基于反演多參數(shù)體約束地質(zhì)建模的水平井預(yù)警技術(shù)
——以瑪湖地區(qū)致密砂礫巖油藏為例

李曉梅，李 洲，鄧振龍，宋 平，樓仁貴，秦 明

（中國石油新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆克拉瑪依 834000）

新疆準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖地區(qū)油氣資源豐富，屬于超深特低滲透的大型粗碎屑致密砂礫巖油藏，砂礫巖儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)復(fù)雜、非均質(zhì)性強(qiáng)、低孔低滲透、埋藏深度大，致使其開采動(dòng)用難度大［1］，給油藏高效開發(fā)帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。水平井可以增大泄油面積、提高油氣產(chǎn)量，目前瑪湖地區(qū)主要采用水平井體積壓裂方式進(jìn)行規(guī)?；_發(fā)［2］。如何精確刻畫優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層三維空間分布，并在水平井鉆進(jìn)過程中有效指導(dǎo)井軌跡在優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層中穿行，預(yù)警調(diào)整使其規(guī)避出層風(fēng)險(xiǎn)，提高優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇率是致密砂礫巖油藏開發(fā)最為關(guān)心的問題。

李一超等研究指出，對(duì)不準(zhǔn)確的鉆前地質(zhì)導(dǎo)向模型，可以在實(shí)際導(dǎo)向中加以修正，但未提及修正方法［3］；張德軍提出了一種應(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(jiǎn)單地區(qū)［4］；朱曉雨提出用地震與隨鉆地質(zhì)結(jié)合更新模型參數(shù)，主要對(duì)地層產(chǎn)狀進(jìn)行了修正，但未涉及儲(chǔ)層變化的處理方法［5］。瑪湖地區(qū)致密砂礫巖儲(chǔ)層橫向變化大，初始地質(zhì)模型往往與實(shí)鉆差異較大，為解決實(shí)鉆過程中模型不準(zhǔn)確導(dǎo)致優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇率低的問題，筆者提出了一種綜合應(yīng)用地震、地質(zhì)研究成果為水平井軌跡優(yōu)化調(diào)整提供預(yù)警措施的方法。采用疊前反演多參數(shù)體約束地質(zhì)建模，實(shí)現(xiàn)對(duì)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層三維空間分布的精細(xì)刻畫，為水平井預(yù)警提供重要依據(jù)。通過在油層之上建立預(yù)警標(biāo)志層，根據(jù)標(biāo)志層實(shí)鉆數(shù)據(jù)更新局部速度場(chǎng)、構(gòu)造、地質(zhì)模型，提前預(yù)警水平井鉆進(jìn)關(guān)鍵參數(shù)變化，并根據(jù)井軌跡方向巖相預(yù)測(cè)結(jié)果和隨鉆電阻率變化規(guī)律，及時(shí)進(jìn)行水平段出層風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，以達(dá)到提高入靶精度和優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇率的目標(biāo)。

1 井震結(jié)合精細(xì)刻畫致密砂礫巖儲(chǔ)層

瑪湖地區(qū)主要含油層系三疊系百口泉組埋深為2 812～3 920 m，為整體湖侵背景下的扇三角洲沉積體系［6］，有利儲(chǔ)層主要發(fā)育在扇三角洲前緣相帶，構(gòu)造整體表現(xiàn)為平緩的單斜，地層傾角為3°～7°，局部發(fā)育微構(gòu)造。研究區(qū)主要為低孔、低滲透致密砂礫巖儲(chǔ)層，巖相結(jié)構(gòu)復(fù)雜、橫向變化大。另外，有效儲(chǔ)層與致密層的波阻抗疊置，使疊后波阻抗反演和傳統(tǒng)的單參數(shù)儲(chǔ)層預(yù)測(cè)難以解決有效儲(chǔ)層識(shí)別問題。地震數(shù)據(jù)的多解性，使儲(chǔ)層預(yù)測(cè)往往存在風(fēng)險(xiǎn)，水平段鉆進(jìn)過程中容易出現(xiàn)穿層現(xiàn)象。

