塔中超深碳酸鹽巖儲(chǔ)層水平井軌跡優(yōu)化技術(shù)及應(yīng)用

王 平 潘文慶 李世銀 關(guān)寶珠 熊 昶 陳 雷

（ 中國(guó)石油塔里木油田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院 ）

0 引言

水平井是提高油氣井產(chǎn)能、高效開(kāi)發(fā)油氣藏的一個(gè)重要手段[1-3]。碳酸鹽巖油氣藏孔洞、洞穴及裂縫發(fā)育，儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，水平井可鉆探多條裂縫或多個(gè)縫洞系統(tǒng)增加井筒接觸面積和提高儲(chǔ)層鉆遇率，達(dá)到提產(chǎn)增效。前人對(duì)水平段的垂向位置、長(zhǎng)度、方位等優(yōu)化，井壁穩(wěn)定性及后期改造增產(chǎn)等進(jìn)行了大量研究[4-10]，認(rèn)為應(yīng)在精細(xì)構(gòu)造解釋和油藏描述的基礎(chǔ)上，綜合考慮油水界面、隔夾層分布、鉆井工藝和經(jīng)濟(jì)效益等多因素，采用數(shù)值模擬技術(shù)確定最優(yōu)垂向位置和最佳長(zhǎng)度。水平井井眼軌跡方向應(yīng)與最大水平主應(yīng)力呈一定夾角，避免沿著中間水平主應(yīng)力方向，且不同地應(yīng)力類型對(duì)水平井軌跡的井斜角、井眼方位角優(yōu)化設(shè)計(jì)具有很大影響。通過(guò)曲線擬合水平位移和儲(chǔ)層界面垂深，建立儲(chǔ)層界面預(yù)測(cè)模型，可以適用于構(gòu)造變化比較大的地層中的水平井地質(zhì)導(dǎo)向[11]。以波阻抗反演數(shù)據(jù)體為基礎(chǔ)，建立三維地應(yīng)力模型，進(jìn)而在三維空間上對(duì)水平井井眼軌跡進(jìn)行優(yōu)化，可以兼顧井壁穩(wěn)定性和后期儲(chǔ)層改造[12]。但縫洞型碳酸鹽巖儲(chǔ)層連續(xù)性差且天然裂縫發(fā)育，對(duì)水平井靶點(diǎn)的儲(chǔ)層頂面應(yīng)力場(chǎng)預(yù)測(cè)、裂縫多尺度預(yù)測(cè)等方面的研究相對(duì)不夠。

塔中碳酸鹽巖儲(chǔ)層具有埋藏深、儲(chǔ)集體規(guī)模小且分散等特征，適宜水平井開(kāi)發(fā)[5，10]。本文在認(rèn)識(shí)儲(chǔ)層發(fā)育規(guī)律和儲(chǔ)層地應(yīng)力特征的基礎(chǔ)上，根據(jù)塔中地區(qū)近幾年實(shí)鉆水平井的情況，總結(jié)了3項(xiàng)碳酸鹽巖儲(chǔ)層水平井軌跡優(yōu)化技術(shù)，并應(yīng)用于塔中地區(qū)某井區(qū)水平井的軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 地質(zhì)背景

