儲層界面預(yù)測新方法在水平井地質(zhì)導(dǎo)向中的應(yīng)用

黃 余 金

(中海石油(中國)有限公司深圳分公司)

0 引 言

水平井生產(chǎn)井段長，井筒與油層的直接接觸面積大，井底壓降較小，波及范圍大，能大幅提高單井的產(chǎn)能以及油氣田的開發(fā)效率和經(jīng)濟效益[1-2]，利于實現(xiàn)油氣田的高速高效開發(fā)，因而被越來越多的應(yīng)用于油田的早期開發(fā)以及后期挖潛。但隨著油田地質(zhì)油藏復(fù)雜程度以及開采水平的提高，也給水平井的實施帶來了較大的困難，尤其在實施的過程中如何提前、準(zhǔn)確預(yù)測目的層界面，指導(dǎo)水平井的精準(zhǔn)“著陸”顯得更為困難和關(guān)鍵。

水平井“著陸”階段，雖然基于地震資料可以實現(xiàn)對目的儲層的預(yù)測，但受地震資料品質(zhì)和垂向分辨率的影響，其預(yù)測目的層深度與實鉆深度往往有一定的差距[3]。由于水平井“著陸”的井斜角度往往在80°以上，此時的垂深若相差1 m，平面上水平距離就會相差幾十米乃至上百米，無論是提前還是延后著陸都會導(dǎo)致水平井的質(zhì)量和油層鉆遇率大幅度降低[4-5]。因此，僅僅依靠地震構(gòu)造解釋難以滿足地質(zhì)導(dǎo)向中對儲層界面精準(zhǔn)預(yù)測的需求。

目前在“著陸”階段主要是通過鄰井對比法來實現(xiàn)對儲層界面的預(yù)測。該方法首先通過區(qū)域地層對比確定標(biāo)志層，然后在分析鄰井標(biāo)志層距目的層頂面垂向距離的基礎(chǔ)上，結(jié)合對地層傾角的認(rèn)識來預(yù)測水平井鉆頭距目的層頂界面的距離[6]。該方法適用于地層厚度發(fā)育相對穩(wěn)定、構(gòu)造平緩、鄰近著陸點已有鉆井的情況，影響該方法預(yù)測準(zhǔn)確與否的主要因素是對地層傾角以及地層厚度展布的認(rèn)識。對于厚度穩(wěn)定的地層，在卡準(zhǔn)標(biāo)志層的情況下，儲層界面預(yù)測的準(zhǔn)確與否取決于對地層傾角的認(rèn)識，獲得相對可靠的地層傾角，對于水平井的地質(zhì)導(dǎo)向具有十分重要的意義。本文在介紹常用求取地層傾角方法的基礎(chǔ)上，提出了一種考慮水平井鉆遇地層厚度變化求取地層傾角的新方法，通過建立不同模式下地層邊界方程，實現(xiàn)對儲層界面的有效預(yù)測，同時通過建立一體化地質(zhì)導(dǎo)向流程、編制應(yīng)用程序的方式，實現(xiàn)地質(zhì)導(dǎo)向過程中儲層界面直觀量化預(yù)測。

1 地層傾角的求取

1.1 成像測井計算地層傾角

隨著成像測井越來越多的應(yīng)用于地質(zhì)導(dǎo)向，該方法也越來越多地被用來測量地層傾角。該方法原理較簡單，主要是基于方位性測井，當(dāng)井眼穿過具有一定屬性差異的上下地層界面時，不同方位的測井?dāng)?shù)據(jù)對同一界面的反映時間會有所差異，在井眼上對應(yīng)兩個測量點，拾取這兩個測量點的距離以及井筒尺寸等參數(shù)，結(jié)合相關(guān)幾何公式便能得到相應(yīng)的地層傾角。以密度成像測井為例，測量方位密度成像測井在穿過儲層界面時，通過高邊和低邊的邊界響應(yīng)距離可實現(xiàn)對地層傾角的求取(圖1)，具體算法如下：

