彭 平 吴 萍 彭 浩 罗 芳 王 滢 师晓蓉 朱茜霞

1. 中国石油西南油气田分公司勘探开发研究院 2. 中国石油川庆钻探工程有限公司地质勘探开发研究院3. 中国石油西南油气田分公司开发事业部

0 引言

在天然气勘探开发过程中，为增加产能，常常采用大斜度井、水平井以增加目的层的钻遇长度，提高井筒泄流能力。要实现井轨迹大位移穿越目的层，地层视倾角是一项重要参数，直接关系到钻井轨迹的实时调整[1]。对于定向井、大斜度井、水平井，目的层顶界着陆点地层视倾角的确定就十分重要，它直接关系到设计入靶角的大小，也关系到目的层段的轨迹控制，影响到该井是否能实现地质目标。

对于简单的构造单元目的层，地层倾角求取方法一般是利用目的层顶面或底面构造图，直接顺倾向计算地层真倾角，或利用钻探海拔资料计算井间的视倾角。实际在钻井井轨迹的控制过程中，由于受到井口地形、轨迹方位及构造条件复杂因素影响，导致构造形变大、高点预测困难、其着陆点位置难以确定等因素的制约，使得以构造图确定目的层地层（视）倾角难以实现[2-4]。

1 据实钻轨迹资料计算地层视倾角的方法及实例

在勘探开发实际生产过程中，井位部署受多种因素制约，为了实现对地下地质目标勘探开发，一般采取地面服从地下的原则。在山区地面条件恶劣，井位部署受地形条件及环保要求的限制，个别井只能够选择在构造轴部、转折端等构造复杂带附近部署。这种构造复杂带受挤压变形、褶皱强烈；地层高陡、断裂发育；目的层地层倾角变化大。目的层着陆点的地层视倾角在无三维地震资料或地震资料质量限制、无邻井成像测井资料支持的情况下，无法有效地获得或求取较准确的着陆点地层视倾角。在实际钻探及跟踪过程中，为有效地控制轨迹，需要较精准地确定目的层着陆点地层视倾角，以便有效控制、调整轨迹，摆正钻具姿态顺利着陆入靶，实现钻探目的。针对这种情况可以充分利用同一构造单元、靠近井轨迹着陆点周边已完成井的实钻资料，根据地层实钻厚度、井斜角、方位角、相对海拔高差、地层真厚等，采用剖面法、垂深位移法、曲率半径法进行着陆点视倾角的推算。

以相国寺构造为例。相国寺储气库是西南地区首座储气库，以相国寺构造石炭系枯竭性气藏为注采目的层而建设，储气库区内地形属山地地貌，地形起伏较大（最低海拔200 m，最高1 040 m），相对高差达840 m，工区中部山体陡峭，沟壑纵横，地形切割严重，两侧地区相对较平缓，地面井位选址困难。相国寺构造为一不对称受倾轴逆断层控制的“断垒型”狭长背斜，构造走向北北东向，主体构造轴部主要出露须家河组，局部出露雷口坡组石灰岩，构造西陡东缓，东西两翼受断层控制，地层倾角变化大、在轴线从0°到两翼近40°，构造形变强烈、轴向呈“S”型，石炭系厚度仅10 米[5-12]。其目的层石炭系在志留系准平原化地貌的基础上沉积，具有底超顶蚀的特征，其储层为裂缝—孔隙型且连续性好，其上覆梁山组泥页岩为直接盖层，下伏志留系泥岩为底托层。同时储气库具有运行周期长、强注强采的特点，注采井井型受地形和构造特征的制约多采用大斜度井、定向井。

以XC1 井为例。XC1 井为先导性试验井，井场受地面条件限制，目的层石炭系要求按照水平井的方式实施，设计轨迹从构造西翼定向钻进，越过构造高点，于构造东翼入靶（图1）。在实施过程中，由于储气库高陡构造顶部目的层地震波反射能量弱，波形杂乱，反射层位有效识别及追踪困难（图2），构造轴线高点位置难以确定。导致井轨迹处着陆点地层视倾角很难预测，加之钻具在梁山组泥岩易垮塌地层增斜受限等原因，XC1 井为达到地质目的，完成先导性设计任务，前后穿越构造共钻4 个井眼。正眼石炭系钻至构造西翼，电测换算至轨迹方向地层视倾角约12°，井底没有迈过构造轴线，因大尺寸先导井工程复杂（梁山组泥岩掉块、增斜困难）和谨慎的钻井措施（保护注气层的密封性）又先后侧钻了3 个井眼，才达到构造轴部[13-16]。

图1 XC1 井设计垂直剖面轨迹图

图2 XC1 井地震反射剖面图（局部）

图3 XC1 井侧眼2 实钻剖面图

为达到地质目的，在实施跟踪过程中，在地层倾角资料受限的情况下，为有效地判断井轨迹钻头位置点，利用先后3 次钻达目的层构造顶面的成果资料，采取了以下方法：剖面恢复法、垂深位移法、曲率半径法，对石炭系顶界（着陆点）地层视倾角进行分析、求取[17-20]。

1.1 剖面恢复法

先导性试验井XC1 井，井轨迹有3 次均穿过上覆梁山组顶、底界，利用井轨迹穿越梁山组的钻厚、井斜、顶、底面海拔的数据，根据实钻参数，逐一求取正眼、侧眼1、侧眼2 在石炭系着陆点地层视倾角（图3）。井筒区域梁山组厚度不变，利用倾斜岩层界面的原理，将井筒范围内不同轨迹方位分别投影，计算出地层真倾角，然后换算到已知的轨迹方位（侧眼2 钻进方位143°），按照轨迹做图法恢复剖面后测算出地层视倾角（分别为11°、8°、5°）。

