CN117449834A - 一种水平井入窗的井斜角计算方法及应用 - Google Patents

一种水平井入窗的井斜角计算方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种水平井入窗的井斜角计算方法，通过明确入窗阶段着陆位置、全角变化率等关键参数的确定原则，建立揭开储层顶所需要的井斜角范围的迭代计算方法，形成入窗阶段井斜角计算流程与方法。能在水平井施工过程中提供轨迹优化依据，明确入窗前需要的井斜角范围，指导钻井施工，降低施工风险，为水平井入窗的施工提供技术支持。

Description

一种水平井入窗的井斜角计算方法及应用
技术领域
本发明涉及油气勘查技术领域，尤其涉及一种水平井入窗的井斜角计算方法及应用。
背景技术
水平井钻探的目标地质体一般厚度较薄，河道砂体普遍小于20.00m，页岩气井靶窗往往只有4.00～6.00m，超出了地震资料的分辨极限，只能提供宏观方向的指导，在水平井入窗着陆阶段，设计轨迹按预测的储层深度进行规划，但实钻过程中，普遍会遇到目的层垂深提前或推后等情况，容易导致钻井的井段大幅度延长，或者出现复杂的轨迹，造成后期钻井施工难度明显升高，甚至入窗失败，不利于提速提效。由于储层的深度存在不确定性，合理确定揭开储层顶需要的井斜，是入窗是否成功的关键。不同的地层倾角对入窗也有明显影响，还没有成熟的方法来确定揭开储层顶所需要的井斜角，给工程施工带来了极大的风险。
为了确保水平井顺利施工，重点是如何按给定的空间位置钻达目标点，便于钻井施工，形成了软着陆轨迹控制方法，将井身轨迹划分为“直线段-曲线段-曲线段-直线段”。在次基础上，把入窗阶段划分为探储层顶界与中靶两个阶段，研究了储层提前或推后时探储层顶界的轨迹优化方法，确保入靶时靶前距最短。由于地震解释精度有限，储层埋深预测难度大，实钻过程中普遍存在实际储层顶界深度与预测不符合的情况，当出现地质目标不确定的情况下，优化轨迹缺乏依据。
应用随钻测录井技术识别标志层，落实地层倾角，层层逼近目标地质体，通过预测目的层顶深，确定合理的入层点和着陆点，根据全角变化率、地层倾角、储层厚度，利用三角函数建立了从储层顶到着陆位置的入窗井斜角计算公式。将入靶点与储层顶之间的距离视为近似的直线，在实际施工过程中，揭开储层顶到入靶是不断增斜的过程中，是一条近似光滑的曲线，这个过程中不断变化的井斜角会影响后续的参数计算，采用近似直线开展计算的结果误差大。
因此，由于地下地质体存在预测误差，储层埋深、厚度、地层倾角均存在一定的不确定性，并且着陆位置、全角变化率、井斜角等对入窗效果有明显影响，因此，如何开展井斜角的优化是当前面临的难题之一；亟需一种新的符合实际应用的计算方法。
发明内容
针对地下地质条件存在不确定性，以及现有技术中的上述问题，本发明提出了一种水平井入窗的井斜角计算方法及应用。
第一方面，本发明提出了一种水平井入窗的井斜角计算方法，包括以下步骤：
步骤1：根据钻井地质设计和/或分析地震资料，得到待钻水平井的储层顶底的埋深H0′，储层厚度H′，地层倾角γ′；
步骤2：根据同一矿区的实钻资料，修正步骤1的数据，得到储层埋深H0、厚度H与地层倾角γ；
步骤3：根据储层发育情况，确定入靶着陆位置的深度范围；
步骤4：根据地震资料及多井对比预测地层倾角，确定入靶井斜角Inc；
步骤5：根据该井使用的定向工具最大全角变化率及后续完井作业允许的最大全角变化率，确定入窗阶段所需要的全角变化率K；
步骤6：设定循环计算的步长，基于储层埋深H0、厚度H、地层倾角γ、深度范围、入靶井斜角Inc和全角变化率K，采用循环迭代的计算方式，应用定向井轨道计算公式，反算揭开储层顶所需要的最大井斜角Inc1、最小井斜角Inc2；
