低勘探程度區煤系致密氣水平井地質導向技術及應用?以DJ-P37 井區為例

張 穩，張 雷，黃 力，李小剛，石 石，孫雪冬，趙龍梅，戴瑞瑞，童姜楠

(1.中聯煤層氣國家工程研究中心有限責任公司，北京 100095；2.中石油煤層氣有限責任公司，北京 100028)

在碳達峰碳中和背景下，天然氣在傳統能源向清潔能源轉換過程中起著橋梁作用。隨著優質資源開發動用難度不斷加大，致密砂巖氣逐漸成為天然氣的主要類型之一。水平井具有穿透儲層長、泄壓面積大、經濟效益高等優點，在地表復雜區、致密砂巖氣等開發中的占比越來越大[1-2]。鄂爾多斯盆地東南緣上古生界煤系發育山西組山2 段等多套致密砂巖氣藏，優選鄂爾多斯盆地東緣大寧–吉縣區塊DJ-P37 井區規模部署亞段北岔溝砂巖致密氣水平井。在實施水平井水平段過程中，鉆頭極易鉆穿目的層頂部或底部巖層，甚至找不到儲層位置等情況，從而降低了儲層鉆遇率，影響致密氣水平井的開發效果。因此，地質導向技術成為該區致密氣水平井成功實施的關鍵。

近30 年，三維地質模型逐步應用于地質導向，其在定量化、精細化、三維可視化及多資料融合、實時顯示等方面具有很強的優勢[3]。此外采用“多期約束、分級相控、分步建模”方法，可提高致密氣砂巖儲層三維地質建模精度[4]。地質–工程一體化水平井地質導向理念被廣泛認同。基于地震、測井、錄井等多源信息融合的三維地質導向模型建立技術取得了較大進展[5-7]。快速更新迭代三維地質模型具有不可比擬的優勢，但被動調整，導向過程中預判功能不強，一種做法是基于測井響應機理建立正演模型并完善。陸自清[8]提出了基于卡爾曼濾波的動態地質模型導向方法，即調整地層因子、轉換傾角、改變厚度或增加斷層等，修改地層模型，形成模型集，進行迭代優選，使模型的正演模擬曲線與隨鉆測井曲線相關性不斷提高，為后期導向決策提供地質模型。近年來，儲層邊界探測技術作為一種主動式導向方式，通過常規電阻率測量與方向性測量相結合，探測鉆頭距離上、下圍巖或流體電阻率邊界的距離。斯倫貝謝公司PeriScope HD 隨鉆高清探邊測量工具、GeoSphere 隨鉆超深探邊工具的探測深度分別可達6.4、30 m，同時識別儀器上下的多個電阻率變化界面[9]。

三維地質模型實時迭代更新與地質–工程一體化相結合的導向技術，應用逐漸廣泛[10-12]。但是，在DJP37 井區為曲流河三角洲前緣沉積，井控程度低，黃土塬區水平井實施面臨著較大難度。地震資料較少給水平井導向帶來很大難度。

針對上述問題，結合研究區地質背景，通過導向–定向–錄井一體化管理與資料質量管控，采取更新迭代三維地質建模與地質–工程一體化技術，形成一套煤系致密氣水平井地質導向技術，以期提高鉆井效率和效益，并為類似區域水平鉆井施工技術提供借鑒。

1 地質背景

大寧–吉縣區塊DJ-P37 井區位于鄂爾多斯盆地晉西撓褶帶南端與伊陜斜坡東南緣，與相鄰的清澗區塊、延長區塊及石樓西區塊為同一沉積體系，具有多層系、復合連片的巖性氣藏特征，山西組山2 段發育多層煤/煤線，亞段底部砂巖(即北岔溝砂巖)為本次研究的目標層系(圖1)。

圖1 大寧–吉縣區塊地層綜合柱狀圖(據文獻[18]，修改)Fig.1 Comprehensive stratigraphic columns in Daning–Jixian Block (modified based on reference [18])

本區共采集二維地震測線24 條493.4 km，測網密度2 km×4 km，完鉆直/定向井26 口。受地震、測錄井、分析化驗資料少的客觀因素限制，總體地質認識程度低。通過開展系統的地震資料解釋[13]和地質綜合研究，基本查明了該區的地層和構造等基本地質特征，同時開展了儲層厚度預測和含氣性預測的研究工作，基本明確了煤系中致密砂巖儲層有利儲集的分布特征，為勘探目標的評價與井位部署實施提供了一定的依據。

