水平井地質(zhì)導(dǎo)向關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用

梁 斌 任瑞川 程 琦 曾濟(jì)楚 王金友 吳 生

(①中國(guó)石油大港油田分公司第五采油廠；②中國(guó)石油渤海鉆探第二錄井公司)

0 引 言

水平井通過(guò)提高油層鉆遇厚度的方式提高單井控制儲(chǔ)量，較大程度增加了生產(chǎn)層的泄油面積，從而提高單井產(chǎn)量和采收率，尤其針對(duì)薄層、稠油、底水油藏及頁(yè)巖油氣藏具有顯著的應(yīng)用效果[1-4]。在水平井鉆井過(guò)程中，應(yīng)用地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)可以及時(shí)對(duì)水平井軌跡進(jìn)行校正、優(yōu)化，提高油層鉆遇率，因此開(kāi)展水平井地質(zhì)導(dǎo)向關(guān)鍵技術(shù)研究對(duì)水平井的成功實(shí)施具有重要意義。地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)是指在水平井鉆進(jìn)過(guò)程中，綜合各種地質(zhì)、地震、油藏及鉆測(cè)井資料，建立地下地質(zhì)模型，并結(jié)合隨鉆測(cè)井、錄井等數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)對(duì)鉆井過(guò)程中鉆頭所在儲(chǔ)層的真實(shí)位置進(jìn)行預(yù)測(cè)，調(diào)控鉆具使其在設(shè)計(jì)的儲(chǔ)層位置中穿行，實(shí)現(xiàn)井眼軌跡穿過(guò)儲(chǔ)層最佳位置的控制技術(shù)[5-6]。地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)是在隨鉆地質(zhì)評(píng)價(jià)儀器和地質(zhì)導(dǎo)向工具基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，Anadrill公司于1993年首次成功研制出第一套地質(zhì)導(dǎo)向工具，而后Halliburton、Baker Hughes、INTEQ等公司相繼推出各自的導(dǎo)向工具，其原理主要是應(yīng)用定向測(cè)量和地層評(píng)價(jià)測(cè)井傳感器通過(guò)鉆井液將所測(cè)數(shù)據(jù)輸送到地面，利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終獲得實(shí)時(shí)的地質(zhì)情況和井軌跡參數(shù)[7-11]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前多是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)和地質(zhì)評(píng)價(jià)儀器配合使用，獲得軌跡參數(shù)和測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，當(dāng)前多家鉆井開(kāi)發(fā)公司一起致力于附帶地質(zhì)導(dǎo)向功能的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具研究，并取得了一定的成果。本文以地質(zhì)、地震、油藏等資料為基礎(chǔ)，應(yīng)用井震結(jié)合解釋、對(duì)比技術(shù)，綜合隨鉆測(cè)井、錄井等數(shù)據(jù)建立地質(zhì)導(dǎo)向算法，對(duì)軌跡與儲(chǔ)層的關(guān)系進(jìn)行分析、預(yù)測(cè)，及時(shí)作出軌跡調(diào)整方案，提高構(gòu)造復(fù)雜、儲(chǔ)層變化較快油藏的地質(zhì)導(dǎo)向精度，并在大港油區(qū)內(nèi)周清莊油田的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中取得了良好效果。

1 水平井位適用性分析

1.1 基于三維模型的油藏地質(zhì)研究

精細(xì)油藏地質(zhì)模型研究對(duì)于水平井的部署及鉆井地質(zhì)導(dǎo)向至關(guān)重要，需建立構(gòu)造、巖相、物性、油藏壓力及剩余油分布模型，落實(shí)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層及剩余油富集的甜點(diǎn)區(qū)，據(jù)此合理優(yōu)化水平段的方位、長(zhǎng)度及深度，對(duì)水平井實(shí)施過(guò)程中會(huì)遇到的復(fù)雜情況進(jìn)行預(yù)測(cè)并制定好調(diào)整方案。