步骤7：根据最大井斜角Inc1、最小井斜角Inc2，确定水平井入窗揭开储层顶所需要的井斜角范围Inc2～Inc1。
作为本发明的具体实施方式，所述步骤1中，所述预测待钻水平井的储层顶底的埋深，通过包括常规地震剖面、波阻抗反演的技术获得。
作为本发明的具体实施方式，所述步骤2中，通过包括以下步骤的方法得到储层埋深H0、厚度H与地层倾角γ：将实钻资料与钻井地质设计和/或分析地震资料进行对比，根据实钻资料修正地震资料的时深关系，转换深度域地震剖面，修正待钻水平井的储层顶底的埋深H0′、储层厚度H′和地层倾角γ′，得到储层埋深H0、厚度H与地层倾角γ。
需要说明的是，根据实钻资料，与钻前预测进行对比，将重要地质界线、特殊岩性等作为纵向上的特征标志层，每钻达一个标志层，根据实钻资料修正地震资料的时深关系，重新转换深度域地震剖面，并再次读取储层埋深、厚度与地层倾角等地质参数。通过多个标志层“层层逼近”的方式，不断修正预测数据与实钻数据之间的误差，最终得到修正后的最接近实际的储层埋深H0、厚度H与地层倾角γ。
作为本发明的具体实施方式，所述步骤3中，所述入靶着陆位置的深度范围包括着陆上限Ha1和着陆下限Ha2；
着陆上限设定为储层α1位置，设着陆上限的垂深为Ha1，计算公式为：
Ha1＝H0+α1×H
其中，Ha1为着陆垂深上限(m)；
α1为小于1的正数，
H为修正后的储层真垂厚(m)
着陆下限设定为储层α2位置，设着陆下限的垂深为Ha2，计算公式为：
Ha2＝H0+α2×H
其中，Ha2为着陆垂深下限(m)
H为修正后的储层真垂厚(m)；
α2为不小于α1且不大于1的正数。
由于地质条件存在不确定性，为保障入靶，着陆位置为一个深度范围；着陆上限设定为储层α1位置，设着陆上限的垂深为Ha1，计算公式为：
Ha1＝H0+α1×H
着陆下限设定为储层α2位置，设着陆下限的垂深为Ha2，计算公式为：
Ha2＝H0+α2×H
其中，α1为小于1的正数，推荐取值为1/3；
α2为不小于α1且不大于1的正数，推荐取值为2/3。
作为本发明的具体实施方式，所述步骤4中，所述入靶井斜角Inc是根据地震资料及多井对比地层倾角γ，设入靶井斜角为Inc，确定入靶井斜角：
Inc＝(90-γ)
其中，Inc为入靶井斜角，单位°；
γ为地层倾角(下倾为正数，上倾为负数)，单位°。
作为本发明的具体实施方式，所述步骤5中，所述根据该井使用的定向工具最大全角变化率及后续完井作业允许的最大全角变化率，确定入窗阶段所需要的全角变化率K，选择定向工具最大全角变化率K工具、后续完井作业允许的最大全角变化率K完井的最小值，并乘以附加系数β，即
当K工具>K完井时，K＝K完井×β
当K工具≤K完井时，K＝K工具×β
其中，K为水平井施工允许的最大全角变化率(°/100m)，
K工具为定向工具的最大全角变化率(°/100m)，
K完井为完井作业允许的最大全角变化率(°/100m)，
β为附加系数，不大于1的正数。
需要说明的是，定向工具的最大全角变化率是工具本身的性能确定的；完井允许的最大全角变化率为工区的经验值，需要施工过程中遵守的，不是确定的数值，在本发明的方法中，增加了附加系数的取值。
作为本发明的具体实施方式，所述步骤6中，所述采用循环迭代的计算方式，各自独立地采用角平均法、校正角平均法、曲率半径法中的任意一种；得到最大井斜角为Inc1，最小井斜角为Inc2。
作为本发明的具体实施方式，所述步骤6，设定循环计算的步长Δi，推荐取值为0.1～1°，Δi越小，计算精度越高，但计算量更大，采用循环迭代的计算方式，应用角平均法、校正角平均法、曲率半径法等定向井轨道计算公式中的任意一种，反算揭开储层顶所需要的最大井斜角；以角平均法示范计算过程：