塔中凝析氣田為超埋深（5000～7000m）復(fù)雜大型碳酸鹽巖油氣田，油氣藏主要分布在塔中I號(hào)破折帶及其以南的塔中北斜坡，主要開(kāi)發(fā)層系為奧陶系良里塔格組、一間房組和鷹山組[13-15]。東部試驗(yàn)區(qū)良里塔格組發(fā)育礁灘體，發(fā)育粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔和晶間溶孔，儲(chǔ)層類型主要為孔洞型和裂縫—孔洞型[16-18]；儲(chǔ)層在地震剖面上主要表現(xiàn)為弱的小串珠或強(qiáng)波谷中夾一弱波峰的響應(yīng)特征，宏觀上呈不規(guī)則的長(zhǎng)條帶狀分布。東部試驗(yàn)區(qū)試采證實(shí)，此類儲(chǔ)層利用直井開(kāi)發(fā)多為中低產(chǎn)井；水平井由于可以溝通多個(gè)縫洞系統(tǒng)提高單井控制儲(chǔ)量，且水體能量弱，多數(shù)為中高產(chǎn)井[3]。中西部一間房組、鷹山組發(fā)育層間巖溶儲(chǔ)層，以大型縫洞儲(chǔ)集空間為主，洞穴型、裂縫—孔洞型、裂縫型儲(chǔ)層均有不同程度發(fā)育[19-20]。針對(duì)此類儲(chǔ)層水平井鉆進(jìn)中，易鉆遇大型溶洞和裂縫發(fā)生嚴(yán)重工程異常難以繼續(xù)鉆進(jìn)的難題，提出了“穿頭皮”的軌跡優(yōu)化思路，即水平段與縫洞的垂向距離控制在10～20m，以防止發(fā)生井漏，又能保證完井酸化后溝通縫洞，取得了較好的開(kāi)發(fā)效果[5]。

2 水平井軌跡優(yōu)化技術(shù)

在水平井靶點(diǎn)確定的前提下，如何進(jìn)行水平井軌跡的優(yōu)化是水平井設(shè)計(jì)的關(guān)鍵工作。碳酸鹽巖儲(chǔ)層水平井軌跡優(yōu)化有3個(gè)基本原則：一是使水平井鉆遇更多的有效裂縫，以溝通更多的儲(chǔ)集空間和利于后期儲(chǔ)層改造；二是最大限度滿足鉆進(jìn)中井眼穩(wěn)定要求；三是保證井管匯順暢，為分段改造完井一體化管柱施工提供有利井眼條件。因此，水平井軌跡優(yōu)化的關(guān)鍵在于確定區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)分布和裂縫發(fā)育程度。

2.1 儲(chǔ)層鉆遇率綜合評(píng)價(jià)技術(shù)

水平井較直井的最大優(yōu)點(diǎn)是儲(chǔ)層鉆遇率高，因此，明確儲(chǔ)層發(fā)育的空間位置是水平井軌跡設(shè)計(jì)的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容?？p洞體內(nèi)部呈現(xiàn)多套儲(chǔ)層縱向分布特征，具有明顯的縱向非均質(zhì)性。塔中地區(qū)奧陶系目的層有利地震相多數(shù)表現(xiàn)為“一谷加一峰”的響應(yīng)特征，儲(chǔ)層的發(fā)育位置與波峰、波谷的振幅強(qiáng)弱相關(guān)：串珠狀地震相總能量越強(qiáng)，波峰和波谷振幅的比值越大，儲(chǔ)層越發(fā)育；波峰和波谷能量都很強(qiáng)時(shí)，對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)層也很發(fā)育，故利用峰谷能量指數(shù)可以預(yù)測(cè)儲(chǔ)層縱向發(fā)育位置[21]。

再結(jié)合靶點(diǎn)的平面分布，可以設(shè)計(jì)水平井軌跡。油田現(xiàn)場(chǎng)往往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取有利的儲(chǔ)層組合，沒(méi)有量的概念。針對(duì)此問(wèn)題，提出水平井地震儲(chǔ)層鉆遇指數(shù)H的概念，即鉆遇多個(gè)有效串珠長(zhǎng)度占水平段長(zhǎng)度的百分?jǐn)?shù)，其與串珠的峰谷能量指數(shù)、串珠長(zhǎng)度有關(guān)，見(jiàn)公式（1）、公式（2）[21]。