假設(shè)井筒直徑L為8.5 in(1 in=2.54 cm)，密度成像的探測范圍半徑R為1 in，密度成像上下邊感應(yīng)到的距離為A，那么水平井與地層的夾角β為：

β=arctan[(L+2R)/A]

(1)

若水平井井斜為θ，則地層傾角α為：

α=β+θ-90°

(2)

受限于成像測井精度以及探測深度的影響，且考慮到成像測井較高的成本，該方法往往用于指導(dǎo)開發(fā)井水平段的實施，較少應(yīng)用于指導(dǎo)水平井的“著陸”。

圖1 密度成像測井與地層夾角示意

1.2 利用鄰井計算地層傾角

在指導(dǎo)水平井“著陸”階段，通過對比鄰井標(biāo)志層(全區(qū)分布、厚度穩(wěn)定、巖性特征明顯的地層)的海拔與水平距離計算地層傾角[6](圖2)，該方法需要水平井著陸點附近已有完鉆定向井，且兩者之間的距離不宜太遠(yuǎn)。

若水平井穿過標(biāo)志層時與鄰井的水平距離為S1，垂向高差為H1，則地層傾角α為：

α=arctan(H1/S1)

(3)

此種方法的優(yōu)點是計算比較簡單，在沒有成像測井工具的情況下，也能夠快速估算出地層傾角，但缺點也同樣明顯：當(dāng)鉆井存在難以校正的井間系統(tǒng)誤差以及鄰近對比井與水平井軌跡不在同一方向上時，使用此種方法求取地層傾角會產(chǎn)生較大的誤差。

圖2 地層傾角計算模型(與鄰井對比)

1.3 利用地層厚度變化計算地層傾角

針對利用鄰井計算地層傾角會存在井間系統(tǒng)誤差而導(dǎo)致地層傾角求取不準(zhǔn)的問題，筆者提出利用地層厚度變化計算地層傾角的方法，能有效規(guī)避井間系統(tǒng)誤差，實現(xiàn)對地層傾角的精準(zhǔn)預(yù)測。當(dāng)開發(fā)井以不同的角度穿過厚度穩(wěn)定的地層時，由于地層自身傾角以及開發(fā)井與地層夾角的不同，開發(fā)井穿過的地層厚度響應(yīng)也會有較大的差別(圖3)，可以利用這種厚度的差異，實現(xiàn)對地層傾角的計算(圖4)。

根據(jù)地層傾角計算模型，若水平井穿過標(biāo)志層頂界入層點為P1(X1，Y1，Z1)，穿過標(biāo)志層底界出層點P2(X2，Y2，Z2)，P1、P2兩點的水平距離為S2，HTV1為標(biāo)志層的視厚度，則地層傾角α可通過簡單反三角函數(shù)求?。?/p>

α=arctan(H2/S2)

(4)

式中：H2為地層視厚度和入層點與出層點之間的垂直距離之差，m；S2為入層點與出層點之間的水平距離，m。

公式(4)中H2和S2分別可以通過以下公式求?。?/p>

H2=|(Z2-Z1)-HTV1|

(5)

式中：Z1、Z2分別為P1(入層點)、P2(出層點)垂深，m。

(6)

式中：X1、X2分別為P1(入層點)、P2(出層點)橫坐標(biāo)，m；Y1、Y2分別為P1(入層點)、P2(出層點)縱坐標(biāo)，m。

所以地層傾角α又可以表達(dá)如下：

(7)

利用地層厚度變化計算地層傾角方法的優(yōu)點是計算地層傾角時避免了井間的鉆井誤差，在地層穩(wěn)定的情況下能夠得到相對可靠的地層傾角。但該方法面對地層較薄或存在巖性變化時，由于地層視厚度值難以求準(zhǔn)，誤差會相對較大。

