超深層裂縫型儲層最佳井眼軌跡量化優(yōu)選技術(shù)與實踐
——以克拉蘇構(gòu)造帶博孜A 氣藏為例

江同文 張 輝 徐 珂 尹國慶 王海應(yīng) 王志民 劉新宇

（1 中國石油勘探與生產(chǎn)分公司；2 中國石油塔里木油田公司 ）

0 引言

目前，中國中—淺層油氣發(fā)現(xiàn)難度日益加大，加快深層—超深層油氣勘探開發(fā)，對老油氣區(qū)擴大儲量、穩(wěn)定產(chǎn)量、尋找新區(qū)拓展領(lǐng)域，以及保障國家能源安全具有重要意義[1-3]。

中國深層油氣資源豐富、潛力大：據(jù)統(tǒng)計，中國深層—超深層油氣資源量達671×108t（油當(dāng)量），占油氣資源總量的34%。截至2018 年年底，中國累計發(fā)現(xiàn)深層油田21 個，探明地質(zhì)儲量40.66×108t，產(chǎn)油5.66×108t，占總產(chǎn)量的8%；累計發(fā)現(xiàn)深層氣田14 個，探明地質(zhì)儲量46500×108m3，產(chǎn)氣4351×108m3，占總產(chǎn)量的21%[4]。

近年來，塔里木盆地在深層—超深層油氣勘探領(lǐng)域陸續(xù)取得了一系列重要發(fā)現(xiàn)[5-8]，但隨著深度越來越大，地質(zhì)條件愈加復(fù)雜，在深層—超深層油氣勘探開發(fā)和鉆完井工程施工方面仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。特別是超深層鉆井過程中頻發(fā)的鉆井復(fù)雜事故和面臨的井控安全風(fēng)險，說明深部巖體性質(zhì)可能完全異于淺部，深部處于高地應(yīng)力、高滲透壓環(huán)境，聚集高強度能量[9]。

對于深層—超深層的氣藏，天然裂縫的規(guī)模發(fā)育、極強的水平擠壓是其高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的保障[10]。然而，超深層裂縫型氣藏的勘探開發(fā)難度一方面在于裂縫型“甜點”的預(yù)測，另一方面是超深層鉆完井工程的巨大挑戰(zhàn)。影響井眼軌跡的因素包括地應(yīng)力、孔隙壓力、巖石強度及天然裂縫等[10-11]。Al-Ajmi 和Zimmerman[10]在考慮井壁穩(wěn)定性、地應(yīng)力狀態(tài)的基礎(chǔ)上，建立了最優(yōu)井眼軌跡設(shè)計模型。陳平等[11]采用安全鉆進方位的數(shù)值模擬方法，分析不同方位水平井的安全性。高佳佳等[12]利用線性規(guī)劃最優(yōu)解理論及井壁剪切破壞條件，建立了井眼軌跡優(yōu)化預(yù)測模型及相應(yīng)的數(shù)值求取方法，分析了不同應(yīng)力類型區(qū)域最優(yōu)鉆井軌跡設(shè)計方案。近年來，隨著油氣田地質(zhì)力學(xué)在塔里木油田逐漸發(fā)展，已成功論證了大斜度井的優(yōu)勢并取得了成功實踐[13-14]，進一步證實了大斜度井具有裂縫鉆遇率高和井壁穩(wěn)定性好的雙重優(yōu)勢。隨著超深層天然氣勘探開發(fā)進程的深入和以油氣田地質(zhì)力學(xué)為橋梁的地質(zhì)工程一體化理念的發(fā)展[15-18]，諸多出現(xiàn)復(fù)雜問題的失利井和愈發(fā)嚴(yán)峻的井控安全風(fēng)險使現(xiàn)有工作方式的局限和不足逐漸顯現(xiàn)：在高角度裂縫發(fā)育帶部署直井很可能錯過裂縫帶；未考慮鉆完井工程因素部署的井位可能引發(fā)鉆井復(fù)雜事故從而造成失利；未充分權(quán)衡井壁穩(wěn)定性和裂縫型“甜點”的井眼軌跡可能難以充分實現(xiàn)地質(zhì)目的等。

由于裂縫發(fā)育和地應(yīng)力集中導(dǎo)致地層各向異性強，不同方位井眼軌跡上的鉆井風(fēng)險和甜點鉆遇率不同，優(yōu)選最佳的井眼軌跡是能否安全鉆進和高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵前提和核心難題。本文通過建立塔里木盆地庫車坳陷克拉蘇構(gòu)造帶博孜A 氣藏高精度三維地質(zhì)力學(xué)模型，分析氣藏現(xiàn)今地應(yīng)力和天然裂縫發(fā)育特征，并充分考慮地應(yīng)力作用下的天然裂縫響應(yīng)及與垮塌、漏失等相關(guān)的安全鉆井密度窗口，從而實現(xiàn)兼顧裂縫型“甜點”鉆遇率和保證鉆井安全的最優(yōu)井眼軌跡定量預(yù)測。該方法深化了地質(zhì)工程一體化理念并付諸實踐，為超深層裂縫型砂巖氣藏的安全高效勘探開發(fā)提供了新做法，具有很高的推廣應(yīng)用價值。

