昭通頁巖氣示范區(qū)復雜地質(zhì)條件下的地質(zhì)導向技術(shù)

羅 鑫， 張樹東， 王云剛， 簡 利， 張德軍

(1川慶鉆探工程有限公司頁巖氣工程項目部 2中國石油集團測井有限公司西南分公司)

昭通頁巖氣示范區(qū)為多期多組構(gòu)造擠壓與走滑作用疊加與聯(lián)合的復向斜單元，構(gòu)造起伏較較大、斷層較發(fā)育[1-2]。

該區(qū)域?qū)崿F(xiàn)頁巖氣水平井地質(zhì)導向鉆井的難點在于：地質(zhì)上主要表現(xiàn)為箱體厚度較薄、構(gòu)造復雜、實鉆與地質(zhì)設(shè)計差異較大，微裂縫帶發(fā)育、部分井鉆遇小斷層；工程上難點在于井眼穩(wěn)定性差，鉆遇斷層或裂縫段易發(fā)生井漏?？v向上五峰組至龍一1各個小層在巖性、巖石結(jié)構(gòu)和頁理發(fā)育程度不同，形成了各個小層的巖石力學特征、脆性特征、巖石的各向異性、可鉆性以及井眼的穩(wěn)定性差異較大。弄清和掌握這些規(guī)律是優(yōu)化地質(zhì)導向鉆井方案的依據(jù)[3-5]。

在著陸前的增斜段，運用標志層逐步逼近方法，準確計算距離箱體頂部距離，預判鉆進構(gòu)造、地層變化規(guī)律，優(yōu)化調(diào)整鉆進方案，實現(xiàn)井軌跡平穩(wěn)著陸；水平段鉆進過程中，充分利用測錄井資料，實時分析井眼軌跡處于靶體的小層位置及井眼軌跡與地層的相切關(guān)系，預測鉆進方向構(gòu)造形態(tài)的變化趨勢，保持井眼軌跡在靶體內(nèi)平穩(wěn)鉆進[6-8]。

一、地質(zhì)特點

1. 構(gòu)造特征

昭通頁巖氣示范區(qū)志留系～寒武系主體為形成于華南加里東造山帶控制并閉塞的北前陸盆地帶，屬于滯流盆地的缺氧沉積環(huán)境的黑色頁巖，構(gòu)造特征與地面構(gòu)造基本相同，具有很強的繼承性和相似性，表現(xiàn)為強烈的壓性構(gòu)造特征，呈現(xiàn)為“背斜帶平緩寬闊、向斜陡峭狹窄”的隔槽式褶皺形變帶，屬于侏羅山式褶皺模式。龍馬溪組地層厚度呈由西南向東北逐漸增厚的趨勢，主要在240～320 m內(nèi)變化。龍馬溪組地層主要為灰黑色粉砂質(zhì)頁巖、炭質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖夾泥質(zhì)粉砂巖；上覆石牛欄組，巖性為深灰色條帶狀粉砂質(zhì)泥巖夾灰?guī)r條帶；下伏奧陶系五峰組，巖性為灰黑色頁巖及薄層粉砂巖。

2. 箱體特征

表1 區(qū)域龍一1小層厚度對比表

二、地質(zhì)導向關(guān)鍵技術(shù)與鉆前建模

1.地層視傾角計算

地層視傾角計算就是分析井眼軌跡與地層的相切關(guān)系[9-11]，并預測鉆頭前方地層與傾角變化趨勢，為實時決策提供依據(jù)。近鉆頭方位伽馬測井資料結(jié)合巖屑元素錄井和伽馬能譜資料能夠判斷井眼軌跡所處層位，使用上下伽馬/伽馬成像能夠準確計算地層視傾角的公式如式(1)和式(2)，在現(xiàn)場中一般兩種方法互相結(jié)合，判斷井眼軌跡上切或下切地層。

θ=arctana+2×b)×π/c×180°

(1)

式中：θ—地層視傾角，°；a—鉆頭直徑，m；b—儀器探測深度，m；c—井筒切割層界面距離，m。

α=arctan(De/ΔD)+I-90°

(2)

式中：α—地層視傾角,°；De—井徑，m；ΔD—上、下方位伽馬數(shù)值變化點之間的距離，m；I—井斜角，°。

2.井震結(jié)合地質(zhì)概念建模

區(qū)域上地質(zhì)條件、構(gòu)造背景和儲層物征及分布狀況的清楚認識和準確把握，是進行水平井井眼軌跡設(shè)計和地質(zhì)導向的基礎(chǔ)。測井資料具有很高的縱向分辨率，但只能反映一些“點”的地層特征，橫向上難以反映出構(gòu)造變化趨勢；三維地震資料在橫向上資料點密集，具有很高的分辨率。因此，測井結(jié)合地震，利用地震資料的橫向約束，測井資料的垂向控制，建立地質(zhì)導向鉆前模型，構(gòu)建的鉆前地質(zhì)模型能夠比較真實的反映地下構(gòu)造狀況[13-14]。

