水平井地震地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)及其在涪陵頁巖氣田的應(yīng)用

查樹貴,劉利平,廖 朋,吳娜珠,崔志恒,周從業(yè)

(1.中國石油化工股份有限公司江漢油田分公司物探研究院,湖北武漢430035;2.長江師范學(xué)院,重慶408100;3.中石化重慶涪陵頁巖氣勘探開發(fā)有限公司,重慶408100)

頁巖氣作為一種大規(guī)模低豐度連續(xù)成藏的非常規(guī)油氣資源,以吸附態(tài)和游離態(tài)賦存于暗色富有機質(zhì)泥頁巖層系中。相較常規(guī)油氣儲層,頁巖氣藏儲層孔隙度和滲透率極低,頁巖氣藏的采收率較大程度依賴于水平井鉆井和有效的壓裂改造。水平井可以大幅增加目標產(chǎn)層的泄油氣面積,提高油氣層的開采效率,與直井相比,其成本雖然提高了1～2倍,但產(chǎn)量卻增加了2～4倍[1-2]。水平井是實現(xiàn)薄層油氣、低滲透-致密油氣、稠油、頁巖氣等油氣藏高效開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

在水平井的鉆進過程中,地質(zhì)導(dǎo)向起著至關(guān)重要的作用,它綜合利用地質(zhì)、構(gòu)造、測井、測試等多種資料進行分析,尋找氣層最為有利的發(fā)育部位,以降低鉆井風險,提高鉆井的命中率[3],保障水平井的單井產(chǎn)能。早期的地質(zhì)導(dǎo)向主要依靠測錄井和構(gòu)造圖,并未引入地質(zhì)導(dǎo)向模型[4-5],客觀上受儀器精度、儀器盲區(qū)長度以及構(gòu)造圖精度影響較大,主觀上對操作人員的控制精度要求較高。近些年,地質(zhì)導(dǎo)向模型逐漸被引入[6-8],李一超等[6]和張德軍[7]的研究指出對不準確的鉆前模型,可以在實際導(dǎo)向中加以修正,但未提及修正方法;王理斌等[8]的研究提供了一種應(yīng)用Workflow模塊更新地質(zhì)模型的研究思路,其主要應(yīng)用于構(gòu)造簡單地區(qū)。而涪陵氣田(特別是焦石壩斷背斜以外區(qū)塊)構(gòu)造復(fù)雜,斷裂發(fā)育,水平井初始地質(zhì)導(dǎo)向模型往往與實鉆差異較大,這給涪陵頁巖氣田水平井軌跡跟蹤、調(diào)整與控制帶來了極大挑戰(zhàn)。為解決實鉆過程中初始地質(zhì)導(dǎo)向模型不準確的問題,本文提出了實時更新的速度場地震地質(zhì)導(dǎo)向模型修正思路,并形成了一套水平井地震地質(zhì)導(dǎo)向方法。

1 涪陵頁巖氣田概況

2012年11月,重慶涪陵焦石壩地區(qū)鉆探的JY1HF井獲得日產(chǎn)20多萬方的高產(chǎn)工業(yè)氣流,隨后部署實施的JY2井、JY3井和JY4井均獲中—高產(chǎn)天然氣流,自此拉開了涪陵千萬方級頁巖氣田開發(fā)的序幕[9-12]。如圖1所示,涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊在構(gòu)造上位于川東高陡褶皺帶的萬縣復(fù)向斜東南部,是川東、川南及鄂西斷褶帶等多個構(gòu)造單元的結(jié)合部[13-14],總體表現(xiàn)為隆凹相間的特征,具有東西分帶、南北分塊的特點。邊部構(gòu)造復(fù)雜,地層變形強烈;主體區(qū)塊局部微幅構(gòu)造發(fā)育,地層傾角變化較大。

