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吐哈油田水平井地质设计优化技术研究李艳明(中国石油吐哈油田分公司勘探开发研究院，新疆哈密839009)摘要：水平井钻井地质设计不同于直井钻井地质设计的根本特点是“数据加密原则”和“二次设计原则”。水平井钻井地质设计优化技术的主要内容包括五个方面，一是井型及水平段类型的筛选与组合；二是主要参数及设计方法；三是资料录取项目的设置；四是工程设计要求，五是实施要求。水平井在吐哈油田的应用实践表明，遵循设计优化思路编制水平井钻井地质设计，不仅能够提高水平井钻井成功率，而且可以扩大水平井应用范围。关键词：水平井；钻井地质设计；优化技术1水平井钻井地质设计的主要特点相对于直井和常规定向井而言，水平井钻井地质设计有两个根本性的特点，即数据加密原则和二次设计原则。数据加密原则包括三个方面的内容。(1)在水平井地质设计中所要求的关键参数(如井深数据、分层数据、靶点的构造或油层深度数据等)要比直井(中国石油天然气股份有限公司勘探与生产分公司《钻井设计编制规范(试行)》中推荐的井深数据以50m为基数，分层数据以5m为基数)要求的精度更高，水平井目的层附近地层的分层数据应当以1m为基数，靶点的深度数据以0．O113'1为基数。因为，与直井不同，水平井轨迹在到达预计的油层靶点时，倾角一般要达到90。左右，此时钻头在垂向上摆动的能力已经很弱，如果实际油层比预计变化0．5m以上，则井轨迹就不能按设计进入靶点，同时在调整轨迹的过程中，将出现很长的无效水平段，因此，(相对于直井的设计)提高技术参数的精度，可以避免因数据基数过于宽泛导致的误差。(2)在水平井设计中使用常规地质图件(如构造图、油层等值图)时，应当将以10m或5m为问距的常规图件进行数据加密，使之达到1m甚至0．513'1为问距的精度，在此基础上取得相关技术参数。这样的做法有两点优势，一是可以避免在大问距图件上读数时人为随意性引起的误差，二是可以在数据加密的过程中促进认识的深化，从而更加精细的反映出水平井所在区域的微构造及油层变化，提高设计预测的符合率。国内某些油田进行水平井设计论证时，在井斜、补心、海拔校正的基础上编制出小比例尺的目的层顶面微构造图，就是基于同样的目的。(3)当已有的地质图件是以油层段顶面标志层或砂层顶为做图层，而水平井所钻的油层与做图层有距离时，必须根据所有资料，完成水平井所钻目的油层的顶面构造图(包括油层等值图)，以此为依据，进行关键参数的设计。二次设计原则是指在水平井钻井实施时，根据钻进过程中对地下情况的再认识，对地质设计所进行的调整或修改。无论是进行正式补充地质设计，还是发出现场监督指令，这个过程均可称为二次设计。虽然目前国内精细油藏描述技术发展很快，但是除极少数情况(如已有较密的基础井网、油藏相对简单等)外，即使运用多种先进技术，对构造深度，油层厚度等认识的准确度还远远达不到水平井设计要求的精度，因此，在钻井实施过程中进行二次设计，是确保水平井实现其地质目的最佳手段，也是地质设计的编制者，以及地质设计的现场执行者如轨迹控制人员、录井人员和地质监督人员必须遵循的原则。2井型及水平段类型的筛选与组合从地质设计的角度出发，水平井的井型可分两收稿日期：2007—04—18作者简介：李艳明(1967一)，男，甘肃临夏人，高级工程师，油田开发专业。联系电话：0902—2770974220吐哈油气2007正大类：即无导眼水平井和导眼水平井。其中，导眼水平井又可分为直导眼水平井、斜导眼水平井以及侧钻水平井(可看作是特殊的导眼水平井)。导眼水平井与无导眼水平井的主要区别在于，前者可以在钻水平段之前通过导眼钻穿目的油层，提高油藏的认识程度，减小钻水平井的风险。因此，井型筛选总的原则是油藏认识程度较高，钻井风险较小时，选择无导眼的普通水平井型，以降低钻井投资。反之，则选择导眼水平井，以降低钻井风险。不同的井别、钻井目的、以及油藏认识程度下水平井型的筛选应遵循符合油藏地质特点的基本思路(表1)。