地层动态倾角分析法在沁水盆地煤层气水平井地质导向中的应用

0 引 言

沁水盆地位于华北板块中部山西断块的东南侧,是由断块差异性抬升形成的山间断陷盆地。盆地煤系地层发育,含煤较厚,煤阶高,煤层气成藏地质条件优越,是我国重要的煤层气产地,其主要产层为山西组3^#煤层和太原组15^#煤层,厚度均为4.00~6.00 m。该地区地质构造情况复杂,煤层的横向非均质性强,水平井钻进过程中,很难判断钻头在煤层中的位置,容易造成出层,从而浪费钻井时效,降低煤层泄露面积,影响水平井产能。通过对该地区地质特征的研究和现场随钻伽马、综合录井数据的运用^[1],依据标志层、目的层的响应特征,采用地层动态倾角分析法能够有效判断钻头在煤层中的位置,及时调整轨迹,提高煤层钻遇率,提高煤层气开采效率。

1 区域概况

1.1 沁水盆地构造特征

沁水盆地整体为宽缓复式向斜,主向斜走向北北东向,东西两翼平均倾角分别为4.2°和4.0°,盆地南、北两端稍宽,中部略窄。盆地内褶皱为平行褶皱,且多数为典型的长轴线性褶皱。盆地内的背斜、向斜在分布上具有一定的等间距性。其背斜翼部的地层倾角基本小于10°,盆地内大型断层不十分发育,但小规模的断裂构造却广泛分布^[2,3]。研究区位于沁水盆地南部,多属于短轴背斜,背斜翼部倾角4°~7°,由于这些圈闭多位于单斜背景下的挠曲带上,表现出复向斜一侧较陡,近隆起一侧较缓^[4]。

1.2 沁水盆地含煤地层概况

沁水盆地在二叠纪、石炭纪分别发生海退和海侵,形成了较厚的含煤地层,主要含煤地层为下二叠统山西组和上石炭统太原组^[5,6]。山西组为三角洲平原相沉积体系,由深灰色泥岩、灰黑色炭质泥岩、灰白色细砂岩和黑色煤组成;山西组发育有3套煤层,1^#煤层、2^#煤层在全区范围内发育不稳定,3^#煤层发育最为稳定,厚度在4.00~6.00 m。太原组为陆表海多堡岛和碳酸盐岩台地复合沉积体系,由灰白色细砂岩、灰黑色泥岩、灰色灰岩、黑色煤组成;太原组含12套煤层,不同地区煤的发育状况不同,其中15^#煤层在全区最为稳定,是主力煤层之一,厚度在4.00~6.00 m^[7,8,9]。

1.3 沁水盆地煤气水平井开发难点

沁水盆地水平井的水平段长度一般在600.00~800.00 m。在开发区块中,地层具有褶曲发育,煤层的地层倾角、厚度、深度等变化无特定规律,着陆困难、水平段追踪难度大等特征。由于煤层的纵向非均质性,其内部自然伽马波动区间大,并且在不同地区,同一类型煤矸自然伽马水平非均质性较强。这些地质特征严重干扰了施工人员对钻头位置的判断。

2 地质导向技术

地质导向技术在水平井中的应用是基于地质研究的方法,运用动态思维控制轨迹着陆和水平段井眼轨迹。结合沁水盆地煤层气水平井的实钻特点,掌握着陆前的轨迹控制和水平段钻进过程中钻头在煤层的位置十分关键^[10]。

2.1 着陆前井眼轨迹控制

根据邻井资料、区域构造和地震资料预测该地区的地层倾角,建立该井的地质模型。在实钻过程中,依据标志层的随钻伽马、综合录井参数响应特征,认真卡取各标志层并进行地层对比,及时调整井眼轨迹,确保顺利着陆于目的层。

2.2 水平段井眼轨迹控制

在水平段钻进中,提前预测地层的变化趋势非常重要。通过预测地层倾角,控制井斜,减小角差,可以保障钻头在煤中穿行,提高煤层钻遇率。但是,在该地区由于褶曲发育,地层倾角变化难测,如何准确预测地层倾角成为地质导向作业的重点。现场根据随钻伽马和钻时、全烃等综合录井参数,采用“地层动态倾角分析法”判断地层倾角。

通过煤剖面分析可知,煤层分为煤和煤矸。煤的自然伽马低,一般在45~80 API,煤矸由于混杂有无机质,其自然伽马较高,一般在80~150 API。根据随钻伽马,可以将煤层中特征明显的煤和煤矸区别开来。虽然煤层纵向非均质性较强,但同一层原生沉积的煤矸在小范围是稳定存在的,可以作为地层对比的标志。因此,可以根据井眼轨迹穿越同一煤矸的同一界面来计算煤的地层倾角(图1)。

