復(fù)雜構(gòu)造區(qū)頁巖氣水平井高鉆遇率井軌跡優(yōu)化技術(shù)
——以永川南區(qū)開發(fā)實踐為例

溫真桃, 操良濤, 簡萬洪, 歐陽嘉穗

(1. 中國石化西南油氣分公司 勘探開發(fā)研究院, 成都 610041；2. 中石化經(jīng)緯有限公司西南錄井分公司, 四川 綿陽 621000)

0 引言

四川盆地頁巖氣勘探開發(fā)正在如火如荼的開展，從已鉆頁巖氣井產(chǎn)量來看，Ⅰ類儲層鉆遇率與水平井測試產(chǎn)量間呈較好的相關(guān)性，所以控制優(yōu)化好水平井眼軌跡，提高Ⅰ類儲層鉆遇率是影響產(chǎn)量的關(guān)鍵因素之一[1-3]。目前針對構(gòu)造相對簡單、地層傾角平緩、斷縫欠發(fā)育地區(qū)，已形成了一套成熟的頁巖氣地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)[4-8]，但是針對構(gòu)造復(fù)雜區(qū)，斷縫發(fā)育、地震預(yù)測誤差大、地層傾角變化大的特點，Ⅰ類儲層鉆遇率較低，井眼軌跡控制技術(shù)有待進一步優(yōu)化。該文通過對復(fù)雜構(gòu)造區(qū)永川南區(qū)3平臺11口井的實施分析，形成了一套適合于構(gòu)造復(fù)雜區(qū)的井軌跡優(yōu)化技術(shù)，提高了Ⅰ類儲層鉆遇率，為永川南區(qū)的成功建產(chǎn)打下了堅實的基礎(chǔ)，對后續(xù)復(fù)雜構(gòu)造帶的井軌跡控制提供參考。

1 永川南區(qū)地質(zhì)特征

永川南區(qū)為一北東向向斜，地層傾角0 °～8 °，埋深3 750～4 350 m，斷縫發(fā)育，為復(fù)雜構(gòu)造區(qū)。斷縫以NE-SW向展布為主，共識別64條，根據(jù)斷距將其分為A(斷距>100 m)、B(斷距50～100 m)、C(斷距20～50 m)、D(斷距小于10～20 m)和E(斷距小于10 m)五類，A類和B類屬于區(qū)域-局部控制斷層，主要分布在南區(qū)北部邊界，C類、D類和E類屬于局部構(gòu)造內(nèi)伴生小斷層，主要分布在南區(qū)內(nèi)部，如圖1所示。

圖1 永川南區(qū)斷縫預(yù)測圖Fig.1 Fault-fracture prediction map of Yongchuan southern area

永川南區(qū)開發(fā)層系厚39.5～45.5 m，其中底部2～31小層為最優(yōu)儲層，厚度7.4～8.9 m，具有高伽瑪(200～213 API)、高有機質(zhì)豐度(4.5%～4.9%)、高含氣量(8.2～8.6 m3/t)、高孔隙度(5.2%～5.3%)、高脆性礦物(68%～70%)、低黏土礦物(25.9%～27.2%)、低密度(2.40～2.42 kg/m3)“五高兩低”的特征，綜合評價為Ⅰ類儲層，為地質(zhì)、工程“雙甜點”。靶窗的優(yōu)選決定了產(chǎn)能最大化[9-11]，因此優(yōu)選2～31小層為水平井靶窗有利區(qū)，如圖2所示。

平面斷縫、微幅構(gòu)造發(fā)育、縱向靶窗范圍小，嚴(yán)重影響優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇率，因此針對這些情況，應(yīng)用三維地質(zhì)建模，結(jié)合入靶方式優(yōu)選和特殊構(gòu)造軌跡優(yōu)化方案，首先做好井軌跡優(yōu)化設(shè)計，并在實施過程中做好標(biāo)志層及關(guān)注點的選取，采用隨鉆伽馬與元素錄井的綜合導(dǎo)向技術(shù)進行井軌跡控制，以達到提高優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇率的目的。

