一種水平井精準(zhǔn)著陸的地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)方法

吳 松，馮 冰，于繼良，李 龍，王 勝，何新兵，李剛權(quán)，胡永光，蔡欣卉

（貴州頁(yè)巖氣勘探開發(fā)有限責(zé)任公司，貴州 遵義 563400）

隨著常規(guī)油氣資源的快速消耗，新增資源勘探和開發(fā)難度增大，全球油氣勘探開發(fā)正在由以傳統(tǒng)的常規(guī)油氣為主向常規(guī)與非常規(guī)油氣并重的局面轉(zhuǎn)變[1]。非常規(guī)油氣相對(duì)于常規(guī)油氣一般資源儲(chǔ)量大，但資源豐度較低[2]。得益于水平井鉆探和體積壓裂技術(shù)的應(yīng)用，頁(yè)巖油氣、煤層氣、致密氣等非常規(guī)天然氣近年來(lái)表現(xiàn)出強(qiáng)勁勘探開發(fā)勢(shì)頭，成為常規(guī)油氣資源接替和油氣資源穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的重要方向，加強(qiáng)非常規(guī)油氣資源勘探開發(fā)已成全球大勢(shì)所趨[3]。頁(yè)巖氣作為一種非常規(guī)天然氣，儲(chǔ)量大、分布廣，具有巨大的資源前景，已為我國(guó)油氣增儲(chǔ)上產(chǎn)作出巨大貢獻(xiàn)。中國(guó)已成為僅次于美國(guó)的全球第二大頁(yè)巖氣生產(chǎn)國(guó)，近年來(lái)，頁(yè)巖氣探明地質(zhì)儲(chǔ)量和產(chǎn)量增長(zhǎng)顯著，2021 年新增頁(yè)巖氣探明地質(zhì)儲(chǔ)量7 454 億m3，2022 年產(chǎn)量超240 億m3。從非常規(guī)油氣尤其是近年來(lái)成熟區(qū)塊頁(yè)巖氣的勘探開發(fā)實(shí)踐證明，井眼軌跡在最優(yōu)靶窗的穿行長(zhǎng)度及比例一定程度與該井的產(chǎn)量呈正相關(guān)關(guān)系[4]，地質(zhì)導(dǎo)向作為一種指導(dǎo)水平井在地層里按照設(shè)計(jì)目標(biāo)箱體順利鉆進(jìn)發(fā)揮著重要作用。地下地層由于原生地貌及后期構(gòu)造作用并非平直或者理想中的狀態(tài)，尤其是在構(gòu)造比較復(fù)雜的地區(qū)，受到地史上多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)疊加導(dǎo)致地層變化很大。以黔北正安地區(qū)五峰組-龍馬溪組為例，五峰組-龍馬溪組地層殘留與一系列的向斜中，地層傾角變化大且變化頻繁，在向斜兩翼的傾角很大。一是由于地層的傾角大，導(dǎo)致初期采集處理解釋的地震資料精度較低，對(duì)于靶點(diǎn)的預(yù)測(cè)和軌跡誤判很多。二是由于地層傾角大且變化頻，造成水平井鉆探過(guò)程中鉆頭調(diào)整跟不上從而影響箱體鉆遇率。為切實(shí)解決水平井鉆探中的這些難點(diǎn)，以地震資料為基礎(chǔ)，通過(guò)測(cè)錄井資料結(jié)合，開展水平井地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)攻關(guān)與試驗(yàn)，取得良好效果，保障了后期水平井的精準(zhǔn)著陸及水平段施工，有效提高箱體鉆遇率。