式中 H——水平井地震儲(chǔ)層鉆遇指數(shù)；

L——水平段長(zhǎng)度；

N——水平井鉆遇串珠個(gè)數(shù)；

Rn——第n個(gè)串珠的峰谷能量指數(shù)；

Ln——第n個(gè)串珠長(zhǎng)度；

Pn——第n個(gè)串珠波峰振幅值；

Tn——第n個(gè)串珠波谷振幅值。

在靶點(diǎn)周圍選取多個(gè)水平井軌跡，即在儲(chǔ)層發(fā)育區(qū)結(jié)合均方根振幅屬性、地震相及縫洞雕刻，根據(jù)儲(chǔ)層組合選取若干個(gè)水平井軌跡。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算水平井地震儲(chǔ)層鉆遇指數(shù)，定量評(píng)價(jià)每個(gè)水平井軌跡的綜合儲(chǔ)層鉆遇率。

2.2 儲(chǔ)層頂面應(yīng)力場(chǎng)預(yù)測(cè)技術(shù)

水平井軌跡設(shè)計(jì)考慮的另一個(gè)主要因素是現(xiàn)今主應(yīng)力方向，鉆井工程和儲(chǔ)層改造要求設(shè)計(jì)的水平井軌跡方位與主應(yīng)力方向有較大的夾角，需要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)主應(yīng)力的方向，以設(shè)計(jì)更有利的水平井軌跡。

地殼中或地球體內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)隨空間點(diǎn)的變化，稱為應(yīng)力場(chǎng)。應(yīng)力場(chǎng)預(yù)測(cè)從構(gòu)造力學(xué)出發(fā)，利用地層的構(gòu)造面、縱橫波速度、密度等，反演出地層的應(yīng)力場(chǎng)，包括地層面的曲率張量、變形張量和應(yīng)力場(chǎng)張量，從而得到主曲率、主應(yīng)變和主應(yīng)力。碳酸鹽巖儲(chǔ)層頂面應(yīng)力場(chǎng)預(yù)測(cè)主要是預(yù)測(cè)儲(chǔ)層頂面的主應(yīng)力方向和強(qiáng)度。根據(jù)前人的正演模型結(jié)果[21-24]，串珠狀地震相儲(chǔ)層頂界對(duì)應(yīng)于零相位之上，隨著縫洞體高度的增加，儲(chǔ)層頂部逐漸向最大波谷靠近，最終位于最大波谷處。因此，儲(chǔ)層頂?shù)木?xì)標(biāo)定較為關(guān)鍵。

先以儲(chǔ)層頂界作為控制層位，利用較為準(zhǔn)確的斷裂信息、速度信息進(jìn)行構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)分析，得到儲(chǔ)層頂面的主應(yīng)力方向和強(qiáng)度。在此基礎(chǔ)上，選取盲井對(duì)校正效果進(jìn)行驗(yàn)證，改進(jìn)預(yù)測(cè)精度。本次儲(chǔ)層應(yīng)力場(chǎng)預(yù)測(cè)技術(shù)是利用疊前地震彈性參數(shù)反演方法構(gòu)建精細(xì)的力學(xué)模型，疊合巖性、地震層位、斷裂、厚度等信息，使應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬更加合理，模擬結(jié)果的準(zhǔn)確率大大提高（圖1）。

圖1 儲(chǔ)層頂面應(yīng)力場(chǎng)預(yù)測(cè)流程Fig.1 Prediction process of reservoir top stress field

2.3 疊前疊后裂縫預(yù)測(cè)技術(shù)

水平井軌跡設(shè)計(jì)還需要考慮裂縫因素。裂縫是碳酸鹽巖油氣的儲(chǔ)集空間和流動(dòng)通道，地下裂縫的識(shí)別與預(yù)測(cè)對(duì)碳酸鹽巖油氣勘探具有重要的實(shí)踐價(jià)值。大斷裂控制整個(gè)裂縫發(fā)育帶，派生的小斷裂控制縫洞系統(tǒng)。斷裂（裂縫）級(jí)別各不相同，必須針對(duì)不同級(jí)別的裂縫，選取相應(yīng)的資料和預(yù)測(cè)方法。利用高精度三維地震資料，采用疊前疊后裂縫預(yù)測(cè)技術(shù)可以預(yù)測(cè)不同尺度的裂縫。