圖1 涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊奧陶系五峰組(O3w)反射層構(gòu)造

涪陵焦石壩地區(qū)頁巖氣層為晚奧陶世五峰組(O3w)—早志留世龍馬溪組(S1l)下段地層,主要發(fā)育了一套暗色富有機質(zhì)泥頁巖,整體為深水陸棚沉積,平面分布穩(wěn)定,厚度變化不大。根據(jù)巖性、電性、物性、脆性、含氣性及地化特征,頁巖氣層段縱向上可細分為9個小層(圖2)。在目前涪陵頁巖氣田開發(fā)中,一般要求水平井在主力氣層(①～⑤小層,約38m)中部入靶,水平段在優(yōu)質(zhì)頁巖氣層(①～③小層,約20m)穿行。

圖2 JY1井-JY2井-JY3井-JY4井O3W—S1l地層對比

2 水平井地震地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)

地震地質(zhì)導(dǎo)向是綜合利用地質(zhì)、地震、鉆井、錄井、測井等多種數(shù)據(jù)信息,研究獲取井下實際地質(zhì)特征,并對鉆井軌跡進行實時跟蹤、調(diào)整與控制的一套技術(shù)。水平井地震地質(zhì)導(dǎo)向可分解為水平井著陸導(dǎo)向和水平段導(dǎo)向[8-9],主要包括入靶點深度預(yù)測與調(diào)整以及水平段井軌跡跟蹤與調(diào)整;前者確保鉆頭準確鉆進目的層,后者確保水平段在目的層中鉆進。

水平井地震地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)思路為:在水平井軌跡跟蹤調(diào)整過程中,首先開展地層特征及小層精細對比分析,弄清井眼軌跡穿遇的各套地層的地震及地質(zhì)特征;其次根據(jù)地質(zhì)分層數(shù)據(jù)與地震資料開展構(gòu)造精細研究;再次根據(jù)地層特征及構(gòu)造特征研究成果對靶點深度及地層產(chǎn)狀進行預(yù)測;最后緊密跟蹤鉆井動態(tài)資料,及時更新認識及相關(guān)數(shù)據(jù),滾動調(diào)整鉆井軌跡。

2.1 地層特征分析

地層特征分析在水平井地震地質(zhì)導(dǎo)向中具有重要作用。只有了解地層特征,才能更加準確地判斷鉆頭所處的位置,為速度場實時更新提供依據(jù)。涪陵焦石壩地區(qū)的地層特征分析主要包含兩個方面,即標志層特征分析以及近目的層與目的層的標志點特征分析。

2.1.1 標志層特征分析

涪陵焦石壩地區(qū)標志層主要包括二疊系龍?zhí)督M(P2l)、二疊系梁山組(P1l)、奧陶系五峰組(O3w)(圖3),輔助標準層有龍馬溪組中段(濁積砂巖段)。

二疊系龍?zhí)督M(P2l):巖性為灰黑色泥巖、灰色、深灰色灰?guī)r、生屑灰?guī)r互層,間夾薄煤層。上覆長興組與下伏的茅口組均為灰?guī)r。電性特征主要表現(xiàn)為高伽馬、高聲波時差、低密度等,底部地震反射表現(xiàn)為連續(xù)的波組強反射特征。

圖3 涪陵頁巖氣田標志層特征

二疊系梁山組(P1l):巖性為泥頁巖,上覆棲霞組地層巖性為灰?guī)r。電性特征主要表現(xiàn)為高伽馬、高聲波時差、低密度等,底部地震反射表現(xiàn)為連續(xù)的波組中強反射特征。

奧陶系五峰組(O3w):巖性為黑色碳質(zhì)頁巖,下伏地層巖性為灰?guī)r。電性特征主要表現(xiàn)為高伽馬、高聲波時差、低密度等,底部地震反射表現(xiàn)為連續(xù)的超強反射波組特征。