應(yīng)用井震結(jié)合標(biāo)定、對(duì)比及砂體刻畫(huà)技術(shù)，精細(xì)描述井區(qū)微構(gòu)造及含油面積分布特征，落實(shí)目的儲(chǔ)層頂?shù)讟?gòu)造及厚度分布特征，建立縱向精度小于1 m、可識(shí)別出隔夾層、平面精度小于5 m×5 m的高精度地質(zhì)模型。

如圖1所示，砂巖儲(chǔ)層內(nèi)部發(fā)育有三個(gè)泥質(zhì)夾層，在模型中作出了精確預(yù)測(cè)，當(dāng)水平段鉆進(jìn)過(guò)程中錄井顯示由砂巖變?yōu)槟鄮r時(shí)，能夠依據(jù)模型判斷鉆頭鉆遇到了泥巖夾層，以免作出出層的誤判。對(duì)于水平井油氣潛力的研究，應(yīng)用油藏剖面對(duì)比和油藏?cái)?shù)值模擬技術(shù)，分析目前剩余油分布規(guī)律及油水界面的深度，指導(dǎo)設(shè)計(jì)水平井段位于油水界面以上剩余油富集區(qū)。如圖2所示，X斷塊油藏經(jīng)過(guò)多年注采開(kāi)發(fā)，同時(shí)受邊底水上侵作用，剩余油分布較零散，主要分布在斷層邊部和井控程度低的井區(qū)，是水平井部署的有利位置。

圖1 沿水平井軌跡的地質(zhì)模型剖面

圖2 X斷塊油藏?cái)?shù)值模擬剩余油分布

1.2 水平段軌跡的優(yōu)選

在地質(zhì)模型、油藏?cái)?shù)值模擬成果基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)水井段的走向、長(zhǎng)度、入窗點(diǎn)、末端點(diǎn)等參數(shù)應(yīng)遵循以下原則：(1)根據(jù)鄰井對(duì)比及地震資料，盡可能精確落實(shí)儲(chǔ)層入窗點(diǎn)深度及砂體厚度；(2)結(jié)合剩余油分布規(guī)律研究，水平段軌跡應(yīng)根據(jù)儲(chǔ)層水平剖面剩余油分布形態(tài)設(shè)計(jì)；(3)避免水平段穿過(guò)斷層；(4)水平段井斜角要求通常不大于90°；(5)由于入窗點(diǎn)為水平段生產(chǎn)壓差最大的點(diǎn)，應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離注水井或邊底水，防止入窗點(diǎn)過(guò)早水淹；(6)底水活躍油藏，水平段應(yīng)控制在油層頂部1/3范圍內(nèi)；(7)裂縫型油藏，水平段應(yīng)與主應(yīng)力方向保持45°以下的夾角。

2 隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向

在水平井鉆井過(guò)程中，實(shí)時(shí)更新地質(zhì)模型中的井軌跡數(shù)據(jù)，及時(shí)將隨鉆測(cè)井、錄井信息與地質(zhì)模型進(jìn)行對(duì)比，實(shí)鉆軌跡與設(shè)計(jì)軌跡一致時(shí)，保持設(shè)計(jì)軌跡實(shí)施，二者出現(xiàn)偏差時(shí)，根據(jù)鄰井對(duì)比、地震軸標(biāo)定重新認(rèn)識(shí)構(gòu)造及儲(chǔ)層變化情況，及時(shí)調(diào)整鉆井參數(shù)優(yōu)化井軌跡，確保在儲(chǔ)層的最佳位置。