基于疊后地震數(shù)據(jù)，采用與地震相干技術(shù)相關(guān)的預(yù)測(cè)技術(shù)，可以進(jìn)行大尺度裂縫的預(yù)測(cè)和對(duì)比分析[25]。傾角邊緣裂縫檢測(cè)、螞蟻?zhàn)粉櫤颓鼠w等技術(shù)的預(yù)測(cè)結(jié)果能夠定性識(shí)別出大尺度裂縫。結(jié)合地質(zhì)認(rèn)識(shí)和斷裂發(fā)育特征，通過(guò)多屬性對(duì)比分析和約束控制優(yōu)選的預(yù)測(cè)結(jié)果，就能夠定量識(shí)別出大尺度裂縫。小尺度裂縫的預(yù)測(cè)則需要利用分方位疊前地震數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。利用地震資料疊前道集方位各向異性特征開(kāi)展高精度的疊前裂縫預(yù)測(cè)，既能預(yù)測(cè)出裂縫密度，也能預(yù)測(cè)出裂縫的方位和走向[26]，對(duì)裂縫帶的分布規(guī)律刻畫(huà)更為清晰，預(yù)測(cè)出的裂縫分布特征相對(duì)疊后裂縫預(yù)測(cè)更為精細(xì)，在塔中地區(qū)的應(yīng)用取得了較好的效果。

3 水平井軌跡優(yōu)化實(shí)例

綜合應(yīng)用以上3項(xiàng)技術(shù)，以Z16-H3井為例，優(yōu)化設(shè)計(jì)水平井軌跡。Z16-H3井是塔中西部中古15井區(qū)中古16斷裂帶上的一口水平井，處于古地貌高部位，井周發(fā)育多個(gè)優(yōu)勢(shì)地震相。如何有效優(yōu)化設(shè)計(jì)水平井軌跡是開(kāi)發(fā)中古16斷裂帶的關(guān)鍵，而靶點(diǎn)平面組合和靶點(diǎn)垂向優(yōu)化是水平井軌跡優(yōu)化的兩項(xiàng)主要工作。

3.1 靶點(diǎn)平面組合

為達(dá)到綜合評(píng)價(jià)的目的，首先對(duì)中古16斷裂帶附近的多個(gè)儲(chǔ)集體進(jìn)行篩選，剔除位置相對(duì)偏低的儲(chǔ)集體，對(duì)篩選出的儲(chǔ)集體的振幅、體積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并計(jì)算地震儲(chǔ)層鉆遇指數(shù)，優(yōu)選了4個(gè)靶點(diǎn)A、B、C及L（圖2a）。然后根據(jù)不同儲(chǔ)層組合設(shè)計(jì)出3個(gè)水平井軌跡①、②及③（圖2b—d），并進(jìn)行水平井軌跡的綜合評(píng)價(jià)。3個(gè)水平井軌跡的地震儲(chǔ)層鉆遇指數(shù)分別為6230、5240和7140。最后，結(jié)合裂縫、地應(yīng)力預(yù)測(cè)，驗(yàn)證水平井軌跡是否合適。由圖3a—c可見(jiàn)，軌跡③天然裂縫最為發(fā)育；天然裂縫力學(xué)預(yù)測(cè)模型（圖3d）顯示，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)楸逼?5°，設(shè)計(jì)井底方位上具有潛在力學(xué)活動(dòng)性的天然裂縫較發(fā)育。因此，優(yōu)選水平井軌跡③。

圖2 不同靶向地震剖面及地震相平面分布Fig.2 Targeted seismic sections and seismic facies distribution

圖3 多方法裂縫預(yù)測(cè)及主應(yīng)力預(yù)測(cè)Fig.3 Multi-method fracture prediction and principal stress prediction