在一期產(chǎn)建區(qū)北部,志留系龍馬溪組濁積砂巖段也可作為輔助標準層。其巖性為含泥質(zhì)粉砂巖,上覆與下伏地層巖性均為泥巖。電性特征主要表現(xiàn)為低伽馬;頂部地震反射特征因所處區(qū)域的環(huán)境不同而差異明顯,北部表現(xiàn)為較連續(xù)的中強反射波組特征,南部部分區(qū)域表現(xiàn)為前積反射結(jié)構(gòu)特征,部分地區(qū)表現(xiàn)為斷續(xù)的弱反射或中強反射波組特征。

2.1.2 標志點特征分析

目的層與近目的層標志點是精準入靶的關(guān)鍵控制點,開展近目的層與目的層的小層特征精細對比,尋找區(qū)域普遍存在且特征較為明顯的特征點作為精準入靶的關(guān)鍵控制點。

涪陵頁巖氣田龍馬溪組中段—五峰組可確定B1,B2,…,B9共9個標志點,在隨鉆過程中,每個標志點伽馬值均存在的高、低峰特征(圖4)對井軌跡的控制起到了非常重要的作用。

2.2 構(gòu)造精細研究

受限于地震資料品質(zhì),水平井初始地質(zhì)導(dǎo)向模型往往精度不高,這給頁巖氣水平井精準入靶與高效穿行帶來了一定挑戰(zhàn)。為滿足涪陵頁巖氣田高效開發(fā)的要求,盡量減少鉆井停等時間,引入了速度場實時更新技術(shù),這給構(gòu)造圖的精細修編與地震資料的快速更新帶來了方便。

速度場實時更新即在高精度速度場的基礎(chǔ)上,不斷應(yīng)用實鉆標志層深度數(shù)據(jù)對原有的速度場進行更新與迭代,以獲取精度越來越高的速度場。在開展新一輪的速度場數(shù)據(jù)更新時,以上一次獲取的老速度場作為質(zhì)量控制,及時利用新一輪的實鉆標志層數(shù)據(jù)計算誤差趨勢面,并對初始速度場進行局部誤差校正,以提高局部速度的精度,進而更新全區(qū)三維速度場。在全區(qū)速度場實時更新完成之后,迅速利用新的速度場對時間域地震資料進行時深轉(zhuǎn)換,以獲取構(gòu)造形態(tài)更加逼近真實的地震地質(zhì)導(dǎo)向模型,及時為水平井地震地質(zhì)導(dǎo)向提供支持。

2.3 井眼軌跡跟蹤階段劃分

根據(jù)焦石壩地區(qū)地層特征及目的層深度,鉆井井深結(jié)構(gòu)劃分為3個開次,一開鉆至飛仙關(guān)組或長興組,二開鉆至龍馬溪組上段或中段,三開鉆至目的層(龍馬溪組下段—五峰組)。

結(jié)合鉆井開次、地層特征將整個水平井跟蹤調(diào)整劃分為入靶階段和水平段階段,入靶階段又可細分為:二開階段、三開入靶階段(圖5)。

2.3.1 二開階段

遠離目的層控制性調(diào)整,為三開提供更好的工程可操作條件,提高有效入靶概率。該階段主要有兩個控制點,一個為梁山組,另一個為二開結(jié)束點。

圖4 近目的層與目的層標志點特征

圖5 水平井跟蹤階段劃分

2.3.2 三開入靶階段

近目的層滾動式精準調(diào)整,主要為實現(xiàn)精準入靶。在標志點分析中提到近目的層與目的層有9個標志點,在該階段最重要的控制點有3個:一個為濁積砂段頂部砂巖條帶(B1),伽馬曲線上表現(xiàn)出非常明顯的低伽馬尖形態(tài);一個為⑧號層頂部的含灰質(zhì)泥巖條帶(B4),伽馬曲線上表現(xiàn)出較明顯且普遍存在的低伽馬尖形態(tài);一個為⑥號小層頂部的碳質(zhì)頁巖條帶(B6),伽馬曲線上表現(xiàn)出較明顯且普遍存在的高伽馬尖形態(tài)(圖4)。這3個清晰的標志點為近目的層的滾動調(diào)整提供了很好的控制點。

