密度成像技術(shù)在南海西部油田地質(zhì)導(dǎo)向中的應(yīng)用

王 光， 唐 宇， 李茂文

1.中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057 2.中海石油(中國(guó))有限公司海南分公司，?？?570300

1 引 言

在水平井油氣藏開發(fā)過程中，由于地層深度預(yù)測(cè)存在誤差，實(shí)鉆目的層深度可能較預(yù)測(cè)加深或者變淺，目的層段可能發(fā)育泥巖夾層、斷層等，導(dǎo)致水平井目的層鉆遇率低，給水平井軌跡優(yōu)化調(diào)整帶來巨大挑戰(zhàn)[1-2]。隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向是指在大斜度井或者水平井鉆進(jìn)過程中，隨鉆技術(shù)人員利用各項(xiàng)鉆井工程參數(shù)、隨鉆測(cè)井及錄井氣測(cè)等數(shù)據(jù)，借助地質(zhì)導(dǎo)向軟件等相關(guān)平臺(tái)，綜合分析地下儲(chǔ)層展布和構(gòu)造特征，判斷軌跡當(dāng)前位置并“預(yù)測(cè)”鉆頭前方地質(zhì)情況，實(shí)時(shí)調(diào)整井眼軌跡在儲(chǔ)層中穿行，以達(dá)到最大程度地滿足地質(zhì)油藏要求的隨鉆研究技術(shù)[3-5]。

水平井隨鉆測(cè)井工具和隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)已從第一階段的無方向性隨鉆測(cè)井被動(dòng)式地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)，經(jīng)過4個(gè)階段的發(fā)展，目前已到了基于油藏邊界探測(cè)的儲(chǔ)層隨鉆測(cè)繪智能主動(dòng)式地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)階段[6-7]；不同階段的地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)和方法要針對(duì)解決的油藏開發(fā)難點(diǎn)有所區(qū)別，同時(shí)考慮到單井效益，目前第二階段的基于隨鉆方位成像的定性交互式地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)應(yīng)用還比較普遍。

南海西部Z油田開發(fā)過程中，面臨復(fù)雜斷層和裂縫發(fā)育、地層傾角變化大、儲(chǔ)層橫向物性變化快、儲(chǔ)層厚度不確定等難題；本文通過調(diào)研密度成像工具原理及其應(yīng)用，分析南海西部Z油田H水平井的實(shí)施過程，探究密度成像技術(shù)在水平段地質(zhì)導(dǎo)向過程中的成熟度和準(zhǔn)確度，總結(jié)密度成像技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，并改進(jìn)了常規(guī)利用成像數(shù)據(jù)計(jì)算地層傾角的方法并通過實(shí)際對(duì)比驗(yàn)證。旨在形成一套適用于電阻率差異小但密度變化明顯的復(fù)雜構(gòu)造區(qū)塊的地質(zhì)導(dǎo)向方法，為提高薄油層儲(chǔ)層鉆遇率，保證產(chǎn)能和提高單井效益方面提供參考。

2 密度成像工具簡(jiǎn)介及應(yīng)用

隨鉆測(cè)井工具對(duì)井筒進(jìn)行成像理論上有兩種方式：第一為采用沿外徑放置多個(gè)傳感器(如FMI、HALS等)，第二為使用1個(gè)傳感器同時(shí)定位它沿著儀器軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)方位。隨鉆密度成像工具使用第二種，即通過儀器旋轉(zhuǎn)來獲得全井眼360°的覆蓋率，提供定性的隨鉆方位密度曲線及密度成像數(shù)據(jù)，其原理是通過激發(fā)伽馬粒子與巖石骨架發(fā)生作用，其中一些被地層吸收，一些返回到伽馬接收器，隨著地層密度增加，回到接收器的伽馬粒子數(shù)量減少；工具實(shí)現(xiàn)了以十六分之一等分的圓周為單位對(duì)全井壁進(jìn)行掃描測(cè)量并存儲(chǔ)、傳輸數(shù)據(jù)，所獲得的密度數(shù)據(jù)具有更高的分辨率(圖1)，上/下/左/右4個(gè)方向上的密度是4個(gè)方向象限的時(shí)域平均值，這4條具有方向性的密度曲線數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)傳至地面，通過配套軟件計(jì)算提供井筒成像[8]。