3.2 靶點(diǎn)垂向優(yōu)化

在單井地震剖面調(diào)協(xié)響應(yīng)分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)地質(zhì)異常體15Hz、18Hz、20Hz、22Hz及 25Hz等5個(gè)頻率段的最大熵分頻處理，發(fā)現(xiàn)A靶點(diǎn)波峰、波谷能量拐點(diǎn)在22Hz，波峰波谷儲(chǔ)層均發(fā)育；B靶點(diǎn)波谷能量拐點(diǎn)為20Hz，儲(chǔ)層主要發(fā)育在波谷；L靶點(diǎn)波谷能量拐點(diǎn)在18Hz，儲(chǔ)層主要發(fā)育在波谷（圖4）。據(jù)此完成該井水平軌跡設(shè)計(jì)：軌跡方向?yàn)榻北睎|向，井深7605m，水平段長(zhǎng)894m（圖2d）。Z16-H3水平井軌跡穿越地震強(qiáng)反射及羽狀破碎帶，且附近裂縫發(fā)育，將鉆遇3套儲(chǔ)層，其中A靶點(diǎn)儲(chǔ)層最為發(fā)育。由于鄰井均在目的層鉆遇優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層并獲得高產(chǎn)，預(yù)測(cè)Z16-H3井將獲高產(chǎn)。

圖4 Z16-H3井鉆遇儲(chǔ)層分頻能量變化趨勢(shì)Fig.4 Trend of frequency-based energy in the reservoir in Well Z16-H3

3.3 鉆探實(shí)施效果

Z16-H3井完鉆井底垂深6252m，水平段長(zhǎng)度為973m，有效儲(chǔ)層鉆遇率為30.3%，酸壓投產(chǎn)，4mm油嘴，油壓42MPa，日產(chǎn)油78t，日產(chǎn)氣5×104m3。

利用水平井軌跡優(yōu)化技術(shù)，尤其是儲(chǔ)層頂面應(yīng)力場(chǎng)預(yù)測(cè)技術(shù)和裂縫預(yù)測(cè)技術(shù)，塔中西部完成了30余口水平井軌跡優(yōu)化工作，水平井段完成井占比由58%提高至75%，達(dá)到水平段設(shè)計(jì)長(zhǎng)度的完鉆井占比由55%提高至70%；近3年，平均有效儲(chǔ)層鉆遇率為35%，水平井平均初期日產(chǎn)油50t，日產(chǎn)氣6×104m3。

4 結(jié)論及建議

（1）通過(guò)優(yōu)選靶點(diǎn)，計(jì)算地震儲(chǔ)層鉆遇指數(shù)，指導(dǎo)水平井軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)的方位和縱向位置，提高了塔中地區(qū)碳酸鹽巖儲(chǔ)層水平井軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)的精度，水平井段完成井占比由提高至75%，水平井鉆井成功率85%以上，平均儲(chǔ)層鉆遇率為46.5%，實(shí)現(xiàn)了塔中氣田有效開(kāi)發(fā)。

（2）采用疊前地震彈性參數(shù)反演方法構(gòu)建精細(xì)的非均質(zhì)力學(xué)模型，利用速度場(chǎng)資料預(yù)測(cè)儲(chǔ)層段應(yīng)力場(chǎng)的主應(yīng)力方向和強(qiáng)度，提高了碳酸鹽巖儲(chǔ)層頂面的地應(yīng)力建模精度。

（3）疊前疊后裂縫預(yù)測(cè)技術(shù)可以識(shí)別不同級(jí)別的裂縫。疊前裂縫預(yù)測(cè)技術(shù)是裂縫預(yù)測(cè)的主要趨勢(shì)，但其對(duì)地震資料的質(zhì)量要求高，建議加強(qiáng)高密度、寬方位地震資料的采集與處理，為井位部署、連通性分析和水平井軌跡設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。