谷紅陶 劉江濤
(①中石化重慶頁巖氣有限公司;②中國石化石油工程技術(shù)研究院)
地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)是伴隨著水平井鉆井技術(shù)的快速發(fā)展而產(chǎn)生的一項多學(xué)科融合的綜合性技術(shù)[1-2]。近10年來,隨著國內(nèi)非常規(guī)油氣資源勘探開發(fā)進程的加快,尤其是四川盆地頁巖氣開發(fā)的大規(guī)模開展,地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)已成為頁巖氣水平井鉆井中必不可少的關(guān)鍵技術(shù)之一[3-6]。目前,國內(nèi)外石油工程技術(shù)服務(wù)公司主要依靠隨鉆測井曲線與地震、錄井等多種資料綜合分析,實時判斷軌跡位置,來實現(xiàn)水平井的地質(zhì)導(dǎo)向。隨著頁巖氣勘探開發(fā)的深入,以構(gòu)造復(fù)雜、埋深大、水平段長為特征的新區(qū)塊的鉆探給地質(zhì)導(dǎo)向帶來了挑戰(zhàn)[7-8]。2014年以來,中石化重慶頁巖氣有限公司開展了頁巖氣水平井隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)研究,形成了基于地震資料精細分析、精準著陸技術(shù)和水平段精準軌跡調(diào)整技術(shù)的頁巖氣水平井地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù),并在川東南平橋區(qū)塊現(xiàn)場應(yīng)用中取得了良好效果。
平橋頁巖氣田構(gòu)造位于四川盆地東南緣的川東高陡褶皺帶包鸞-焦石壩背斜帶,北距焦石壩背斜構(gòu)造約40 km,是鳳來復(fù)向斜內(nèi)平橋西和平橋東斷裂夾持的狹長、窄陡型斷背斜[9]。構(gòu)造內(nèi)地層向南北方向傾伏,構(gòu)造高點位于斷背斜中部,背斜核部地層產(chǎn)狀平緩,地層傾角在5°~15°之間,兩翼地層產(chǎn)狀較陡,地層傾角20°~30°,斷背斜兩翼小斷層發(fā)育,但總體斷距不大(圖1)。地層上同焦石壩主構(gòu)造相似,晚奧陶世-早志留世五峰組-龍馬溪組整體位于缺氧-還原環(huán)境的半深水-深水陸棚沉積相帶內(nèi),沉積了一套厚度較大的暗色富有機質(zhì)泥頁巖,含氣性好,但五峰組-龍馬溪組一段氣層厚度比焦石壩主構(gòu)造明顯增大,介于115~155 m之間,整個頁巖氣層的平均TOC、孔隙度、脆性礦物含量、總含氣量相比焦石壩略低[10-11]。
圖1 平橋區(qū)塊構(gòu)造位置及剖面圖
頁巖氣水平井地質(zhì)導(dǎo)向過程是將鉆井過程中采集得到的實時隨鉆測井數(shù)據(jù)、錄井數(shù)據(jù)等進行綜合分析,從而判斷軌跡層位、地層傾角等關(guān)鍵參數(shù),并將分析結(jié)果轉(zhuǎn)化為軌跡調(diào)整指令的過程[12]。平橋斷背斜兩側(cè)地層傾角較大,鉆井過程中對水平段方位控制要求高,且由于斷裂夾持,雖然地層整體上變化不大,但某些部位地層傾角局部變化頻繁,加之目的層較深(超過3 000 m),設(shè)計水平段一般較長(平均為2 000 m),給地質(zhì)導(dǎo)向及鉆井施工帶來了較大的困難。針對上述地質(zhì)特征,地質(zhì)導(dǎo)向人員通過開展地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)研究,形成了三維地震精細解釋、精準著陸技術(shù)、水平段精細軌跡控制等多項關(guān)鍵技術(shù),實現(xiàn)了多學(xué)科融合的頁巖氣水平井地質(zhì)導(dǎo)向。