1 技術(shù)背景

黔北地區(qū)地處四川盆地外緣復(fù)雜褶皺區(qū)，歷經(jīng)多期次褶皺、變形和改造，相對(duì)較快的地層沉積和復(fù)雜的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了區(qū)內(nèi)特殊的頁(yè)巖氣成藏條件。五峰組-龍馬溪組頁(yè)巖地層殘留于一系列條帶狀向斜內(nèi)，黔北地區(qū)發(fā)育一系列向斜群，自西向東有獅溪向斜、桴焉復(fù)向斜、安場(chǎng)向斜、斑竹向斜、務(wù)川向斜和高山石朝向斜，并表現(xiàn)出一種“窄陡型”向斜特征[5]。向斜群呈條帶狀分布，長(zhǎng)軸走向基本一致，方位為19～48°，長(zhǎng)軸長(zhǎng)度40～105 km，短軸長(zhǎng)度較短，最窄處僅3.5 km，最寬處也不到20 km，長(zhǎng)軸與短軸長(zhǎng)度比值基本都大于6，最大達(dá)到14，充分體現(xiàn)了窄陡型向斜“窄”的特征。“陡”主要體現(xiàn)在地表與地下2 個(gè)方面，貴州省地表“地?zé)o三尺平”，地表海拔147～2 800 m，平面變化較大。黔北地區(qū)地形同樣不斷起伏，以AC 地區(qū)向斜為例，該地區(qū)地表海拔500～1 400 m 之間，向斜東西兩側(cè)較高。而各地層構(gòu)造與地貌特征具有一定的繼承性，向斜核部地層產(chǎn)狀變化較緩，向東西兩側(cè)產(chǎn)狀明顯變陡，地層傾角達(dá)到30°以上。五峰組-龍馬溪組構(gòu)造形變強(qiáng)度大，地層傾角變化大、局部發(fā)育微裂縫帶和微斷層。水平井導(dǎo)向技術(shù)在這種窄陡型向斜的應(yīng)用中存在很大難點(diǎn)，入靶點(diǎn)垂直深度難以把控、加大了入靶和出層風(fēng)險(xiǎn)，地層速度變化大、應(yīng)用三維地震資料預(yù)測(cè)靶點(diǎn)深度精度低。定向鉆進(jìn)過(guò)程中，計(jì)算深度與實(shí)際深度存在差異，使水平井導(dǎo)向模型預(yù)測(cè)著陸點(diǎn)精準(zhǔn)度偏低，導(dǎo)致提前入靶或推遲入靶的情況多見。同時(shí)地層傾角較大且不斷變化，難以把控軌跡位置。地層傾角變化快，難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)軌跡方向產(chǎn)狀。增大地質(zhì)和工程風(fēng)險(xiǎn)，常造成井軌跡不平滑，軌跡呈“V”型或“階梯”型，多口井甚至出現(xiàn)填井側(cè)鉆。目的層地層穩(wěn)定性差，井眼擴(kuò)大率嚴(yán)重，地質(zhì)導(dǎo)向人員往往參考自然伽馬曲線起伏特征，對(duì)鉆頭在地層的相對(duì)位置進(jìn)行判斷，但由于井徑大小不同，測(cè)量的伽馬值不同，很大程度影響了技術(shù)人員的判斷。同時(shí)水平段鉆進(jìn)過(guò)程中，常鉆遇斷層、撓曲構(gòu)造等難題，導(dǎo)致誤判鉆頭位置、偏移方向，使井眼軌跡偏離儲(chǔ)層靶體位置，鉆穿儲(chǔ)層頂板或底板，造成儲(chǔ)層鉆遇率偏低和水平段井眼軌跡嚴(yán)重不平滑，給后期壓裂施工帶來(lái)套管變形的風(fēng)險(xiǎn)，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。如何保證水平井著陸成功率、儲(chǔ)層鉆遇率和井眼軌跡平滑是這類窄陡型向斜水平井地質(zhì)導(dǎo)向急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題，對(duì)于促進(jìn)盆外窄陡型向斜頁(yè)巖氣水平井產(chǎn)量提升及效益開發(fā)起著關(guān)鍵作用。

2 主要做法

通過(guò)分析黔北正安地區(qū)水平井地質(zhì)導(dǎo)向造斜著陸及水平井鉆探過(guò)程中地質(zhì)導(dǎo)向的難點(diǎn)，開展技術(shù)攻關(guān)，以地震資料為基礎(chǔ)，結(jié)合已鉆井的測(cè)、錄井資料，井震結(jié)合重建區(qū)域速度場(chǎng)，建立構(gòu)造、傾角、厚度等基礎(chǔ)地質(zhì)模型，對(duì)已鉆井的地層特征進(jìn)行正演，提取自然伽馬等地球物理測(cè)井曲線，根據(jù)地震屬性與測(cè)井曲線的耦合，對(duì)新鉆井隨鉆曲線結(jié)合基礎(chǔ)地質(zhì)模型進(jìn)行反演，在實(shí)鉆過(guò)程中不斷更新迭代地質(zhì)模型，同時(shí)應(yīng)用巖性元素敏感特征，進(jìn)行元素成像，準(zhǔn)確識(shí)別地層位置，指導(dǎo)隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向，具體技術(shù)路線如圖1 所示。

