長慶某區(qū)塊長63大斜度井鉆井地質(zhì)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)化

鄭 楊

(中國石油長城鉆探錄井公司地質(zhì)設(shè)計中心)

0 引 言

經(jīng)過多年的實踐，常規(guī)定向井(最大井斜角小于30°的定向井)鉆井地質(zhì)設(shè)計技術(shù)已經(jīng)在長慶油田勘探開發(fā)應(yīng)用中趨于成熟。2018年，長慶油田在長慶某區(qū)塊部署了一批大斜度井(最大井斜角為60°～86°的定向井)，以提高單井產(chǎn)量和產(chǎn)能建設(shè)效益。為了適應(yīng)新的市場需求和滿足施工需要，針對長慶某區(qū)塊長63目的層的地質(zhì)特點，結(jié)合大斜度井的工程要求，在單井設(shè)計中，重點針對地層預(yù)測、地層壓力預(yù)測[1-2]兩項關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行科學(xué)優(yōu)化[3-4]，以便更好地指導(dǎo)工程施工，減少風(fēng)險，合理制定施工措施，使之更切合實際、更具可操作性，從而保障勘探開發(fā)效益。

1 優(yōu)化地層預(yù)測技術(shù)

常規(guī)定向井地質(zhì)設(shè)計的地層預(yù)測內(nèi)容主要有地層分層、地層巖性剖面和油氣層預(yù)測。針對大斜度井的工程和地質(zhì)特點，設(shè)計中對地層預(yù)測技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，主要優(yōu)化過程為：充分分析已有地質(zhì)資料，針對大斜度井的工程特點，結(jié)合定向井單考核靶點和水平井多考核靶點軌跡特征，制定“三靶點”軌跡，即A靶點(首靶點)、C靶點(末靶點)和B靶點(中心靶點)，保證入窗井斜角在60°～86°范圍；簡化水平井地質(zhì)設(shè)計[5-7]中的工程防碰設(shè)計過程，最大程度使軌跡穿越最優(yōu)儲集層，對設(shè)計井進(jìn)行地質(zhì)建模，達(dá)到地質(zhì)效益最大化，最后科學(xué)地對靶點深度進(jìn)行預(yù)測。

1.1 區(qū)域地質(zhì)資料及鄰井資料分析

長慶某區(qū)塊屬陜北斜坡西南段，局部構(gòu)造位于慶陽鼻褶帶，構(gòu)造形態(tài)為西傾單斜。長6段層頂構(gòu)造對油氣沒有明顯的控制作用，坡度平緩，地層傾角為0.5°～0.7°，局部有微弱鼻狀構(gòu)造，鼻軸長50～60 km，寬為3～5 km，這些鼻狀構(gòu)造對油氣富集起到一定的控制作用[8-9]。

通過區(qū)域資料和鄰井資料分析，認(rèn)為長63儲集層屬于半深湖-深湖相沉積環(huán)境，該區(qū)塊長63油層基本分布在海拔-550 m以下，砂體中部砂層較厚，長631小層為15～35 m，長632小層約15～30 m，邊部厚度變化較快。巖性為細(xì)粒-極細(xì)粒長石巖屑砂巖及長石砂巖，碎屑成分以石英為主，長石次之，其中石英含量為32.6%，長石含量為30.57%，其他巖屑含量為21.23%，填隙物含量為10.84%。根據(jù)巖心分析統(tǒng)計，該區(qū)塊巖性致密，平均孔隙度為10.0%，滲透率為0.41 mD。

1.2 地質(zhì)建模

地質(zhì)建模前，收集、整理了長慶某區(qū)塊13口井的井位、目的層深度、油層、測井曲線、井斜等數(shù)據(jù)。將以上整理好的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到地質(zhì)建模軟件中，建立長慶某區(qū)塊作業(yè)工區(qū)新建井位圖，根據(jù)井位順序進(jìn)行順序連井，按照程序建立區(qū)塊長63油藏剖面圖。

1.3 繪制長63滲砂體頂面起伏圖和井身軌跡示意圖

完成地質(zhì)建模工作后，返回長慶某區(qū)塊長6段井位圖界面，按照線性克里金建模方法[10-11]，建立長63滲砂體頂面起伏構(gòu)造圖(圖1),以便直觀顯示區(qū)塊內(nèi)井位部署情況，以及設(shè)計井與鄰井在目的層砂體頂面上的構(gòu)造差異。

圖1 長慶某區(qū)塊長63滲砂體頂面起伏圖

根據(jù)長63滲砂體頂面起伏圖分析確定設(shè)計井井口位置及3個靶點位置，選擇建立井身軌跡示意圖最合理的兩口控制井，利用井斜數(shù)據(jù)將控制井測井和地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行校直，建立過井對比剖面圖，隱藏井口及靶點虛擬井柱，根據(jù)設(shè)計要求將靶點位置確定，添加設(shè)計井井身軌跡示意曲線(圖2)。

1.4 確定預(yù)測層頂?shù)缀０渭霸O(shè)計靶點數(shù)據(jù)