平橋區(qū)塊實現(xiàn)了三維地震全覆蓋,但囿于地震資料本身精度的限制,僅依靠地震數(shù)據(jù)本身進行鉆前地層精細分析比較困難,針對復(fù)雜構(gòu)造帶地層深度預(yù)測精度低的問題,開展構(gòu)造約束、多信息協(xié)同的精細速度建模研究,并充分利用該區(qū)已鉆井獲取的資料,對速度模型進行校正,從而降低復(fù)雜構(gòu)造帶的突變干擾,有效提升了斷層疊置區(qū)的預(yù)測精度(圖2)。從應(yīng)用效果看,采用構(gòu)造約束建立的速度模型求取的地層深度誤差大幅度降低(表1)。同時,綜合利用鉆井、測井、錄井數(shù)據(jù)對地質(zhì)模型進行校正,展示擬排布水平井軌跡的地層變化特征,為水平井的設(shè)計和導(dǎo)向提供可靠的地質(zhì)依據(jù)。通過鉆前建立精細的速度建模,對待鉆井剖面地層特征進行預(yù)測,并計算設(shè)計水平段地層傾角變化特征,為地質(zhì)導(dǎo)向方案的制定提供技術(shù)依據(jù)。從圖3可以看出,研究區(qū)某待鉆水平井水平段目的層地層傾角變化較大,位于下傾3°至上傾12°之間,且局部存在小構(gòu)造,地層傾角變化較快。通過三維地震精細分析,可以為地質(zhì)導(dǎo)向人員提供信息,在后續(xù)地質(zhì)導(dǎo)向過程中,針對上述情況提前采取措施。
圖2 三維地震精細解釋
表1 常規(guī)約束和構(gòu)造約束速度模型預(yù)測精度對比
圖3 某待鉆水平井水平段地層傾角預(yù)測
著陸段地質(zhì)導(dǎo)向是水平井地質(zhì)導(dǎo)向過程的關(guān)鍵階段,其任務(wù)是確保鉆頭準確入靶[4]。如果入靶姿態(tài)不佳或在設(shè)計A靶點未能入靶,可能導(dǎo)致靶前距增加、鉆穿目的層、井眼不規(guī)則等后果,直接影響優(yōu)質(zhì)頁巖儲層的鉆遇率,甚至導(dǎo)致填井,給后續(xù)鉆井施工和儲層壓裂改造等埋下隱患[5]。
2.2.1 確定標志層
地層對比標志層的確定是地質(zhì)導(dǎo)向作業(yè)順利完成的前提[4]。平橋區(qū)塊五峰組-龍馬溪組頁巖地層與焦石壩主區(qū)塊發(fā)育特征類似,因此采用與JY 1井同樣的地層劃分方案,將五峰組-龍馬溪組頁巖劃分為9個小層(從下至上分別為①-⑨小層),加上頁巖層上部的濁積砂地層,作為地層對比的主要標志層。特征點的選取原則一般是隨鉆GR曲線的高低尖峰、駝峰或GR曲線的趨勢性變化。從圖4平橋區(qū)塊某直井龍馬溪組GR特征可以看出,龍馬溪組三段、龍馬溪組二段及龍馬溪組一段的①-⑨小層GR曲線特征點清晰,其中進入龍二段后的濁積砂巖位置有一個明顯的GR低值尖峰,位于龍一段頁巖之上50 m左右。這里需要注意的是,由于橫向沉積相變,個別井可能缺失濁積砂巖。
圖4 對比井標志層選取
2.2.2 預(yù)測A靶點垂深
在三開鉆進以后,從進入濁積砂巖開始,每出現(xiàn)一個標志層,都要將該層實鉆井深和設(shè)計井深進行對比,預(yù)測A靶點垂深。在頁巖水平井單井控制區(qū)域范圍內(nèi),海相頁巖層沉積較穩(wěn)定,層位厚度極少發(fā)生較大的變化,因此在地質(zhì)導(dǎo)向過程中,認為各小層是等厚的。以此為依據(jù),可以根據(jù)地層視傾角計算A靶點深度(地層視傾角計算方法見2.3.1所述)。
首先,識別出標志層1,在對比井(直井)上讀取該標志層至A靶點所在地層的視垂厚h,并將h校正到地層傾角為0°時該標志層至A靶點所在地層的垂厚h1(圖5a),其公式如下:
h1=hcosβ
(1)
式中:h為對比井標志層1至A靶點所在地層的視垂厚,m;β為對比井所在位置的地層傾角,(°)。
再將h1校正到地層視傾角為α的情況下,標志層1至A靶點所在地層的垂深H1(圖5b),公式如下:
H1=h1/cosα
(2)
在地層下傾情況下(圖6a),地層視傾角為α,預(yù)測正鉆井標志層1至A靶點的視垂厚H,公式如下:
H=H1+L/tanα
(3)
式中:L為實鉆軌跡上標志層1至設(shè)計A靶點的水平距離,m。
將公式(1)、(2)、(3)合并:
H=hcosβ/cosα+L/tanα
(4)
在地層上傾的情況下(圖6b),預(yù)測正鉆井標志層1至A靶點的垂深H的計算公式為:
H=hcosβ/cosα-L/tanα
(5)
如果最新預(yù)測的A靶點與設(shè)計A靶點深度誤差大于15 m,需要重新設(shè)計入靶前軌道,并根據(jù)新設(shè)計軌道進行軌跡調(diào)整;如果誤差小于15 m,則直接對軌跡進行調(diào)整。
圖5 標志層1至A靶點垂厚、垂深校正示意
圖6 地層等厚法計算靶點垂深示意
2.2.3 入靶軌跡優(yōu)化
(1)軌道類型:井眼軌道類型主要采用增斜-穩(wěn)斜-增斜的漸增式軌道設(shè)計,降低初始定向時的造斜率,以降低定向施工壓力,同時保證充足的軌跡調(diào)整井段,以應(yīng)對A靶點頻繁調(diào)整帶來的軌跡調(diào)整壓力。
(2)扭方位井段選擇:由于井工廠模式下軌跡設(shè)計原因,在三開以后,需要進行大角度的扭方位操作,將方位角調(diào)整到水平段方向上。扭方位作業(yè)會降低定向效率,因此明確扭方位井段的井斜角以小于30°為宜,即在鉆遇濁積砂地層之前完成扭方位。
(3)入靶角選擇:在入靶前,精確預(yù)測A靶點深度,并據(jù)此進行井斜調(diào)整,合理安排增斜速率,確保軌跡以最佳姿態(tài)入靶。入靶角的選擇需根據(jù)不同的地層變化情況,采取相應(yīng)的策略[13]。一是地層為簡單單斜的情況,地層傾角變化小,入靶井斜應(yīng)略小于90°與地層視傾角之差,保持小角度下切,以降低入靶前造斜壓力,并保持軌跡平滑;二是地層傾角逐漸增大的情況,根據(jù)地層傾角增加的幅度,適當增加入靶井斜角,適當增加下切地層的速度,以避免入靶后降斜過快;三是地層傾角逐漸減小的情況,包括地層變緩或由下傾變?yōu)樯蟽A,此時入靶井斜角應(yīng)等于或略大于90°與地層視傾角之差,保持軌跡平行地層或小角度上切地層,以避免入靶后增斜過快。
水平段地質(zhì)導(dǎo)向是水平井地質(zhì)導(dǎo)向過程的核心,其目的是確保井眼位于靶窗內(nèi)。由于實鉆地層與設(shè)計常存在偏差,水平段地質(zhì)導(dǎo)向不可以B靶為目標,而是綜合利用隨鉆測井(LWD)、綜合錄井(鉆時、氣測、巖性)、地震等資料,通過多井對比,實時預(yù)測地層傾角,并根據(jù)地震剖面地層變化趨勢,精細調(diào)整鉆井軌跡,在保持井眼光滑的情況下,確保優(yōu)質(zhì)頁巖儲層的高鉆遇率。
2.3.1 地層視傾角實時預(yù)測技術(shù)
長水平段的主力頁巖儲層鉆遇率的高低,在很大程度上取決于對目標地層的地層視傾角預(yù)測是否準確[14]。為了保持井眼光滑,避免大幅度增斜、降斜操作,在地質(zhì)導(dǎo)向過程中,需控制井斜角與地層的夾角在1°以內(nèi),這就需要實時對地層視傾角進行精準預(yù)測。通常情況下,主要通過實鉆軌跡數(shù)據(jù),結(jié)合對比井和目標井的標志層對比情況,可以快速計算鉆遇目標地層的視傾角,以指導(dǎo)下步施工。
在穿過不同標志層的情況下,根據(jù)地層等厚的原則,利用鉆遇的地層標志層,對地層視傾角(α)進行計算(圖7a),公式如下:
α=arcsin(H視垂厚/L空間距離)-arcsin(H真厚/L空間距離)
(6)
在穿過同一標志層的情況下,對地層視傾角進行計算(圖7b),公式如下:
α=arctan(H垂向距離/H平面距離)
(7)
2.3.2 鉆井軌跡精細控制技術(shù)
在地質(zhì)導(dǎo)向過程中,軌跡調(diào)整指令的形成是個復(fù)雜的過程,不僅需要對未鉆地層準確預(yù)測(有賴于地層傾角的準確計算),而且對當前軌跡與地層的關(guān)系、調(diào)整軌跡后在地層中的走勢都必須有明確的認識。
(1)軌跡與地層的關(guān)系:當前軌跡與地層的關(guān)系判斷主要依靠地層視傾角和井斜角。為了便于描述,引入地層切角(γ)的概念來定義地層和軌跡的夾角。地層與軌跡的關(guān)系主要包括6種情況,如圖8所示。
圖7 地層視傾角實時計算
圖8 地層與軌跡的關(guān)系圖示