根据步长反算上一次的井斜角：Inc1＝Inc-Δi
计算两次井斜角的平均数：Inc_v1＝(Inc+Inc1)/2
计算井斜角从Inc1增斜到Inc所需要的井段长(斜深)：ΔL1＝100×Δi/K
计算井斜角从Inc1增斜到Inc所需要的垂厚：ΔH1＝ΔL1×cos(Inc_v1)
计算井斜角为Inc1时的垂深：H1＝Ha1-ΔH1
比较H0与H1的关系，如果H1≤H0，停止计算，Inc1为揭开储层顶需要的最大井斜；如果H1>H0，令Inc＝Inc1，Ha1＝H1，返回步骤再次计算，直到H1≤H0为止。
作为本发明的具体实施方式，同样地，设定循环计算的步长Δi，推荐取值为0.1～1°，Δi越小，计算精度越高，但计算量更大，采用循环迭代的计算方式，应用角平均法、校正角平均法、曲率半径法等定向井轨道计算公式中的任意一种，反算揭开储层顶所需要的最小井斜角；以角平均法示范计算过程：
根据步长反算上一次的井斜角：Inc2＝Inc-Δi
计算两次井斜角的平均数：Inc_v2＝(Inc+Inc2)/2
计算井斜角从Inc2增斜到Inc所需要的井段长(斜深)：ΔL2＝100×Δi/K
计算井斜角从Inc2增斜到Inc所需要的垂厚：ΔH2＝ΔL2×cos(Inc_v2)
计算井斜角为Inc2时的垂深：H2＝Ha2-ΔH2
比较H0与H2的关系，如果H2≤H0，停止计算，Inc2为揭开储层顶需要的最小井斜；如果H2>H0，令Inc＝Inc2，Ha2＝H2,返回步骤再次计算，直到H2≤H0为止。
作为本发明的具体实施方式，所述步骤7中，所述确定揭开储层顶所需要的井斜角范围Inc2～Inc1。
作为本发明的具体实施方式，施工中将水平井入窗的井斜角控制在最大和最小井斜角之间，即最小井斜角不能低于Inc2，最大井斜角不能大于Inc1，最终准确入窗与中靶。
第二方面，本发明提供了所述水平井入窗的井斜角计算方法在勘探定向与地质导向领域的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明的计算方法计算精度高：计算步长可以根据需要自行设定，把从靶点到储层顶的井轨迹按计算步长分解为极小的井段，每个井段单独进行计算，避免了把轨迹简化为直线带来的计算误差，计算过程考虑了井斜角不断变化带来的影响，所采用这种循环迭代计算的方式，提高了计算的准确度，为轨迹优化提供了可靠的依据。
2、本发明的计算方法降低了轨迹优化难度：提供了揭开储层顶时所需要的井斜角的选择范围。通过计算所需要的最大井斜角和最小井斜角，可以根据施工的实际情况选择，将井斜控制在该范围内即可，即便地下地质条件发生了剧烈变化，也有较大的调整余地，轨迹优化更容易，能有效确保水平井中靶成功率。
3、本发明的计算方法应用便捷：所需要的计算公式不复杂，通过应用计算机编程，或者excel表格即可快速获得结果。
附图说明
图1为本发明的水平井入窗的井斜角计算方法示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但并不构成对本发明的任何限制。
实施例1
本实施例提供了一种水平井入窗的井斜角计算方法，应用于D地区D15井，具体细节如下：
步骤1：钻井地质设计预测待钻水平井的储层顶底的埋深2614米，垂深2320米，储层真垂厚为6米，地层倾角为-8°。
步骤2：根据实钻资料，与钻前预测进行对比，地层将大幅度推后，修正后的储层埋深2783米，垂深2536米，垂厚6米，地层倾角-8°。
步骤3：根据储层发育情况，确定着陆位置为储层内1.98～4.02米，
步骤4：根据储层发育情况，确定入靶井斜角为98°；
步骤5：定向工具与完井允许的最大全角变化率为24度/100米，附加系数按0.875取值，确定入窗阶段所需要的全角变化率K为21度/100米；