以上3種方法都有其適用范圍，實際應(yīng)用中需要根據(jù)實際油藏地質(zhì)情況以及鉆井的不同階段選擇合適的一種或幾種方法，進(jìn)行地層傾角的求取，同時需要結(jié)合錄井、鉆井等地質(zhì)資料進(jìn)行綜合分析，才能得到準(zhǔn)確可靠的地層傾角。相比而言，成像測井受成本以及預(yù)測范圍的影響，僅建議在水平段的實施階段使用，進(jìn)行地層傾角的計算，在水平井的“著陸”階段建議優(yōu)先使用基于地層厚度變化的地層傾角計算方法，進(jìn)行地層傾角的求取。

圖3 不同模式下水平井穿過地層示意

圖4 地層傾角計算模型(利用厚度變化)

2 地層界面預(yù)測方法

2.1 邊界距離方程的求取

在得到適當(dāng)?shù)牡貙觾A角后，通過建立不同模式下的邊界距離方程(圖5)，便可實時確定鉆頭距離目的層邊界的位置，以此來指導(dǎo)地質(zhì)導(dǎo)向工作。

若水平井鉆頭位置點為P3(X3，Y3，Z3)，P2、P3兩點的水平距離為S3，標(biāo)志層底距離目的層頂?shù)囊暫穸葹镠TV2，地層傾角為α，根據(jù)三角函數(shù)即可以推算出各相關(guān)參數(shù)：

L2=HTV2-L1

(8)

式中：L2為鉆頭與目的層之間的垂直距離，m；L1為鉆頭與標(biāo)志層之間的垂直距離，m。

(1)當(dāng)?shù)貙酉聝A時：

L1=(Z3-Z2)-S3tanα

(9)

式中：Z3為鉆頭位置點P3的垂深，m；S3為鉆頭與出層點之間的水平距離，m。

(10)

式中：X3、Y3分別為鉆頭位置點P3的橫、縱坐標(biāo)，m。

綜合公式(8)、(9)、(10)，則鉆頭距離目的層的距離L2為：

(11)

(2)當(dāng)?shù)貙由蟽A時：

L1=(Z3-Z2)+S3tanα

(12)

圖5 邊界距離計算模型

綜合公式(8)、(10)、(12)，則鉆頭距離目的層的距離L2為：

(13)

2.2 一體化的地質(zhì)導(dǎo)向流程

在水平井地質(zhì)導(dǎo)向中，最大的挑戰(zhàn)在于當(dāng)實際鉆遇情況與預(yù)測出現(xiàn)偏差時，如何快速準(zhǔn)確地對井軌跡進(jìn)行調(diào)整。實踐經(jīng)驗證明，只有鉆前做好充分的準(zhǔn)備工作，針對可能出現(xiàn)的情況制定高質(zhì)量的預(yù)處理方案，才能較好地完成地質(zhì)導(dǎo)向和調(diào)整作業(yè)。

圖6 地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)流程

一般而言，鉆前地質(zhì)準(zhǔn)備工作包括：熟悉施工區(qū)塊的構(gòu)造特征、地層層序、電性特征，了解地層巖性在橫向和縱向的變化規(guī)律、標(biāo)志層和特殊巖性特征、地層傾角大小及變化等。通過建立一體化的地質(zhì)導(dǎo)向流程(圖6)，將這些鉆前資料融匯到一起，輔以自主編制的軟件，把基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和計算公式嵌入軟件中，導(dǎo)向時只需要實時更新隨鉆測井與分層數(shù)據(jù)，便可實時評估地層傾角，計算出鉆頭到目的層邊界的距離，在實鉆地質(zhì)情況出現(xiàn)變化時，快速決策與調(diào)整，提高鉆井實效。

3 應(yīng)用實例

目前，結(jié)合此種方法已在H油田實施13口水平井應(yīng)用，著陸段實施過程中，靶點控制準(zhǔn)確，中靶率高達(dá)100%；水平段實施過程中，能減少水平段損失，整體砂巖儲層鉆遇率達(dá)90%；鉆井地質(zhì)循環(huán)等待時間小于24 h，大幅提高鉆井效率，減少無效進(jìn)尺，為實現(xiàn)油田的高產(chǎn)奠定了堅實的基礎(chǔ)。