圖2 永川南區(qū)靶窗選擇Fig.2 Selection of target window in Yongchuan southern area

2 設(shè)計過程中的軌道優(yōu)化

2.1 入靶方式選擇

目前常用的入靶方式有3種，上靶窗入靶模式、按設(shè)計靶心入靶模式和下靶窗入靶模式(見表1)。

表1 入靶模式表Table 1 Target entry mode table

上靶窗入靶是從設(shè)計上靶窗進入，井斜角與地層傾角小角度相交入靶，具有井軌跡調(diào)整余量大，減小狗腿度等工程調(diào)控的風(fēng)險。按設(shè)計靶心入靶為精準(zhǔn)情況下的理想狀態(tài)，也是從上靶窗進入，井軌跡與地層傾角達到近平行的方式入靶，但是實際操作中很難實現(xiàn)，且井軌跡調(diào)整余量相對較小，如果預(yù)測誤差較大時，存在地層容易穿出下靶窗的風(fēng)險。下靶窗入靶是由于井斜角與地層傾角大角度相交，由上靶窗進入下靶窗穿出，然后又從下靶窗穿回的入靶方式，屬于2次中靶，增加了靶前位移、增大井眼復(fù)雜度等工程風(fēng)險。永川南區(qū)由于地層傾角變化大，預(yù)測深度難度大，靶窗范圍要求高，狗腿度要求變化小，為了保證準(zhǔn)確入靶，優(yōu)選井軌跡調(diào)整余量大，后期工程風(fēng)險小的上靶窗入靶模式。

2.2 特殊構(gòu)造軌跡優(yōu)化方案

在永川南區(qū)鉆井過程中，由于構(gòu)造復(fù)雜、斷縫發(fā)育，水平段常會鉆遇局部隆起、凹陷、斷層的情況。圖3所示在鉆遇逆斷層時，要先增斜，通過斷層后又鉆遇隆起，為了保證高鉆遇率應(yīng)該繼續(xù)增斜鉆進，過隆起后再降斜，但是這樣會造成后期鉆井施工難度增大，因此在追求高鉆遇率的同時也要計劃好后期工程施工問題，為了確保井眼軌跡平滑，降低后期鉆井施工難度，保障下套管、壓裂測試等工程施工能正常進行，應(yīng)該選擇放棄部分優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇率。

圖3 示例井實鉆過程中鉆遇局部快速隆起水平井軌跡優(yōu)化方式Fig.3 An optimization method of horizontal well trajectory with local rapid heave during drilling

2.3 基于三維地質(zhì)模型的井軌跡優(yōu)化

通過地震資料層位跟蹤分析結(jié)合已鉆水平井分層數(shù)據(jù)，對儲層構(gòu)造進行重新刻畫，特別是對斷縫、微伏構(gòu)造精細(xì)解釋，在建立斷層模型基礎(chǔ)上，利用鉆井分層數(shù)據(jù)追蹤解釋標(biāo)志小層五峰底的層面，然后以地震解釋的斷層、標(biāo)志層層面成果為主要輸入數(shù)據(jù)，以井的分層為輔助輸入數(shù)據(jù)，將地層厚度作為約束條件，分別對各小層(1，2，③，④，⑤，⑥，⑦)頂層位面模擬，從而建立準(zhǔn)確的三維地質(zhì)屬性模型，如圖4所示[12-15]。

圖4 永川三維地質(zhì)屬性模型Fig.4 Three-dimensional geological attribute model of Yongchuan

在上述三維地質(zhì)屬性模型建立的基礎(chǔ)上，結(jié)合入靶方式的選擇和特殊構(gòu)造特征軌跡優(yōu)化方案，進行井軌跡優(yōu)化設(shè)計，在保障最大優(yōu)質(zhì)儲量鉆遇率的同時達到工程施工安全性和后期改造的穩(wěn)定性，減少工程風(fēng)險，如圖5所示。

圖5 YYA井的井軌跡設(shè)計圖Fig.5 Well trajectory design diagram of YYA well

3 實施過程中的井軌跡控制優(yōu)化

3.1 標(biāo)志層及關(guān)注點的選取

永川南區(qū)，縱向上借助GR曲線及元素Ca，Si，Mg和Fe的變化明顯性、橫向展布穩(wěn)定性及工程可調(diào)控性，如圖6所示識別三級9個標(biāo)志層，9個標(biāo)志層特征如表2所示，其中一級標(biāo)志層GR曲線及元素特征變化明顯，區(qū)域穩(wěn)定，在鉆井過程中要重點識別。平面上，將地層的傾角變化、鉆遇斷層、微幅構(gòu)造等情況作為平面轉(zhuǎn)折點在實施過程中重點關(guān)注，如圖5中YYA井平面上識別5個重點關(guān)注點。

圖6 永川南區(qū)標(biāo)志層識別Fig.6 Identification of marker layer in the south area of Yongchuan

表2 永川南區(qū)標(biāo)志層參數(shù)表Table 1 The parameter table of marker layer in the south area of Yongchuan

3.2 隨鉆伽馬與元素錄井的綜合導(dǎo)向技術(shù)

