Analysis on the difficulties and countermeasures of geosteering of horizontal wells in Zhaotong National Shale Gas Demonstration Zone，southern Sichuan Basin

Dongtao ZHANG; Zantong HU; Ye HE; Yalei YAN

doi:10.11764/j.issn.1672-1926.2021.12.002

2022 , Vol. 33 >Issue 8: 1354 - 1362

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2021.12.002

Analysis on the difficulties and countermeasures of geosteering of horizontal wells in Zhaotong National Shale Gas Demonstration Zone，southern Sichuan Basin

Dongtao ZHANG ,
Zantong HU ,
Ye HE ,
Yalei YAN

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PetroChina Zhejiang Oilfield Company，Hangzhou 311100，China

Received date: 2021-09-02

Revised date: 2021-12-05

Online published: 2022-08-16

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The CNPC “14th Five-Year” Prospective Basic Science and Technology Project(2021DJ1903)

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Abstract

In Demonstration Zone, the major target horizon of shale gas development is the five meters thick Lower Silurian Longmaxi Formation marine shale. It is characterized by small target window, big structural fluctuation and small fault development, so it is possible for the actual drilling trajectory to miss the targets and run out of the target layers. By analyzing the technical difficulties during the geosteering of horizontal wells, the solutions were worked out starting from the key points of target orientation and horizontal section geosteering. (1)The optimized model eliminates the four shortcomings of the traditional modeling theory, improves the accuracy of the model to predict the landing point, ensures that the well path smoothly enters the target, while avoiding entering the target too early or late, resulting in the regularity of the well path, which is “V-shaped” or “ladder shaped”. (2)It solves three major problems in the horizontal section geosteering, such as multiple solutions, encountering fault and fold by integrating techniques including element mud logging + gamma ray control while drilling, macroscopic seismic prediction, ant-tracking attributes, and the idea of “emphasizing serious cases and ignoring minor ones” to adjust the well path. It can ensure the precision in landing and tracking horizontal section, drill-in rate and smooth well path.

Key words： Zhaotong shale gas; Horizontal well; Well path; Geosteering

Cite this article

Dongtao ZHANG , Zantong HU , Ye HE , Yalei YAN . Analysis on the difficulties and countermeasures of geosteering of horizontal wells in Zhaotong National Shale Gas Demonstration Zone，southern Sichuan Basin[J]. Natural Gas Geoscience, 2022 , 33(8) : 1354 -1362 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2021.12.002

0 引言

昭通页岩气国家级示范区（以下简称昭通示范区）位于四川盆地西南部，川西南古中斜坡低褶带（图1）。经过多期的构造演化导致龙马溪组构造复杂^［1-3］，形变强度大，地层倾角变化大、局部发育微裂缝带和微断层。在这种复杂构造情况下，传统水平井导向建模理论在建立和修正模型过程中存在3点不足，使水平井导向模型预测着陆点精准度偏低，导致提前入靶或推迟入靶，造成井轨迹不平滑，呈“V”型或“阶梯”型，很可能导致填井侧钻风险。同时，在昭通页岩气井水平段钻进过程中，常钻遇断层、挠曲构造等难题，导致误判钻头位置、偏移方向，使井眼轨迹偏离储层靶体位置，钻穿储层顶板或底板，造成储层钻遇率偏低和水平段井眼轨迹严重不平滑，给后期压裂施工带来套管变形的风险，很可能导致压裂失败，造成巨大经济损失。

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图1 昭通示范区区域构造位置

Fig.1 Regional location map of Zhaotong Demonstration Zone

如何保证水平井着陆成功率、储层钻遇率和井眼轨迹平滑是水平井地质导向急需解决的关键问题。本文研究对昭通示范区着陆前导向难点和水平段导向难点进行深入分析解剖，在对大量水平井导向实例研究的基础之上，提炼出地质导向过程中需要把握的关键技术要点与对策。实践应用取得良好效果，显著减少无效井段进尺。

1 水平井着陆前导向难点与对策

1.1　着陆前导向难点

水平井着陆阶段的难点是如何精准预测水平井着陆点垂深，预测水平井着陆点垂深也是地质导向师在水平井着陆阶段的核心任务^［4-9］。目前主要通过地质导向模型来预测，水平井着陆点垂深预测不准将导致2种情况出现。第1种情况为预测的着陆点位置比实际的偏浅，导致钻头在切入储层靶体之前，井轨迹已经调整到顺层钻进但还没入窗着陆成功，导致一次着陆失败，进行二次着陆，形成“阶梯”型井轨迹［图2（a）］，造成井轨迹不平滑，同时损失水平段。第2种情况为预测的着陆点位置比实际的偏深，导致着陆时钻头穿透储层靶体，第一次着陆失败，从目标箱体底部进行二次着陆，形成“V”型井轨迹［图2（b）］，造成井轨迹不平滑，严重者导致填井的风险，同时损失水平段。