2.1 水平井著陸控制

著陸點(diǎn)是鉆頭鉆至目的層頂界面的位置，鉆頭由上覆地層進(jìn)入目的儲(chǔ)層。由于目的層頂界面上下地層巖性、物性及含油性等屬性的變化，此時(shí)鉆時(shí)最先有響應(yīng)，即鉆時(shí)明顯縮短。隨著著陸深度點(diǎn)的巖屑返出，氣測(cè)值往往會(huì)顯著增大，巖屑含砂量亦增多，含油氣的情況下，巖屑滴照會(huì)有油氣顯示。隨鉆測(cè)井儀器距離鉆頭一般有12 m左右，隨著繼續(xù)鉆進(jìn)，著陸點(diǎn)的電測(cè)特征由泥巖轉(zhuǎn)向含油砂巖，自然伽馬值減小，電阻率值顯著增大。這一系列參數(shù)變化綜合表明鉆頭已進(jìn)入目的油氣層，進(jìn)而及時(shí)調(diào)整軌跡控制參數(shù)，以保證按設(shè)計(jì)完成水平段的鉆遇。

水平井著陸的成功與否，主要取決于鉆井軌跡在著陸點(diǎn)井斜角與目的儲(chǔ)層地層傾角的關(guān)系，即著陸后在不超過(guò)最大狗腿度情況下，可通過(guò)井斜角調(diào)整實(shí)現(xiàn)水平段實(shí)鉆軌跡與設(shè)計(jì)吻合。水平井地質(zhì)導(dǎo)向過(guò)程中往往希望能夠以最快的垂下深速度下探著陸點(diǎn)，并且要求在著陸后能夠在符合工程要求的狗腿度范圍內(nèi)調(diào)整至設(shè)計(jì)水平段軌跡，意味著著陸點(diǎn)井斜角趨小(圖3)。

圖3 著陸點(diǎn)井斜角示意

實(shí)現(xiàn)著陸前以最快垂下深速度探層，著陸后水平段軌跡在允許狗腿度范圍內(nèi)可調(diào)整至與設(shè)計(jì)吻合。當(dāng)鉆頭位置軌跡井斜角滿足γ>0°時(shí)，著陸前軌跡將持續(xù)向目的層靠近，進(jìn)層后可調(diào)整至設(shè)計(jì)軌跡；當(dāng)鉆頭位置軌跡井斜角滿足γ≤0°時(shí)，著陸前軌跡平行或遠(yuǎn)離目的層頂界，無(wú)法實(shí)現(xiàn)著陸。

在水平井著陸過(guò)程中需加密隨鉆資料的錄取，實(shí)時(shí)做好以下幾點(diǎn)分析。(1)標(biāo)志層的對(duì)比，“標(biāo)志層”位于目的層上方附近，特征明顯，且發(fā)育較穩(wěn)定，可與鄰井進(jìn)行對(duì)比，在鉆井過(guò)程中能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)“標(biāo)志層”的對(duì)比識(shí)別，及時(shí)判斷真實(shí)構(gòu)造特征的變化及鉆頭與目的層的距離，進(jìn)而調(diào)整鉆頭位置井斜角，著陸時(shí)能夠達(dá)到合適的井斜角。(2)除“標(biāo)志層”對(duì)比之外，根據(jù)隨鉆提供的實(shí)時(shí)資料，結(jié)合鄰井對(duì)比、地震軸精細(xì)追蹤等技術(shù)，對(duì)著陸點(diǎn)深度、地層井斜角持續(xù)分析預(yù)測(cè)，并對(duì)地質(zhì)模型進(jìn)行校正。(3)利用地震屬性、反演等資料對(duì)儲(chǔ)層平面分布特征進(jìn)行刻畫(huà)，盡可能避免著陸點(diǎn)位于儲(chǔ)層變化點(diǎn)，否則會(huì)嚴(yán)重影響地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)人員的判斷。

2.2 水平段地質(zhì)導(dǎo)向

水平段油層鉆遇率直接關(guān)系著水平井的產(chǎn)能，在水平井水平段地質(zhì)導(dǎo)向過(guò)程中，應(yīng)盡最大限度控制軌跡在油層最佳甜點(diǎn)位置穿行。水平段地質(zhì)導(dǎo)向基本原則有以下幾點(diǎn)：(1)水平段軌跡應(yīng)保持平滑，保障后期套管、篩管的順利下入；(2)根據(jù)開(kāi)發(fā)井網(wǎng)需求，水平段長(zhǎng)度控制合理，保證井網(wǎng)結(jié)構(gòu)合理；(3)縱橫向物性變化較大的油藏，應(yīng)盡可能控制軌跡沿物性較好的層段穿行；(4)邊底水油藏，水平段軌跡應(yīng)避開(kāi)水線，遠(yuǎn)離油水邊界，盡可能保持在油層頂部1/3位置。

