四川盆地中部高石梯地區深層巖溶儲層水平井地質導向技術

張樹東 胡 華 張 宇 吉 人 王安慶 李春梅 王 平

1.中國石油測井有限公司西南分公司 2.中國石油西南油氣田公司勘探事業部3.中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司西南物探研究院

0 引言

四川盆地中部高石梯地區上震旦統燈影組是目前該盆地重要的天然氣勘探開發層位，埋深超過5 000 m，地層溫度介于140～170 ℃，硫化氫含量在25 g/m3左右。震旦系燈影組為巨厚的淺海臺地相碳酸鹽巖，由于燈影期的桐灣運動，燈影組2次暴露地表[1]，遭受風化剝蝕作用以及后期埋藏巖溶作用，受巖性、古巖溶、構造作用和充填作用等的影響[2-4]，儲層孔隙結構復雜，形成由基質孔隙、溶洞和裂縫多重介質組成的多種儲集類型，天然氣高產井主要是裂縫—孔洞（隙）型和裂縫—溶洞型[5]?？v向上，從上至下發育多套“溶孔、溶洞”性儲層，以中、小洞為主，局部發育大型裂縫和大的洞穴，儲層之間被厚度不等的致密層和硅質層分隔，儲層總體頂部發育，向下發育程度變差[6-8]。同時，儲層橫向變化較大，總體表現為縱橫向強烈的非均質性。為了有效提高單井產能和儲層縫洞鉆遇率，目前基本采用大斜度井或水平井開采方式[9]，水平井使用隨鉆伽馬＋電磁波電阻率進行地質導向鉆井。由于儲層的非均質性強、電阻率值較高、軌跡控制困難等，在該區域實施水平井地質導向鉆井面臨較大的挑戰。針對上述難題，通過對前期實鉆的水平井施工總結，探索了井震結合地質建模技術、實時儲層識別與追蹤技術和井眼軌跡優化控制技術，實現了地質工程一體化作業，取得了較好的效果，有效提高了單井產量，降低了工程復雜程度。

1 地質導向的難點

1.1 儲層識別難

高石梯地區燈影組儲層基質孔隙度較低，平均介于2%～5%，表現為電阻率較高且動態變化范圍較大，通常介于800～10 000 Ω·m，有時甚至超過10 000 Ω·m，而實施隨鉆地質導向使用的手段僅為伽馬＋電磁波電阻率，電磁波電阻率探測范圍最高在4 000 Ω·m以內，這給儲層識別以及區分儲層與致密層帶來一定困難。

1.2 軌跡控制難

受地層巖性和儲層強非均質性的影響，因追蹤儲層易致軌跡變復雜，同時定向規律性難把握，定向效果較差，影響井身質量和鉆井效率。

1.3 地質導向難

儲層既有孔洞縫發育分布及搭配關系的非均質性，又有縱向上總體的成層性背景上的橫向較大的變化，造成沿水平方向追蹤儲層困難。同時地層巖性復雜，巖石可鉆性差異大，儲層可鉆性好，致密層可鉆性較差，硅質層巖石的可鉆性極差，且對鉆頭損害較大，減少鉆遇致密層和避免進入硅質層非常重要。安全泥漿密度窗口窄，鉆井過程中井漏、井噴風險較大。需要通過地質導向技術系統地開展精細地質建模、準確巖性與縫洞識別和合理規劃井身軌跡來實現安全優質鉆井。

2 井震結合地質建模

通常，地質建模需要根據各個區塊不同儲層類型和不同地質與工程特點來建立相應的地質模型，以滿足地質導向作業需要[10-11]。而儲層受控因素不同，地質建模的側重點也不同。燈影組儲層主要受巖溶相帶和巖相控制，地質建模主要是通過井筒資料建立巖相模型、儲層厚度模型、儲層類型模型、儲層電性模型，運用地震資料建立縫洞模型和儲層地震識別模式，運用地質工程資料建立巖石可鉆性、地層壓力和井眼穩定性模型。川中地區燈影組和龍王廟組巖相模型主要指硅質、黃鐵礦和瀝青的含量、發育層位、厚度和橫向分布等。儲層厚度模型指儲層發育度、厚度及其橫向變化等。儲層電性模型指儲層的電阻率和自然伽馬特征范圍與儲層品質和儲層類型等的關聯性?？p洞模型指地震資料螞蟻體、相干分析等方法提取的縫洞檢測成果。地震模式指對燈影組不同儲層類型和儲層發育度與發育位置在地震上的響應模式。