1 研究區(qū)概況和地質(zhì)力學(xué)特征

1.1 基本概況

克拉蘇構(gòu)造帶所處的庫車坳陷是一個自海西晚期開始發(fā)育，經(jīng)歷了多次構(gòu)造運動疊加，在古生代被動大陸邊緣基礎(chǔ)上發(fā)育起來的中—新生代疊合前陸盆地，具有豐富的油氣資源，天然氣探明地質(zhì)儲量超過12000×108m3[18-19]，可劃分為北部單斜帶、克拉蘇構(gòu)造帶、秋里塔格構(gòu)造帶、南部斜坡帶、烏什凹陷、拜城凹陷、陽霞凹陷等構(gòu)造單元（圖1a）。其中克拉蘇構(gòu)造帶具有完善的“生、儲、蓋、運、圈、?！毕到y(tǒng)，油氣資源豐富，勘探潛力巨大，是塔里木油田增儲上產(chǎn)的重點領(lǐng)域，已發(fā)現(xiàn)克拉2、克深2、克深8 及博孜9 等規(guī)模性氣藏。

克拉蘇構(gòu)造帶自西向東可以分為4 段：阿瓦特段、博孜段、大北段、克拉—克深段，博孜A 氣藏位于博孜段的第3 排構(gòu)造（圖1b、c）。克拉蘇構(gòu)造帶地層自上到下普遍為第四系西域組（Q1x），新近系庫車組（N2k）、康村組（N1-2k）、吉迪克組（N1j），古近系蘇維依組（E2-3s）、庫姆格列木群（E1-2km），白堊系巴什基奇克組（K1bs）、巴西改組（K1bx）、舒善河組（K1s）、亞格列木組（K1y）。受南天山隆升影響，克拉蘇構(gòu)造帶構(gòu)造變形非常強烈，特別是西部阿瓦特、博孜區(qū)帶，在溫宿古隆起的影響下，平面變形空間受限，縱向疊置尤為顯著，突發(fā)構(gòu)造頻發(fā)[20]，相比東部克深區(qū)帶，西部構(gòu)造較為“破碎”。

博孜A 氣藏是目前克拉蘇構(gòu)造帶勘探開發(fā)的重點區(qū)塊之一，埋深普遍在6000m 以深，屬于超深層裂縫型砂巖氣藏，目的層為白堊系巴什基奇克組第三段和巴西改組（圖1e），分別屬扇三角洲前緣、辮狀河三角洲前緣沉積。白堊系巴什基奇克組以長石巖屑砂巖為主，粒度以中粒、細粒為主；巴西改組以長石巖屑砂巖和巖屑砂巖為主。儲層平均孔隙度約為7%，平均滲透率約為0.3mD。博孜A 氣藏的測試樣品分析表明，甲烷含量高，平均為85.21%（體積分?jǐn)?shù)），非烴氣體含量低，氮氣和二氧化碳含量低，平均約為3%（體積分?jǐn)?shù)），不含H2S，具典型凝析氣特征，總體上具有密度低、黏度低的特點。

圖1 庫車坳陷克拉蘇構(gòu)造帶博孜A 氣藏地質(zhì)概況Fig.1 Geological settings of Bozi A gas reservoir in Kelasu structural belt,Kuqa Depression

1.2 現(xiàn)今地應(yīng)力與天然裂縫特征

地質(zhì)力學(xué)研究持續(xù)貫穿庫車坳陷超深層裂縫型氣藏的勘探開發(fā)歷程，對于博孜A 氣藏，基于常規(guī)測井資料解釋、微電阻率成像測井和六臂井徑測井，開展單井地質(zhì)力學(xué)評價，結(jié)果表明：博孜A 氣藏最大水平主應(yīng)力（SHmax）方向為140°～150°（圖1d），即NW—SE 向，最大水平主應(yīng)力值普遍為140～160 MPa，其梯度為2.65～2.75MPa/100m；最小水平主應(yīng)力值（Shmin）為125～135MPa，其梯度為2.20～2.25MPa/100m；垂向主應(yīng)力值（SV）為145～150MPa，其梯度約為2.45MPa/100m，為走滑型地應(yīng)力機制（SHmax>SV>Shmin），水平擠壓強且水平應(yīng)力差（SHmax-Shmin）較大，在構(gòu)造高部位，地應(yīng)力值較低。

此外，受多期構(gòu)造運動影響，博孜A 氣藏的天然裂縫比較發(fā)育，多為構(gòu)造成因裂縫，裂縫走向總體呈近南北向，傾角多大于70°，半充填—未充填裂縫占優(yōu)。天然裂縫走向與最大水平主應(yīng)力方向多數(shù)呈小角度夾角（小于30°）（圖2）。