采用以地震巖石物理參數(shù)分析為基礎(chǔ)的疊前儲(chǔ)層預(yù)測(cè)，結(jié)合三維精細(xì)地質(zhì)建模既可以大大減少儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的多解性，提高預(yù)測(cè)精度，又可以揭示和表征儲(chǔ)層預(yù)測(cè)中的不確定性。利用采集的寬方位、高密度疊前地震資料，開展以地震巖石物理參數(shù)分析為基礎(chǔ)的疊前地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演，獲得反映儲(chǔ)層特征的縱波阻抗、橫波阻抗、縱波速度、橫波速度、密度、楊氏模量等多種反演參數(shù)體。優(yōu)選出與巖性、含油性相關(guān)性較高的敏感屬性，如密度體、縱波速度體和縱橫波速度比反演體，進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合得到三維巖性概率體。經(jīng)反演多參數(shù)體融合后得到的巖性概率預(yù)測(cè)結(jié)果與井上巖性劃分的吻合率達(dá)92%。

將反演多參數(shù)體融合得到的巖性概率體作為地質(zhì)模型的橫向趨勢(shì)約束，綜合利用地震橫向預(yù)測(cè)宏觀優(yōu)勢(shì)和井資料縱向約束精度高的特點(diǎn)，精細(xì)預(yù)測(cè)巖相、物性分布，再結(jié)合地質(zhì)工程儲(chǔ)層分類標(biāo)準(zhǔn)，精細(xì)刻畫儲(chǔ)層三維空間分布。

經(jīng)該方法預(yù)測(cè)出的優(yōu)勢(shì)巖相、含油飽和度、油層分布與井資料吻合性較好，驗(yàn)證井吻合率為84%。根據(jù)研究成果，對(duì)儲(chǔ)層變化較大的重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行劃分，預(yù)警提醒井位部署及現(xiàn)場(chǎng)跟蹤人員，對(duì)儲(chǔ)層橫向變化較大區(qū)域的水平段進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注，優(yōu)先安排現(xiàn)場(chǎng)跟蹤工作。

2 水平段關(guān)鍵參數(shù)變化及出層風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警

水平井預(yù)警是指在水平井實(shí)施過程中，現(xiàn)場(chǎng)跟蹤鉆井所揭示的地下情況，盡可能提前發(fā)現(xiàn)前方構(gòu)造及油層變化，對(duì)水平井設(shè)計(jì)參數(shù)做出修正，消除一切可能出現(xiàn)的誤差［7］，指導(dǎo)調(diào)整水平井鉆井的前進(jìn)軌跡，最大限度地實(shí)現(xiàn)水平井在優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層中穿行、減少無效進(jìn)尺、保證高儲(chǔ)層鉆遇率的目的［8］。鉆進(jìn)過程中水平井預(yù)警的方法流程（圖1）為：①在井震結(jié)合致密砂礫巖儲(chǔ)層精細(xì)刻畫的基礎(chǔ)上，建立預(yù)警標(biāo)志層。②對(duì)目標(biāo)區(qū)精細(xì)地震解釋，建立目的層時(shí)深轉(zhuǎn)換速度模型，對(duì)標(biāo)志層深度進(jìn)行預(yù)測(cè)。③根據(jù)標(biāo)志層實(shí)鉆數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，對(duì)地震速度場(chǎng)進(jìn)行修正，利用更新后的速度場(chǎng)進(jìn)行構(gòu)造圖精細(xì)修正，預(yù)測(cè)靶點(diǎn)和水平段控制點(diǎn)的深度及水平段傾角變化趨勢(shì)。④在水平段鉆進(jìn)過程中，結(jié)合隨鉆測(cè)井曲線，出層后及時(shí)進(jìn)行頂出還是底出判斷，從而進(jìn)行水平井合理預(yù)警調(diào)整，保證較高的油層鉆遇率。

圖1 水平井預(yù)警流程Fig.1 Early warning process for horizontal wells

2.1 建立預(yù)警標(biāo)志層

上下接觸的地層產(chǎn)狀一般具有繼承性或規(guī)律性，在井口至目的層之間選擇分布相對(duì)穩(wěn)定、上下巖性變化明顯的地層界面，以及測(cè)井曲線上易于識(shí)別的具有區(qū)域代表性的特征段作為標(biāo)志層［9］，實(shí)時(shí)對(duì)比鉆遇標(biāo)志層的深度變化，以便提前預(yù)測(cè)目的層微構(gòu)造變化，通過實(shí)鉆標(biāo)志層逐層預(yù)測(cè)下伏地層變化，直到確定目的層的位置，將這個(gè)標(biāo)志層稱為預(yù)警標(biāo)志層。它的作用是：在井軌跡進(jìn)入油層段之前，提前定量預(yù)示目的層可能的深度、厚度變化，提前預(yù)警以便及時(shí)調(diào)整軌跡準(zhǔn)確中靶［10］。

