三維地質(zhì)建模技術(shù)在水平井鉆井地質(zhì)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

劉 平 施寶海 陳 賀 李長洪 孫方宇 史從越

(①中國石油渤海鉆探第一錄井公司；②中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司鉆井事業(yè)部；③中國石油大港油田公司第四采油廠)

0 引 言

為有效提高油氣田風(fēng)險(xiǎn)勘探區(qū)域水平井鉆井地質(zhì)設(shè)計(jì)中水平井入靶點(diǎn)及水平段各控制點(diǎn)的精準(zhǔn)度，業(yè)內(nèi)引用三維地質(zhì)建模技術(shù)[1]，精細(xì)刻畫目的層展布特征及各屬性體的匹配關(guān)系，預(yù)測(cè)目的層垂向深度及相應(yīng)地層傾角，作為水平井地質(zhì)設(shè)計(jì)中入靶點(diǎn)及水平段各控制點(diǎn)設(shè)計(jì)依據(jù)的方法被廣泛應(yīng)用。目前是依據(jù)常規(guī)地質(zhì)認(rèn)識(shí)在一維平面圖上的數(shù)據(jù)分布和測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)歸一化處理的儲(chǔ)層解釋基礎(chǔ)上，通過繪制地質(zhì)圖件尋找有利儲(chǔ)層進(jìn)行水平井軌跡的部署。然而該方法存在以下不足之處:

(1)傳統(tǒng)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法解釋目的層都是基于將井點(diǎn)上采集的參數(shù)轉(zhuǎn)換為一維分布數(shù)據(jù)，再取目的層段的平均值得到的，其弊端是轉(zhuǎn)換后的一維分布無法從三維空間的層次上研究巖相變化、砂體的展布規(guī)模和展布特征對(duì)水平井軌跡的影響。

(2)對(duì)于地層傾角變化大，地層構(gòu)造抬升快的區(qū)塊，常規(guī)的基于井點(diǎn)上的一維分布數(shù)據(jù)沒有考慮儲(chǔ)層三維空間的不確定性和儲(chǔ)層局部地層傾角變化的影響。

(3)在地震勘探資料解釋處理基礎(chǔ)上投影的水平井設(shè)計(jì)坐標(biāo)和入靶垂深的精準(zhǔn)度達(dá)不到鉆井施工要求。

本文針對(duì)以上不足，采集測(cè)井處理過的高精度井?dāng)?shù)據(jù)和地震解釋處理過的地層構(gòu)造數(shù)據(jù)，利用三維地質(zhì)建模技術(shù)的隨機(jī)模擬計(jì)算方法[2]，對(duì)水平井部署區(qū)塊進(jìn)行三維構(gòu)造模型、巖相模型及屬性參數(shù)模型的建立，預(yù)測(cè)儲(chǔ)層垂向上的深度及儲(chǔ)層中目的層甜點(diǎn)段的展布規(guī)律和地層傾角的變化，最終用于優(yōu)化風(fēng)險(xiǎn)區(qū)塊水平井軌跡的設(shè)計(jì)，提高有效儲(chǔ)層鉆遇率。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)位于四川盆地川東高陡構(gòu)造帶東部[3]，位于華鎣山以東、七曜山以西、大巴山以南，地處四川省中東部和重慶市東北部的四市二十縣域內(nèi)，面積約55 000 km2。目標(biāo)區(qū)處于茍西-臥龍河-板東構(gòu)造帶，呈北東-南西向掃帚狀分布，構(gòu)造和向斜連續(xù)分布。本文設(shè)計(jì)井X 1-1H井位處于茍西三維區(qū)的新市構(gòu)造，該構(gòu)造上發(fā)育兩個(gè)局部構(gòu)造，西側(cè)為相對(duì)完整的背斜構(gòu)造，向東傾表現(xiàn)出鼻狀特征，東側(cè)發(fā)育一個(gè)斷層圈閉。構(gòu)造在二疊系期間繼承性發(fā)育，穩(wěn)定性較好。茍西-臥龍河-板東地區(qū)為帚狀高陡構(gòu)造與向斜區(qū)間隔分布，茍西三維區(qū)發(fā)育低陡新市構(gòu)造。新市構(gòu)造總貌為穹隆狀，長軸12 km，短軸5.5 km。地層傾角4°～8°，出露地層為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組。

