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)

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)

0 引 言

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。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

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

2 頁巖氣水平井地質(zhì)導(dǎo)向關(guān)鍵技術(shù)

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。

2.1 三維地震精細解釋

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

2.2 著陸段地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)

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。

2.3 水平段地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)

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

3 應(yīng)用效果

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

4 結(jié) 論

(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。