A 1H井是H油田實施的第一口水平井，設(shè)計水平段長500 m，目的層為ZJ 10層。A 1井為H油田實施的第一口定向井，已實施并鉆穿ZJ 10層，且該井在ZJ 10層過路點與A 1H井著陸點相距不足200 m，因而能夠為A 1H井的著陸提供較好的參照。從區(qū)域沉積背景來看，ZJ 10層為三角洲前緣沉積背景下的水下分流河道沉積，巖性為大套厚層淺灰色細(xì)砂巖。區(qū)域地層對比顯示，在目的層上部有ZJ 08、ZJ 09等多套標(biāo)志層(圖7)。

ZJ 10層為大底水油藏，油柱高度僅5 m，且含油面積小，為滿足產(chǎn)能的需求，要求實際著陸點控制在靶點范圍30 m以內(nèi)，垂向上水平段控制在距砂頂0.5 m以內(nèi)，水平井軌跡調(diào)整空間小，實施難度較大。考慮到著陸靶點與鄰近井平面距離不足50 m，在著陸階段，對該井軌跡的控制主要通過鄰井對比法。

實施過程中，水平井A 1H井鉆至ZJ 08層底界時，通過鄰井A 1井地層對比結(jié)果顯示，此時鉆頭距離著陸點垂深為20.5 m，但通過前期所編制地質(zhì)導(dǎo)向軟件計算，目前鉆頭距離目的層的垂向距離為22.3 m(圖8)，兩者預(yù)判的結(jié)果有近2 m的差異。結(jié)合對構(gòu)造傾角變化的認(rèn)識，分析認(rèn)為這樣的一個差異可能是由于井間存在鉆井相對誤差所致，考慮到地質(zhì)導(dǎo)向軟件中采用的算法能有效規(guī)避鉆井相對誤差，按照地質(zhì)導(dǎo)向軟件預(yù)測結(jié)果，及時調(diào)整軌跡至設(shè)計線下2 m繼續(xù)鉆進(jìn)，防止著陸點變深后，需要浪費大量進(jìn)尺才能入層。指令實施后，實鉆測井曲線與預(yù)測完全一致，隨著垂深的減少，逐漸逼近著陸點。鉆至ZJ 09層底時，導(dǎo)向軟件顯示距離著陸點垂深5.8 m，鄰井深度顯示距離著陸點僅4 m，考慮到此時地層構(gòu)造傾角為0°，確認(rèn)兩口井之間存在2 m左右的鉆井誤差，適當(dāng)調(diào)整軌跡，從而讓軌跡在5.8 m垂深后井斜角增至89°。當(dāng)鉆至3 310 m(斜深)時，井斜角為89.5°，自然伽馬顯示已鉆至ZJ 10層頂，錄井為熒光細(xì)砂巖，順利完鉆，實鉆靶點平面位置距離設(shè)計位置不足20 m，滿足設(shè)計要求。在水平段的實施過程中，結(jié)合其他隨鉆測井響應(yīng)，綜合利用邊界距離計算軟件，嚴(yán)格控制水平段軌跡在距頂0.5 m窗口內(nèi)，為該井的高產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。投產(chǎn)后開發(fā)井的實際生產(chǎn)情況遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于預(yù)測。

圖7 A 1井測井曲線與ZJ 10層頂面構(gòu)造圖

圖8 A 1H井地質(zhì)導(dǎo)向模式圖

4 結(jié) 論

研究實例表明，利用水平井鉆遇地層厚度變化來求取地層傾角的新方法能有效規(guī)避井間系統(tǒng)誤差，提高地層傾角求取的準(zhǔn)確性，結(jié)合不同模式下的地層邊界方程，最終實現(xiàn)水平井“著陸”階段對儲層界面的精準(zhǔn)預(yù)測。

基于儲層界面預(yù)測新方法建立一體化地質(zhì)導(dǎo)向流程，并通過編制應(yīng)用程序能實現(xiàn)對目標(biāo)儲層界面的快速高效預(yù)測，對同類油藏水平井的地質(zhì)導(dǎo)向具有較好的應(yīng)用前景。