運用已鉆井測井資料，對地層與儲層進行小層劃分，獲取地層巖性及組合特征、縱向物性特征、橫向分布特征，建立標準的地層和儲層的巖性與電性剖面。選取標準井建立地層層序模型：巖性組合、厚度、測井響應特征序列等，用于地層的識別、對比和地層層序的確定。

地質(zhì)層位在地震反射軸上的精確標定是連接井震結(jié)合建模的橋梁，是應用地震資料進行構(gòu)造解釋和儲層預測的基礎(chǔ)。層位標定首先要立足與地震波組、地質(zhì)標志層特征一致性分析及速度分析，通過制作合成記錄進行精細標定。井震結(jié)合建立構(gòu)造模型主要步驟為：①井間地層對比；②子波提??；③層位標定；④層位追蹤解釋；⑤時深轉(zhuǎn)換；⑥建立構(gòu)造模型。

由構(gòu)造模型進一步建立地質(zhì)屬性模型，以地質(zhì)統(tǒng)計學理論為基礎(chǔ)，利用克里金方法的插值和外推功能，求出符合地質(zhì)規(guī)律的地質(zhì)統(tǒng)計模型，來表征地質(zhì)屬性的變化規(guī)律。在昭通頁巖氣示范區(qū)水平井地質(zhì)導向鉆井使用的隨鉆測井曲線為自然伽馬曲線，因此建立自然伽馬屬性模型。

由構(gòu)造模型和地質(zhì)屬性模型在水平井的鉆進方向切片從而獲得目標井鉆進方向構(gòu)造特征，目的層的埋深、厚度、自然伽馬曲線等參數(shù)，優(yōu)化設(shè)計鉆進軌跡方案。

測井結(jié)合地震在頁巖氣地質(zhì)導向中得到應用的一個典型例子是以三維地震資料為基礎(chǔ)、以螞蟻追蹤技術(shù)追蹤的地震異?！拔浵侒w”為中尺度裂縫的主要指示，井震結(jié)合描述小尺度裂縫，在三維地質(zhì)建模的基礎(chǔ)上，對該區(qū)域發(fā)育的3 類尺度(大尺度、中尺度和小尺度)的斷層、天然裂縫進行多尺度裂縫系統(tǒng)表征和建模。螞蟻追蹤算法利用螞蟻覓食原理(螞蟻覓食總是重復最短路徑)，對傳統(tǒng)邊緣檢測或不連續(xù)性檢測的數(shù)據(jù)體(如地震方差體、混沌體等)進行斷裂特征增強，并壓制虛假斷裂信息。地震 “螞蟻體”異常反映了地震數(shù)據(jù)的不連續(xù)性，指示可能的中等尺度裂縫。

3.平臺已鉆井構(gòu)建鉆前地質(zhì)模型

昭通頁巖氣示范區(qū)由于構(gòu)造復雜，且斷層較發(fā)育，地震資料拾取的地層傾角往往與實鉆結(jié)果有較大差異[15-16]。平臺井可以通過本平臺已鉆井資料構(gòu)建后續(xù)井的構(gòu)造模型，相對于井震結(jié)合建立的地質(zhì)模型，因同屬于一個平臺，距離近(井間距400m)，由實鉆井資料建立的構(gòu)造模型更精確可靠。

三、實時地質(zhì)導向

1. 著陸導向

著陸導向的最大風險是預測的埋深與實鉆差異較大，易出現(xiàn)難以著陸或提前著陸，造成著陸段井軌跡的復雜，產(chǎn)生這些現(xiàn)象的主要原因是實鉆過程可能鉆遇小斷層、地層傾角與地震資料解釋存在差異或者地層厚度發(fā)生變化，所有的這些變化都歸結(jié)為入靶點深度加深或者變淺。

著陸導向過程中采用逐步逼近方法，通過設(shè)立地質(zhì)和電性穩(wěn)定的標志層或特征點開展精細小層對比，判斷鉆頭在地層中的位置，計算地層層位厚度變化情況，以此為依據(jù)計算出地層視傾角，分析地層及構(gòu)造異常與否，按照此方法從上至下的順序及時跟蹤，實時分析，通過全過程建模不斷優(yōu)化調(diào)整井軌跡，將井斜的控制數(shù)值分配到各個標志層(點)，越是逼近靶體，井斜控制容許垂深誤差越小，在導向過程中，通過各個標志層的對比，及時計算距離靶體頂部垂厚，逐步逼近，從而保證井眼軌跡以最優(yōu)姿態(tài)進入靶體。