(a) 密度測(cè)量原理示意圖

水平井地質(zhì)導(dǎo)向目標(biāo)是控制井眼軌跡于優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層中，且盡可能位于油層高部位；若區(qū)塊構(gòu)造變化大，地層物性與厚度橫向變化快，目的層砂/泥巖互層，密度隨之頻繁變化，且儲(chǔ)層內(nèi)電阻率差異較小邊界探測(cè)識(shí)別效果不明顯的情況下，可考慮使用密度成像測(cè)井技術(shù)作為區(qū)塊降低鉆井風(fēng)險(xiǎn)和提高鉆遇率的有效手段[8-14]。 密度成像數(shù)據(jù)可用于地層視傾角拾取，借此可快速判斷構(gòu)造變化以及分析軌跡在儲(chǔ)層中的相對(duì)位置；同時(shí)可以提供軌跡與地層之間的切割關(guān)系，在鉆遇隔夾層或出層后能快速返回儲(chǔ)層。

對(duì)于地層視傾角拾取計(jì)算，研究過程中首次提出并使用了過井軸視傾角的概念，即地層與井筒法向量之間的相對(duì)夾角；之后軟件再通過對(duì)比過井軸視傾角和井斜角之間的關(guān)系，自動(dòng)調(diào)用地層視傾角計(jì)算公式，完成視傾角拾取計(jì)算。該方法改進(jìn)了原有利用成像數(shù)據(jù)拾取層界面與井筒之間夾角后再判斷地層傾角的方法，具有勿需提前判斷構(gòu)造方向和軌跡相對(duì)層界面鉆進(jìn)方向，簡(jiǎn)化計(jì)算流程的優(yōu)點(diǎn)(圖2)。

圖2 地層下傾，軌跡沿不同方向鉆進(jìn)時(shí)地層傾角的計(jì)算方法

圖2中：θ1為需要計(jì)算的地層視傾角，°；θ2為過井軸視傾角，°；θ3為層界面與井筒之間的夾角，°；θ4為井斜角，°。

從圖2可以看出，在地層下傾的情況下，無論軌跡相對(duì)層界面鉆進(jìn)方向?yàn)橄蛏线€是向下，θ3均等于90°-θ2，而θ4為已知量，因此只需利用成像數(shù)據(jù)拾取計(jì)算出θ2即可得到地層視傾角θ1。

從圖3可以看出，θ2計(jì)算為反正切，對(duì)于過井軸視傾角θ2的對(duì)應(yīng)計(jì)算公式為

θ2=tan-1(△H/De) =

tan-1(△H/(井徑+2*DOI))

其中，△H為成像數(shù)據(jù)上拾取的正弦曲線高程差(m)；De代表電直徑(in)；DOI為有效探測(cè)深度(in)；斯倫貝謝方位中子密度測(cè)井工具ADN中DOI默認(rèn)為1 in。

通過傾角拾取獲得正弦曲線高程差后則可計(jì)算出θ2，軟件再對(duì)比結(jié)合θ2與θ4的相互關(guān)系，自動(dòng)判斷地層上下傾和軌跡鉆進(jìn)方向，調(diào)用相應(yīng)公式完成對(duì)地層視傾角的計(jì)算獲??；如圖3屬于地層下傾，軌跡向下鉆進(jìn)的情況，軟件將調(diào)用公式θ1=θ2-θ4來計(jì)算地層視傾角。

圖3 密度成像數(shù)據(jù)計(jì)算過井軸視傾角示意

利用最新傾角拾取算法拾取計(jì)算的產(chǎn)狀信息，與斯倫貝謝拾取的產(chǎn)狀結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，在研究區(qū)塊3口井中相同深度位置處，利用最新傾角拾取算法，獲取的地層產(chǎn)狀信息，與斯倫貝謝拾取結(jié)果基本一致(圖4)。