圖2 博孜A 氣藏井筒天然裂縫特征Fig.2 Characteristics of natural fractures in wellbore of Bozi A gas reservoir

2 井眼軌跡量化優(yōu)選的原理和關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基本原理

庫車坳陷超深層裂縫型儲層現(xiàn)今地應(yīng)力和天然裂縫的分布具有極大的非均質(zhì)性，特別是以博孜A 氣藏為代表的克拉蘇構(gòu)造帶西部，在構(gòu)造形態(tài)、互層巖性、復(fù)雜地質(zhì)邊界條件等因素的多重影響下，其復(fù)雜性和特殊性大大增強。相比克拉蘇構(gòu)造帶東部克拉—克深段氣藏，西部氣藏在三方面具顯著差異：一是構(gòu)造形態(tài)，克拉—克深段氣藏具有寬闊且較為完整的背斜形態(tài)，而西部博孜段氣藏的構(gòu)造更為“破碎”且疊置程度非常高；二是巖性，克拉—克深段氣藏的目的層為白堊系巴什基奇克組，屬于厚層砂巖，而博孜段氣藏目的層是白堊系巴什基奇克組和巴西改組，而巴西改組砂泥互層現(xiàn)象顯著；三是區(qū)域擠壓背景，克拉—克深段南北向變形空間寬闊，且北部受力相對均勻，而構(gòu)造疊置非常強烈，造成不同構(gòu)造位置的擠壓程度和擠壓方式的復(fù)雜化，另外發(fā)育的變換構(gòu)造派生的走滑應(yīng)力場也加劇了地應(yīng)力場的復(fù)雜性。

圖3 表明了在多重地質(zhì)因素控制下的地應(yīng)力場和天然裂縫非均質(zhì)分布。一般來說，發(fā)育完整且均質(zhì)的背斜構(gòu)造對地應(yīng)力場和天然裂縫分布的控制較為規(guī)律，服從褶皺的中和面原理，即具有規(guī)律的縱向分層特征，但“軟硬”互層巖體層間滑脫引起的“多中和面”在一定程度上弱化了褶皺形態(tài)對地應(yīng)力場和天然裂縫分布的控制，致使縱向分層規(guī)律不再明顯（圖3a）；另外，高度疊置和復(fù)雜構(gòu)造形態(tài)復(fù)雜化了斷塊之間相互擠壓的程度和方式，斷塊內(nèi)部因為受到平面和縱向上不均勻的擠壓，地應(yīng)力場和天然裂縫的分布更為復(fù)雜（圖3b），在底部和兩側(cè)梯度擠壓的作用下，在背斜構(gòu)造局部位置，其內(nèi)部裂縫分布非均質(zhì)性極強，發(fā)育裂縫空白帶、高角度裂縫帶及低角度裂縫帶。圖3b 中斜線代表裂縫傾角，上部可能發(fā)育兩組高角度裂縫，向下裂縫傾角逐漸降低，底部兩側(cè)可能發(fā)育一組高角度裂縫、一組低角度裂縫。這表明，即使部署在背斜高部位的井，也可能落在裂縫空白帶，并且直井有很大幾率與高角度裂縫“擦肩而過”。

圖3 多重地質(zhì)因素下的地應(yīng)力場和天然裂縫非均質(zhì)分布Fig.3 In-situ stress field and heterogeneous distribution of fractures affected by multiple geological factors

因此，克拉蘇構(gòu)造帶東部克拉—克深段氣藏的布井原則：“沿長軸、占高點、低應(yīng)力、避低洼、避斷層”，且在目的層鉆井盡量“打開低應(yīng)力和部分中應(yīng)力段”，避免“打開高應(yīng)力段”。但上述布井方式不適用于西部的博孜段氣藏，要充分考慮地應(yīng)力的強弱分布規(guī)律和天然裂縫分布具極強的非均質(zhì)性，避免由于忽略地質(zhì)力學(xué)特征而制定不合理的井位部署方案。

另外，在復(fù)雜地應(yīng)力場和裂縫分布條件下，不同深度、不同方位井眼軌跡上的鉆井風(fēng)險和“甜點”鉆遇率不同。

假設(shè)地層中存在一組特定產(chǎn)狀裂縫切割井眼形成的低強度弱面，而在其他方位上地層強度相同，則可利用Donath、Jaeger 和Cook 提出的軟弱面對地層強度的影響關(guān)系[21-24]，判斷弱面先于巖石本體發(fā)生的破壞，其破壞準(zhǔn)則的數(shù)學(xué)表達式為

式中σ1w、σ3w——裂縫弱面所處空間位置上的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力，MPa；