井震結合地質建模的方法主要是利用區塊多井測井與地質資料建立巖相、儲層和氣水模型等，優選箱體。利用測井資料標定地震資料反演儲層孔隙度、檢測孔洞與裂縫以及解釋構造形態，建立井軌跡方向的儲層和構造模型。也可以通過地質建模軟件（例如Рetrel、VoxelGeo）來完成三維地質建模[12]。

2.1 利用測井資料建立巖相模型

燈影組最重要的巖相是硅質，主要有兩種方式存在：①以隱晶質形成層狀和條帶狀致密層，其縱向上呈多層狀分布且橫向上厚度變化較大，也是巖石可鉆性極差同時對鉆頭磨損嚴重的地層；②以石英晶體充填于儲層孔洞中，與儲層緊密相關。兩種硅質存在的形式需要加以識別和區分，利用元素測井結合常規測井資料能較好解釋硅質的存在狀態。

在利用測井資料對巖性進行精細評價基礎上，開展多井連井對比分析可以預測硅質含量和層厚的橫向變化規律。例如磨溪19井區多井對比分析燈四上亞段，細化為6個小層（圖1），其中，2、4、6小層為白云巖儲層，1號小層為頂部致密石灰質，3、5小層為厚硅質層或致密云巖層。多井解釋成果指示硅質層（條帶）厚度和含量橫向變化較大，對儲層的分布也產生了較大的影響。同時，通過多井測井解釋成果的標定基礎上，也可以通過地震資料預測硅質條帶的分布。

2.2 利用地震資料建立儲層模型

2.2.1 縫洞檢測方法

對于寒武系龍王廟組以孔隙度較高的孔洞型儲層而言，地震資料的孔隙度反演方法有效。而燈影組屬于低孔縫洞型儲層，縫洞檢測對于尋找高產井的優質儲層更為重要[13]。高石梯地區燈影組碳酸鹽巖由于暴露時間短，形成的縫洞尺度小，巖溶縫洞體精細雕刻困難[14]。同時，由于受地震分辨率限制，無法識別出單個孔、洞、縫，僅能識別出規模達到一定程度的孔、洞、縫發育帶[15]。在裂縫發育帶，通常會引起地震反射特征如振幅、地震同相軸相似性、地震屬性等突變，這種突變是利用地震資料檢測縫洞發育帶的基礎[14]。

圖1 燈四上亞段儲層巖性分布對比圖

圖2 燈四上亞段疊后縫洞預測平面圖

通過試驗，在高石梯地區相干及曲率屬性與裂縫發育帶具有較高相關性，紋理屬性對大尺度的溶蝕孔洞發育帶具有較強敏感性?；谶@3種地震屬性，對高石梯地區燈影組的縫、洞進行了有效預測。圖2為燈四上亞段相干、紋理、曲率屬性的縫洞預測平面圖，整體形態基本一致。相干及曲率屬性精細刻畫了小斷層及微小裂縫，紋理屬性更能反映出溶蝕孔洞特征，圖2中出現團塊狀、橢圓狀、點狀異常區域為溶蝕孔洞發育區。圖3為過GS118井的縫洞預測剖面，預測縫洞發育位置與實鉆井漏位置吻合。紋理屬性平面圖顯示該井位于斷層附近。截至2019年5月13日，該段累計漏失鉆井液2 002.5 m3。

2.2.2 儲層地震識別模式

通過多井測井解釋，高石梯燈影組發育3種儲層類型：溶孔型、溶洞型和縫洞型。不同儲層類型、不同儲層縱向組合方式，地震響應模式有所不同[16]。

圖3 過GS118井縫洞預測剖面圖

通過對高石梯地區大量鉆井的儲層、硅質層進行連井對比，總結出了3種地震響應模式（表1）。即：①寬波谷（反射時差一般大于40 ms）、寒武系底弱振幅或復波。該模式頂部優質儲層發育，儲集空間以溶洞為主，氣井測試產量高。②寬波谷（反射時差一般大于40 ms）、內部亮點反射。該模式內幕優質儲層發育，與硅質層共同形成亮點反射，儲集空間以溶洞為主，氣井測試產量高。③窄波谷模式（反射時差通常小于30 ms），儲層主要發育在窄波谷內，實鉆井表明，該模式儲層發育程度較差，儲集空間以溶孔為主，氣井測試產量較低。

