地層視傾角是最有效的方法之一。

2）在井眼軌跡良好，井壁穩(wěn)定，無縮徑及掉塊形成的“大肚子”，且著陸點上覆地層要求具有層狀結構，地層反射界面清楚，地層傾角或成像測井資料能夠有效地反映上覆地層的信息，利用測井資料提取地層傾角是常規(guī)方法之一。但該資料應用前提是井筒及著陸點、包括上覆地層的真傾角，需要換算為沿軌跡方向視傾角，且要求上覆地層連續(xù)沉積。如果上覆地層與目的層著陸點之間，存在沉積間斷和風化剝蝕面的條件下，對著陸點傾角的計算不能誤差較大，結果僅供參考。

3）利用已鉆井資料來確定著陸點的視傾角，需要有較嚴格的條件，除需要同一構造單元有較多的井支撐，井周上覆地層厚度相對穩(wěn)定，還需要對已鉆井進行過井地震地質剖面綜合恢復解釋。

圖5 XC1 井側眼3 實鉆剖面圖

4）利用已鉆井成果資料，采用剖面法、垂深位移法、曲率半徑法，其基本原理接近，3 種方法同時運用可以相互驗證。在實際運用中，要充分考慮著陸點的構造位置，處于高陡構造翼部，地層實際傾角大的地方，3 種計算方法有差異；著陸點越接近構造軸線，實際地層傾角較小或接近水平狀態(tài)，3 種計算方法結果一致。因此，該方法除對著陸點的計算和控制外，還可以對井軌跡進行評判，在實際運用中要充分加以判斷和利用。