氣藏富集具有“海陸交互相三角洲水道富砂控藏”特點，主要受砂體展布和物性變化控制。亞段北岔溝砂巖孔隙率為4.0%～11.0%，中值7.44%；滲透率為(0.1～0.4)×10?3μm2，中值0.20×10?3μm2，屬特低孔、特低滲砂巖儲層[14]。構造整體為東高西低的單斜構造，局部存在低幅度背斜圈閉和鼻狀構造，無明顯斷層發育。地震預測本溪組頂面地層傾角最大1.28°，平均0.28°，小層頂面地層傾角最大0.81°，平均0.28°。

2 地層精細對比研究

2.1 區域地層格架

前人一般將鄂爾多斯盆地上古生界二疊系從上到下依次劃分為石千峰組、石盒子組、山西組、太原組[15-18]。在整體對比格架基礎上，先確定基準標志層位，再開展其他煤層的對比。

大寧?吉縣區塊山西組為一套海陸過渡相三角洲前緣沉積，與下石盒子組呈整合或沖刷面接觸關系，底界為“北岔溝砂巖”以及層位相當的泥巖之底。山1 段底界為鐵磨溝砂巖底，厚25～60 m，為水下分流河道砂泥巖沉積，僅能見到厚度較小的煤線，區域上連續性較差。山1 段與山2 段之間有一個沉積間斷面和氣候條件劇烈變化的分界面，在分界面之下地層表現為氣候溫暖潮濕。山2 段厚65～90 m，為一套河道–三角洲含煤沉積，自上而下劃分為三個亞段(圖2)：亞段發育1 號、2 號、3 號煤；亞段發育4 號煤，以發育多層煤為主要特征，與相比，砂層薄，垂向上砂層疊加層數少，由薄砂層和泥巖及煤層構成多個旋回層的疊加。

圖2 地質綜合判識圖Fig.2 Diagram of comprehensive geological identification

目前，煤巖層對比技術主要有標志層法、古生物、沉積旋回法、底板高程法、煤層間距法、地質勘探層追蹤法、地球物理測井曲線、地震勘探波阻抗反演、煤巖煤質法、地球化學法等方法[19]。對于沉積環境及其相變較穩定的煤田而言，標志層及其沉積旋回法的對比可以快速、有效地實現對煤層的對比；在構造簡單煤礦區，通過煤層底板高程、煤層間距法等即可實現煤層的準確劃分與對比[19-20]。舒建生等[21]提出了測井曲線異常幅度寬度、異常形態和組合、煤層中特殊巖性夾矸可作為主要對比依據。

對于沉積相變頻繁、構造復雜、煤層間距近且煤層數多的煤層群組發育的礦區，以及煤層穩定性差、分叉合并頻繁的煤田而言，煤層底板高程、煤層間距、地震勘探等方法均已經失效[19]。

通過煤系立體勘探開發資料，不斷豐富該區山2 段地質資料。山2 段顯著特征之一含3～5 層煤線或炭質泥巖，且不穩定，不易區分，給地層精細對比帶來一定困難。根據SY/T 5735?2019《烴源巖地球化學評價方法》中，煤系烴源巖是含煤地層中具備生成油氣的煤、炭質泥巖和煤系泥巖的總稱，主要形成于海陸過渡相或沼澤環境。炭質泥巖是指總有機碳質量分數TOC 為6%～40%的煤系黑色泥巖。煤的TOC 均大于40%[22-23]。DZ/T 0002?2017《含煤巖系鉆孔巖心描述》中，在野外對宏觀煤層或煤心命名時，以肉眼估計煤中的干基灰分含量進行。干基灰分質量分數小于等于40%的，稱為煤，空氣干燥基灰分質量分數大于40%的，稱為炭質泥巖[22,24]。現場應用中，TOC 無法直接獲取，肉眼估計的干基灰分含量可能誤差較大。通過區塊勘探開發經驗，總結形成了山西組炭質泥巖和煤層的區分標準，見表1。

表1 煤層與炭質泥巖區分標準Table 1 Criterion of differentiating coal beds from carbonaceous mudstone