2.3.3 水平段階段

主要是根據(jù)已鉆水平段地質(zhì)特征計算的地層傾角分析井眼軌跡與地層的交切關(guān)系,結(jié)合地震資料品質(zhì)、構(gòu)造特征、地震偏移成像原理預(yù)測待鉆水平段地層產(chǎn)狀,為井眼軌跡實時調(diào)整提出合適的建議,保障水平井在優(yōu)質(zhì)氣層中的高效穿行。

2.4 入靶階段井眼軌跡跟蹤與調(diào)整

在跟蹤鉆井動態(tài)的同時,我們的構(gòu)造認識也在發(fā)生變化,這就需要對井眼軌跡設(shè)計進行調(diào)整,主要是對靶點進行調(diào)整。靶點調(diào)整主要包含靶點個數(shù)調(diào)整、靶點坐標調(diào)整和靶點深度調(diào)整。

靶點深度預(yù)測的準確性是保證精準入靶的核心要素。因為地震資料處理成果較多,預(yù)測方法較多,所以選擇合適的資料與預(yù)測方法才能得到更加準確的靶點深度。

就焦石壩地區(qū)的地震資料情況及鉆井動態(tài)情況歸納了以下5種靶點深度預(yù)測方法。

2.4.1 利用鄰井平均速度預(yù)測

在區(qū)域評價時期,因為缺少深度域地震資料,所以井控程度很低,將附近的導(dǎo)眼井的聲波測井資料或垂直地震剖面資料經(jīng)過人工合成轉(zhuǎn)換成地震記錄(地震道),用來精細標定層位,得到井區(qū)的時深曲線,然后結(jié)合時間域地震資料預(yù)測評價井的靶點深度。

2.4.2 利用區(qū)域?qū)铀俣阮A(yù)測

當正鉆井鉆遇目的層上部某標志層時,利用附近完鉆導(dǎo)眼井VSP資料或聲波測井資料,計算該標志層與目的層之間各層的層速度,然后結(jié)合該標志層與入靶點之間的時差,綜合計算入靶點深度。在完鉆井資料較少的地區(qū),該方法實用性較強。

2.4.3 變速成圖預(yù)測

在缺少深度域資料或者深度域資料井震誤差較大(前期成像處理時井控程度較低),且該區(qū)域目前井控程度較高時,一般采用變速成圖的方法來預(yù)測靶點深度,將構(gòu)造圖上讀取的深度與其他方法預(yù)測的結(jié)果相互佐證。在一期產(chǎn)建區(qū)及江東區(qū)塊主要應(yīng)用該方法對靶點深度進行預(yù)測與調(diào)整。

2.4.4 鄰井井震誤差法預(yù)測

該方法主要建立在深度域資料的基礎(chǔ)上,根據(jù)鄰井井震誤差以及區(qū)域的井震誤差趨勢來預(yù)測靶點深度,若實鉆點與預(yù)測點較近(水平距離300m以內(nèi)),則該方法預(yù)測結(jié)果較為準確,若實鉆點與預(yù)測點較遠(水平距離大于300m),一般會同時采用其它方法進行預(yù)測,再相互佐證。

2.4.5 地層等厚對比法預(yù)測

在鉆遇近目的層(龍馬溪組中段和下段上部)時,一般采取地層等厚對比來預(yù)測靶點深度,這需要開展鄰井的小層精細對比,根據(jù)鄰井的小層厚度,結(jié)合地震預(yù)測的井眼軌跡方向的地層產(chǎn)狀綜合預(yù)測靶點深度。隨著鉆頭往目地層逐步逼近,預(yù)測的精度不斷提高。以正鉆井鉆遇濁積砂(龍馬溪組中段)為例(圖6),正鉆井A靶點預(yù)測深度H2=H1+h±L1+L2(下傾為+,上傾為-),其中:H1為本井濁積砂底垂深;h為鄰井濁積砂底至氣頂垂厚;L1為本井濁積砂底至A靶點氣頂處垂差;L2為鄰井氣頂至氣中垂厚。