一是前期數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，主要收集工區(qū)的已鉆井的測(cè)、錄井資料，包括聲波、自然伽馬、電阻率等地球物理測(cè)井曲線，以及鉆中的元素錄井等數(shù)據(jù)及分層數(shù)據(jù)。二是建立速度場(chǎng)，工區(qū)內(nèi)已部分井，需進(jìn)行多井聯(lián)合標(biāo)定，落實(shí)區(qū)域地震資料各套地層均方根速度與地表、地貌，以及所處部位的關(guān)系。通過(guò)井震結(jié)合進(jìn)行標(biāo)定，重建速度場(chǎng)。三是正演提取曲線，對(duì)周邊無(wú)標(biāo)準(zhǔn)井資料，且已實(shí)施過(guò)水平井的地區(qū)，需結(jié)合構(gòu)造模型，對(duì)已實(shí)施水平井的測(cè)井曲線進(jìn)行提取。四是井震融合對(duì)比，將井的分層數(shù)據(jù)加載至三維地震數(shù)據(jù)體中，并進(jìn)行多井聯(lián)合對(duì)比，落實(shí)井震匹配性。五是斷層、層位精細(xì)解釋，對(duì)水平井周邊地區(qū)結(jié)合鉆井分層、斷點(diǎn)進(jìn)行精細(xì)解釋，確保斷層、層位閉合。六是模型建立，根據(jù)解釋成果、建立各地層三維構(gòu)造模型。結(jié)合實(shí)鉆情況，建立厚度模型、全方位的傾角模型及隨鉆導(dǎo)向模型。七是屬性與測(cè)井曲線藕合，對(duì)三維地震資料的振幅等屬性進(jìn)行提取，并與已有測(cè)井曲線建立藕合關(guān)系，為反演做好準(zhǔn)備。八是隨鉆曲線反演，以構(gòu)造模型為基礎(chǔ)框架，應(yīng)用導(dǎo)眼井的測(cè)井曲線（無(wú)導(dǎo)眼井應(yīng)用正演提取的測(cè)井曲線），結(jié)合地震屬性，對(duì)正鉆井的隨鉆曲線進(jìn)行反演。并通過(guò)與實(shí)鉆情況進(jìn)行對(duì)比，準(zhǔn)確判斷靶點(diǎn)和層位，同時(shí)根據(jù)實(shí)鉆情況進(jìn)行矯正、反演循環(huán)，指導(dǎo)水平井造斜著陸及水平段導(dǎo)向。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 隨鉆曲線提取

為了更好地判斷鉆探的位置，水平井鉆井一般在鉆井的過(guò)程中測(cè)量地層巖石物理參數(shù)，目前國(guó)內(nèi)外隨鉆測(cè)量主要是測(cè)量地層的放射性，利用隨鉆測(cè)量的放射性值即自然伽馬及自然伽馬曲線起伏特征與鄰近的標(biāo)準(zhǔn)井對(duì)比，對(duì)鉆頭在地層的相對(duì)位置進(jìn)行判斷[6-7]。而三維水平井的方位和井斜的變化，加大了水平井與鄰井對(duì)比的難度。尤其是水平井在進(jìn)入箱體鉆進(jìn)后，井斜角多數(shù)為90°左右，隨鉆曲線通過(guò)井斜矯正后，矯正曲線數(shù)據(jù)基本集中位于一個(gè)很小的深度范圍內(nèi)，導(dǎo)致與鄰近直井可對(duì)比性差，增加了對(duì)鉆頭所處箱體位置判斷的難度。通過(guò)建立的三維模型，分析軌跡與地層產(chǎn)狀之間的關(guān)系，可以對(duì)水平井隨鉆曲線進(jìn)行提取，主要是在建立三維構(gòu)造模型的前提下，剔除方位和井斜的影響，將三維水平井的曲線轉(zhuǎn)換成二維直井（圖2），更加直觀地進(jìn)行對(duì)比，了解區(qū)域地層厚度的變化情況。關(guān)鍵是利用地層的高放射性或低放射性的特征，分析特征點(diǎn)之間的地層厚度變化規(guī)律，對(duì)于特征點(diǎn)間厚度穩(wěn)定的地層，調(diào)整模型參數(shù)，使得水平井穩(wěn)定地層的厚度與鄰井一致后，就可獲得厚度不穩(wěn)定地層的真實(shí)厚度，計(jì)算地層的產(chǎn)狀，預(yù)測(cè)水平井的靶點(diǎn)深度。

圖2 隨鉆曲線提取展示圖

3.2 隨鉆曲線反演

水平井隨鉆曲線反演是充分利用地震資料和前期的鉆井資料，在進(jìn)行標(biāo)定后，提取井旁道地震振幅等屬性，根據(jù)不同地層，不同巖性等條件的約束下，進(jìn)行不同地震屬性與聲波曲線的耦合。海相沉積環(huán)境里沉積的巖層相對(duì)穩(wěn)定，同一地區(qū)地層巖性、電性、放射性等地球物理特性具備在地層巖性的約束下，具有較好的匹配性和一致性。可利用這一特性，得到聲波時(shí)差與放射性的耦合關(guān)系。通過(guò)地震屬性與聲波、聲波與放射性關(guān)系，可得到與放射性的耦合關(guān)系（圖3）。建立耦合關(guān)系后，在鉆探水平井之前，就可以根據(jù)設(shè)計(jì)水平井軌跡，提前設(shè)計(jì)軌跡方向的地震屬性，進(jìn)行隨鉆曲線反演，將反演的自然伽馬曲線與隨鉆測(cè)量的自然伽馬曲線進(jìn)行對(duì)比，即可判斷目的層是提前還是滯后，及時(shí)精準(zhǔn)調(diào)整水平井的軌跡。