表1 高石梯地區儲層地震響應模式統計表

2.3 建立儲層地質導向模型

地質導向模型是建立沿設計軌跡方向的構造、儲層、巖相、氣水等多種信息的綜合模型，它是在區域多井實鉆資料分析基礎上確定主要目標層，根據實鉆井標定地震剖面來提取靶體方向的縫洞檢測成果，并結合地震模式，分析靶體方向構造、儲層等發育分布狀況，優選靶體，從而建立靶體地質模型（圖4）。

圖4 基于測井與地震解釋的地質模型與井軌跡設計圖

3 一體化地質導向策略

3.1 追蹤儲層的策略

儲層受控因素不同，地質導向中追蹤儲層的方法也不同[10]。受構造和地層控制的儲層，追蹤儲層的方法主要是通過標志層識別小層和解釋構造變化。燈影組儲層是受巖相和巖溶多重因素控制，儲層的分布與地層和構造關系不密切，追蹤儲層主要利用井震結合尋找縫洞發育位置的方法。

3.1.1 通過隨鉆電阻率識別儲層，結合鉆時和氣測評價儲層

由于震旦系儲層電阻率普遍較高，隨鉆電磁波電阻率對不同類型儲層的敏感性不同，縫洞型儲層和孔隙度較高的孔洞型儲層深淺電阻率均有一定降低，并呈現正差異[17]。分散狀孔洞型儲層電阻率往往較高，以致電磁波深淺電阻率均限幅，且與硅質層容易混淆，儲層識別難度較大，部分高電阻率與瀝青充填孔洞有關[4,18]，需要綜合隨鉆測井與巖屑元素錄井和氣測錄井加以識別。而自然伽馬在不同儲層有些差異，多數儲層自然伽馬值較低，燈影組風化巖溶儲層自然伽馬略有增高。

隨鉆測井與錄井結合能較好識別和評價儲層[19]。通過對震旦系通過對高石梯區塊已鉆資料的分析，總結了不同儲層條件下的測井、錄井、鉆井參數基本識別特征（表2），在井眼軌跡進入儲層段具有“二高四低”的特征，即高氣測值、高深淺電阻率的幅度差異，低鉆時、低自然伽馬、低電阻率、低硅質含量。

3.1.2 通過綜合分析測井與地震資料追蹤儲層

風化巖溶儲層具有縱向分帶性和橫向非均質性的雙重特性[7]，追蹤儲層首先要找出井軌跡方向儲層的發育分布規律。分析對比鄰井多井測井資料，劃分巖溶相帶，解釋儲層品質和類型，預測出最優儲層分布的層位和儲層發育度。在井標定的基礎上，運用地震資料預測沿井軌跡儲層發育變化的情況，找出主要的縫洞層分布位置并剔除硅質條帶的影響。利用實鉆資料不斷驗證和修正模型，達到最佳的地質導向效果。

表2 燈四段地質導向儲層定性識別表

3.2 優化井眼軌跡的策略

優化井眼軌跡目的是在提高儲層鉆遇率的基礎上，降低工程風險和提高鉆井的效率[13]。優化軌跡也是一個系統的工程，需要地質導向與定向工程和鉆井工程的充分結合和密切配合?；陲L險識別的軌跡優化主要考慮儲層埋深變化造成著陸軌跡復雜、儲層內軌跡起伏變化大造成后期定向困難以及鉆遇硅質層和致密層造成巖石可鉆性差并失去目標等風險，需要通過不斷優化井軌跡來提升井身質量。