圖6 等厚對比法預(yù)測A靶點示意

該方法在附近有完鉆井、標志層特征明顯且地層厚度橫向分布穩(wěn)定的情況下,適用性較強,預(yù)測精度較高。

在鉆遇標志點B1～B6的過程中,綜合運用以上方法，緊密跟蹤，滾動預(yù)測，逐步縮小預(yù)測誤差。以平橋斷背斜北翼的W1井為例(圖7)，鉆遇B1時，預(yù)測A靶點氣層底垂深為3362m,鉆遇B6時,預(yù)測A靶點氣層底垂深為3349m，實鉆揭示A靶點氣層底垂深3345m。鉆頭從B1鉆至B6的過程中,設(shè)計深度與實鉆深度誤差由17m縮小至4m。

2.5 水平段階段井眼軌跡跟蹤與調(diào)整

2.5.1 軌跡控制原則

根據(jù)開發(fā)目的與地質(zhì)特征的不同,涪陵頁巖氣田主要目的層存在差異。以下部氣層(①～⑤號小層)為主體開發(fā)目標,平橋區(qū)塊優(yōu)質(zhì)層位為③號小層,其他區(qū)塊的優(yōu)質(zhì)層位為①～③號小層;以上部氣層(⑥～⑨小層)為評價目標,其優(yōu)質(zhì)層位為⑧號小層下部。

依據(jù)優(yōu)質(zhì)層位的縱向位置、厚度、隨鉆特征(伽馬、氣測、鉆時數(shù)據(jù))等不同,建立對應(yīng)的軌跡控制原則。開展小層精細對比,尋找優(yōu)質(zhì)氣層頂部與底部的特征點作為軌跡穿行窗口,并以優(yōu)質(zhì)氣層中部附近的特征點為軸,控制井眼軌跡繞軸穿行。

2.5.2 鉆頭位置確認

依據(jù)標志層特征分析,結(jié)合錄井巖性、氣測及鉆時數(shù)據(jù),開展小層精細對比研究,確定鉆頭所處的小層以及距該小層頂、底的距離。遇到實鉆情況與地震深度剖面差異較大時,需進行速度場更新及疊前時間域偏移地震資料轉(zhuǎn)換為深度域偏移地震資料。

圖7 W1井鉆遇B1時靶點深度預(yù)測

2.5.3 已鉆水平段地層視傾角(水平段方向)計算

依據(jù)隨鉆自然伽馬和標志層特征分析，推算實鉆地層產(chǎn)狀，再結(jié)合隨鉆測量數(shù)據(jù)(測深、垂深、井斜角、方位角)，判斷實鉆井眼軌跡與小層的相互交切關(guān)系。

水平段地層視傾角的計算有兩種算法：算法一是兩次鉆遇同一個特征點(圖8a)，直接根據(jù)水平位移s與垂差h計算該段地層的平均地層視傾角θ，該情況下算得的兩點之間的地層平均視傾角比較準確。算法二是從一個特征點鉆遇另一個特征點(圖8b)，此時計算地層傾角需要借助距離本井最近的直井地層鉛直厚度h1，再結(jié)合本井實鉆地層鉛直厚度h2及水平位移s計算該段地層的平均地層視傾角θ。在高陡構(gòu)造帶利用算法二計算視傾角，需要綜合考慮本井與導(dǎo)眼井所處的構(gòu)造位置、導(dǎo)眼井的地層真傾角、本井區(qū)地層真傾角及水平段方向的地層視傾角。不考慮地層真傾角，僅根據(jù)地層等厚推算得到的地層視傾角來指導(dǎo)鉆井，反而會影響導(dǎo)向技術(shù)的實施效果。