圖3 曲線反演展示圖

3.3 特征元素成像

元素含量與地層和巖性有關(guān)，元素錄井是頁(yè)巖氣水平井目前常用的錄井方法，可以測(cè)量得到巖屑中常量元素及微量元素的含量達(dá)到33 種以上，可依據(jù)特征元素的變化規(guī)律進(jìn)行分層[8]。往往一種單一元素并不能直觀反映地層的變化規(guī)律，目前，常采用硅/鋁、鉀/鈣、鈉/鎂和鈾鉀比等二維以上組合關(guān)系進(jìn)行地層對(duì)比與劃分，提高了元素的可對(duì)比性和地層劃分的準(zhǔn)確性。然而水平井地質(zhì)導(dǎo)向?qū)Φ貙拥陌芽胤浅＞?xì)，尤其是在水平段鉆進(jìn)時(shí)，箱體厚度一般都在3～5 m，必須準(zhǔn)確把控鉆頭的位置，才能提高箱體的鉆遇率，因此，應(yīng)用某幾種元素的組合關(guān)系判斷地層的位置效果有限。利用特征元素成像將所有元素進(jìn)行歸一化處理后，再對(duì)元素的變化率、對(duì)數(shù)等高階特性進(jìn)行處理，最后對(duì)高階特性值進(jìn)行成像處理，獲得了元素成像圖（圖4），更加細(xì)微地分辨鉆頭在箱體的位置。X 井通過(guò)多方法結(jié)合，尤其是元素成像，使水平段長(zhǎng)度1 500 m，箱體鉆遇率100%，其中有1 420m井段位于箱體下部3 m 最優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖地層內(nèi)，促進(jìn)該井產(chǎn)量的提升及工區(qū)單井產(chǎn)量的突破，測(cè)試產(chǎn)量達(dá)5.8 萬(wàn)m3/d，實(shí)現(xiàn)盆外常壓頁(yè)巖氣產(chǎn)量的突破。

圖4 X 井元素成像圖展示圖

4 應(yīng)用效果及結(jié)論

通過(guò)曲線正演提取、反演對(duì)比及元素成像等關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，可切實(shí)解決復(fù)雜構(gòu)造區(qū)地質(zhì)導(dǎo)向難點(diǎn)，有效保障入靶率及箱體鉆遇率，取得良好的實(shí)踐效果。在黔北復(fù)雜構(gòu)造區(qū)正安安場(chǎng)向斜7 口井的鉆探實(shí)踐中，靶點(diǎn)誤差降低至25 m 左右，其中有2 口井誤差低于5 m。優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖鉆遇率提高達(dá)到99.2%，箱體鉆遇率從87.6%提高至96.5%，提高了8.9%。應(yīng)用該技術(shù)方法在桐梓獅溪地區(qū)實(shí)施首口評(píng)價(jià)水平井實(shí)現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇率97.92%，箱體鉆遇率94.08%的良好指標(biāo)，軌跡在龍馬溪組底部1.4 m 鉑金靶體的長(zhǎng)度達(dá)750 m，占水平段總長(zhǎng)的60%，為區(qū)塊首口水平井實(shí)現(xiàn)商業(yè)氣流突破奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

該技術(shù)方法在四川盆地盆外緣黔北地區(qū)五峰-龍馬溪組構(gòu)造復(fù)雜，形變強(qiáng)度大，地層傾角變化大形成的“陸棚邊緣沉積、改造殘留強(qiáng)烈”的“高、陡、窄”的獨(dú)特背景下，從頁(yè)巖氣水平井著陸成功率、儲(chǔ)層鉆遇率和井眼軌跡平滑方面，針對(duì)盆外“窄陡型”向斜水平井地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)開展攻關(guān)應(yīng)用。充分利用了構(gòu)造、厚度、傾角等基礎(chǔ)模型，結(jié)合地震屬性對(duì)隨鉆曲線進(jìn)行反演，通過(guò)正演提取技術(shù)，將三維井資料恢復(fù)成導(dǎo)眼井?dāng)?shù)據(jù)。針對(duì)盆外復(fù)雜構(gòu)造區(qū)地層元素特征對(duì)比性不強(qiáng)，很難與川渝地區(qū)進(jìn)行直接對(duì)比，將元素歸一化后，應(yīng)用元素的變化梯度，進(jìn)行元素成像，并集成應(yīng)用，有效促進(jìn)水平井箱體鉆遇率及產(chǎn)量的提升。