Sw——弱面黏聚力，MPa；

μw——弱面的內(nèi)摩擦系數(shù)；

λw——弱面法向與最大主應(yīng)力方向之間的夾角，（°）。

由于μw=tanφw(φw為弱面內(nèi)摩擦角)，因此當(dāng)λw=φw或λw=π/2 時，弱面不會產(chǎn)生滑動破壞，而是基質(zhì)巖塊產(chǎn)生破壞，這時基質(zhì)巖塊破壞準(zhǔn)則的數(shù)學(xué)表達式為

式中σ1o、σ3o——基質(zhì)巖塊所在位置上的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力，MPa；

So——基質(zhì)巖塊黏聚力，MPa；

μo——基質(zhì)巖塊內(nèi)摩擦系數(shù)。

裂縫弱面產(chǎn)生滑動破壞的條件是

由此可見，在相同的力學(xué)條件下裂縫面的產(chǎn)狀是其發(fā)生破壞的關(guān)鍵因素。

根據(jù)有效應(yīng)力定律，井壁最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力及夾角都是維持井壁穩(wěn)定的最小鉆井液液柱壓力（鉆井液密度）的函數(shù)。因此在地應(yīng)力、天然裂縫影響下，不同方位井眼軌跡上井壁穩(wěn)定性不同，優(yōu)選最佳井眼軌跡是安全鉆井的保障。計算表明，走滑應(yīng)力機制條件下（SHmax>SV>Shmin），井眼沿著最大水平主應(yīng)力方向穩(wěn)定性較好，且井斜角越大鉆井相對越安全；當(dāng)井眼垂直于裂縫面時，作用于裂縫面的剪應(yīng)力為零，井壁穩(wěn)定性最好。這表明，大斜度井在鉆井安全角度具有極大優(yōu)勢。

如圖4a、b，假設(shè)存在地應(yīng)力作用下的兩組天然裂縫，裂縫A 走向與最大水平主應(yīng)力（SHmax）方向近于垂直，裂縫B 走向與SHmax方向呈小夾角。前文已述，穿越裂縫A 時的穩(wěn)定性更好，而穿越裂縫B時則容易因其發(fā)生剪切滑移而造成垮塌等復(fù)雜事故，但在保證安全前提下，有效性更好。另外，從裂縫鉆遇率看，直井往往容易與高角度裂縫“擦肩而過”，井眼軌跡垂直于裂縫面的大斜度井具有最大的裂縫鉆遇率（圖4c）。

圖4 兼顧穩(wěn)定性和裂縫鉆遇率的井眼軌跡示意圖Fig.4 Well trajectory design considering borehole stability and penetration rate of fractures

氣藏內(nèi)部裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)受裂縫產(chǎn)生期次、發(fā)育位置、幾何產(chǎn)狀和受力特征等影響，表現(xiàn)為多樣化和復(fù)雜化，并非每種類型裂縫都具有同樣的滲流與導(dǎo)流能力[25-26]。在相同尺度級別的裂縫之間，天然裂縫產(chǎn)狀與現(xiàn)今地應(yīng)力張量之間的匹配關(guān)系是影響滲透性能的關(guān)鍵因素之一[27]。因此，天然裂縫的“優(yōu)中選優(yōu)”是井位和井眼軌跡優(yōu)選中的關(guān)鍵一步。

綜上所述，并結(jié)合生產(chǎn)實踐，在低應(yīng)力區(qū)鉆遇更多活動性好的天然裂縫是優(yōu)勢井眼軌跡的重要目的。因此以博孜A 氣藏為代表的超深層裂縫型氣藏的井眼軌跡優(yōu)選應(yīng)遵循以下原則：（1）多穿過現(xiàn)今地應(yīng)力值低的區(qū)域；（2）多鉆遇天然裂縫發(fā)育密集區(qū)；（3）多鉆遇活動性好的天然裂縫；（4）井筒垂直于天然裂縫面；（5）考慮非目的層避險。

因此，超深層裂縫型氣藏井眼軌跡優(yōu)選的關(guān)鍵在于復(fù)雜疊置構(gòu)造三維地質(zhì)力學(xué)模型的建立，難點在于天然裂縫三維空間的分布預(yù)測。地質(zhì)模型的精度很大程度決定了預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確度，天然裂縫產(chǎn)狀和受力狀態(tài)是井眼軌跡量化優(yōu)選的重要參考。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 復(fù)雜疊置構(gòu)造三維地質(zhì)力學(xué)建模技術(shù)

三維地質(zhì)力學(xué)模型包括三維地質(zhì)模型、三維非均質(zhì)巖石力學(xué)場、三維地應(yīng)力場和三維裂縫空間分布及其活動性分布。基于地震、巖性、斷層、地質(zhì)等資料，采用三維可視化建模軟件，構(gòu)建研究區(qū)全層系三維構(gòu)造格架模型（圖5a），其中，斷層模型是建模的重點，正確且精細恢復(fù)疊置形態(tài)是提高模擬結(jié)構(gòu)的重要保證。為了體現(xiàn)各向異性和非均質(zhì)性，構(gòu)建了全層系三維非均質(zhì)巖石力學(xué)場（圖5b），并將其賦予有限元模型的每一個網(wǎng)格中，用于高精度三維地應(yīng)力場的預(yù)測（圖5c）。