3.2.1 優化燈四段頂部的井斜角，為后續水平井鉆進創造良好的條件

由于燈四段水平井的造斜段是分兩次完成：上段為寒武系筇竹寺組，下段為震旦系燈四段。因此筇竹寺組造斜段軌跡優化對水平井的著陸有重要影響，合理選擇鉆達燈影組頂部井斜角既可以降低燈影組內部造斜段井軌跡的復雜程度和定向難度，又能提高鉆井的效率。燈四段箱體位置離燈影組頂部的距離不同，燈影組頂部井斜角選取亦不同。通過實鉆資料分析，燈影組造斜段以5°/30 m造斜率前提下，燈影組頂部井斜角與儲層中部（箱體中部）距燈影組頂部的距離可以按照如下的公式計算：

式中θ表示井斜角，(°)；H表示水平井箱體中部離燈影組頂部垂厚，m。

3.2.2 優化造斜段軌跡，為水平段著陸創造良好的條件

燈四上亞段的造斜段往往要同時實現造斜、下探儲層和入靶等功能，當儲層縱向發育位置對比設計位置發生變化（提前或延后）的情況下其軌跡優化難度加大，需要通過軌跡著陸方案的優化及地質與工程密切配合來實現。

優化軌跡的方法有多種，比如穩斜探頂法。針對震旦系燈影組有隨鉆測井和元素錄井等豐富資料的情況下，可以通過逐步逼近法更好地實現井軌跡的優化。該方法需要考慮3個因素：風險厚度、極限造斜率和儲層厚度。風險厚度就是實鉆儲層位置距離設計可能增加或減少的最大（垂直）厚度，預測的方法主要是多井地層對比，結合區域地質認識確定，它是軌跡優化的基礎，風險厚度越大，軌跡優化的難度越大。極限造斜率就是鉆井和井眼穩定性及完井需要的最大安全造斜率，它是軌跡優化的紅線。儲層厚度就是目的層儲層發育的厚度或箱體的厚度，它是軌跡優化的制約因素。如果儲層的厚度越厚，井斜角可選擇的范圍越大，軌跡優化的難度越小；反之，儲層越薄，井軌跡優化的難度越大。逐步逼近法就是根據上述3個參數設計井軌跡的安全井斜范圍（最大與最?。?，在安全范圍內選擇增降斜方案，逼近就是根據實鉆情況重新規劃安全井斜范圍，不斷循環往復，直至鉆達儲層位置。該方案對于鉆遇小層劃分和識別容易的井段效果更好，也對于構造起伏引起垂深變化的復雜情況同樣有效。

3.2.3 避開厚層硅質層和致密層優化軌跡

通常致密層和硅質層對于地質目標的實現和鉆井周期的影響較大，一旦鉆入該層易造成儲層鉆遇率降低和鉆井工程難度加大，如果井筒與地層夾角較大時需要較長進尺才能返回儲層，也容易造成井軌跡和鉆井工程的復雜程度加劇。利用巖屑元素分析資料實時解釋硅質含量及變化趨勢，根據隨鉆資料識別小層和儲層，及時判斷小層和儲層發育變化趨勢。結合錄井和地震資料分析儲層可能的邊界位置?；陲L險分析規劃好井軌跡與地層的夾角，實現快速穿越硅質層和避開硅質層的最佳井斜角控制。

3.2.4 優選定向方案平滑軌跡

通過優化工具組合和鉆井參數、優化軌跡方案、減少定向次數等實現平滑軌跡。選用工具組合要與不同井段造斜率要求相匹配，與不同地層的造斜能力相適應，達到最佳的造斜效果，同時降低井軌跡的復雜程度。充分利用自然增降斜規律減少定向次數，強化實時資料的分析和儲層預測，合理規劃井軌跡，減少不必要的定向，避免使工程復雜化的定向操作。例如，鉆遇大裂縫和洞穴時易造成方位漂移和井斜不穩，主要通過降低鉆壓和頂驅轉速，多采用復合鉆進和加密測斜等方法，而定向鉆進時，則采用“短定勤定”的方式，復合和定向交替進行來提高井身質量。

4 應用實例

GS110井位于四川盆地樂山—龍女寺古隆起高石梯構造GS19井區西北部，處于低孔隙、低滲透區，是以燈四上亞段儲層為目標的第一口水平井。該亞段巖性變化為：頂部為褐灰、灰褐色石灰巖，灰色泥質灰巖；中部夾硅質云巖，向下為深灰、灰色、淺灰色黑灰色溶洞粉晶云巖及溶洞粉晶角礫云巖。受沉積相、表生期和埋藏期巖溶作用共同控制，風化及溶蝕作用形成的孔洞縫是良好的儲層。