首先，根據(jù)鄰井對比分析，確定兩口對比井S 151-X5井和S 151-X6井的長63頂?shù)缀０紊疃?垂直海拔)；利用虛擬靶點井和連井剖面交叉的方法，結(jié)合建設(shè)方對A、C靶點的地質(zhì)要求，確定A、C靶點位置，讀取預(yù)測層頂?shù)缀０渭癆、C靶點海拔數(shù)據(jù)；再將A、C靶點連線，與B靶點虛擬井柱相交叉，以此確定B靶點位置，讀取預(yù)測層頂?shù)缀０渭癇靶點海拔數(shù)據(jù)。

1.5 繪制地層預(yù)告表及油氣水位置預(yù)告表

選擇離第一靶點(A靶點)較近的控制井，讀取其垂深地層分層數(shù)據(jù)，利用線性插值法計算確定設(shè)計井地質(zhì)層位的頂部埋深，再用厚度法計算本井的地質(zhì)分層(垂深)。通過重點考慮參考井和設(shè)計井的海拔差和設(shè)計井的構(gòu)造差，以及區(qū)域資料研究中發(fā)現(xiàn)的地層突變因素和斷層影響，對預(yù)測的地層深度給予合理的調(diào)整，繪制地層預(yù)告表和油氣水位置預(yù)告表。

圖2 S 152-XXX井大斜度段軌跡示意圖

2 優(yōu)化地層壓力預(yù)測技術(shù)

地層壓力預(yù)測技術(shù)就是利用設(shè)計井附近已鉆井的鉆井、錄井、測井和測試等資料，在鉆井前對設(shè)計井位的地表以下地層壓力進(jìn)行估算。在以往的地層壓力預(yù)測[12]工作中，大多采用區(qū)域性的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行壓力預(yù)測，這種方法雖然能反映大致的地層壓力，但存在平面上數(shù)據(jù)點分散、縱向上數(shù)據(jù)點不連續(xù)的現(xiàn)象，嚴(yán)重制約了地層壓力預(yù)測的精度，需要通過地層壓力預(yù)測技術(shù)的優(yōu)化，提高壓力預(yù)測的準(zhǔn)確性。

2.1 地層壓力預(yù)測基本原理

基于地層壓實理論和異常壓力在地震、測井、錄井過程中發(fā)生的異常現(xiàn)象，石油行業(yè)逐步形成了一套地層壓力預(yù)測的基本理論。國內(nèi)應(yīng)用比較多的方法有聲波時差法、等效深度法、經(jīng)驗公式法、正常壓實趨勢法和密度測井法等。本次研究主要應(yīng)用基于伊頓原理的伊頓指數(shù)法[13]進(jìn)行壓力預(yù)測，其中，地層孔隙壓力數(shù)據(jù)為直接計算數(shù)據(jù)，地層破裂壓力和地層坍塌壓力數(shù)據(jù)是根據(jù)地層孔隙壓力數(shù)據(jù)和力學(xué)實驗室數(shù)據(jù)進(jìn)行推算衍生得來。

(1)地層孔隙壓力計算模型[14]：

(1)

式中：ρp為孔隙壓力當(dāng)量密度，g/cm3；ρo為上覆巖層壓力當(dāng)量密度，g/cm3；ρn為正?？紫秹毫Ξ?dāng)量密度，g/cm3；XN為正常壓實趨勢線上的參數(shù)值；XO為實際觀測到的參數(shù)值；U為伊頓指數(shù)，無量綱。

(2)地層破裂壓力計算模型：

(2)

式中：pF為地層破裂壓力，MPa；pP為地層孔隙壓力，MPa；pO為上覆巖層壓力，MPa；μs為靜態(tài)泊松比，無量綱。

(3)地層坍塌壓力計算模型：

(3)

式中：pSFG為地層坍塌壓力，MPa；σH、σh分別為水平最大、最小主應(yīng)力，MPa；K=tan-1(π/4-φ/2)，φ為內(nèi)摩擦角，一般取π/6；τ為巖石內(nèi)聚力，MPa；α為有效應(yīng)力貢獻(xiàn)系數(shù)；η為應(yīng)力非線性修正系數(shù)。

2.2 地層壓力預(yù)測流程

鉆前收集施工區(qū)塊地震、測井、地質(zhì)、綜合錄井、鉆井、測試等資料。鄰井選取構(gòu)造位置近、揭露地層全、測井資料齊全、綜合錄井資料齊全的井；深度資料采用垂直井深，當(dāng)井斜角大于30°時應(yīng)經(jīng)過垂直化校正，井深間隔不大于1 m；收集測試資料，包括層位、時間、靜壓及溫度資料；收集孔隙度測井資料層段厚度應(yīng)大于2 m。數(shù)據(jù)收集好之后，首先將鄰井壓力預(yù)測用的地層、測井、實測壓力等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)入至壓力計算軟件；然后，選擇地層壓力計算模型，通過實測壓力數(shù)據(jù)點確定模型參數(shù)；利用泥巖基線來篩選泥巖點，對應(yīng)篩選出符合伊頓理論的測井?dāng)?shù)據(jù)，再利用相同層位對應(yīng)回歸預(yù)測壓力數(shù)據(jù)，提高預(yù)測精度。

