基于隨鉆前視探測技術的異常高壓氣層綜合識別方法

高永德 王世越 常波濤 孫殿強 陳 鳴 王 超 張 磊

1.中海石油（中國）有限公司湛江分公司 2.中海石油（中國）有限公司海南分公司 3.斯倫貝謝（中國）公司

0 引言

鶯歌海盆地是南海北部海域重要的高溫高壓含油氣盆地，已經成為我國油氣勘探的主戰場。當前該盆地的勘探重點逐漸開始向樂東地區的中深層重力流沉積天然氣圈閉轉移[1-2]。在LD-1區塊，儲集層靜態地層溫度約200 ℃，地層壓力系數高達2.30，具有典型的高溫高壓屬性。儲集層上覆泥巖壓力系數介于1.80～1.90，與儲集層的壓力系數差異較大，而上覆泥巖破裂壓力和儲集層相差不大，這就需要以不同的井段分隔上覆泥巖和儲集層的鉆進。同時為了盡量保護上覆泥巖井段管鞋處不被加重后的鉆井液柱壓裂，不同井段交界位置需要盡量靠近儲集層而又不能揭開儲集層。另外在儲集層內由于鉆井液密度窗口窄，需要精細預測地層壓力的變化趨勢，以此為依據調整鉆井液密度。為了保證鉆井安全，需要提前預測鉆頭前方地層特征及壓力變化，并在高壓儲層頂面之上及時實現地質停鉆、下套管，可有效預防利用不合適的鉆井液密度鉆遇高壓儲層而可能引起的井涌風險。

針對垂直探井鉆進過程中高壓儲層位置和地層壓力的預測，常規地面地震資料的低分辨率導致的相關不確定性影響著鉆頭前方風險預警效率[3-4]。近年來利用井筒電纜VSP、隨鉆VSP和隨鉆聲波測井等資料在鉆頭前方預測方面取得了進展，有效指導了鶯歌海盆地高溫高壓儲層的勘探工作[5-9]，但是上述技術在測量分辨率、預測準確性和時效性等方面還不能完全滿足LD-1區塊高壓氣井的預測要求。為了彌補已有技術的短板，進一步提高LD-1區塊高壓儲層預測的準確性，需要引進新的技術和思路，IriSphere隨鉆前視探測技術就是其中之一。

本文將通過詳細分析區域勘探風險和多種預測技術的優缺點，詳細闡述以IriSphere隨鉆前視探測技術為主導的風險預防方法，并通過實例展示該綜合方法的應用效果，為鶯歌海盆地中深層高溫高壓天然氣領域的勘探作業提供科學的指導。

1 區域勘探地質目標及其風險

LD-1區塊位于南海西部鶯歌海盆地凹陷斜坡帶南段，已鉆探井均在中新統黃流組鉆遇高溫高壓氣層，目的層為黃流組二段的軸向重力水道沉積砂體，具有明顯的正韻律特征。頂部發育一套厚層泥巖，中下部發育五套水道砂體，從細砂巖逐漸變為中砂巖，砂巖整體厚度在10～30 m之間。砂體之間發育泥巖隔層，多套砂巖有效厚度變化較大，薄氣層厚度約5 m。砂巖儲層平均孔隙度為10%，屬于中低孔隙度低滲透率型儲層，其中“甜點”儲層的發育主要受溶蝕作用、構造作用以及油氣充注等因素控制。區域高壓特征主要形成于儲層致密化后，因此對儲層原生儲集空間的保護作用有限，但對于次生儲層空間的改造有一定作用[2]。而且異常地層壓力成因除傳統的泥巖欠壓實外，可能還存在非欠壓實成因。由此強烈的儲層非均質性和復雜的高壓成因是影響高壓氣層位置和壓力預測準確性的關鍵因素。已鉆探井中鉆桿或電纜測試資料表明，儲層段地層靜態溫度超過200 ℃，地層壓力超過100 MPa，壓力系數高達2.28，具有典型的高溫高壓屬性[1]（圖1）。

圖1 LD-1構造高溫高壓氣層物性及壓力特征圖

如圖1所示，相對于上覆泥巖地層，高壓砂巖氣層中鉆井液密度窗口較窄。為保證鉆井安全，需要基于不同層位的安全窗口匹配不同密度的鉆井液，有效控制井壁穩定性。如果以匹配上部層段的鉆井液密度鉆穿上覆泥巖進入高壓氣層，可能會導致井涌、井噴或井眼垮塌等風險；如果在泥巖段就提前增加鉆井液密度，可能會在泥巖段引起井漏、卡鉆等風險，同時會降低機械鉆速，影響整體的鉆井時效。因此，在探井鉆探過程中，需要提前精準預測氣層位置及可能的壓力變化，將?244.47 mm套管下在高壓氣層上方的泥巖中，距離氣層頂約5 m，通過隔離不同壓力系統的地層來實現鉆井安全。

氣田內鄰井數量有限，而且比較分散。鄰井對比顯示，縱向上地層巖性和厚度變化較大、規律性不強，而且高溫高壓氣層上覆的泥巖厚度不確定性也很大，因此基于鄰井對比預測的氣層頂面位置不確定性較大，而常規地面地震數據分辨率滿足不了提前識別目標氣層的精度要求。當鉆頭靠近預測層位時，需要通過多次地質循環來確認鉆頭位置的巖屑和氣測顯示來確認層位，不僅影響鉆井時效，而且預測不確定性和后續風險較大。LD-1區塊內有一口井就由于意外鉆入高壓薄砂層導致井控問題而棄井。如果中完下套管位置距離高壓儲層較遠，雖然可以避免意外鉆入高壓氣層的風險，但是較高的鉆井液密度在較長的泥巖裸眼段中會引起井漏等井控風險以及低鉆速等時效問題。控壓鉆井（Managed Pressure Drilling）技術雖然可以有效控制這些風險，但是MPD技術實施需要的時間、人力和經費等額外預算增加的勘探成本較多[3]。