依據(jù)鉆井、錄井、測(cè)井及地震資料綜合判別軌跡出層情況，其中鉆時(shí)反應(yīng)最快速，其表示鉆頭進(jìn)入另一種巖性引起的鉆時(shí)變化，提供的是鉆頭位置的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。巖屑和氣測(cè)特征是由井底返到地面所分析和監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，受遲到時(shí)間的影響，不能代表當(dāng)前鉆頭位置的數(shù)據(jù)。常規(guī)隨鉆測(cè)井一般與鉆頭間有12 m左右的盲區(qū)，即實(shí)時(shí)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)較鉆頭位置延遲12 m。因此，水平段地質(zhì)導(dǎo)向應(yīng)利用多資料協(xié)同分析、判斷鉆頭在儲(chǔ)層中的具體位置(表1)。

表1 鉆頭出入層鉆、錄、測(cè)井特征分類統(tǒng)計(jì)

水平井設(shè)計(jì)過(guò)程中，目的層傾角預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度直接關(guān)系著水平井地質(zhì)導(dǎo)向的難易程度。地下構(gòu)造及儲(chǔ)層時(shí)常會(huì)因地震資料精度、沉積微相的變化等原因造成與設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)存在偏差，因此在地質(zhì)導(dǎo)向過(guò)程中，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)錄取的數(shù)據(jù)，結(jié)合井震資料，持續(xù)對(duì)地層傾角反復(fù)論證，并及時(shí)對(duì)鉆井軌跡進(jìn)行調(diào)整、優(yōu)化。假設(shè)沿下傾地層鉆進(jìn)，地層等厚且地層傾角穩(wěn)定。下面根據(jù)水平段鉆出層情況分兩種情形對(duì)地層傾角進(jìn)行計(jì)算分析(圖4)：(1)進(jìn)層后從目的層底出，地層傾角α=arctan[(GN-AB-CD)/(OG-OC)],其中GN為N點(diǎn)的垂深，AB為地層視垂厚，CD為D點(diǎn)的垂深，OG為軌跡N點(diǎn)的總位移，OC為軌跡D點(diǎn)的井軌跡總位移；(2)進(jìn)層后從目的層頂出，地層傾角α=arctan[(MQ-EF)/(OM-OE)]，其中MQ為Q點(diǎn)的垂深，EF為F點(diǎn)的垂深，OM為軌跡Q點(diǎn)的總位移，OE為軌跡F點(diǎn)的井軌跡總位移。

圖4 水平段地層求取地層傾角示意

由于水平段軌跡沿不同產(chǎn)狀的儲(chǔ)層從底部穿出，所產(chǎn)生的視垂厚不相同，對(duì)儲(chǔ)層厚度的變化易造成誤判，影響地質(zhì)導(dǎo)向決策。

如圖5所示，當(dāng)軌跡①沿從地層下傾方向出層，其視垂厚h1較儲(chǔ)層真實(shí)垂厚h大，當(dāng)軌跡②沿從地層上傾方向出層，其視垂厚h2較儲(chǔ)層真實(shí)垂厚h小。因此，對(duì)于非水平產(chǎn)狀地層，應(yīng)充分考慮到地層傾角對(duì)視垂厚的影響，在地質(zhì)導(dǎo)向過(guò)程中，依據(jù)地層的真實(shí)地層傾角進(jìn)行校正：(1)沿下傾方向出層情況，軌跡①的真實(shí)垂厚為h1-ACtanα,其中AC為井軌跡總位移；(2)沿上傾方向出層情況，軌跡②的真實(shí)垂厚為h2+BDtanα，其中BD為井軌跡總位移。