此外，根據大寧?吉縣區塊近300 口井測井、錄井資料統計結果，山2段5 號煤層鉆遇率100%，作為Ⅰ級標志層，其伽馬小于100 API，厚度3.1～6.2 m。盒8 段底部駱駝脖子砂巖、山1段底部鐵磨溝砂巖、太1段頂部東大窯灰巖作為Ⅱ級標志層：其中，駱駝脖子砂巖，伽馬曲線多為鐘形、箱形，厚度2.5～13.6 m，平均厚度4.6 m，鉆遇率59%(以單油層為單元，在該層所鉆遇的井數與該層所在油藏上的總井數之比，是用來說明油層分布)；鐵磨溝砂巖，伽馬曲線多為鐘形、箱形，厚度2.5～13.6 m，平均厚度4.6 m，鉆遇率69%；東大窯灰巖，伽馬小于60 API，厚度1.0～18 m，平均厚度7.4 m，鉆遇率62%。

薛良喜[25]在鄂爾多斯盆地東北緣研究區本溪組?山西組地層中共識別出8 層自然伽馬高異常層(自底至頂依次編號為 Ga?Gh)。將異常厚度大于1 m，自然伽馬值大于(或等于)150 API 的層段定為自然伽馬高異常層。因此，可考慮將穩定發育的自然伽馬高異常層作為地層對比的標志層。

圖3 山西組山2 段地層對比Fig.3 Stratigraphic correlation (Shan2 Member,Shanxi Formation)

3 三角洲前緣亞相儲層水平井地質導向技術

鉆前地質條件精細分析：堅持“一井一策”，重點分析目的層頂底面構造，頂部Ⅰ、Ⅱ級標志層及目的層與頂底接觸關系等，詳細描述水平段構造與儲層厚度變化，在微構造發育的水平段應以工程目標為主，避免因刻意追求優質儲層鉆遇率而導致井軌跡復雜，建立差異化的地質–工程一體化井軌跡設計方案，預判可能存在的地質風險和工程難點，使水平井設計與地質導向實施作業相協調。

鉆中地質導向精準控制：地質資料與地震、測錄井數據緊密結合，全過程實時跟蹤分析，不同資料相互驗證，綜合判斷[10]，利用快速迭代三維地質模型，分析構造和儲層厚度的變化趨勢。鉆進過程中，既要強調鉆頭在儲層縱向位置的精準定位，又要把握地震信息總體表現趨勢，在復雜井段適當取舍，保證井眼光滑和較高鉆遇率。利用鉆頭隨鉆伽馬曲線的幅度、形態、頂底接觸關系，巖屑粒度等可確定水平段砂巖疊置關系。在現場管理中，加強錄井資料管控，并堅持定向錄井工作為導向服務。

鉆后地質條件精細評價：水平井完鉆后，對目標層及其頂底特征、構造等進行系統總結，基于“技術–經濟一體化”的思想，優化水平井地質模型，修正儲層含氣性評價結果，以此為周邊水平井的實施奠定基礎。

3.1 著陸點控制技術

著陸點控制技術的核心是隨鉆過程中的地層對比工作，具體方法如下。

第一，地層精細對比剖面建立：結合物源展布方向、沉積相、構造特征及井網井距，優選同河道的鄰井，按照“旋回對比、分級控制”的思路，利用標志層法、巖性法、沉積旋回法、厚度法等，建立地層剖面，同時結合構造特征及沉積規律分析，預測目的層垂深、地層視傾角。

第二，鉆井軌跡確定與目標層驗證。多煤層(1?4 號)和炭質泥巖的發育，會影響地層精細對比，需根據煤巖層厚度、氣測信息等綜合判斷，排除層位誤判對目的層垂深預測的干擾。研究區鉆井確定5 號煤層后，再根據亞段內部標志層(底、底、泥巖/高伽馬泥巖)對齊對比，同時結合鄰井地層最小厚度，預測目的層頂垂深，以匹配至合理井斜。