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图2 水平井着陆点垂深预测不准的2种情况

（a）预测着陆点的位置比实际的偏浅；（b）预测着陆点的位置比实际的偏深

Fig.2 Two cases of inaccurate prediction of landing depth of horizontal well

1.2　着陆点垂深预测不准的原因

水平井着陆点垂深预测不准的直接原因是传统导向建模的理论基础存在缺陷。传统导向建模的理论基础是，定义井斜为0°时求得地层垂厚称为“标准井地层厚度”，假设导眼井或邻井处的标准井地层厚度与水平井处的标准井地层厚度相等，基于此利用导眼井或邻井处的标准井地层厚度建立水平井地质导向模型^［10-13］。建模理论的假设前提条件，是导向井或邻井的地层真厚度、地层倾角与水平井处的相等。

但在大多数情况下，水平井处的地层倾角与导眼井或邻井的是不相等的，这就导致导眼井或邻井标准井地层厚度不能真实代表水平井处的标准井地层厚度。分析认为，传统导向地质建模理论在模型建立和修正过程中存在3点不足。

1.2.1　求取地质导向模型地层厚度时存在误差

传统建模方法采用导眼井校正的地层垂厚代表标准井地层厚度，而实际中：当地层倾向与导眼井或邻井的井轨迹倾向同向时，地层垂厚

h'

大于标准井地层厚度h［图3（a）］；当地层倾向与导眼井或邻井的井轨迹倾向反向时，地层垂厚

h'

小于标准井地层厚度h［图3（b）］。传统建模求取标准井地层厚度计算公式如式（1）所示：

h ≈ h' = L × c o s β

（1）

式中：h为标准井地层厚度，m；

h'

为地层垂厚，m； L为地层斜深厚度，m；β为导眼井井轨迹与地层之间的夹角，（°）。

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图3 地层垂厚h′与标准井地层厚度h的大小关系

（a）倾向同向时，h′>h；（b）倾向反向时，h′<h

Fig.3 Relationship between the vertical thickness h′ of formation and the formation thickness h of standard well

1.2.2　求取地层倾角时存在误差

采用传统建模方法求取地层倾角时，用导眼井的标准井地层厚度代替水平井处地层视厚度。当水平井处的地层倾角与导眼井或邻井的不相等时，导眼井处的标准井地层厚度代替实际地层视厚度存在偏差［图4（a）］，传统视地层倾角计算公式见式（2）：

θ = a r c t a n H - h s

（2）

式中：H为地层斜深厚度在垂向上的投影厚度，m；s为地层斜深厚度在横向上的投影厚度，m。

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图4 计算地层厚度与地层倾角的相关模型

（a）传统计算地层真厚度模型；（b）优化计算地层真厚度模型；（c）计算水平井处标准井地层厚度模型；（d）地层倾角进行修正原理图

Fig.4 Related models for calculating stratigraphic thickness and dip

1.2.3　修正三维水平井视地层倾角时存在误差

对于井轨迹为三维的水平井，在着陆阶段，井筒一直在大角度扭方位，视地层倾角方向随井轨迹方位变化而变化，一直处于动态变化中，而地质导向模型剖面方向是沿着水平段方位，两者之间存在明显角度差，若直接用求得的地层视倾角去修正地质模型，将存在较大误差，无法精准预测水平井着陆点垂深。

1.3　精细预测着陆点垂深的优化方案

1.3.1　求取建立地质导向模型地层厚度的精细方法

针对传统建模方法求取地层厚度时的误差，本文提出优化方案，优化建模方案理论基础是水平井处的地层真厚度与导眼井或邻井的相等，基于真厚度不变原则，求取水平井处的标准井地层厚度，不对水平井与导眼井处的地层倾角是否相等提出要求，更接近实际地质情况。

基于上述分析，推导出的地层真厚度计算模型如图4（b）所示，计算公式见式（3）：

d = L × s i n 90 ∘ - β - θ

（3）

式中：d为地层真厚度，m；θ为导眼井处的地层倾角，（°）。

水井井处标准井地层厚度计算模型如图4（c）所示，计算公式见式（4）：

h = d c o s θ' = L × s i n 90 ∘ - β - θ c o s θ'

（4）

式中：d为地层真厚度，m；θ′为水平井眼处的地层倾角，（°）；θ为导眼井处的地层倾角，（°）。

1.3.2　求取地层倾角的精细方法

针对传统建模方法求取地层倾角时的误差，本文提出优化方案，求取地层倾角时，用导眼井的地层真厚度代替水平井处地层真厚度，真厚度不受地层倾角变化的影响。基于此，推导出的优化视地层倾角计算模型如图4（b）所示，计算公式见式（5）：