4.1 地質建模

鄰井資料分析表明，燈四上亞段儲層主要分布在燈四段的頂部40 m范圍內，儲層品質縱向和橫向變化較大。通過橫向對比將燈四上亞段從上至下細化為3個小層（圖5左邊第一道）：1號小層為差氣層，2號小層為氣層（水平井目標箱體），3號小層致密層（或硅質層）。其中，2號小層儲層厚度介于12.3～32.1 m，平均孔隙度介于2.2%～5.9%。3口井測井解釋結果表明，箱體（2號儲層）頂界距燈四段頂界垂直厚度介于14.5～20.3 m，儲層之下硅質層垂厚介于13.3～25.6 m。

通過對地震剖面解釋（圖6），GS110井水平段鉆進方向呈現3段不同地震響應模式：①1段地震剖面特征為“寬波谷＋亮點反射”，在強反射波峰頂為儲層發育段的底部位置，儲層底界位置明顯上傾；②2段同相軸錯亂，為縫洞發育帶；③3段為雙波谷特征，儲層發育位置在第一個波谷下部附近。綜合分析認為，預計前中后3段儲層底界距離燈四段頂部垂厚分別為35、24和41 m。

由鄰井測井資料對比分析、過GS110井鉆進方向地震剖面投影圖所建立的鉆前地質模型見圖7。

4.2 井軌跡與定向設計方案

4.2.1 井軌跡設計方案

根據建立的地質模型，鉆進方向前段儲層厚度為20 m，頂界距離燈四段頂部10 m，底界距離燈四段頂部30 m。中部儲層段厚度為12 m，頂界距離燈四段頂部13 m，底界距離燈四段頂部25 m。尾部儲層段厚度為15 m，頂界距離燈四段頂部20 m，底界距離燈四段頂部35 m。根據儲層中部位置作為井軌跡設計依據，井軌跡設計如圖7所示。

圖5 GS110井鄰井綜合成果圖

圖6 過GS110井鉆進方向地震剖面投影圖

圖7 GS110井地質模型及軌跡設計圖

4.2.2 著陸段軌跡優化方案

要同時實現下探和順層追蹤儲層，避免鉆入下部硅質層。由于燈四段頂部井斜較低（68°）和儲層可能發育的縱向深度位置變化范圍較大（30 m），因此采用穩斜探頂的方法較為合適。前段需要全力增斜，彌補上段井斜過低的不足，先以6°/30 m增斜率造斜，預計距燈四頂垂深19 m處井斜角便達到85°，保持井眼與地層5°夾角穩斜下探儲層，根據離燈四段頂35 m范圍內發育多層儲層和沿軌跡方向地層先上傾后下傾的特點，找到儲層后以4°/30 m增斜率至順層追蹤儲層。如果垂深19 m以內提前發現儲層，則繼續保持6°/30 m增斜率直至井眼達到水平，根據已鉆遇儲層發育的位置情況調整靶體，增斜追蹤儲層。

4.2.3 定向方案

由于井斜角偏低，前段需要全力增斜，采用多定向少復合的方式，儀器組合采用單彎螺桿（帶扶正器）＋LWD地質導向工具＋101.6 mm鉆具，盡量簡化井下鉆具，利用增斜段的帶扶正器螺桿的復合鉆增斜效果，在造斜段采用6 t鉆壓，進入水平段后選用欠尺寸扶正器的單彎螺桿，采用4 t鉆壓盡量通過調整鉆壓來控制復合鉆的增降斜效果。

4.3 實時導向情況

實時導向情況如圖8所示。

4.3.1 第一段 5 534 ～ 5 700 m，優化軌跡鉆進，平緩著陸

井深5 534～5 600 m按設計正常鉆進，未發現儲層。

井深 5 600 ～ 5 680 m 提前進入儲 層。鉆至5 600 m，電阻率明顯降低（深電阻為 1 670 Ω·m，淺電阻為650 Ω·m），鉆時明顯加快（由15 min/m加快到8～10 min/m），但是氣測值較低，伽馬較高，綜合判斷井眼軌跡已進入了縫洞發育帶，但被上覆巖層帶來的泥質充填嚴重。5 600 m井斜角為82.3°，距燈四段頂部為17 m，井眼軌跡以10°左右夾角在儲層段內下切。按照前述的優化方案，繼續以6°/30 m增斜鉆進至順層，同時跟蹤儲層變化情況。