2.5.4 待鉆地層視傾角預(yù)測與軌跡調(diào)整

待鉆地層傾角預(yù)測方法如下:對比已鉆水平段地層視傾角與地震預(yù)測地層視傾角,分析本井的誤差情況;對井區(qū)附近的鄰井井震誤差進行分析,總結(jié)井區(qū)地層傾角誤差趨勢;綜合地震預(yù)測的地層視傾角與井震誤差趨勢對待鉆水平段地層視傾角進行預(yù)測。若待鉆水平段地層視傾角變化較大,則需要分段預(yù)測各小段的平均地層視傾角。

軌跡調(diào)整方法如下:在待鉆水平段地層傾角預(yù)測的基礎(chǔ)上,結(jié)合鉆頭所處的氣層位置(距優(yōu)質(zhì)氣層頂、底距離)以及實鉆軌跡與地層的交切關(guān)系,以控制井軌跡最大限度在優(yōu)質(zhì)頁巖氣層段穿行為原則,對井眼軌跡作出實時監(jiān)控與調(diào)整,引導(dǎo)定向施工。該過程主要有兩套預(yù)警機制:其一,若鉆頭位于氣層底部且處于向下伏地層鉆進的狀態(tài),則需要緊急預(yù)警,盡快增大井斜角,實現(xiàn)鉆頭向上覆地層鉆進(軌跡與地層夾角2°～5°,一方面保證井軌跡盡可能光滑,另一方面減小后續(xù)的降斜幅度),鉆頭回到氣層中部后,調(diào)整井斜至井軌跡與地層平行。其二,若鉆頭位于氣層頂部且處于向上覆地層鉆進的狀態(tài),則需要緊急預(yù)警,盡快減小井斜角,實現(xiàn)鉆頭向下伏地層鉆進(軌跡與地層夾角2°～5°,一方面保證井軌跡盡可能光滑,另一方面減小后續(xù)的增斜幅度),鉆頭回到氣層中部后,調(diào)整井斜至井軌跡與地層平行。

圖8 地層傾角計算示意a 算法一; b 算法二

3 應(yīng)用效果

涪陵頁巖氣田的開發(fā)中，開發(fā)井從平緩的箱狀背斜核部逐步實施到高陡構(gòu)造帶與斷裂帶附近，隨著地震地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)的建立與完善，水平井動態(tài)調(diào)整設(shè)計精度及優(yōu)質(zhì)氣層穿行效率逐年提高，該技術(shù)為氣田產(chǎn)能建設(shè)提供了強力支撐。靶點設(shè)計深度與實鉆深度誤差小于20m的井數(shù)超過了90%(圖9)，由圖10可見，各項指標逐年提高，優(yōu)質(zhì)層穿行比例從73.35%提高到了87.69%；主力氣層穿行比例從95.60%提高到了98.97%。

圖9 水平井地震地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)應(yīng)用前后靶點設(shè)計深度與實鉆深度誤差對比

圖10 2014—2017年優(yōu)質(zhì)氣層(a)和主力氣層(b)穿行比例

4 結(jié)論

1) 基于導(dǎo)向模型實時修正的水平井地震地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)包含地層特征研究、構(gòu)造特征研究、跟蹤檔案的建立、跟蹤階段的劃分、跟蹤模式及預(yù)警機制的建立、靶點深度預(yù)測方法總結(jié)、地層傾角預(yù)測方法總結(jié)、軌跡控制原則的建立、水平井地震地質(zhì)導(dǎo)向平臺的建設(shè)等。其中地層特征研究、構(gòu)造特征研究、井眼軌跡跟蹤制度、動態(tài)預(yù)測靶點深度是頁巖氣水平井地震地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2) 本文所述地震地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)有效地指導(dǎo)了頁巖氣水平井鉆井,為涪陵頁巖氣田的高效開發(fā)提供了保障。該技術(shù)具有很強的實用性,能夠簡單快捷地應(yīng)用于生產(chǎn),可推廣應(yīng)用于類似地區(qū)的頁巖氣開發(fā)。

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