圖5 博孜A 區(qū)塊全層系高精度三維地質(zhì)模型建立及地應(yīng)力場預(yù)測Fig.5 3D high-precision geological model and in-situ stress field prediction of whole strata in Bozi A block

2.2.2 基于“構(gòu)造恢復(fù)古應(yīng)力”天然裂縫預(yù)測技術(shù)

博孜A 氣藏的天然裂縫多是構(gòu)造應(yīng)力作用下巖體破壞的結(jié)果?；谀芰渴睾阍?，認(rèn)為產(chǎn)生裂縫面的能量與巖體破裂釋放的應(yīng)變能有關(guān)。在地質(zhì)研究和巖石力學(xué)性質(zhì)研究的基礎(chǔ)上，以巖石破裂準(zhǔn)則為紐帶，搭建裂縫形成時期的應(yīng)變能、古應(yīng)力和裂縫參數(shù)（裂縫密度、裂縫開度、裂縫產(chǎn)狀等）之間的定量計算模型（圖6），文獻[28-29]對計算方法做了詳細闡述，其中古應(yīng)力的恢復(fù)是難點。本文首先反演古應(yīng)力場，并充分考慮現(xiàn)今地應(yīng)力對裂縫的改造作用，同時考慮了區(qū)域和局部受力方式、巖性、局部構(gòu)造、斷層等增加裂縫復(fù)雜性的多種因素，適用于所有構(gòu)造成因裂縫，對褶皺相關(guān)和斷層相關(guān)裂縫均具有較高適用性。

圖6 基于“構(gòu)造恢復(fù)古應(yīng)力”的天然裂縫預(yù)測工作流程Fig.6 Workflow of natural fracture prediction based on“tectonic restoration of paleo-stress”

2.2.3 裂縫活動性預(yù)測技術(shù)

在裂縫面剪應(yīng)力和正應(yīng)力共同作用下，處于臨界滑動狀態(tài)的裂縫具有更好的滲流能力，因此可以將裂縫面剪切變形活動能力高低作為判斷優(yōu)質(zhì)裂縫的標(biāo)志之一?，F(xiàn)今三向主應(yīng)力作用在先存的天然裂縫面上時，可分解為一個垂直于裂縫面的有效正應(yīng)力σne和一個平行于裂縫面的剪應(yīng)力τ，這兩個應(yīng)力是控制天然裂縫地質(zhì)力學(xué)響應(yīng)的主要因素，剪應(yīng)力與正應(yīng)力之比τ/σne影響裂縫面的滑動，不僅是反映裂縫弱面滑動的參數(shù)，也是反映裂縫滲透性能和流體的重要指數(shù)。

對于正應(yīng)力與剪應(yīng)力，可以通過裂縫弱面與主應(yīng)力場之間的關(guān)系定義[21]：

式中σ2w——中間最小主應(yīng)力，MPa；

nij——方向余弦；

pp——孔隙壓力，MPa;

γ——裂縫面法向和最小主應(yīng)力σ3w方向的夾角，（°）；

λ——σ1w—σ2w平面內(nèi)裂縫走向投影與σ1w的夾角，（°）。

根據(jù)上述方法，可以在天然裂縫三維分布定量預(yù)測基礎(chǔ)上，利用地應(yīng)力張量與裂縫產(chǎn)狀之間的關(guān)系，明確活動性好的裂縫（具有高剪應(yīng)力與正應(yīng)力之比τ/σne）發(fā)育位置和產(chǎn)狀信息。

3 最佳井眼軌跡量化優(yōu)選實踐

首先建立博孜A 氣藏從地表到基底的全層系三維地質(zhì)模型，由于博孜A 氣藏構(gòu)造地表起伏，且?guī)r性復(fù)雜，上覆塑性鹽層及上盤構(gòu)造均影響目的層的地應(yīng)力分布，因此在建立模型時充分考慮地表起伏形態(tài)，并賦予巖體不同的巖石力學(xué)性質(zhì)，包括地表巖體、淺層巖體、泥巖層、鹽層、白堊系及以下基底，而不是僅僅將目的層之上巖體視為一個巖石力學(xué)性質(zhì)均一的立方體塊體。該模型從第四系到白堊系，縱向跨度為7200m，縱向分辨率為2～5m，含6 條斷裂，模型反映出博孜A 區(qū)塊在縱向上的巖性精細變化，從第四系到新近系吉迪克組以礫巖為主，進入古近系庫姆格列木群（E1-2km），上部為泥巖段，中下部為復(fù)合鹽層，白堊系為砂巖，并在此基礎(chǔ)上開展了全層系三維非均質(zhì)地應(yīng)力場分布預(yù)測，支持全井段井壁穩(wěn)定性分析。