假设煤矸的厚度在煤中是稳定存在的。从图1中可以看出,穿过煤矸同一界面的点为B点和C点,A点和D点。根据B点和C点各自的垂深、投影位移数据,可以算出垂深差(ΔH)和投影位移差(ΔL),根据 tanα=ΔH/ΔL,可以计算出该段地层的平均地层倾角α。由于地层的变化频繁,在小范围内计算求出的地层倾角是符合地层实际情况的。

2.3 顶板出层、底板出层判断

在实钻过程中,由于随钻伽马比钻头滞后8 m,不能及时反映钻头在煤中的情况,需要根据钻时、全烃、随钻伽马和岩性等参数进行综合分析,判断钻头是否出层。根据顶、底板和煤的可钻性及岩屑的不同,可以判断顶、底板出层情况。钻时作为首要判断依据,同时还可以根据钻头在煤中的位置和随钻伽马的组合特征综合判断钻头顶板出层还是底板出层。

3 应用情况

3.1 煤层中标志层的综合判识

该地区的主要目的层之一为上石炭统太原组的15^#煤层。由于3^#煤层与15^#煤层之间沉积体厚度波动较大,根据3^#煤层来预测15^#煤层深度的准确性就会降低。因此,应当在3^#煤层与15^#煤层之间的沉积体中寻找其他标志层,通过逐层对比,提高预测15^#煤层的准确性,确保顺利着陆。

对比邻井FSU 1V、FSU 2V、FSU 3V井的数据发现,在3^#煤层与15^#煤层之间广泛发育K₅、K₃、K₂3套灰岩(表1、表2、表3),在砂泥岩剖面中这几套灰岩标志层岩性特征明显,随钻伽马低,易于识别。

通过上述统计分析可知:3^#煤层、K₅灰岩、K₃灰岩、K₂灰岩、15^#煤层发育比较稳定,其中:3^#煤层厚度在5.00~6.50 m,K₅灰岩厚度在1.40 ~2.00 m,K₃灰岩厚度在3.00~4.50 m,K₂灰岩厚度在10.00~11.00 m,15^#煤层厚度在5.00 ~6.60 m;3^#煤底距K₅灰岩顶厚度在8.41~13.19 m,K₅灰岩底部距K₃灰岩顶部厚度在52.85 ~57.03 m,K₃灰岩底部距K₂灰岩顶部厚度在5.18 ~7.71 m。

3^#煤层、K₅灰岩、K₃灰岩、K₂灰岩的综合响应特征如下:3^#煤层厚度在5.00 m左右,钻时较小(复合钻时1.0~2.0 min/m),自然伽马小(30~60 API),全烃值高(14.34%~20.16%);K₅灰岩与其下部的煤线组成了标准的岩石组合,K₃灰岩与其下部的煤线组成了标准的岩石组合,其组合参数特征明显,具体表现在钻时先变大、后变小(钻时4.8 ~31.3 min/m),全烃值先小、后变大(0.16%~22.26%),自然伽马先小、后变大且呈指尖状(30~120 API);K₂灰岩,其响应特征为钻时大(定向约30.0 min/m),全烃值低(14.34%~20.16%),自然伽马低(25~35 API),该套灰岩位于目的煤层的顶部(顶板),具有重要的刻度意义。

对标志层进行随钻伽马、综合录井参数(钻时、全烃)响应特征的分析和标定,是进行地层精细对比,确保井眼轨迹顺利着陆的关键。

3.2 煤层内剖面分析

由于沉积环境的不同,在泥炭堆积过程中,常常混杂有无机质。这些无机质和有机质混杂,在成岩过程中逐渐形成煤矸,这些同期形成的煤矸在小范围内可以作为煤层内部对比的标志。因此,对目的煤层剖面进行详细的划分、描述,有利于煤层内部小单元的对比,为在水平井钻进中确定钻头在煤层中的位置,进行水平追踪提供了良好的参考。

上石炭统太原组15^#煤层形成于陆表海多堡岛和碳酸盐岩台地复合沉积体系。其顶板岩性为灰黑色灰岩,渗透性小,对煤的封隔性好;底板岩性为灰黑色泥岩,对煤的封隔性较差。 在FSU 2V井地区,15^#煤层被分成顶煤、中矸、底煤、底矸4部分(图2)。

FSU 2V井15^#煤层深度为612.60 ~617.60 m,煤层厚度为5.00 m。由于15^#煤层顶、底板岩性不同(图2),使得它们在钻时和随钻伽马上有明显的差异性。顶板灰岩钻时大,复合钻钻时在20.0~26.0 min/m,全烃值降为基值,自然伽马介于92.0~143.0 API。底板泥岩钻时大于煤却小于灰岩,复合钻钻时在6.0~8.0 min/m,全烃值降为基值,自然伽马介于143.4~361.2 API。这是辨别井眼轨迹从顶板出层还是底板出层的一个重要参照依据。