圖5 不同產(chǎn)狀水平段底部出層視垂厚示意

3 應(yīng)用實(shí)例

大港油區(qū)內(nèi)周清莊油田沙三3砂體構(gòu)造復(fù)雜，儲(chǔ)層單一，砂體平均厚度在4～6 m，通過(guò)精細(xì)的地質(zhì)模型及剩余油分布規(guī)律論證，確定實(shí)施水平井X 1H井。該井在模型論證階段，應(yīng)用井震結(jié)合技術(shù)，通過(guò)層位標(biāo)定追蹤確定水平段地層傾角為84.2°(圖6)。為能夠在地層傾角較大，儲(chǔ)層較薄的井區(qū)順利完成水平井的地質(zhì)導(dǎo)向，在精細(xì)構(gòu)造、儲(chǔ)層分析的基礎(chǔ)上，在水平段軌跡的著陸點(diǎn)靶點(diǎn)A與末點(diǎn)靶點(diǎn)B間新增軌跡控制點(diǎn)，確保實(shí)鉆軌跡的可控性。

圖6 X 1H井井軌跡線地震剖面

在水平段地質(zhì)導(dǎo)向過(guò)程中，密切關(guān)注鉆井、錄井和測(cè)井資料的變化，X 1H井在水平段鉆進(jìn)過(guò)程中，受沉積微相、儲(chǔ)層非均質(zhì)性等因素影響，電阻率、氣測(cè)、巖屑等特征會(huì)出現(xiàn)異常變化，如井深3 170 m和3 290 m附近電阻率曲線顯著降低，氣測(cè)值也相應(yīng)降低(圖7)，但鉆井巖屑分析仍為砂巖，結(jié)合前述表1對(duì)應(yīng)特征分析，得出未出層而是鉆遇層內(nèi)非均質(zhì)夾層的結(jié)論，建議按原方案繼續(xù)鉆進(jìn)，電測(cè)特征逐漸變好。在水平井段地質(zhì)導(dǎo)向控制過(guò)程中，追蹤標(biāo)定地震軸，每鉆進(jìn)10 m對(duì)地層傾角重新核實(shí)，形成設(shè)計(jì)井軌跡系列優(yōu)化、控制點(diǎn)，在鉆遇復(fù)雜情況時(shí)，有依據(jù)性地分析鉆頭所處層內(nèi)位置，作出合理的調(diào)整對(duì)策，保障X 1H井完成了水平段設(shè)計(jì)長(zhǎng)度501 m，優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇率達(dá)到91%。

圖7 X 1H井隨鉆測(cè)井及綜合錄井圖

4 結(jié) 論

(1)在水平井適用性論證階段，充分應(yīng)用井間精細(xì)對(duì)比、地震同相軸標(biāo)定追蹤等技術(shù)，落實(shí)構(gòu)造、儲(chǔ)層、隔夾層及剩余油分布，建立高精度地質(zhì)三維模型，針對(duì)儲(chǔ)層優(yōu)質(zhì)甜點(diǎn)區(qū)進(jìn)行水平段部署，為實(shí)施過(guò)程的高精度地質(zhì)導(dǎo)向奠定基礎(chǔ)，保障水平井順利達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

(2)針對(duì)地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)，分別從著陸和水平段導(dǎo)向兩個(gè)階段進(jìn)行分析、論證，基于模型建立地層傾角、儲(chǔ)層厚度及最佳著陸井斜角的求取算法，與傳統(tǒng)地質(zhì)導(dǎo)向方法相比，融入了更多定量計(jì)算方法，較大程度提高了地質(zhì)導(dǎo)向精度。

(3)水平井地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)在大港油區(qū)周清莊油田高地層傾角、薄油層實(shí)施多口水平井，均獲得90%以上油層鉆遇率，X 1H井水平段達(dá)501 m，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。