表1不同井别的水平井井型筛选及依据描述水平段类型是指按照水平段运行轨迹的剖面形状及其与油层的关系将水平段进行的分类。按照水平段运行轨迹的剖面形状，可以将水平段分为平直型、大斜度、波浪型和阶梯(或台阶)型四种类型，按照水平段运行轨迹与油层的关系，可以将水平段分为平行型、顶穿底型和底穿顶型三类。国内也有的油田根据水平段的平面运行轨迹与构造线的关系，分为平行构造线、斜交构造线和垂直构造线等类型。水平段类型的选择主要根据油藏类型、油层产状和油层特征等三个方面的特点，以最大限度的实现水平井的地质目的为原则(见表2)，并与相应的井型合理组合而确定。对地质认识落实程度不高的应当增加直的或斜的导眼。表2不同的水平段类型适应性筛选油藏或油层特点钻水F井的主要目的水乎段类型简要图示底水油藏抑制底水，提高采收率轨迹F行-f_油水界面，直型，．裂缝性油藏沟通裂缝，提高单井产量轨迹垂直于裂缝走向，平直或大斜度瞧簿油层轨迹与油层平行，平油行型或波浪型=兰兰三兰兰兰：=z=层增大泄油面积，提高单井产量轨迹与油层平行油中厚油层，平行型，大斜度、顶藏穿底、底穿顶砂泥互层油层增大泄油面秘，提高单井产量轨迹与油层斜交，顶穿底或底穿项；蕾力油层之问垂向距离较小时，可选择———====={三二多油层油藏增火泄油面积，提高单井产量阶梯型，较大时川选择分支井_。-_-_。●。●。-●。●_-●-●。’_-_。_。_一⋯r3主要参数及设计方法水平井主要参数设计的准确性是提高水平井钻井实施成功率关键，包括水平段长度、方向、倾角、靶前距以及靶点的油层深度等，其中最重要的参数是水平段长度和靶点处油层的海拔或深度。水平段长度的确定方法，国内外技术人员已经建立了不同类型油藏中水平段长度与产能关系的理论公式，也可以用数值模拟进行多方案对比，通过计算水平段长度与水平井产能、产能增长率及其变化的关系，结合经济评价结果来确定最佳的水平段长度。在油层发育条件完全满足的情况下，一般均采用较长的水平段(但不是越长越好)，以尽可能的增大泄油面积，减少钻井数，提高单井产量。在多数情况下，水平段长度的确定要受到多种条件的限制。一方面，随着水平段在油藏中向前延伸，对构造和油层认识的不确定性增加，水平段钻不到有效油层的风险增大。因此，水平段长度受到油藏第12卷第3期李艳明：吐哈油田水平井地质设计优化技术研究22l特点和认识程度的限制；另一方面，对调整井而言，水平段长度还要受到已有井网条件和地下剩余油分布范围大小的限制。此外，钻采工艺技术的现状也是一个需要考虑的重要方面，只有多因素综合论证，才能确定合理的水平段长度。水平段靶点处油层海拔或深度的确定，要在油藏特征综合研究的基础上进行设计，重点对设计水平井区域的微构造以及油层分布情况进行尽可能精细的描述。主要工作包括，结合已钻井的实际资料，应用专业工具软件，进行三维地震精细解释和储层分布预测，建立三维地质模型，在地质模型中根据设计靶点的坐标直接读取相应的油层海拔数据(如果有井口的补心海拔，可换算成垂直深度)。如果没有建立三维地质模型，同样经过深化油藏认识，按照数据加密原则细化常规地质图件，由机算计或人工读取相应数据。4资料录取项目的设计水平井钻井过程中资料录取项目的设计原则，一是要有利于认识地层和油层，二是要有利于水平井的现场随钻跟踪导向，其大部分项目与直井相同，另有部分特殊的录取项目。重点要求的项目包括有线或无线随钻轨迹测量，随钻测井(MWD)，地质录井(岩屑和荧光)以及气测录井，其它如钻时、泥浆录井等要求与直井基本一致。井轨迹测量是钻井过程中进行轨迹确认和控制的主要手段，也是完井后验证水平井轨迹是否达到设计要求的依据，是必须获取的资料。目前，无线随钻轨迹测量已是国内成熟应用的技术，它不仅可以使工程人员随时掌握钻井轨迹，进行轨迹控制，而且可以使地质人员随时获得与斜深对应的垂深数据，便于地质卡层，是现场随钻跟踪导向的基础。随钻测井(MWD)既能适时反映地层岩性，又能部分替代完井测井，也是必须设置的资料录取项目。