1.2 垂深位移法

利用3 个井眼上覆梁山组顶底的位移量、垂深数据计算石炭系着陆点地层视倾角（表1）。

1.3 曲率半径法

曲率的倒数就是曲率半径。平面曲线的曲率就是针对曲线上某个点的切线方向角对弧长的转动率，表明曲线偏离直线的程度。曲率半径主要是用来描述某处曲线弯曲变化的程度。圆形越大，弯曲程度就越小，也就越近似一条直线。所以说，圆越大，曲率越小，曲率半径也就越大。如果在某条曲线上的某个点可以找到一个相对的圆形具有相等的曲率，那么曲线上这个点的曲率半径就是该圆形的半径。

表1 XC1 井井轨迹石炭系顶地层视倾角计算表

根据平面上3 点确定一圆的原理，XC1 井已钻3 个眼，将3 个井眼均投影到钻进方位143°剖面上，可确定一圆，用以计算出3 个钻遇点海拔及地层视倾角。原理如图4，根据理论推导和数学计算，求得原眼、侧眼1、侧眼2 梁山组底地层视倾角如表2，侧眼2 石炭系着陆点地层视倾角5.15°。

图4 曲率半径法原理图

2 分析比较

在实钻跟踪分析过程中，利用井轨迹资料计算出的地层视倾角，可以在跟踪过程中不断完善轨迹目标的调整。如实例中正眼石炭系顶，测井计算视倾角为12°（因钻井条件限制，侧眼1、侧眼2 未测倾角），采取3 种方法分别计算出石炭系顶视倾角为：11°、9.8°、12.05°，几种方法结果极为接近，可信度高，实钻资料计算结果能够满足钻井的需要。同时，从侧眼1 到侧眼2 石炭系顶界视倾角变化从6 ～8°逐步到5 ～5.5°，说明地层逐渐变平缓，井轨迹已接近构造轴线高点但仍然在构造西翼，侧眼2 石炭系钻厚35 m，是石炭系真厚的3 倍左右。实施过程中再次调整轨迹后侧钻，侧眼3 在构造轴线高点石炭系顶界用实钻资料计算视倾角为1 ～2 °，井轨迹石炭系底已越过构造轴线，整个石炭系钻厚48.5 m 是石炭系真厚的4 倍左右（图5），表明实钻已经达到地质设计目的。后期动态资料分析，XC1 实际注气能力与设计比值为1.18，实际采气能力与设计比值为1.14，达到储气库注采目的。

表2 XC1 井曲率半径法石炭系顶界的地层视倾角计算表

3 结论

相国寺储气库在实施过程中利用实钻轨迹资料求取着陆点的地层视倾角计算方法，取得了较大成功。相国寺储气库共部署13 口注采井全部采用定向井、大斜度、水平井完成，因设计合理，精确估算着陆点地层视倾角，注采井在真厚（视真厚）7.4 ～13.2 m 的石炭系中，最大穿越216 m，单井钻厚平均达到3 ～6 倍真厚，个别井钻厚为真厚的20 倍以上，有效地提升了储气库注采井的注气及采气能力。

轨迹方向。地层视倾角是大斜度井、水平井钻井的关键，着陆点地层视倾角参数的确定直接关系到目的层段井轨迹有效控制和地质目标能否实现。因地面井位选址受限，在高陡复杂构造中钻探，其井轨迹方向地层倾角变化大，顺轴向、顺倾向均有不确定性。如何有效地求取井轨迹方向地层视倾角，最大程度控制井轨迹实现地质目的，在相国寺储气库建设过程中，综合利用地震资料、测井资料、实钻资料对着陆点地层视倾角进行了不同方法的求取，取得一些经验，值得后续井借鉴。

1)在地震资料品质好、可靠性高的前提下，地震资料能够准确地反映地腹构造形态及深度，着陆点地质特征清楚，其地质地层与物探反射波组特征界面具有一致性，且易于识别。沿井轨迹提取着陆点地层视倾角是最有效的方法之一。

2）在井眼轨迹良好，井壁稳定，无缩径及掉块形成的“大肚子”，且着陆点上覆地层要求具有层状结构，地层反射界面清楚，地层倾角或成像测井资料能够有效地反映上覆地层的信息，利用测井资料提取地层倾角是常规方法之一。但该资料应用前提是井筒及着陆点、包括上覆地层的真倾角，需要换算为沿轨迹方向视倾角，且要求上覆地层连续沉积。如果上覆地层与目的层着陆点之间，存在沉积间断和风化剥蚀面的条件下，对着陆点倾角的计算不能误差较大，结果仅供参考。

3）利用已钻井资料来确定着陆点的视倾角，需要有较严格的条件，除需要同一构造单元有较多的井支撑，井周上覆地层厚度相对稳定，还需要对已钻井进行过井地震地质剖面综合恢复解释。

图5 XC1 井侧眼3 实钻剖面图

4）利用已钻井成果资料，采用剖面法、垂深位移法、曲率半径法，其基本原理接近，3 种方法同时运用可以相互验证。在实际运用中，要充分考虑着陆点的构造位置，处于高陡构造翼部，地层实际倾角大的地方，3 种计算方法有差异；着陆点越接近构造轴线，实际地层倾角较小或接近水平状态，3 种计算方法结果一致。因此，该方法除对着陆点的计算和控制外，还可以对井轨迹进行评判，在实际运用中要充分加以判断和利用。