圖4 利用過井軸視傾角法計(jì)算地層傾角結(jié)果驗(yàn)證

對(duì)于軌跡與地層切割關(guān)系的判斷，需要從成像數(shù)據(jù)的獲取原理來解釋，工具在測(cè)量地層密度信息的過程中，由于工具不同位置與地層接觸有先后順序，工具探測(cè)到的地層密度信息也會(huì)有先后。導(dǎo)向過程中看到的成像數(shù)據(jù)道，可以想象為沿鉆進(jìn)方向的沿井筒頂部展開的成像數(shù)據(jù)的展示，其上下兩側(cè)代表井筒頂部，中間代表井筒底部。若工具頂部先接觸地層，則頂部會(huì)先有地層密度信息的響應(yīng)，繼續(xù)鉆進(jìn)待工具頂部打穿密度變化界面后工具底部再探測(cè)到密度信息，則成像道上會(huì)表現(xiàn)為上下兩側(cè)先有響應(yīng)，然后是中間沿鉆進(jìn)方向有響應(yīng)，表現(xiàn)出“笑臉”特征，指示軌跡上切地層鉆進(jìn)；反之為“哭臉”特征，指示軌跡下切地層鉆進(jìn)(圖5)。

圖5 利用密度成像數(shù)據(jù)判斷軌跡與地層上下切割關(guān)系

3 地質(zhì)導(dǎo)向風(fēng)險(xiǎn)及控制方案確定

在進(jìn)行Z油田H水平井的實(shí)施工作之前，首先搜集整理目標(biāo)井相鄰井的測(cè)、錄、鉆、定向井等相關(guān)資料，認(rèn)真分析研究區(qū)地質(zhì)油藏特征，建立相關(guān)對(duì)比卡層標(biāo)志和入砂判斷標(biāo)準(zhǔn)，并提出了潛在的地質(zhì)導(dǎo)向風(fēng)險(xiǎn)及控制方案。

分析認(rèn)為，Z油田以構(gòu)造巖性圈閉為主，地層厚度橫向變化大，油田內(nèi)儲(chǔ)層主要砂體為近物源的扇三角洲沉積，地層物性及層厚橫向變化大，隔夾層分布不穩(wěn)定；

同時(shí)研究區(qū)井控程度低，斷層發(fā)育，沿水平段方向地層傾角變化大，主要表現(xiàn)在該區(qū)塊含油面積小于1×103km2，僅有探井1口，低部位1口開發(fā)井路過，區(qū)塊井控程度較低；高部位受到斷層控制，斷距約100 m，最長(zhǎng)延伸長(zhǎng)度達(dá)到1.5 km，內(nèi)部還發(fā)育有南北向小斷層；

另外，從鄰近儲(chǔ)層發(fā)育的電性特征來看，儲(chǔ)層與圍巖之間電阻率差異小，電阻率邊界探測(cè)工具的適用性差。主要表現(xiàn)在該區(qū)塊地層儲(chǔ)層電阻率為5～10 Ω·m，上部泥巖層電阻率為10～15 Ω·m，電阻率差異相對(duì)較小，電阻率探邊工具應(yīng)用效果有限，并且探邊工具價(jià)格昂貴，目標(biāo)井實(shí)施費(fèi)用有限；

最后，從鉆前設(shè)計(jì)的軌跡情況來看，水平段設(shè)計(jì)長(zhǎng)度短，鉆井難度大，獲得高鉆遇率的風(fēng)險(xiǎn)高；并且軌跡本身形成反切，工程上控制難度大；同時(shí)考慮工程安全，能給予調(diào)整的狗腿度較小，軌跡調(diào)整容錯(cuò)空間有限。

因此，對(duì)地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)和方法的選擇顯得尤為重要。最終決定以密度成像工具進(jìn)行地區(qū)構(gòu)造特征識(shí)別，尋找優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層，幫助軌跡控制；針對(duì)性的隨鉆服務(wù)項(xiàng)目如下：密度成像工具提供密度成像及常規(guī)伽馬、中子孔隙度及方位密度等測(cè)量，在隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向過程中進(jìn)行儲(chǔ)層評(píng)價(jià)；旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具提供近鉆頭井斜和方位測(cè)量，根據(jù)地質(zhì)導(dǎo)向指令進(jìn)行井軌跡的調(diào)整；隨鉆測(cè)井工具提供常規(guī)伽馬、電阻率等測(cè)量；隨鉆測(cè)量工具將井下測(cè)量的所有地層和工程數(shù)據(jù)通過泥漿脈沖傳輸?shù)降孛嬖O(shè)備進(jìn)行解調(diào)分析。