2. 水平段導向

水平段地質(zhì)導向的核心是準確判斷井眼軌跡處于靶體的位置以及井眼軌跡與地層的相切關(guān)系，并預測鉆頭前方地層與傾角變化趨勢，為實時決策提供依據(jù)。依據(jù)實鉆的巖屑錄井、隨鉆測井等信息實時分析與對比，解釋鉆進層位、地層傾角、軌跡狀態(tài)(上切與下切)，制定下步方案。

技術(shù)方法包括小層識別、傾角計算、構(gòu)造重構(gòu)、構(gòu)造與儲層預測。其工作流程包括“分析-判斷-計算-風險預測-方案制定-驗證”，通過對實鉆資料與設(shè)計模型的對比分析，結(jié)合錄井、工程參數(shù)，準確判斷井眼軌跡與地層的相切關(guān)系(上切或下切)，計算地層和構(gòu)造的相關(guān)參數(shù)，對鉆頭前方的構(gòu)造和儲層變化趨勢進行預測，重新建模并制定鉆進方案，通過實鉆資料檢驗和調(diào)整，實現(xiàn)水平井實時導向的目的。在鉆進過程中的地質(zhì)與工程風險進行預測與分析，制定預防措施，實現(xiàn)安全、高效鉆進的目的。風險預測包括構(gòu)造風險、埋深風險、垮塌風險、井漏風險、工具風險等。

四、實例分析

昭通紫金壩區(qū)塊某平臺布置上半支3口井，其中，1井和2井已經(jīng)完鉆，根據(jù)1井、2井實鉆結(jié)果,沿井軌跡方向計算地層傾角，預測3井水平段地層傾角情況：著陸段較陡，傾角由大變小；水平段較平緩，前半段地層下傾14°～10.5°，中部段地層下傾9.0°～7.5°，后半段地層下傾6.0°～5.0°，水平段整體為略具小起伏構(gòu)造。另外，地震剖面上，3井設(shè)計A點相對1井設(shè)計A點深20m，相對于2井淺10m，結(jié)合1井(2 376m)、2井(2 432m)實鉆深度，預測本井A靶點垂深2 435m。

根據(jù)1井、2井實鉆及地震資料分析，在著陸段地層傾角變化較大，由于傾角的變化就會造成A靶點垂深的變化，因此難以準確預測A靶點垂深，造成著陸難度增大。為了能夠順利著陸，采用分層控制井斜的方法，具體每層中井斜控制大小。 在導向過程中，根據(jù)實際鉆遇情況，分析地層傾角的變化情況，根據(jù)實鉆分析的地層傾角大小與預計的地層傾角差異的大小，對井斜控制的范圍作適當調(diào)整。

本平臺箱體龍一12小層內(nèi)自然伽馬有一定起伏，特征比較明顯。軌跡控制區(qū)域:上切時軌跡至箱頂不超過自然伽馬200API對應點以上，下切時軌跡不超過自然伽馬180API對應位置以下，以確保軌跡在箱體中穿行。根據(jù)1井、2井實鉆結(jié)果，在箱體中距箱底2.5 ～3m范圍鉆速較慢，5～6m/h。因此在實際導向過程中盡量使軌跡沿箱體中上部鉆進。

在實際導向過程中，由于隨鉆伽馬與電測伽馬存在較大的系統(tǒng)誤差，要根據(jù)隨鉆儀器在上部地層測得的自然伽馬曲線與鄰井伽馬曲線作相關(guān)對比分析，以確定隨鉆伽馬曲線在箱體中軌跡控制區(qū)域內(nèi)伽馬值對應的區(qū)間，水平段軌跡控制區(qū)間。

五、結(jié)論

該技術(shù)方法在昭通頁巖氣示范區(qū)多個平臺進行了推廣應用，取得了明顯的效果。平臺第一口井控制軌跡在箱體中穿行，確保箱體鉆遇率，軌跡調(diào)整平緩、均勻以保證軌跡平滑；水平段鉆進過程中，分析軌跡在箱體中不同位置的鉆井和地質(zhì)參數(shù)，逐步篩選出可鉆性好的小層，總結(jié)軌跡控制方法；平臺后續(xù)井進一步摸索地質(zhì)情況和優(yōu)質(zhì)頁巖儲層展布規(guī)律，優(yōu)化地質(zhì)模型，提高地質(zhì)導向決策指令質(zhì)量，預測預判地質(zhì)復雜，降低工程風險，確保頁巖氣優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇率和井筒完整性。

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