θ = 90 ∘ - a r c s i n d l - β

（5）

1.3.3　修正三维水平井视地层倾角的精细方法

针对没修正三维水平井视地层倾角造成的误差，本文提出优化方案，对于大三维水平井，在着陆阶段，视地层倾角方位沿井轨迹方位，没有与模型剖面在同一方位，需要将沿井轨迹方位视地层倾角换算至地质剖面方向视地层倾角，并推导出修正地层倾角计算模型如图4 （d）所示，计算公式见式（6）：

θ' = a r c t a n t a n θ × c o s φ 2 c o s φ 1

（6）

式中：φ ₁为水平井轨迹切线与正北方向线之间的夹角，（°）；φ ₂为水平井地质导向模型方位角，（°）。

2 水平井水平段导向难点与对策

2.1　在水平段导向钻进过程中遇到的风险

2.1.1　由于伽马测井的多解性，导致钻头在靶体中的准确位置判断失误

目前水平井地质导向常用技术之一是随钻伽马测井技术^［14-18］。由于昭通页岩气区龙马溪组部分小层存在伽马曲线相似的特征，仅通过伽马曲线特征识别不同小层层位，往往存在多解性，存在层位误判的风险，导致下发错误的井斜调整指令，致使井眼轨迹严重偏离优质页岩储层靶体，造成难以弥补的经济损失。如YS1-1井一类储层靶体为龙一₁ ²小层，在龙一₁ ²小层处的低伽马特征与龙一₁ ⁴小层很像，当时误判龙一₁ ²小层为龙一₁ ⁴小层，导致沿着龙一₁ ⁴小层钻进，造成损失水平段600 m（图5）。

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图5 YS1-1井的地质导向分析

Fig.5 Geological orientation analysis of the Well YS1-1

2.1.2　钻遇地震资料可识别出的挠曲构造风险

如图6所示，这种挠曲构造在地震资料上可清楚地识别出，挠曲构造规模相对较大，较明显，但在实际导向过程中由于没有提前主动调整井斜，以至于钻头明显偏离储层靶体时，才被动猛调井斜，造成井眼轨迹的严重不平滑。

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图6 钻遇地震资料可识别出的挠曲构造

Fig.6 Flexural structures recognized by seismic data

2.1.3　钻遇地震资料不可识别出的挠曲构造风险

若波浪起伏型地层规模小，地震资料反映不出，会难以预测。在地震资料上提前识别不出来这种挠曲构造，只有在实际导向钻进过程中才会遇到，伽马突然变化快，显示出快速上切或下切地层的特征，YS4-1井就是典型的实例（图7），钻遇波浪起伏型地层段，猛调井斜，导致井轨迹严重偏离靶体，最后填井侧钻。

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图7 钻遇地震资料不可识别出的挠曲构造

Fig.7 Flexural structures unrecognized by seismic data

2.2　水平段导向过程中的思路与策略

在水平段地质导向过程中，首先通过常规地震资料分析地层宏观构造特征，并通过地震属性如蚂蚁体，对可疑存在的断层做好提前预警，建立宏观水平段地质导向思路的总基调（图8）。然后在水平段钻进过程中，通过实时随钻伽马、元素等微观测、录井资料，分析钻头所处的层位与地层夹角，结合宏观导向思路以“抓大、舍小”的原则，做出最佳井轨迹调整方案，达到一类储层钻遇率最大化。

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图8 调整井轨迹导向思路

Fig.8 Ideas of adjusting well trajectory

2.2.1　针对水平段钻进过程中遇到伽马测井多解问题的导向策略

针对昭通示范区水平井导向时遇到的伽马测井多解问题，本文提出利用元素录井“元素优势标志”辅助判断，来排除伽马测井的多解性问题。通过对昭通页岩气区50多口井的元素（钙、铝、镁、硅、钾、铁等10多种元素）统计分析，发现钙、铝元素在龙马溪组不同小层分布稳定，具有指示意义。从龙一₁ ⁴小层到宝塔组，整体上铝元素有逐渐减少的特征，钙元素有逐渐增大的特征。对于不同的区块，钙、铝元素含量分布除了具有上述宏观规律之外，对于具体的细节变化特征，不同的区块具有差异性。

2.2.2　针对钻遇地震资料识别不出的挠曲构造的导向策略

针对钻遇地震资料不可识别出的挠曲构造难题，应采用“抓大、舍小”思想调整井轨迹。舍弃极小段地层产状突变的页岩段，兼顾大套地层产状优质页岩储层，保证整体水平段一类储层靶体钻遇率最大化。最忌讳的导向策略是，是猛调井斜，去追当前地层产状，造成穿过产状突变地层段后，井轨迹严重偏离储层靶体。合理的策略应该是，在保证大段构造稳定段钻遇率前提下，保持稳斜钻进。稳斜钻进的优势，既保证井筒完整性，又最大程度提高优质储层钻遇率。猛调井斜的弊端，是既破坏井筒完整性，又导致钻头出层，偏离一类储层靶体，降低优质储层钻遇率。