4 實(shí)例分析與應(yīng)用

設(shè)計(jì)H井的目的是實(shí)驗(yàn)性開發(fā)Z油田L(fēng)層的原油儲(chǔ)量，沿鉆井方向水平段構(gòu)造整體呈單斜構(gòu)造，采用套管完井，入砂及水平段均在同一井段內(nèi)完成。

4.1 技術(shù)適用性分析

本次用于指導(dǎo)隨鉆過程判斷的鄰井為B16、B14、11-3及B17井(圖6)，分析認(rèn)為：目標(biāo)井在進(jìn)入L油組前會(huì)鉆遇大套的泥巖或油頁巖，入層前頂部GR升高隨后在入層后降低，可作為卡層的依據(jù)之一；L油組厚度為9.3～11.8 m，由于斷層和構(gòu)造發(fā)育的不確定性，在入砂位置附近建議盡量放慢鉆進(jìn)速度，結(jié)合巖屑和氣測(cè)等情況，及時(shí)確定鉆頭在油組中的相對(duì)位置。

目的層上覆泥巖中的斷層發(fā)育位置確定是一個(gè)難點(diǎn)，其發(fā)育對(duì)入砂深度的準(zhǔn)確判斷有一定影響；實(shí)鉆導(dǎo)向的時(shí)候，需借助密度成像上正弦曲線高角度裂縫的特征，以及張性斷層面附近往往存在低阻和低密度層，同時(shí)結(jié)合鄰井對(duì)比判斷地層缺失情況予以確認(rèn)。

圖6 Z油田H井參考鄰井連井對(duì)比圖

H井水平段開鉆前，通過對(duì)鄰井3井測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行方波化，提取3井中的電性特征進(jìn)行屬性建模，在正演建模階段將3井屬性“賦予”到具有構(gòu)造意義的幾何模型中，完成具有地質(zhì)意義的水平井導(dǎo)前模型的創(chuàng)建；在該階段也模擬了軌跡過斷層時(shí)的成像響應(yīng)，軌跡下切或上切不同地層界面時(shí)密度成像的“哭臉”“笑臉”特征，用以驗(yàn)證本井適用密度成像進(jìn)行地質(zhì)導(dǎo)向施工的可行性。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)導(dǎo)向分析及決策

H井水平段隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向作業(yè)自MD 2 085 m開始，最終鉆至MD 2 533 m完鉆(圖7)；最終實(shí)鉆水平段長(zhǎng)度230 m，鉆遇油層約179.4 m，在研究區(qū)構(gòu)造變化大，儲(chǔ)層薄，內(nèi)部泥質(zhì)夾層發(fā)育等復(fù)雜地質(zhì)油藏條件下，取得了較高的優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇率，并且投產(chǎn)后產(chǎn)量超預(yù)期，總體上優(yōu)質(zhì)高效地完成了地質(zhì)導(dǎo)向任務(wù)。

圖7 Z油田H井密度成像技術(shù)隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向完鉆模型

以下為隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向作業(yè)過程中的地層傾角拾取和地質(zhì)導(dǎo)向判斷及調(diào)整策略：

軌跡鉆至MD 2 139 m時(shí)，還處于入砂著陸階段，通過密度成像數(shù)據(jù)提取地層傾角為18°下傾，此時(shí)實(shí)鉆軌跡比設(shè)計(jì)軌跡低了約7.4 m垂深，決定以4°狗腿增斜；在增斜鉆進(jìn)過程中多次進(jìn)行成像拾取，計(jì)算到地層傾角在13～19.7°下傾之間變化，反映出該區(qū)塊構(gòu)造起伏變化大；

軌跡鉆至井深MD 2 268 m時(shí)，從密度成像特征及地層對(duì)比均反映出地層在MD 2 225 m附近存在突變，判斷該處為小斷層發(fā)育的位置；軌跡穿過斷層之后，再次進(jìn)行地層傾角拾取為下傾加劇至約26°，決定繼續(xù)穩(wěn)斜61°確認(rèn)地層及地層變化，緩慢下切著落；