至井深 5 680 ～ 5 700 m 追蹤儲層。鉆至 5 680 m時井斜為91.8°，井眼軌跡已順層，井底距離燈四段頂部 20.1 m，隨鉆電阻率由 1 500 Ω·m 降至 220 Ω·m，且在 5 685 ～ 5 693 m 電阻率出現“刺刀狀”，指示裂縫發育，錄井5處顯示 “氣侵”和“溢流”，鉆時由10 min/m加快至7 min/m, 實鉆資料分析軌跡位于優質儲層段中。綜合已鉆層段資料分析，儲層發育井段 5 600 ～ 5 700 m，距燈四段頂部 17 ～ 24 m，與鄰井解釋的儲層位置接近，對應地震剖面上亮點反射的零相位附近，下一步繼續以 91°左右井斜角追蹤該套儲層鉆進。

4.3.2 第二段 5 700 ～ 6 130 m，地質工程一體化追蹤儲層鉆進

繼續沿強反射頂部的零相位追蹤儲層。5 700～6 130 m井段電阻率中低值，介于270～1 500 Ω·m，電阻率在多處顯示為“尖刺狀”特征，分析應為裂縫發育。該段錄井見6處油氣顯示（3處氣侵，1處溢流，2處井漏），綜合分析中段縫洞發育。至6 130 m處井斜為90.2°，井底距離燈四段頂部14.8 m，井眼軌跡處于儲層段的中部略偏上，地震剖面顯示在后續鉆進方向儲層位置靠下呈下傾趨勢，燈影組頂部強反射同相軸呈現為扭錯特征，尾端軌跡需要下調至雙波谷的中下部，并且水平段已鉆進600 m，為防止后續定向及軌跡調整困難、降低后續鉆進軌跡控制難度，提前降斜88°～89°鉆進。

4.3.3 第三段 6 130 ～ 6 586 m，追蹤下部儲層，探索地震剖面雙波谷特征儲層發育情況

圖8 GS110井完鉆地質模型圖

鉆至6 200 m，波谷下方反射能量減弱，波谷更窄，逐漸過渡至雙波谷特征，綜合分析儲層位置將逐漸下移，降斜至87°左右，緩慢下探雙波谷特征儲層發育特征。至井深 6 548.89 m （垂深 5 338.07 m），井斜87.3°，距離燈四段頂部垂厚18 m左右，鉆時8 ～ 30 min/m，伽馬介于 8 ～ 12 AРI，電阻率介于700～1 524 Ω·m，井軌跡位于雙波谷下部，儲層品質略微變差，決定增斜至90°靠近雙波谷中間部位鉆進，追蹤儲層至井深6 586.25 m完鉆。

4.4 實鉆結果

GS110 井地質導向 5 534.00 ～ 6 586.24 m，地質導向總進尺 1 052.24 m，定向進尺 156.00 m，完井測井燈四段解釋有效儲層段長702.40 m。從電成像測井結果分析，鉆遇井段裂縫和孔洞發育，共拾取117條明顯張開縫，基本為中高角度裂縫，完井測試獲得65.77×104m3/d高產工業氣流，產量是區域鄰井直井的8.5倍，有效地提高了單井產能。

5 結論

1）針對川中地區深層非均質碳酸鹽巖儲層，需結合地震、地質和測井建立相對可靠的硅質巖相模型、儲層縫洞模型、儲層地震識別模式和儲層測井與錄井綜合判別標準，才能較好建立地質模型，提高縫洞識別效果和儲層鉆遇率。

2）根據不同地層、儲層、鉆井液與井下工程狀況來制訂軌跡優化方案，并通過優選鉆井參數與工具組合以及精細定向操作不斷提升井身質量。

3）井震結合地質建模、基于風險分析的軌跡優化和適應地層特點的定向操作是實現地質工程一體化地質導向的關鍵點，3項技術的深度融合也是解決深層碳酸鹽巖水平井優質高效鉆井的有效手段。