對(duì)比研究區(qū)巖性、測(cè)井曲線特征，確定在目的油層之上靠近油層的百二段頂部的厚層泥巖作為預(yù)警標(biāo)志層，對(duì)應(yīng)低電阻率、低密度、低聲波時(shí)差特征，在地震剖面上表現(xiàn)為連續(xù)的波谷反射特征，該標(biāo)志層在研究區(qū)分布穩(wěn)定，易于地震資料橫向追蹤。

將標(biāo)志層的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與實(shí)鉆數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，更新局部速度場(chǎng)、構(gòu)造圖對(duì)下伏地層深度變化進(jìn)行預(yù)測(cè)［11］。根據(jù)標(biāo)志層實(shí)鉆數(shù)據(jù)，對(duì)地震速度場(chǎng)進(jìn)行修正，利用更新后的速度場(chǎng)更新構(gòu)造圖和地質(zhì)模型，預(yù)測(cè)靶點(diǎn)深度、油層頂?shù)捉缑嫔疃群退蕉吻斑M(jìn)方向上構(gòu)造變化趨勢(shì)。

2.2 井軌跡關(guān)鍵參數(shù)預(yù)測(cè)

2.2.1 靶點(diǎn)深度預(yù)測(cè)

用2 種方法對(duì)靶點(diǎn)深度進(jìn)行預(yù)測(cè)，第1 種方法適用于井區(qū)外圍控制井少、井間距大的情況，第2種方法適用于開發(fā)井網(wǎng)密集、井控程度較高的情況，兩者結(jié)合對(duì)研究區(qū)新部署的水平井進(jìn)行深度預(yù)測(cè)。

第1種方法為用標(biāo)志層深度結(jié)合地震層速度推算靶點(diǎn)深度。已知目前實(shí)鉆井鉆至標(biāo)志層的深度為H0，從地震時(shí)間剖面獲取其對(duì)應(yīng)的雙程旅行時(shí)間T0以及靶點(diǎn)對(duì)應(yīng)的雙程旅行時(shí)間T。通過標(biāo)志層實(shí)鉆數(shù)據(jù)將速度場(chǎng)更新，獲得目的層平均速度V，可得出實(shí)鉆井靶點(diǎn)預(yù)測(cè)深度為：

這種方法將地震與地質(zhì)相結(jié)合，引入地震構(gòu)造層面和目的層平均速度控制，比單純井資料外推計(jì)算結(jié)果可靠性強(qiáng)。

第2種方法為井震結(jié)合校正地質(zhì)模型的靶點(diǎn)深度。根據(jù)已鉆井和正鉆井的標(biāo)志層實(shí)鉆地質(zhì)分層數(shù)據(jù)調(diào)整井速度與地震速度的誤差趨勢(shì)面，校正原始速度場(chǎng)，以求達(dá)到參與校正的井附近速度場(chǎng)是準(zhǔn)確的目標(biāo)。利用校正后的速度場(chǎng)將目的層頂面的時(shí)間域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為深度域數(shù)據(jù)，用來作為井間約束地質(zhì)模型生成新的構(gòu)造模型，在更新的構(gòu)造模型上直接讀取靶點(diǎn)位置垂深，進(jìn)而預(yù)測(cè)靶點(diǎn)深度。此方法適用于滿足以下2 個(gè)條件的井區(qū)：預(yù)測(cè)井周緣有足夠多實(shí)鉆參考井，參考井均有標(biāo)準(zhǔn)地質(zhì)分層數(shù)據(jù)，該方法資料外推能力有限，預(yù)測(cè)靶點(diǎn)只能在參考井之間才能保證預(yù)測(cè)精度。

2.2.2 水平段傾角預(yù)測(cè)

一般水平井水平段的長(zhǎng)度達(dá)幾百米到上千米，難以保證整個(gè)水平段鉆井軌跡都在油層中。水平段傾角的準(zhǔn)確判斷對(duì)于水平井調(diào)控預(yù)警非常重要。將鉆井資料和地震資料結(jié)合，預(yù)測(cè)水平段的傾角變化趨勢(shì)，指導(dǎo)實(shí)時(shí)調(diào)整鉆頭位置［12-14］。

利用地震剖面預(yù)測(cè)水平段傾角 在過水平段的地震時(shí)間剖面上，按照一定的水平步長(zhǎng)L，沿水平段目的層拾取地震雙程旅行時(shí)間T1，T2，T3，…，Tn，提取目的層平均速度V。根據(jù)三角函數(shù)計(jì)算得到水平段傾角為：