圖7 為博孜A 區(qū)塊三維地質(zhì)力學(xué)建模結(jié)果，包括現(xiàn)今地應(yīng)力場、天然裂縫及活動性分布。圖7a 表明，地應(yīng)力總體呈環(huán)狀分布，背斜頂部地應(yīng)力值較低，特別是靠北部位，地應(yīng)力值更低，是井位部署的優(yōu)勢區(qū)帶。而天然裂縫的優(yōu)勢區(qū)則與地應(yīng)力優(yōu)勢區(qū)有一定差異，其發(fā)育密集帶偏離高部位，背斜最高部位的裂縫反而較少發(fā)育，這很可能是復(fù)雜邊界條件引起的擠壓不均造成的裂縫非均質(zhì)分布（圖7b、c）。圖7b表明天然裂縫活動性的分布具有極強非均質(zhì)性，圖7c 表明天然裂縫普遍為高傾角—近直立裂縫，是構(gòu)造應(yīng)力作用下的剪切裂縫。圖7d 為博孜A 井周發(fā)育的兩組裂縫，左圖以近南北走向裂縫為主（即東西傾向），右圖以近東西走向裂縫為主（即近南北傾向），可見活動性差異極大，近南北走向裂縫基本為開啟狀態(tài)（白色圓點），活動性遠好于近東西走向裂縫（黑色圓點）。

圖7 博孜A 區(qū)塊三維地質(zhì)力學(xué)模型Fig.7 3D geomechanical model in Bozi A block

前文已述，地層處于走滑應(yīng)力機制時，鉆井井眼在沿著最大水平主應(yīng)力方向上的區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定性較好，且井斜角越大鉆井相對越安全。但由于博孜A構(gòu)造天然裂縫發(fā)育，巖體強度一定程度減弱，并且強度各向異性增加，井眼穩(wěn)定性整體降低，更加易于垮塌和漏失?？逅吐┦⒁l(fā)次生井控災(zāi)害，破壞井筒質(zhì)量，傷害儲層，不發(fā)生垮塌和漏失是關(guān)鍵，故安全窗口的確定尤為重要。綜合三維地質(zhì)力學(xué)建模和井壁失穩(wěn)分析，確定了博孜A 氣藏某設(shè)計井的安全鉆井液密度窗口。需要說明的是，通過地質(zhì)力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，對于安全鉆井液密度窗口極窄的裂縫型儲層，發(fā)生垮塌多數(shù)是由于激活了井周裂縫從而發(fā)生掉塊，應(yīng)該降低鉆井液密度，而傳統(tǒng)觀念則認(rèn)為發(fā)生垮塌應(yīng)提高鉆井液密度，但卻造成更為嚴(yán)重的垮塌、漏失、卡鉆事故。因此，本文采用基于地質(zhì)力學(xué)建模的地質(zhì)工程一體化做法，在設(shè)計井眼軌跡的同時設(shè)計合理鉆井液密度，認(rèn)為裂縫型儲層最優(yōu)鉆井液密度略高于地層壓力0.1g/cm3即可。

圖8 為考慮裂縫鉆遇情況的井壁穩(wěn)定性分析，圖8a 為博孜A 氣藏天然裂縫局部圖，可見裂縫空白區(qū)和裂縫密集區(qū)，沿不同方向井壁穩(wěn)定性差異很大。圖8b 左圖為鉆遇近南北向裂縫的井壁穩(wěn)定性，在現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力方向為150°的情況下，井眼軌跡走向沿180°～270°方向且井斜角大于30°的井壁穩(wěn)定性最好；圖8b 右圖為鉆遇近東西向裂縫的井壁穩(wěn)定性，其中井眼軌跡走向沿-30°～30°方向且井斜角大于30°的井壁穩(wěn)定性最好。

圖8 基于井壁穩(wěn)定性的最優(yōu)井眼軌跡Fig.8 Optimized well trajectory based on wellbore stability

因此，根據(jù)最優(yōu)井眼軌跡設(shè)計原理，即綜合考慮低應(yīng)力區(qū)、裂縫鉆遇率、裂縫活動性和井壁穩(wěn)定性確定最優(yōu)井眼軌跡。博孜A 氣藏現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力方向約為150°，天然裂縫走向以近南北向為主，以近東西向為輔，其中150°～210°走向（近南北向）裂縫具有較好的活動性?？紤]井壁穩(wěn)定性，選擇井眼軌跡走向沿120°～180°方向且井斜角大于60°為優(yōu)，為了盡可能安全、穩(wěn)定、更多地穿越裂縫，選擇與活動性好的裂縫面垂直方向，即90°～180°。由于低應(yīng)力區(qū)更靠近北部，為了避開上盤斷層，故選擇從南向北鉆進的方式。綜上所述，井眼軌跡走向的最優(yōu)方位為120°～150°，且井斜角為70°～80°，更精確的數(shù)值根據(jù)井周裂縫具體計算。據(jù)此模擬部署的A3-1X井的井眼軌跡安全鉆井液密度窗口（圖8c），以指導(dǎo)安全穩(wěn)定鉆井。