3.3 水平段井眼轨迹控制

该地区邻井资料较少,只能通过目的煤层内剖面分析,细化分层,通过井眼轨迹在水平段不同位置穿过同一标志层来计算地层倾角,为水平段井眼轨迹控制提供有力的依据。

FSU 2H井在水平段钻进中使用“地层动态倾角法”指导施工。该井在井深743.00 m处进入目的煤层。井段950.00~953.00 m,钻时14.2 ~36.1 min/m,自然伽马最大值为75 API,呈尖刺状,全烃为2.58%~4.69%。综合分析判断钻遇顶板泥质灰岩(图3),相当于图2中612.00~612.60 m井段。井深743.00 m和井深953.00 m均钻遇煤层顶界,根据公式 tanα=ΔH/ΔL计算地层倾角为下倾1.63°(表4)。

当钻至井深1 174.00 m时,钻时变大,由1 173.00 m处的2.6 min/m变为1 174.00 m处的4.0 min/m,全烃由1 175.00 m处的25.220%下降为1 176.00 m处的13.750%,自然伽马逐渐变大,最大值为100 API,呈刀状。综合判定钻遇煤层底矸。当钻至井深1 240.00 m时,钻时变大,由1 239.00 m处的1.4 min/m变为1 240.00 m处的2.7 min/m,全烃由1 240.00 m处的35.420%下降为1 241.00 m处的14.690%,自然伽马由1 235.00 m处的40 API上升至120 API。根据标志模型及标志层响应特征综合判定钻遇煤层底矸。由于井深1 174.00 m和井深1 240.00 m处均钻穿同一界面,根据“地层动态倾角法”计算得出地层倾角为上倾1.61°(表4)。

在FSU 2H井水平段施工过程中,通过采用“地层动态倾角分析法”取得了良好的效果,有效地提高了煤层钻遇率。

4 结 论

通过对沁水盆地煤层地质特征及现场导向方法的深入研究,得出了以下4点认识:

(1)在目的煤层之上对各标志层的随钻伽马、钻时、全烃等参数特征进行标定,对地层对比、水平井着陆具有重要意义。

(2)对煤层内剖面进行精细划分,并进行随钻伽马标定,为水平段确定钻头在煤层中的位置提供参考依据。

(3)在该地区水平段施工过程中要采用“地层动态倾角分析”的方法来计算地层倾角,及时调整井眼轨迹,最大限度地追踪煤层。

(4)采用钻时、全烃、岩屑和随钻伽马等参数,结合钻头在煤中的位置判断井眼轨迹是顶板出层还是底板出层是切实可行的。

The authors have declared that no competing interests exist.

---

参考文献

文献选项

• 原文顺序
• 文献年度倒序
• 文中引用次数倒序
• 被引期刊影响因子

[1]	王恩树,贾世亮. 煤层气录井方法的分析及应用 [J]. 录井工程,1998,9(4):61-66. [本文引用: 1]
[2]	赵伟伟. 沁水盆地南部地质条件及其煤层气成藏优势分析 [J]. 中国煤炭地质,2009,21(增刊1):19-21. [本文引用: 1]
[3]	琚宜文,侯泉林,范俊佳. 沁水盆地构造演化与煤层气成藏条件 [J]. 矿物岩石地球化学通报,2008,27(增刊1):77-78. [本文引用: 1]
[4]	梁宏斌,张璐,刘建军,等. 沁水盆地樊庄区块构造对煤层气富集的控制作用 [J]. 山东大学自然科学志,2012,31(1):1-9. [本文引用: 1]
[5]	邵龙义,肖正辉,何志平,等. 晋东南沁水盆地石炭二叠纪含煤岩系古地理及聚煤作用研究 [J]. 古地理学报,2006,8(1):43-52. [本文引用: 1]
[6]	程保洲,王海生,张玉年. 山西省晚古生代含煤地层沉积环境及聚煤规律 [J]. 山西地质,1990,5(4):319-332. [本文引用: 1]
[7]	贾建称. 沁水盆地晚古生代含煤沉积体系及其控气作用 [J]. 地球科学与环境学报,2007,29(4):374-382. [本文引用: 1]
[8]	李增学,余继峰,王明镇,等. 沁水盆地煤地质与煤层气聚集单元特征研究 [J]. 山东科技大学学报(自然科学版), 2005,24(1):8-13. [本文引用: 1]
[9]	任海英. 沁水煤田晋城矿区煤层的沉积环境与煤层气 [J].煤矿现代化,2004(6):18-19. [本文引用: 1]
[10]	王昌早. LWD模拟优化地质导向 [J]. 测井技术信息,2003,16(1):56-62. [本文引用: 1]