構(gòu)造圖法預(yù)測(cè)水平段傾角 根據(jù)實(shí)鉆標(biāo)志層深度更新速度場(chǎng)，時(shí)深轉(zhuǎn)換地震層面約束構(gòu)造模型，得到地震約束油層頂面構(gòu)造圖，它可以反映沿水平段方向地層傾角的變化。將實(shí)鉆井軌跡實(shí)時(shí)投影至更新后的構(gòu)造圖上，根據(jù)目前鉆頭在油層頂面構(gòu)造圖上的投影點(diǎn)位置讀出深度值H1，根據(jù)水平段方向與構(gòu)造等值線的交點(diǎn)，得到下一個(gè)深度值H2，依次類推得到水平井段各點(diǎn)深度H1，H2，H3，…，Hn。通過測(cè)量鉆頭位置與下一根等值線的水平距離，根據(jù)三角函數(shù)計(jì)算可得出水平段傾角為：

第1 種方法適用于井區(qū)外圍、缺少控制井的情況，第2 種方法適合井網(wǎng)密集、井控程度較高區(qū)域。2 種方法結(jié)合，對(duì)水平段傾角進(jìn)行預(yù)測(cè)，最大限度降低誤差。

2.3 水平井出層風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警

水平井出層的預(yù)警判斷至關(guān)重要，關(guān)系到后續(xù)跟蹤調(diào)整的正確與否［15-16］。在出層后馬上進(jìn)行預(yù)警判斷調(diào)整，能夠減少水平段浪費(fèi)和調(diào)整的難度［17-18］。

研究區(qū)油層電阻率主要為30～60 Ω·m，對(duì)于不同的韻律，在頂切、底切油層時(shí)，電阻率均有不同的響應(yīng)特征。根據(jù)砂泥巖韻律變化和隨鉆曲線特征分析，判斷水平段頂出還是底出。在井震結(jié)合預(yù)測(cè)的井間砂泥巖韻律變化（圖2）的基礎(chǔ)上，根據(jù)隨鉆電阻率指示的韻律變化判斷水平井軌跡與油層的關(guān)系（圖3）：對(duì)于下礫上泥的正韻律地層，底部電阻率較高，在頂切時(shí)電阻率下降，頂出后電阻率呈低值漸變特征；底切時(shí)電阻率上升，底出后電阻率立刻下降，呈突變特征。對(duì)于下泥上礫的反韻律地層，頂部電阻率較高，頂切時(shí)電阻率上升，頂出后電阻率立刻下降，呈突變特征；底切時(shí)電阻率下降，底出后電阻率呈漸變特征。對(duì)于整個(gè)層段發(fā)育砂礫巖的均質(zhì)韻律地層，無論頂切、底切，電阻率均未發(fā)生明顯變化，而這種情況在實(shí)際鉆井過程中很少。

圖2 井震結(jié)合井間巖性韻律發(fā)育情況預(yù)測(cè)Fig.2 Prediction of interwell lithological rhythms by well-log and seismic data integration

圖3 電阻率指示韻律變化特征分析Fig.3 Analysis of rhythm variations from resistivity indication

如果隨鉆電阻率偏離油層平均值較大，根據(jù)反演井軌跡方向韻律識(shí)別結(jié)果，及時(shí)進(jìn)行頂出、底出判斷，預(yù)警調(diào)整好合理角度，確保水平井在目標(biāo)油層中正常鉆進(jìn)［19-21］。預(yù)警調(diào)整方法為：①當(dāng)鉆進(jìn)位置位于正韻律區(qū)，電阻率下降反映頂切，有頂出的風(fēng)險(xiǎn)，需要進(jìn)行預(yù)警并采取降斜措施。②當(dāng)鉆進(jìn)位置位于反韻律區(qū)，電阻率下降較快，有底出的風(fēng)險(xiǎn)，需要進(jìn)行預(yù)警并采取增斜措施。

3 應(yīng)用效果分析

基于反演多參數(shù)體約束地質(zhì)建模的水平井預(yù)警技術(shù)目前主要在瑪2 井區(qū)規(guī)模推廣應(yīng)用，為致密砂礫巖油藏水平井開發(fā)、現(xiàn)場(chǎng)跟蹤調(diào)控、提升油層鉆遇率提供了有效支撐。

以MaHW2008 井為例，該井位于已開發(fā)區(qū)外圍，周圍缺少控制井。針對(duì)該井開展了井震結(jié)合微構(gòu)造精細(xì)刻畫，根據(jù)預(yù)警標(biāo)志層實(shí)鉆深度進(jìn)行了局部構(gòu)造、模型更新和井軌跡調(diào)整，提前預(yù)警參數(shù)變化。標(biāo)志層處設(shè)計(jì)垂深為3 035 m，目前鉆遇深度為3 038 m。對(duì)速度場(chǎng)和構(gòu)造進(jìn)行局部更新后，預(yù)測(cè)該標(biāo)志層距離A 靶點(diǎn)垂直深度為10.5 m，預(yù)測(cè)A 靶點(diǎn)深度為3 048.5 m，實(shí)鉆深度為3 049.2 m，有效降低了誤差，使該井成功入靶。