整個(gè)盆地保持著西南高東北低的沉積格局[4]，區(qū)域內(nèi)三套烴源巖厚度均較大，面積分布廣，孔隙發(fā)育、測(cè)試產(chǎn)量高，盆地內(nèi)多口井在茅一段獲得高產(chǎn)工業(yè)氣流，適合水平井部署。由于設(shè)計(jì)井所處的區(qū)塊地層傾角變化大、地層構(gòu)造抬升快，需要采用三維地質(zhì)模型分段計(jì)算地層傾角，用于水平井井軌跡的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 水平井靶點(diǎn)確定

水平設(shè)計(jì)井X 1-1H井與已鉆風(fēng)險(xiǎn)探井X 1井共用一個(gè)鉆井平臺(tái)，側(cè)鉆井深3 700 m，水平段長度為1 500 m，設(shè)計(jì)要求為兼顧上下兩個(gè)目的層的雙臺(tái)階水平井，上面目的層鉆700 m，下面目的層鉆600 m，方位0°，地面海拔287.0 m，補(bǔ)心距10.5 m，靶前距350 m，根據(jù)地震資料顯示目的層地層傾角約4°(具體精度需要建立三維地質(zhì)模型確定)，根據(jù)已鉆井井口坐標(biāo)(X：18 708 238；Y：3 312 898)及目的層頂垂深(4 402.5 m)，推算出設(shè)計(jì)井入靶點(diǎn)坐標(biāo)(X：18 708 238；Y：3 313 248)及目的層入靶點(diǎn)垂深(4 399.5 m)。設(shè)計(jì)井水平段各控制點(diǎn)軌跡數(shù)據(jù)見表1。

表1 X 1-1H井0°方位入靶點(diǎn)及控制點(diǎn)數(shù)據(jù)

3 常規(guī)水平井地質(zhì)設(shè)計(jì)

常規(guī)水平井地質(zhì)設(shè)計(jì)是建立在與設(shè)計(jì)井相鄰的出發(fā)井和末端井并用石文軟件繪制的二維地層油氣藏剖面，將表1計(jì)算的入靶點(diǎn)及各控制點(diǎn)數(shù)據(jù)投影到繪制的剖面圖上，得到的井軌跡設(shè)計(jì)圖(圖1)；或是根據(jù)地震資料來設(shè)計(jì)，但受限于地震資料本身的分辨率，無法識(shí)別十幾米以內(nèi)目的體，解釋層位的精準(zhǔn)度不高，以此為依據(jù)設(shè)計(jì)井筒軌跡誤差較大。

圖1 X 1-1H井井軌跡設(shè)計(jì)圖

將此方法計(jì)算出的井軌跡數(shù)據(jù)投影到地震剖面圖上(圖2)，設(shè)計(jì)的入靶點(diǎn)及水平段控制點(diǎn)飄在目的層茅一b(圖中粉色層界線)之上，與地震解釋的剖面深度相差甚遠(yuǎn)，因此對(duì)于地層傾角變化較大的地層用常規(guī)的二維設(shè)計(jì)思路顯然是不對(duì)的，有必要引用三維地質(zhì)建模的思路來設(shè)計(jì)工區(qū)水平井軌跡。