地層壓力預(yù)測基本流程如圖3所示，圖中：NHG為正常壓力梯度；OBG為上覆巖層壓力；PP為地層孔隙壓力；FG為地層破裂壓力。

2.3 成果輸出

根據(jù)地層壓力計算軟件計算，運用改進(jìn)等效深度法，即通過泥巖基線的篩選去掉泥巖外影響因素，建立正常壓力趨勢線，利用正常壓實趨勢線法計算地層壓力，

最終得出設(shè)計井地層壓力預(yù)測數(shù)據(jù)，讀取目的層中部深度對應(yīng)的地層壓力數(shù)據(jù)，并繪制三壓力預(yù)測剖面圖(圖4)。

圖3 地層壓力計算軟件壓力預(yù)測流程圖

3 應(yīng)用效果分析

長慶某區(qū)塊大斜度井設(shè)計預(yù)測靶點統(tǒng)計結(jié)果為：設(shè)計52口井，符合48口，預(yù)測深度符合率為92.3%，較2018年前的符合率90%有大幅度提升；地層壓力數(shù)據(jù)能給鉆井施工提供更準(zhǔn)確的技術(shù)支撐，減少鉆井過程中的井下事故發(fā)生率。地質(zhì)設(shè)計經(jīng)過優(yōu)化，減少了施工方的鉆井周期，同時減少無效進(jìn)尺的投資，最大程度地確保安全施工和高效開發(fā)，最終實現(xiàn)長慶某區(qū)塊單井產(chǎn)量和產(chǎn)能建設(shè)效益“雙提升”。

3.1 聲波時差與電阻率法壓力預(yù)測對比

圖5為S 1XX-X5X井聲波時差法與電阻率法孔隙壓力計算曲線。從圖5c中兩種不同測井曲線計算孔隙壓力可以看出，兩種方法預(yù)測地層孔隙壓力數(shù)據(jù)形態(tài)相似，數(shù)值相近，通過曲線數(shù)據(jù)表格統(tǒng)計，計算得出兩條曲線符合率在92%～100%之間，平均符合率為97%。通過本案例可以證明，電阻率法預(yù)測孔隙壓力數(shù)據(jù)與聲波時差法相近，當(dāng)聲波時差曲線受到干擾或無法使用時，可以依據(jù)電阻率曲線進(jìn)行壓力預(yù)測，且預(yù)測精度與聲波時差預(yù)測精度非常接近，完全可以滿足地層孔隙壓力預(yù)測需求。

圖5 S 1XX-X5X井聲波時差法與電阻率法計算孔隙壓力等效數(shù)據(jù)對比

3.2 壓力預(yù)測與實鉆數(shù)據(jù)對比

跟蹤S 1XX-X5X井施工實鉆數(shù)據(jù)，通過實測的地層壓力驗算該地區(qū)的伊頓指數(shù)及建立的正常壓力趨勢線，即可進(jìn)行孔隙壓力計算，如圖6所示。可以看出，紅色線代表的地層孔隙壓力(PP)穩(wěn)定在0.90～1.01 g/cm3之間，為正常地層壓力，且預(yù)測壓力與實測壓力數(shù)據(jù)點完全吻合，說明預(yù)測精度較高。藍(lán)色線代表地層破裂壓力(FG)，穩(wěn)定在1.6～1.7 g/cm3。

圖6 S 1XX-X5X井伊頓指數(shù)法計算孔隙壓力驗算對比

4 結(jié) 論

(1)通過地層預(yù)測技術(shù)優(yōu)化，將水平井中多點軌跡簡化成適用于大斜度井生產(chǎn)實際的“三靶點”軌跡控制模式，并滿足入窗井斜角在60°～86°范圍的工程需求，完善大斜度井地質(zhì)設(shè)計。

(2)通過繪制“目的層小層滲砂體頂面起伏圖”“地質(zhì)模型法”“多井對比法”進(jìn)行三靶點的深度預(yù)測，大幅提高了靶點和地質(zhì)分層的預(yù)測精度。

(3)通過伊頓指數(shù)法和改進(jìn)等效深度法繪制三壓力預(yù)測剖面圖。當(dāng)聲波時差曲線品質(zhì)好時，可以準(zhǔn)確預(yù)測地層壓力；當(dāng)聲波時差曲線受到干擾或無法使用時，可以依據(jù)電阻率曲線進(jìn)行壓力預(yù)測，且預(yù)測精度與聲波時差預(yù)測精度非常接近，完全可以滿足地層孔隙壓力預(yù)測的需求。

鉆井地質(zhì)設(shè)計要不斷適應(yīng)勘探開發(fā)的需要, 根據(jù)錄井自身的技術(shù)特點,對地層預(yù)測技術(shù)、地層壓力預(yù)測技術(shù)兩項關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化和完善，對完鉆井施工作業(yè)的跟蹤分析發(fā)現(xiàn)，該地層預(yù)測及地層壓力預(yù)測優(yōu)化技術(shù)能夠很好地指導(dǎo)現(xiàn)場施工，提高了大斜度井地質(zhì)設(shè)計工作的效率、精確性和指導(dǎo)性。