地層視傾角為α,井斜角為90°-β(井斜角<90°)或90°+β(井斜角>90°),那么地層切角γ=井斜角-90°-α,γ=0表示軌跡與地層平行,γ>0表示軌跡正在上切地層,γ<0表示軌跡正在下切地層。γ絕對值的大小表示軌跡穿層速度的快慢,γ絕對值越大,表明軌跡穿層速度越快,反之則越慢。
(2)軌跡預(yù)測:為了下達合適的軌跡調(diào)整指令,不但要明確當前軌跡與地層的關(guān)系,還要對鉆頭前方地層情況以及調(diào)整期間軌跡的穿行情況進行預(yù)測。軌跡計算主要涉及到地層視傾角、井斜角、造斜率、鉆進距離4個參數(shù),并通過預(yù)測軌跡中最大上切或下切地層厚度,以判斷在該情況下,軌跡是否會穿出靶窗,計算公式如下:
以某井水平段為例,當前井深3 500 m,位于①小層中部,地層傾角為下傾5°,井斜角為83°,此時地層切角為2°,在下切地層,此時軌跡距離①小層底為2 m,有下穿到臨湘組灰?guī)r的風(fēng)險(圖9),因此需要立即增斜調(diào)整軌跡,將軌跡調(diào)整至②小層或③小層中下部(向上穿地層2~3 m),同時地層切角盡量小。采用前述計算方法,預(yù)測在不同造斜率情況下的鉆井軌跡和最大下穿地層厚度(表2)??梢钥闯?,3種方案均實現(xiàn)了地層切角為0°、軌跡與地層平行的目的。其中,方案一上穿地層厚度為2.1 m,軌跡位于②小層中部,僅從調(diào)整軌跡后地層位置的角度來看,認為該方案為最優(yōu)軌跡調(diào)整方案。
圖9 某井軌跡調(diào)整方案
表2 某井水平段軌跡調(diào)整方案
利用頁巖氣水平井隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)在南川工區(qū)平橋、東勝等區(qū)塊完成70余口井的頁巖氣水平井地質(zhì)導(dǎo)向任務(wù)。在地震資料預(yù)測地層深度與實鉆深度差異較大的情況下,精準預(yù)測著陸點深度,合理優(yōu)化鉆井軌跡,實現(xiàn)A靶點中靶率100%;在地質(zhì)構(gòu)造越來越復(fù)雜、設(shè)計水平段長度越來越大的情況下,利用鉆井軌跡精細調(diào)整技術(shù),準確預(yù)測地層視傾角,精細優(yōu)化鉆井軌跡調(diào)整,確保了優(yōu)質(zhì)頁巖儲層的高鉆遇率,年平均優(yōu)質(zhì)頁巖儲層鉆遇率始終保持在96%以上,單井平均靶窗鉆遇率始終保持在92.5%以上,有力地保障了頁巖氣水平井后續(xù)施工作業(yè)的順利開展。其中,南川工區(qū)某井打破了中石化頁巖氣水平井井深(6 780 m)、水平段長(3 601 m)、裸眼段長(4 248 m)3項記錄,優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇率98%(圖10)。
圖10 南川工區(qū)某井地質(zhì)導(dǎo)向建模結(jié)果
(1)平橋區(qū)塊頁巖氣水平井地質(zhì)導(dǎo)向關(guān)鍵技術(shù)主要包括三維地震精細解釋、精準著陸技術(shù)和水平段軌跡精細控制技術(shù):鉆前開展基于構(gòu)造約束和多信息協(xié)同的三維地震精細解釋,有效提升了構(gòu)造預(yù)測精度,為鉆前制定地質(zhì)導(dǎo)向方案提供了技術(shù)依據(jù);著陸段基于標志層和地層視傾角進行著陸點精準預(yù)測,并從軌道類型、扭方位井段、入靶角選擇等方面優(yōu)化入靶軌跡,確保了準確入靶;水平段基于標志層對比實時預(yù)測地層視傾角,并從地層切角入手精細控制鉆井軌跡,保持軌跡位于靶窗內(nèi)。
(2)通過川東南平橋區(qū)塊頁巖氣水平井地質(zhì)導(dǎo)向關(guān)鍵技術(shù)研究,有效解決了水平井地質(zhì)導(dǎo)向過程中由于地震解釋精度低導(dǎo)致入靶階段靶點預(yù)測困難及入靶姿態(tài)不佳、水平段軌跡調(diào)整頻繁及軌跡不平滑等難題,不但提高了鉆遇率,對于提高鉆井效率、降低后期工程施工難度也有較重要的意義。