軌跡鉆至MD 2 331 m時(shí)，從錄井上觀察到全烴含量增加，循環(huán)返出巖屑為油斑中砂巖，再次借助成像數(shù)據(jù)拾取地層約15°下傾，分析判斷在軌跡已從MD 2 310 m鉆遇目的層頂完成著陸，實(shí)際目的層構(gòu)造頂變淺了約5 m，由于構(gòu)造變淺較多，不得不繼續(xù)4°狗腿增斜；

在MD 2 347 m至2 386 m鉆進(jìn)之間，借助密度成像上相繼識(shí)別出地層傾角在15～22°下傾間變化，根據(jù)地質(zhì)導(dǎo)向模型指示判斷油層減薄，軌跡已位于油層底部的干層中，因此必須及時(shí)增斜回到油層；

軌跡在MD 2 386至MD 2 488.0 m段鉆進(jìn)過程中，密度成像識(shí)別到地層傾角在23～27°下傾之間變化，成像數(shù)據(jù)上持續(xù)的上切特征也指示軌跡在向油層上部靠近，考慮到油層較薄，繼續(xù)上切有過早穿頂?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)，因此要求及時(shí)降斜；

水平段末端，密度成像上依然反映出上切地層特征，地層下傾加劇至約27.6°，綜合伽馬漲至約220 gAPI，巖屑出現(xiàn)偏泥質(zhì)成分等特征，判斷軌跡已經(jīng)蹭頂；

由于軌跡已在L油層內(nèi)獲得較長(zhǎng)進(jìn)尺，基本達(dá)到預(yù)期地質(zhì)油藏目標(biāo)，決定完鉆(圖7)。

5 結(jié)論與建議

(1) 密度成像屬于隨鉆方位成像的技術(shù)之一，是推動(dòng)被動(dòng)式地質(zhì)導(dǎo)向往交互式地質(zhì)導(dǎo)向跨越的重要技術(shù)，能有效解決軌跡在地層中的鉆進(jìn)方向判斷以及地層構(gòu)造變化的難題；

(2)Z油田H井水平段實(shí)施過程中，根據(jù)密度成像數(shù)據(jù)拾取的地層傾角和判斷軌跡切割方向，結(jié)合返出巖屑情況判斷鉆頭在儲(chǔ)層中的位置，不斷調(diào)整軌跡，從增斜、降斜到穩(wěn)斜觀察后繼續(xù)降斜至完鉆，最終優(yōu)質(zhì)甜點(diǎn)鉆遇率為78%，投產(chǎn)后產(chǎn)量超預(yù)期，取得了較好的地質(zhì)導(dǎo)向應(yīng)用效果；

(3) 從Z油田中數(shù)口地質(zhì)導(dǎo)向井的實(shí)踐來看，在電阻率變化較小，密度變化明顯的構(gòu)造+巖性控制的油層，使用密度成像工具和相應(yīng)的導(dǎo)向技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)導(dǎo)向，能有效提高薄油層鉆遇率，增加油層接觸面積以保證產(chǎn)能，提高單井效益；

(4) 文中首次提出并使用了過井軸視傾角的概念，改進(jìn)了常規(guī)利用成像數(shù)據(jù)計(jì)算地層傾角的方法，實(shí)踐證明，該方法拾取計(jì)算的地層傾角數(shù)據(jù)正確，計(jì)算結(jié)果能有效地幫助導(dǎo)向師對(duì)構(gòu)造情況和鉆頭在儲(chǔ)層中相對(duì)位置的判斷，指導(dǎo)實(shí)鉆軌跡的調(diào)整。

(5) 但由于密度工具測(cè)量點(diǎn)與鉆頭之間有零長(zhǎng)，在獲得地層產(chǎn)狀信息時(shí)鉆頭已鉆過約26 m，這對(duì)薄層中的軌跡控制調(diào)整不利，未來建議開發(fā)出更 “靠前”測(cè)量的密度成像工具，在揭開層位后就及時(shí)調(diào)整軌跡，將更利于水平井軌跡的調(diào)整和導(dǎo)向。