圖2 X 1-1H井0°方位軌跡地震剖面投影圖

4 三維地質(zhì)建模

研究區(qū)三維地質(zhì)建模數(shù)據(jù)來源主要依據(jù)工區(qū)地震解釋處理提供的強(qiáng)反射層構(gòu)造圖數(shù)據(jù)，以及工區(qū)風(fēng)險(xiǎn)探井X 1井和X 14井兩口井的測(cè)井處理數(shù)據(jù)。用斯倫貝謝公司的Petrel三維地質(zhì)建模軟件進(jìn)行工區(qū)小層地層劃分，精準(zhǔn)卡準(zhǔn)目的層深度。 軟件提供的隨機(jī)模擬方法很多，但各種方法的地質(zhì)適用性和應(yīng)用范疇各不相同[5]。通過對(duì)研究區(qū)儲(chǔ)層沉積地質(zhì)特征的研究，結(jié)合多種隨機(jī)模擬方法的比較，認(rèn)為序貫高斯模擬計(jì)算方法適合正常淺海碳酸鹽臺(tái)地相沉積儲(chǔ)層的相控沉積特征，其他儲(chǔ)層屬性參數(shù)在模型網(wǎng)格中進(jìn)行離散數(shù)據(jù)分析處理，在相控指導(dǎo)原則下建立由沉積相模型約束的屬性模型，用于反映有關(guān)參數(shù)在三維空間的變化特征，從而最大程度地準(zhǔn)確預(yù)測(cè)儲(chǔ)層內(nèi)部的非均質(zhì)性和“甜點(diǎn)段”的分布規(guī)律以及地層傾角的變化情況。

首先結(jié)合研究區(qū)儲(chǔ)層地質(zhì)特征，以設(shè)計(jì)井工區(qū)內(nèi)東西兩邊的斷層和南北切線圈定為模型邊界，以小層為模擬單元，充分考慮水平井對(duì)于網(wǎng)格系統(tǒng)的要求，按照平面網(wǎng)格精度為 20 m×20 m、垂向上精度為0.5 m進(jìn)行網(wǎng)格化處理，采用隨機(jī)建模方法建立目的層的三維地質(zhì)模型。

4.1 構(gòu)造模型

構(gòu)造模型主要反映儲(chǔ)層的地層空間立體格架及微構(gòu)造特征，定量描述地層的外部幾何形態(tài)。地層傾角預(yù)測(cè)是否準(zhǔn)確取決于地層構(gòu)造模型的構(gòu)建正確與否，其正確性取決于工區(qū)小層地層格架模型和地震解釋的構(gòu)造深度面的選取，一般地震解釋精度達(dá)不到單井實(shí)鉆信息的精度，因此本研究區(qū)選取離目標(biāo)層距離最近的茅一b構(gòu)造解釋層作為地層模型構(gòu)建的依據(jù)，結(jié)合單井地質(zhì)分層數(shù)據(jù)和地震解釋的工區(qū)斷層數(shù)據(jù)建立的斷層模型相約束計(jì)算出各小層微構(gòu)造，建立符合工區(qū)地質(zhì)認(rèn)識(shí)的三維地層構(gòu)造模型(圖3、圖4)。

4.2 巖相及屬性參數(shù)模型

研究表明風(fēng)險(xiǎn)探井X 1井區(qū)屬于淺海碳酸鹽臺(tái)地相沉積模式，工區(qū)沉積相模型的建立綜合利用巖心、測(cè)井、試油等資料，在構(gòu)造模型的基礎(chǔ)上，建立三維巖相模型，再基于相控建模思路選取序貫高斯模擬計(jì)算方法，建立可用于指導(dǎo)鉆井施工現(xiàn)場(chǎng)水平井地質(zhì)導(dǎo)向的伽馬和電阻率等屬性參數(shù)模型[4-5](圖4)。

5 三維空間水平井軌跡設(shè)計(jì)

水平井軌跡優(yōu)化要素取決于入靶點(diǎn)和水平井段各控制點(diǎn)的坐標(biāo)和垂深的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)[6]。

工區(qū)地質(zhì)模型的建立，準(zhǔn)確地展示了地質(zhì)體三維空間上入靶點(diǎn)和各控制點(diǎn)局部地層傾角和垂向上的深度，將表1計(jì)算的水平井軌跡數(shù)據(jù)在三維模型中與目的層調(diào)整吻合后顯示，鉆遇第一個(gè)目的層入靶點(diǎn)井斜為94.08°，第二個(gè)目的層入靶點(diǎn)井斜93.13°，揭開目的層中上部，平行地層實(shí)現(xiàn)雙臺(tái)階兼顧上下兩個(gè)目的層鉆進(jìn)1 500 m水平段，二維和三維切片窗口顯示水平井軌跡正北末端鉆遇斷層(圖5、圖6)，有造成現(xiàn)場(chǎng)井漏的危險(xiǎn)。