當(dāng)鉆至3 942 m 時(shí)電阻率突然下降到20 Ω·m，電阻率偏離主油層（30～60 Ω·m）幅度較大。結(jié)合當(dāng)前鉆頭位置和沿井軌跡方向的地層韻律特征（圖4）分析，地震反演顯示該處底部礫巖發(fā)育，向上漸變?yōu)槟鄮r，為正韻率特征，電阻率漸變下降反映頂切特征（圖5），預(yù)警有頂出的風(fēng)險(xiǎn)，建議采取降斜措施。

圖4 MaHW2008井沿井軌跡方向巖性韻律情況預(yù)測(cè)Fig.4 Prediction of lithological rhythms along trajectory of Well MaHW2008

圖5 MaHW2008井巖性韻律結(jié)合隨鉆曲線判斷出層情況Fig.5 Determination of drill-out based on lithological rhythms and resistivity curves while drilling in Well MaHW2008

當(dāng)鉆至4 240 m 處電阻率下降較快，地震反演顯示該處上部礫巖較發(fā)育，向下巖性向泥質(zhì)漸變，為反韻律特征，認(rèn)為當(dāng)前鉆進(jìn)位置位于反韻律區(qū)，預(yù)警有底出的風(fēng)險(xiǎn)，建議采取增斜措施。

經(jīng)過3 輪次調(diào)整使井軌跡回到目的層，該井實(shí)鉆水平段長(zhǎng)度為1 545 m，鉆遇油層長(zhǎng)度為1 406 m，油層鉆遇率為91%。

2019—2020 年對(duì)瑪2 井區(qū)60 余口水平井進(jìn)行了210 次預(yù)警調(diào)整，平均指令調(diào)整次數(shù)為3.5 次。2019 年瑪2 井區(qū)部署實(shí)施63 口水平井，平均鉆遇率達(dá)95.9%，與2018 年相比，油層鉆遇率提高了7.4%。由于軌跡預(yù)測(cè)準(zhǔn)確程度提高，避免了頻繁出層、入層的調(diào)整，鉆井周期由2018 年的80.9 d 縮短為73.9 d，縮短了8.7%，工作效率得到了較大提高。

4 結(jié)論

運(yùn)用疊前地震反演得到多種參數(shù)體，多參數(shù)體融合約束地質(zhì)模型，使儲(chǔ)層預(yù)測(cè)更加合理，有效提高優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的識(shí)別能力。利用疊前地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演結(jié)合地質(zhì)、測(cè)井資料，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)沿水平井軌跡方向巖性韻律發(fā)育情況的合理判斷，結(jié)合隨鉆電阻率變化特點(diǎn)，對(duì)水平井進(jìn)行出層風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，保證水平井軌跡在儲(chǔ)層中順利穿行。當(dāng)鉆進(jìn)位置位于正韻律區(qū)，電阻率下降反映頂切，有頂出的風(fēng)險(xiǎn)，需要進(jìn)行預(yù)警并采取降斜措施；當(dāng)鉆進(jìn)位置位于反韻律區(qū)，電阻率下降較快，有底出的風(fēng)險(xiǎn)，需要進(jìn)行預(yù)警并采取增斜措施?，敽貐^(qū)應(yīng)用效果表明，基于反演多參數(shù)體約束地質(zhì)建模的水平井預(yù)警技術(shù)可有效提高油層鉆遇率、縮短鉆井周期。

符號(hào)解釋

H——靶點(diǎn)預(yù)測(cè)深度，m；

H0——標(biāo)志層實(shí)鉆深度，m；

Hn——沿水平段第n個(gè)拾取點(diǎn)在構(gòu)造圖上的深度，m；

L——水平段相鄰2個(gè)拾取點(diǎn)之間的步長(zhǎng)，m；

T——靶點(diǎn)雙程旅行時(shí)間，s；

T0——標(biāo)志層實(shí)鉆點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地震雙程旅行時(shí)間，s；

Tn——沿水平段第n個(gè)拾取點(diǎn)的地震雙程旅行時(shí)間，s；

V——目的層平均速度，m/s；

θ——水平段傾角，（°）。