步骤6：设定循环迭代计算的步长为0.1°；
步骤7：反算出揭开储层顶所需要的井斜角为88.2～91°。
施工过程中，采用实施例1计算得到的最大、最小井斜角，将井斜角控制在该范围内，由于地层埋深推后较多，从井深2760米开始稳斜，持续以90°稳斜钻进至井深2820米、垂深2543米揭开储层顶部，着陆于储层内2.6米位置，确保了水平井准确入窗。
表1 D15井入窗井斜角迭代计算参数表
实施例2
本实施例提供了一种水平井入窗的井斜角计算方法，应用于W工区W6井，具体细节如下：
步骤1：钻井地质设计预测待钻水平井的储层顶底的埋深2791米，垂深2460米，储层真垂厚为5米，地层倾角为6°。
步骤2：根据实钻资料，与钻前预测进行对比，地层略有推后，修正后的储层埋深2820米，垂深2490米，垂厚5米，地层倾角8°；
步骤3：根据储层发育情况，确定着陆位置为储层内1.65～3.35米；
步骤4：根据地层倾角确定入靶井斜角为82°；
步骤5：定向工具与完井允许的最大全角变化率为18度/100米，附加系数取值0.89，确定入窗阶段所需要的全角变化率K为16度/100米；
步骤6：设定循环迭代计算的步长为0.1°；
步骤7：反算出揭开储层顶所需要的井斜角为74.1～76.4°。
施工过程中，采用实施例2计算得到的最大、最小井斜角，将井斜角控制在该范围内，从井深2800米、开始稳斜，持续以75°稳斜钻进至井深2840米、垂深2498米揭开储层顶部，着陆于储层内2.4米位置，确保了准确入窗。
表2 W6井入窗井斜角迭代计算参数表
项目 数值 单位 说明
井斜计算步长 0.1 ° 迭代计算的步长
地层倾角 8 ° 下倾为正，上倾为负
目标井斜 82 °
入窗全角变化率 16 °/100m
储层厚度 5 m
着陆于储层的最高位置 1/3 推荐取值为1/3
着陆于储层的最低位置 2/3 推荐取值为2/3
理论靶点距顶最小垂深 1.65 m
理论靶点距顶最大垂深 3.35 m
揭开储层顶需要的最大井斜 76.4 °
揭开储层顶需要的最小井斜 74.1 °
对比例
本对比例提供了一种现有技术的水平井入窗的井斜角计算方法，采用该方法应用于实施例2项目，具体细节如下：
按常规方法，不能提供井斜角的预测范围，根据预测的储层位置进行施工，将在井深2820米、垂深2490米位置井斜达到78°，但该深度距离储层位置还有8米以上的垂深，加上地层倾角下倾6度的影响，至井深2870米左右才能揭开储层顶，与实施例达到的误差约30米。
综上，本发明的井斜角计算方法，明确入窗阶段着陆位置、全角变化率等关键参数的确定原则，建立揭开储层顶所需要的井斜角范围的迭代计算方法，形成入窗阶段井斜角计算流程与方法。能在水平井施工过程中提供轨迹优化依据，明确入窗前需要的井斜角范围，指导钻井施工，降低施工风险，为水平井入窗的施工提供技术支持。
在本发明中的提到的任何数值，如果在任何最低值和任何最高值之间只是有两个单位的间隔，则包括从最低值到最高值的每次增加一个单位的所有值。例如，如果声明一种组分的量，或诸如温度、压力、时间等工艺变量的值为50-90，在本说明书中它的意思是具体列举了51-89、52-88……以及69-71以及70-71等数值。对于非整数的值，可以适当考虑以0.1、0.01、0.001或0.0001为一单位。这仅是一些特殊指明的例子。在本申请中，以相似方式，所列举的最低值和最高值之间的数值的所有可能组合都被认为已经公开。
应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。

Claims (8)