2.2.3　钻遇地震资料可识别出的挠曲构造风险的导向策略

针对该类问题的导向策略，合理的导向策略应该是，把握构造宏观大趋势，“提前主动微调井斜，避免滞后被动猛调井斜”。井斜调整到顺层之后以0.5 °/30 m到1 °/30 m之间狗腿度，微调井斜。如果没有及时调整井斜，导致钻头已经出层，还是建议采取微调井斜策略，狗腿度不超3 °/30 m，首先保证井下安全，其次是保障靶体钻遇率。

3 结论

（1）水平井着陆点垂深和地层倾角预测是否精准将直接关系到水平井着陆阶段能否成功中靶入窗。在水平井着陆入窗过程中，新优化地质导向优化建模方法，消除了传统建模理论在建立和修正模型过程中存在的3点不足，提高了导向模型预测着陆点精准度，保证井眼轨迹平滑入靶，避免提前入靶或延迟入靶，造成井轨迹不平滑，呈“V”型或“阶梯”型。

（2）地震资料能较好地展现地层产状 “宏观”构造格局，而随钻测井资料实现了水平井导向过程中对钻头在地层中 “微观”精准定位。基于这2种资料，采用地震预测技术，提前预测井眼轨迹偏移方向，应用元素录井+随钻伽马技术、蚂蚁体工程预警技术，建立水平井地质导向思路，以“抓大、舍小”井轨迹调整策略，解决了在水平段导向过程中钻头位置多解性及钻遇地层挠曲等难题，有效保障了水平段优质储层钻遇率和轨迹平滑。

《天然气地球科学》2021年高被引论文

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0 引言

图1 昭通示范区区域构造位置

1 水平井着陆前导向难点与对策

1.1 着陆前导向难点

图2 水平井着陆点垂深预测不准的2种情况

1.2 着陆点垂深预测不准的原因

1.2.1 求取地质导向模型地层厚度时存在误差

图3 地层垂厚h′与标准井地层厚度h的大小关系

1.2.2 求取地层倾角时存在误差

图4 计算地层厚度与地层倾角的相关模型

1.2.3 修正三维水平井视地层倾角时存在误差

1.3 精细预测着陆点垂深的优化方案

1.3.1 求取建立地质导向模型地层厚度的精细方法

1.3.2 求取地层倾角的精细方法

1.3.3 修正三维水平井视地层倾角的精细方法

2 水平井水平段导向难点与对策

2.1 在水平段导向钻进过程中遇到的风险

2.1.1 由于伽马测井的多解性，导致钻头在靶体中的准确位置判断失误

图5 YS1-1井的地质导向分析

2.1.2 钻遇地震资料可识别出的挠曲构造风险

图6 钻遇地震资料可识别出的挠曲构造

2.1.3 钻遇地震资料不可识别出的挠曲构造风险

图7 钻遇地震资料不可识别出的挠曲构造

2.2 水平段导向过程中的思路与策略

图8 调整井轨迹导向思路

2.2.1 针对水平段钻进过程中遇到伽马测井多解问题的导向策略

2.2.2 针对钻遇地震资料识别不出的挠曲构造的导向策略

2.2.3 钻遇地震资料可识别出的挠曲构造风险的导向策略

3 结论

《天然气地球科学》2021年高被引论文

References

1.1　着陆前导向难点

1.2　着陆点垂深预测不准的原因

1.2.1　求取地质导向模型地层厚度时存在误差

1.2.2　求取地层倾角时存在误差

1.2.3　修正三维水平井视地层倾角时存在误差

1.3　精细预测着陆点垂深的优化方案

1.3.1　求取建立地质导向模型地层厚度的精细方法

1.3.2　求取地层倾角的精细方法

1.3.3　修正三维水平井视地层倾角的精细方法

2.1　在水平段导向钻进过程中遇到的风险

2.1.1　由于伽马测井的多解性，导致钻头在靶体中的准确位置判断失误

2.1.2　钻遇地震资料可识别出的挠曲构造风险

2.1.3　钻遇地震资料不可识别出的挠曲构造风险

2.2　水平段导向过程中的思路与策略

2.2.1　针对水平段钻进过程中遇到伽马测井多解问题的导向策略

2.2.2　针对钻遇地震资料识别不出的挠曲构造的导向策略

2.2.3　钻遇地震资料可识别出的挠曲构造风险的导向策略