實踐表明，博孜A 氣藏據(jù)此部署的A-1X、A-2X、A-3X 等大斜度井獲得高產(chǎn)油氣流，未采用壓裂改造的背景下，獲得了超過500×104m3無阻流量的自然產(chǎn)能，最大限度釋放滲流能力，天然裂縫鉆遇率也遠高于A-3、A-01 等直井，并且實現(xiàn)了10個月內(nèi)的鉆井周期。實踐更進一步證明了基于地質(zhì)力學(xué)建模的井眼軌跡量化優(yōu)化對鉆井提速、增產(chǎn)具有直接現(xiàn)實意義。

4 討論和展望

目前，大斜度井和水平井的實施在致密油、頁巖氣等非常規(guī)領(lǐng)域較為普及，但在庫車坳陷超深層裂縫型氣藏中還處于起步、探索階段。巨大埋深帶來的高溫、高壓、高應(yīng)力等極端條件給地質(zhì)研究和工程實施帶來了極大挑戰(zhàn)。近年來，中國石油塔里木油田公司通過發(fā)展地質(zhì)力學(xué)關(guān)鍵技術(shù)，逐漸形成了基于地質(zhì)工程一體化的提產(chǎn)理念，建立了針對超深層裂縫型氣藏的井眼軌跡優(yōu)選技術(shù)，在井位部署時，就同時考慮鉆井過程中的安全提速以及最大程度的改造提產(chǎn)問題。博孜A 氣藏是繼克深10 氣藏后[13]，通過大斜度井顯著提產(chǎn)的成功實例。

博孜A 氣藏在實際開發(fā)中，鉆前開展了三維地質(zhì)力學(xué)建模，在明確地應(yīng)力狀態(tài)和分布特征的基礎(chǔ)上，確定了滲透性裂縫帶的發(fā)育位置和產(chǎn)狀，同時明確了在裂縫帶上不同方位不同井斜條件下的井壁穩(wěn)定性和漏失壓力。采用赤平投影方式，將滲透性裂縫和井壁穩(wěn)定信息疊合，定量化選擇既能保證優(yōu)質(zhì)裂縫體鉆遇，又能最大限度減少鉆井復(fù)雜的最佳井眼軌跡。實鉆結(jié)果表明，優(yōu)化后的井眼軌跡井壁穩(wěn)定性較好，能夠以較低的鉆井液密度完鉆，減少了漏失風(fēng)險，獲得了高產(chǎn)油氣流，為超深層油氣井安全高效增加產(chǎn)能提供了一種有效的地質(zhì)工程一體化手段。諸多實踐表明，目前已能實現(xiàn)85%以上的地應(yīng)力及天然裂縫的預(yù)測吻合率，基本能夠滿足生產(chǎn)需求。

通過以油氣田地質(zhì)力學(xué)為橋梁的地質(zhì)工程一體化研究，逐步完善了超深層裂縫型儲層最佳井眼軌跡量化優(yōu)選的一體化做法，證實了大斜度井的優(yōu)勢、可行性和良好應(yīng)用效果，在超深層復(fù)雜油氣區(qū)均有適用性，具有廣闊前景和推廣價值。對于中淺層常規(guī)油氣開發(fā)而言，一般大斜度井或水平井鉆前地質(zhì)設(shè)計中主要考慮井眼軌跡對單井產(chǎn)能的影響，從垂向位置、儲層鉆遇率、井眼形態(tài)和水平段長度等方面優(yōu)化井眼軌跡[30-32]；而在工程設(shè)計中主要從適合現(xiàn)場施工條件、提高井眼光滑度、減小摩阻力和扭矩、加強隨鉆控制等方面優(yōu)化井眼軌跡[33-34]，兩者是互相獨立運作。而對于深層—超深層復(fù)雜條件下最優(yōu)井眼軌跡的確定是一個較為復(fù)雜的科學(xué)問題，需要地質(zhì)研究和工程設(shè)計緊密結(jié)合[35-36]，尤其對于塔里木盆地庫車前陸沖斷帶，具有超深、構(gòu)造擠壓強烈、斷裂裂縫普遍發(fā)育等多重因素疊加的地質(zhì)條件，通過地質(zhì)工程一體化理念優(yōu)化井位和井眼軌跡布置，是油氣井安全提產(chǎn)的必由之路[15]。