1.一种水平井入窗的井斜角计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据钻井地质设计和/或分析地震资料，得到待钻水平井的储层顶底的埋深H0′，储层厚度H′，地层倾角γ′；
步骤2：根据同一矿区的实钻资料，修正步骤1的数据，得到储层埋深H0、厚度H与地层倾角γ；
步骤3：根据储层发育情况，确定入靶着陆位置的深度范围；
步骤4：根据地震资料及多井对比预测地层倾角，确定入靶井斜角Inc；
步骤5：根据该井使用的定向工具最大全角变化率及后续完井作业允许的最大全角变化率，确定入窗阶段所需要的全角变化率K；
步骤6：设定循环计算的步长，基于储层埋深H0、厚度H、地层倾角γ、深度范围、入靶井斜角Inc和全角变化率K，采用循环迭代的计算方式，应用定向井轨道计算公式，反算揭开储层顶所需要的最大井斜角Inc1、最小井斜角Inc2；
步骤7：根据最大井斜角Inc1、最小井斜角Inc2，确定水平井入窗揭开储层顶所需要的井斜角范围Inc2～Inc1。
2.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述步骤1中，所述预测待钻水平井的储层顶底的埋深，通过包括常规地震剖面、波阻抗反演的技术获得。
3.根据权利要求1或2所述的计算方法，其特征在于，所述步骤2中，通过包括以下步骤的方法得到储层埋深H0、厚度H与地层倾角γ：将实钻资料与钻井地质设计和/或分析地震资料进行对比，根据实钻资料修正地震资料的时深关系，转换深度域地震剖面，修正待钻水平井的储层顶底的埋深H0′、储层厚度H′和地层倾角γ′，得到储层埋深H0、厚度H与地层倾角γ。
4.根据权利要求1-3任一项所述的计算方法，其特征在于，所述步骤3中，所述入靶着陆位置的深度范围包括着陆上限Ha1和着陆下限Ha2；
着陆上限设定为储层α1位置，设着陆上限的垂深为Ha1，
Ha1＝H0+α1×H
其中，Ha1为着陆垂深上限(m)；
α1为小于1的正数；
H为修正后的储层真垂厚(m)；
着陆下限设定为储层α2位置，设着陆下限的垂深为Ha2，
Ha2＝H0+α2×H
其中，Ha2为着陆垂深下限(m)；
H为储层真垂厚(m)；
α2为不小于α1且不大于1的正数。
5.根据权利要求1-4任一项所述的计算方法，其特征在于，所述步骤4中，所述入靶井斜角Inc是根据地震资料及多井对比地层倾角γ，设入靶井斜角为Inc，确定入靶井斜角，
Inc＝(90-γ)
其中，Inc为入靶井斜角，单位°；
γ为地层倾角(下倾为正数，上倾为负数)，单位°。
6.根据权利要求1-5任一项所述的计算方法，其特征在于，所述步骤5中，所述根据该井使用的定向工具最大全角变化率及后续完井作业允许的最大全角变化率，确定入窗阶段所需要的全角变化率K，选择定向工具最大全角变化率K工具、后续完井作业允许的最大全角变化率K完井的最小值，并乘以附加系数β，即
当K工具＞K完井时，K＝K完井×β
当K工具≤K完井时，K＝K工具×β
其中，K为水平井施工允许的最大全角变化率(°/100m)，
K工具为定向工具的最大全角变化率(°/100m)，
K完井为完井作业允许的最大全角变化率(°/100m)，
β为附加系数，不大于1的正数。
7.根据权利要求1-6任一项所述的计算方法，其特征在于，所述步骤6中，所述采用循环迭代的计算方式，各自独立地采用角平均法、校正角平均法、曲率半径法中的任意一种；得到最大井斜角为Inc1，最小井斜角为Inc2。
8.权利要求1-7任一项所述的计算方法，其特征在于，所述水平井入窗的井斜角计算方法在勘探定向及地质导向领域的应用。
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