目前，對于構(gòu)造簡單地區(qū)來說水平井的井軌跡控制一般采用隨鉆伽馬來判斷鉆頭在地層中的位置，它具有反映靈敏、可靠性高的優(yōu)點，但是當(dāng)鉆遇微小斷層、微幅構(gòu)造等，由于地層突然變化，單一的伽馬值不能準(zhǔn)確判斷鉆頭位置，對下步井軌跡調(diào)整造成困難。而元素錄井正好填補隨鉆伽馬這一缺陷，元素錄井的各類元素能很好反應(yīng)地層的變化情況，同一區(qū)域內(nèi)各類元素具有可標(biāo)定性，在不同層位變化趨勢明顯，特別是穿越微小斷層、微幅構(gòu)造時元素特征會出現(xiàn)明顯的變化。因此對于構(gòu)造復(fù)雜地區(qū)，采用隨鉆伽馬與元素錄井的綜合導(dǎo)向來準(zhǔn)確判斷鉆頭在地層中的位置，及時做出調(diào)整，確保水平軌跡鉆遇率。

通過標(biāo)志層GR與元素的變化趨勢(見表2)，采用隨鉆伽馬與元素錄井的綜合導(dǎo)向，在造斜段及時計算垂深、視傾角，及時調(diào)整軌跡，采用⑨～⑧小層初步調(diào)整、⑦和④小層精細(xì)調(diào)整、31小層微調(diào)的方案，精確入靶；在水平段，按照靶窗設(shè)置范圍，結(jié)合靶窗上下一級控制點的GR及元素特征，判斷軌跡與地層相對穿行方向，及時調(diào)整井軌跡，確保井軌跡在靶窗內(nèi)穿行。

4 應(yīng)用實例與效果

永川南區(qū)3平臺11口井2～31小層鉆遇率到達了94.13%，較前期59.83%，鉆遇率提高了34.3%，為后續(xù)壓裂施工，獲得高產(chǎn)氣流，實現(xiàn)效益開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。目前測試產(chǎn)能最高為23.16×104m3/d，無阻流量37.4×104m3/d。

實例以YYA井水平段鉆進為例。水平段靶窗特征：進入上靶窗后，GR迅速上升，Ca逐漸增高，Al逐漸降低，P緩慢增加，呈下切走勢；穿出下靶窗后，GR迅速下降并趨于平緩，而Ca逐漸增高并趨于平穩(wěn)，Al逐漸降低，P迅速增高。如圖7所示，在井段4 494～4 507 m段，GR快速上升，Ca和P略有升高之勢，Al快速下降，4 507～4 519 m段，GR快速下降，之后趨于平緩，Ca逐漸增高并趨于平穩(wěn)，Al逐漸降低，P迅速增高。地層傾角由下傾6 °～8 °變?yōu)橄聝A1 °～2 °，判斷為局部構(gòu)造起伏引起的地層傾角急劇變化，軌跡相對地層呈快速下穿并進入五峰組。根據(jù)地質(zhì)建模分析，預(yù)計該段長度約100～120 m，該段之后地層傾角預(yù)計下傾2 °～4 °逐漸變化為0 °左右完井?？紤]到工程安全因素要求水平段狗腿度控制在10 °/100 m，確定該段為地質(zhì)犧牲井段，最終實現(xiàn)軌跡在2～31開發(fā)小層優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇率95.34%。依據(jù)元素及GR特征，還判斷出該井在深度4 226 m鉆遇斷距為3 m的小斷層，軌跡由2開發(fā)小層上半幅斷至31開發(fā)小層中部。如圖7所示31開發(fā)小層至2開發(fā)小層鉆進過程中，Ca和P呈逐漸升高趨勢，Al呈逐漸下降趨勢，GR值逐漸升高；井段4 038～4 226 m與4 226～4 491 m各元素特征變化特征基本一致，相較于4 226 m鏡像特征明顯。井段4 038～4 491 m依據(jù)隨鉆方位GR特征判斷為下穿，與YYA井元素及GR變化特征不匹配，因此判斷4 226 m處存在斷層。

圖7 YYA井實鉆水平段4 000～5 100 m井軌跡圖Fig.7 YYB well actual drilling track diagram in 4 000～5 100 m

5 結(jié)論

1)在構(gòu)造復(fù)雜區(qū)，應(yīng)基于三維地質(zhì)模型，結(jié)合上靶窗入靶方式和特殊構(gòu)造特征進行井軌跡優(yōu)化設(shè)計，同時為保證工程施工的安全性和后期改造的穩(wěn)定性，應(yīng)該選擇放棄部分優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇率。

2)根據(jù)GR曲線、元素變化特征及構(gòu)造變化，確定縱向標(biāo)志層和平面關(guān)注點，采用隨鉆伽馬與元素錄井的綜合導(dǎo)向技術(shù)確定鉆頭在地層中的位置，及時做出調(diào)整，確保水平軌跡鉆遇率。