第三，探層井斜合理設置：通常情況下，當鉆頭鉆遇高伽馬炭質泥巖時，將井斜角調整至81°～83°。根據鄰井高伽馬泥巖距砂頂的最小厚度，推測砂頂構造。探層入靶的具體方法是：北岔溝砂巖頂界構造傾角為α，下傾為負值，井斜角為β，角差θ=β?(90+α)。假設入靶點附近α=?0.5°，角差θ減小至5°～6°時，保持復合鉆進直至鉆遇砂體；角差θ依次為3°、4°、5°和6°時，復合鉆進10 m，垂深依次下調0.52、0.70、0.87 和1.05 m。(1)若探到砂頂(鉆時變化、氣測值升高、隨鉆自然伽馬值降低，巖屑中砂巖顆粒比例升高)，及時采用定向鉆進增大井斜角，若調整前角差θ為5.0°，滑動鉆進約30 m 后，可以將角差θ調整到0.5°，鉆頭與砂體頂界之間距離不超過2 m。在進行水平段鉆進一段長度后，鉆頭距儲層頂部3 m 左右時，可以將角差調整至θ=0°。(2)若砂層滯后出現，宜穩斜探層，避免因井斜過大，導致靶前距離過長而影響水平段長度。(3)若砂層發生相變或尖滅，可調整靶點，重新進行地質?工程一體化軌跡設計。

需要指出的是，目的層頂部是一個確定點，該點的巖性、伽馬等變化特征，可以作為一個虛擬定向井進行使用。

3.2 水平段鉆遇率提高技術

水平段鉆遇率高的關鍵是準確計算地層視傾角，匹配合理井斜，并預判出層風險。DJ-P37 井區地層傾角較小，一般為?2°～2°，難點在于存在多個河道砂體，勘探程度低，可用資料少，頂底及夾層巖性難以準確判斷，難以預測鉆頭前方地層視傾角變化。通過現場反復試驗，采用真厚度方向校正對比方法，并結合水平段拆分對比方法[26-27]計算地層視傾角。通過地層視傾角預測?實鉆對比分析?實時優化調整，實現地質與工程相統一，具體做法[28-31]如下。

(1)入靶后，由于儲層厚度、儲層底部巖性未知，先根據儲層或高伽馬標志層構造預測地層傾角，設置井斜角與地層夾角相近(0.5°)，對比伽馬測井信息、巖性等特征，判斷鉆頭與儲層交切關系。在水平段前段，井斜以穩為主，保證井軌跡光滑，為長水平段鉆進奠定基礎。

(2)對比分析鄰井沉積旋回特征，結合巖屑粒序、伽馬變化特征，預測“盲區”段儲層狀況和鉆頭前方有效儲層的變化。

表2 目標層頂底板特征Table 2 Characteristics of the target stratum’s roof and bottom

(4)在水平段鉆進過程中，不斷通過標志層對比、伽馬、巖性等變化特征，判斷鉆頭與儲層交切關系，預測地層視傾角及目的層厚度；將每個鉆遇目的層頂面或底面的控制點等效成直井，作為約束點，迭代更新二維構造模型，提高三維地質模型精度，便于定位鉆頭在儲層縱向位置，結合定向工具能力，提前做好軌跡優化，既保證軌跡在儲層“甜點”持續鉆進，又使得井眼軌跡平順。

3.3 出層判別方法

將地質導向目標、工具能力、地層信息以及軌跡位置有機結合起來，建立地質導向施工質量的定量分析方法[32]。當井控程度低，可通過已鉆遇的水平井總結目的層信息。研究區目的層北岔溝砂巖為多個三角洲前緣水下分流河道、河口壩正韻律單砂體疊置或切割、側向上遷移形成的復合砂體，存在單砂體變薄、尖滅或頂部泥巖沉積較厚的問題，且很難確定單砂體數目、界面、展布特征等。在水平段鉆進過程中，如果巖屑粒度由細逐漸變粗，然后突然變細，同時隨鉆伽馬由大變小，然后快速增大，說明井眼軌跡自上而下穿過了上部單砂體并進入下部單砂體上部；如果巖屑粒度由粗逐漸變細，然后快速變粗，同時隨鉆伽馬由小逐漸增大，然后快速變小，說明井眼軌跡自下而上穿過了下部單砂體并進入了上部單砂體的下部[33]；如果砂巖粒度、伽馬等基本不變，說明井眼在同一單砂體的同一部位穿行或井斜角與地層傾角相匹配。根據該規律和鉆時、氣測值等，結合鄰井測井資料，能夠準確定位鉆頭在儲層中位置。