目前，MWD已能进行组合测井系列中大部分的测井项目，但具体选择一项或多项随钻测井，要根据具体油田的储层电测响应特征和井型来确定。根据储层电测响应特征确定测井项目的原则就是选择对该油田目的层岩性或含油性最敏感的测井项目，或者是反映岩性和含油性的测井项目组合后共同应用。另外，由于随钻测井仪器的规格和使用方式的不同，有些测井项目在井眼较小的侧钻水平片中不能使用(如电阻率测井)。因此，工程方面也是一个需要考虑的因素。地质录井(主要是岩屑和荧光录井)是进行地质卡层最基础的手段。其中，荧光录井是否必要，需根据油田原油性质的具体情况确定。通常，为了便于轨迹控制和提高泥浆性能，在水平井进人造斜段以后，都要在泥浆中加入一定比例的脱气原油，这会严重影响荧光录井的效果，但经验丰富的地质录井人员可以区分出新鲜油层的荧光与脱气原油引起的荧光之间的差别，从而确定钻遇砂层是否是油层，同时，定量荧光录井的效果更好，比普通的荧光录井更准确。因此，原油性质具备上述特点时，要求进行荧光录井也是必要的。气测录井是确认砂层含油性的重要手段，但在稠油油藏中不能应用，同样由于泥浆混油的原因，在气油比低到中等的黑油油藏中应用效果会受影响。但是，对于一些气油比较高的油田，气测录井仍然有很明显的异常反映，是可以应用的。尤其，当油层较薄，岩性细而疏松，电测响应不敏感时，地质录井无法获得有效岩屑，随钻电测发挥不了相应的作用，气测录井则会起到十分重要的作用。吐哈油田的实际经验证明，气油比大于200m／t的油田，气测录井都能正常应用。5工程设计要求对工程设计提出要求必须在地质设计人员对钻采工艺有一定了解的基础上进行。工程设计要求除了对钻井安全方面进行提示(如地层压力、防塌、防漏、防喷等)外，地质设计主要从实现地质目的的角度来考虑，具体要明确三个方面的要求，即油层保护、井身结构和完井方式以及井身质量。油层保护要求与直井相比，水平井进入油层后直到完井，泥浆浸泡油层的时间很长，因此，水平井的油层保护显得尤为重要，除明确要求应用本油田成熟适用的屏蔽暂堵技术外，还要确定合理的泥浆密度，特别是对于裂缝性油藏、低压油藏等易漏储层，应严格限制泥浆密度，必要时要求采用近或欠平衡钻井技术，以避免油层严重污染而达不到设计产能。井身结构和完井方式的要求井身结构的设计要求即要满足安全钻井，又要利于缩短钻井周期，降低钻井投资，提高水平井的综合效益。完井方式的设计主要根据油藏特征和开发生产的需要，选择裸眼完井、割缝衬管完井、衬管外分段分隔完井，固井射孔完井以及其它特殊完222吐哈油气2007正井方式中的一种，这些完井方式的工程施工难度是依次增大，同时对水平段轨迹平直程度的要求也是依次提高，还要考虑造斜段曲率半径的大小以及完井施工技术水平的现状。油藏特征和开发生产方面需要考虑储层砂岩的胶结程度，水平段井眼是否容易跨塌或出砂，是否需要分段射孔以及酸化压裂，开发后期是否需要封堵水等等。井身质量的要求井身质量的要求中最重要的是中靶精度和水平段的直度。目前国内水平井钻井技术能够达到的精度，一般垂向摆动可以控制在上下2m以内，平面摆动可以控制在左右5m以内。对中靶精度和水平段直度的要求要以水平井钻井技术能够达到的最高精度为准，尤其在油层较薄的情况下，更要尽量减少靶点和水平段的轨迹误差，以免水平段进入泥岩或底水而降低水平井的效益，甚至导致水平井报废。直的水平段不仅有利于完井施工时套(衬)管的顺利下入，而且也有利于油气在水平段井筒内的流动。根据目的油层上覆地层中砂体油层的发育情况，对水平井造斜(或开窗)点的位置也要做出原则性规定。一般在满足水平井曲率半径的前提下，造斜点位置应相对靠下，留出更长的直井段，以增加机采时加深泵挂，放大生产压差的余地。如果上部还有其它油层在后期需要生产，造斜(或开窗)点应避开油层，以利射孔作业。在油层上部有水层时，开窗点也要避开水层，因为在小井眼条件下造斜段固井质量不宜保证。特别是开窗部位的固井质量最难控制，如果上部水层封固不好，将导致下部水平段无法生产。6实施要求的设计实施要求应对钻井实施过程中