克拉蘇構(gòu)造帶經(jīng)歷多期強烈構(gòu)造活動，加之巨厚膏鹽巖層的滑脫作用，導(dǎo)致現(xiàn)今構(gòu)造格局極為復(fù)雜。總體而言，上部為高陡構(gòu)造層，中部為夾砂泥巖互層的膏鹽巖體，下部為疊瓦狀強研磨砂巖氣藏[37]。優(yōu)化一個能順利穿越多套復(fù)雜地層的井眼軌跡，首先需要建立能反演地下立體空間格局的三維模型，但由于來自構(gòu)造、地層和地質(zhì)力學(xué)等3 個方面的復(fù)雜因素，三維地質(zhì)建模難度較大。另外，現(xiàn)今地應(yīng)力場和天然裂縫分布特征的準(zhǔn)確描述是井眼軌跡兼顧工程安全和優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇的關(guān)鍵，但由于儲層埋藏超深，地下地表結(jié)構(gòu)“雙復(fù)雜”，導(dǎo)致地震資料品質(zhì)較低，因此地應(yīng)力場和裂縫預(yù)測精度受限。天然裂縫是超深層改善滲透率和提高單井產(chǎn)量的最重要地質(zhì)因素，但裂縫型低孔儲層易受鉆完井液傷害，因此儲層保護和有效激發(fā)天然裂縫以提高油氣井自然產(chǎn)能難度較大。

開展地質(zhì)、地質(zhì)力學(xué)和石油工程一體化研究，將“追根溯源”地明確影響工程安全的地質(zhì)因素和機理，有利于從井位部署時最“源頭”階段同時考慮儲層鉆遇和工程風(fēng)險，優(yōu)化井點和井眼軌跡，確保油氣井軌道最大限度“趨利避害”。研究中地質(zhì)力學(xué)作為連接地質(zhì)與工程的“橋梁”，既保證二者無縫銜接，又將抽象的地質(zhì)信息轉(zhuǎn)化為便于鉆完井工程使用的量化參數(shù)，實現(xiàn)了工程設(shè)計與實施從定性經(jīng)驗主導(dǎo)向定量科學(xué)優(yōu)化的轉(zhuǎn)變[38]。通過鉆前井位和井眼軌跡優(yōu)化研究，不僅為鉆孔穿越更多優(yōu)質(zhì)裂縫奠定基礎(chǔ)，也為較少垮塌、漏失事故和利于鉆后儲層改造提供了最佳的井筒環(huán)境，可以最大限度利用“孔隙—裂縫—斷裂”多重介質(zhì)滲流優(yōu)勢，構(gòu)建超深層裂縫型油氣井有效增產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)的良性循環(huán)。該方法在其他裂縫型儲層和超深層碳酸鹽巖儲層同樣具有適用性。

5 結(jié)論

（1）埋深超過6000m 的超深層仍然普遍存在大尺度范圍的走滑型地應(yīng)力機制。博孜A 氣藏最大水平主應(yīng)力范圍為140～160MPa，垂向主應(yīng)力為145～150MPa，最小水平主應(yīng)力范圍為125～135 MPa。地應(yīng)力各向異性較強，水平應(yīng)力差范圍普遍高于30MPa。氣藏內(nèi)部發(fā)育大量高角度構(gòu)造型天然裂縫，天然裂縫走向以近南北向為主，在構(gòu)造高部位和構(gòu)造長軸線位置上地應(yīng)力較小，同時裂縫走向與最大水平主應(yīng)力方向小角度相交，裂縫面所受剪應(yīng)力與正應(yīng)力比值較高。上述構(gòu)造位置裂縫滲透性能更為優(yōu)越，儲層品質(zhì)好，井眼垂直穿越該類裂縫帶，將大大增加油氣藏與井筒之間的滲流能力。

（2）從儲層基質(zhì)巖體角度，在走滑型地應(yīng)力場控制下，沿著最大水平主應(yīng)力方向的井眼軌跡相對更加穩(wěn)定，在方位一定時，隨井斜角增加，井壁坍塌壓力減小，破裂壓力增大，安全鉆井液密度窗口擴展，井眼安全性提高。天然裂縫發(fā)育，降低了巖體強度，增加了其強度各向異性，井壁失穩(wěn)風(fēng)險提高，不同方位和井斜條件下的穩(wěn)定性差異增加。走滑型地應(yīng)力機制時，走向與最大水平主應(yīng)力方向一致的天然裂縫活動性好，易于發(fā)生漏失，但井眼軌跡垂直于該類裂縫面時，井壁穩(wěn)定性相對較好，因此選擇此類方位井眼軌跡，能夠最大限度降低鉆井液密度，避免漏失和裂縫面的二次破壞，產(chǎn)生次生鉆井復(fù)雜。

（3）考慮低應(yīng)力區(qū)、裂縫鉆遇率、裂縫活動性和井壁穩(wěn)定性建立了最佳井眼軌跡優(yōu)選技術(shù)。博孜氣藏開發(fā)中的實鉆結(jié)果表明，優(yōu)化后的井眼軌跡井壁具有較好的穩(wěn)定性，通過較低的鉆井液密度，降低了漏失風(fēng)險，同時井筒垂直穿越優(yōu)質(zhì)裂縫面，最大限度釋放滲流能力，為超深層油氣井安全高效增加產(chǎn)能提供了一種有效的地質(zhì)工程一體化手段。