水平段中若鉆遇泥巖，應根據沉積相、河道方向、河道寬度、泥巖顏色等進行分析，排除地層頂部或底部巖性。具體做法為：在水平井周圍，選取多口直井及已經完鉆的水平井，分析儲層頂底部巖性特征(表2)，研究區DJ-P37 井區目標層頂底除了巖性、伽馬及厚度差異之外，能譜測井存在明顯差異，頂部巖性釷大于2.7 倍鈾且鈾≤10×10?6，而底部巖性釷小于2.7 倍鈾。利用不斷完善的三維地質模型，綜合分析判斷是否鉆遇夾層，遇夾層時宜穩斜穿過或微降斜向下鉆進。若伽馬曲線突變且巖性變差，推斷可能觸底；由于目的層可能發育自然伽馬高異常層，若伽馬曲線突變但巖性為優質砂巖且無明顯變化，不宜調整井斜。出層判斷方法與決策流程如圖4 所示。

4 應用效果

利用本文提出的水平井地質導向技術，以DJ-P37井區H-P05-1H 井為例闡述水平井動態跟蹤過程。該井設計時預測地層上傾0.4°左右，2 318 m(垂深2 092.27 m)見高伽馬泥巖，井斜由81.1°逐漸增斜至86.0°探層。于2 380 m(垂深2 099.43 m)見砂巖，在增斜著陸過程中，碳酸鹽巖質量分數由0.8%增加到17.4%，伽馬由40～50 API 增加到214 API，說明鉆頭位于儲層底部的可能性大；于2 426 m 見灰黑色泥巖，井斜由89.46°增加到91.75°，于2 541 m 重見砂巖；鉆進至3 007 m，巖性變為泥質砂巖，伽馬最高增加到384 API，根據表2 和圖4，判斷鉆井在底部出層可能性大，由于砂體較薄(厚度1 m 左右)且發育泥巖夾層，井斜保持在90.2°鉆進，后期水平段沒有進行大的調整，鉆至3 539 m 完鉆(圖5)，預測水平段中后段砂巖厚度2～3 m。該井實際完鉆水平段長度與設計長度一致，為950 m，砂巖鉆遇率94.11%。

圖4 出層判斷方法與決策流程Fig.4 Formation penetration determination method and decision-making process

圖5 H-P05-1H 地質導向軌跡Fig.5 The 3D geological guidance track of H-P05-1H

H-P05-1H 井實鉆證實，沿水平段方向處于河道邊部，目的層沉積不穩定，但橫向上儲層構造變化不大。水平段前段砂巖顯示中等，但厚度薄，水平段中段砂巖顯示較好，且厚度穩定。中層段發育高伽馬砂巖。

應用三角洲前緣亞相儲層水平井地質導向技術，在研究區實施的34 口水平井均順利著陸，鉆進中不斷補充隨鉆數據完善了三維地質模型，并實現水平井地質導向快速決策，判斷鉆頭在目的層頂部出層的正確率為80.9%，判斷鉆頭在底部出層正確率為65.1%。砂巖鉆遇率達到78.30%。

5 結論

a.針對鄂爾多斯盆地東南緣上古生界煤系沉積和煤巖層發育特征，提出山西組亞段地層精細劃分方法和鉆進過程中煤巖層的快速識別方法，為水平井精準著陸奠定基礎。

b.總結一套現場地質導向技術管理辦法，即導向–定向–錄井資料綜合分析與管理，加強錄井資料的質量管控，獲取隨鉆測井、錄井的準確資料；解析錄井、測井數據中隱含的地質信息，實時更新數據并完善三維地質模型，準確判斷鉆頭在儲層中的相對位置。

c.基于完鉆水平井目標層頂底巖性等差異，實時豐富地質數據庫，進而完善并優化三維地質模型；結合地質模型提出一種鉆進、鉆出目的層的判斷方法與決策流程。由目的層頂底部巖性、隨鉆測井等特征，建立了方位伽馬、巖性、電性等多種方法，綜合判斷鉆頭是否出層。應用表明，出層判斷正確率65%以上。

d.形成了一套適用于低勘探區煤系致密氣水平井地質導向技術。該技術應用于DJ-P37 井區，累計完鉆水平井34 口，平均水平段長1 199 m，砂巖鉆遇率78.30%，取得了良好的應用效果。該技術可為鄂爾多斯盆地煤系資源立體開發水平井導向提供借鑒。

e.當儲層頂底部巖性、電性特征相近，出層判斷方法可能會受到一定局限性。下一步將深入分析巖屑中砂巖含量(精確定量)、磨圓度等信息，進一步挖掘巖屑中包含的地質信息，完善低勘探區的儲層認識，提高地質導向的成功率。