為了規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，建設(shè)方研究決定X 1井區(qū)探評(píng)水平井在原定方案基礎(chǔ)上更改為方位10°，水平段1 150 m設(shè)計(jì)水平井，調(diào)整后設(shè)計(jì)軌跡繞開了正北方位的斷層，如圖7、圖8、表2所示。

表2 X 1-1H井10°方位三維模型中入靶點(diǎn)及控制點(diǎn)數(shù)據(jù)

圖7 X 1井區(qū)10°方位設(shè)計(jì)水平井軌跡平面圖

圖8 X 1井區(qū)10°方位設(shè)計(jì)水平井軌跡剖面圖

同時(shí)，屬性參數(shù)伽馬和電阻率模型，在目標(biāo)層屬性剖面圖上展示了高伽馬、低電阻率的儲(chǔ)層特征(圖9)，為現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)導(dǎo)向提供了參考[7]。

圖9 X 1井區(qū)10°方位伽馬及電阻率模型剖面圖

6 兩種水平井軌跡設(shè)計(jì)方法比較

建設(shè)方要求X 1-1H井部署臺(tái)階式水平井，縱向上兼顧兩個(gè)目標(biāo)層。由于常規(guī)水平井設(shè)計(jì)方法選取的出發(fā)井和末端井投影繪制的氣藏剖面圖，只能反映地層的平均傾角，水平段上各個(gè)控制點(diǎn)的水平段長度和切入地層的深度也無法精準(zhǔn)把控(圖10紅色軌跡)。而三維地質(zhì)模型從橫向水平方向和縱向切入地層的深度上，都能精準(zhǔn)讀出地層信息(幾何空間上每個(gè)點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)數(shù)據(jù)，垂向上的深度)，提高了水平井軌跡優(yōu)化的精度。兩種方法投影到地震圖上軌跡的展示，與實(shí)鉆軌跡(圖10綠色軌跡)相比較，應(yīng)用三維地質(zhì)建模方法設(shè)計(jì)的水平井軌跡(圖10黃色軌跡)更切合地層傾角的變化趨向。

圖10 三維模型設(shè)計(jì)水平井軌跡投影圖

7 結(jié) 論

(1)將三維地質(zhì)建模技術(shù)應(yīng)用到四川盆地川東風(fēng)險(xiǎn)開發(fā)區(qū)水平井地質(zhì)設(shè)計(jì)中，能夠達(dá)到對(duì)水平井入靶點(diǎn)和水平段各個(gè)控制點(diǎn)以及地層傾角的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，為現(xiàn)場(chǎng)鉆井施工地質(zhì)導(dǎo)向提供了參考依據(jù)，有利于地質(zhì)人員對(duì)水平井軌跡在目的層甜點(diǎn)段的控制，提高了有效儲(chǔ)層鉆遇率。

(2)目標(biāo)層分層數(shù)據(jù)約束地震解釋的強(qiáng)反射層構(gòu)造模擬計(jì)算的目標(biāo)層微構(gòu)造，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了目標(biāo)層垂深，解決了地震解釋達(dá)不到的精度，為探評(píng)區(qū)塊水平井部署提供了依據(jù)。

(3)應(yīng)用Petrel軟件對(duì)水平井設(shè)計(jì)軌跡末端鉆遇斷層進(jìn)行預(yù)測(cè)，有利于設(shè)計(jì)方案的調(diào)整。同理，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施過程中，對(duì)密集井網(wǎng)和邊底水活躍的區(qū)塊，可以進(jìn)行鄰井碰撞和水淹預(yù)測(cè)，防止水平段過長導(dǎo)致鉆穿鄰井井眼和水平段過長造成在開發(fā)過程中水平井投產(chǎn)即水淹的現(xiàn)象出現(xiàn)。