為了經濟高效地避免和控制高壓氣層預測方面相關的風險，必須采取有針對性的綜合方法，在準確性、時效性、經濟性等方面優化鉆頭前方地層預測和風險預警的效率。

2 鉆頭前方預測綜合方法

隨著區塊勘探進程的不斷深入、鉆井安全和勘探目標的不斷細化，利用不同數據的多種技術方法在多口高溫高壓井中得以應用，充分展現了不同技術在氣層預測方面的特點，最終形成了各取所長的綜合方法，為鉆井決策提供依據，降低鉆井風險。

2.1 基于常規隨鉆資料的壓力監測技術

隨鉆壓力監測技術充分利用隨鉆測井曲線（以聲波數據為主）、地漏測試、錄井和鉆井等實時數據，可實時計算地層孔隙壓力和破裂壓力[7,10-11]，優化鉆井液密度，保證井眼穩定。高分辨率的測井曲線越靠近鉆頭可以越準確、及時地修正壓力預測模型，更有效的規避鉆頭前方的風險。該技術在鄰井越多、地層越穩定的區域內，壓力趨勢預測結果越準確，但是在LD-1區塊，探井較少且距離較遠，同時儲層非均質性較強，導致該技術對于較薄氣層的壓力預測結果有較大的不確定性。

2.2 基于垂直地震剖面的鉆頭前方地層界面及壓力預測技術

相對于分辨率有限的地面地震資料，VSP數據的垂向分辨率得以有效的提升，其反演剖面可用于評價鉆頭前方的波阻抗數據，據此來預測鉆頭前方的地層界面及地層壓力[12]。反演結果的準確性主要受控于地層中的低頻組分，以及測量時井底距目的層的距離等因素[6]。

基于本區異常壓力機制的研究，Bowers和Eaton模型均可用于預測鉆頭前方地層孔隙壓力，而且預測精度可達鉆探要求的5%以內[5,13]，優于隨鉆壓力監測技術的壓力預測結果。VSP數據可預測鉆頭前方200 m范圍內的地層界面。在此范圍內，深度預測精度小于10 m，垂向分辨率可達10 m級，但是不能完全滿足LD-1區塊不同厚度（5～30 m）砂體識別的精細要求，因此意外鉆入高壓氣層的風險仍不能完全消除。

根據測量方式的不同，VSP預測技術分為井筒電纜VSP和隨鉆VSP兩種方式。電纜VSP測量需要起鉆下入電纜工具，施工和解釋時間較長（3～5天）。隨鉆VSP在時效性方面有著顯著的優化，但是受限于實時數據傳輸的帶寬，在每個測量深度僅有時長約500 ms的波形數據可用于實時處理解釋[14]。

2.3 IriSphere隨鉆前視探測技術

根據LD-1區塊高阻高壓氣層和低阻上覆泥巖之間的電阻率差異，IriSphere隨鉆前視探測技術可以通過前視電阻率反演來實時且較準確地預測鉆頭前方最遠30 m范圍內的電阻率變化及相關的地層界面變化。根據該技術在全球的成功案例統計，其預測鉆頭前方地層界面的精度可達1 m左右，地層垂向分辨率可達3 m。LD-1區塊內，高壓氣層電阻率介于10～20 Ω·m，厚度介于5～30 m，上覆泥巖厚度較厚（＞10 m），電阻率介于2～3 Ω·m，因此該技術可為本區高風險、厚度變化較大的高壓氣層的提前預警提供有效的指導，但是不適用于孔隙壓力定量預測。

《傲慢與偏見》和《南方與北方》的故事雖然均發生在19世紀，但前者發生在工業革命前的英國田園鄉鎮，后者則以19世紀下半葉機器手工業迅猛發展為故事背景。從這兩部作品對比中，可以看出工業革命給英國社會帶來的巨大變化。不僅生產力和經濟得到了發展，其傳統保守的思想也隨之煥然一新。

如圖2所示，IriSphere儀器由1個發射器短節（Tx）和3個相同的接收器短節（Rx）組成，能夠提供多間距、多頻率的3D方向性電磁測量結果。每個接收器短節由3對傾斜天線組成（A1、A2、A3）。這些短節可靈活配置安裝在鉆具組合中的不同位置，可由其他隨鉆測井（Logging While Drilling）或隨鉆測量（Measurement While Drilling）儀器隔開，Tx和Rx之間的間距最遠可達約40 m。

圖2 IriSphere測量原理圖及前視探測鉆具組合圖

每個Rx都可以獲得單獨的3D電阻率原始數據，如圖2的Z矩陣所示，包含X、Y、Z方向的9個分量[15-16]。之后通過對每個Rx的Z矩陣分別進行刻度和排列組合，可計算出4個重要的方向性電磁波測量：超深對稱方向性測量USD、超深反對稱方向性測量UAD、超深調和電阻率測量UHR和超深調和各向異性測量UHA。不同測量對地層電阻率敏感度的差異決定了UHR是前視探測技術的關鍵測量[4]，其獨有的Tx鉆頭前方地層的信號，是實現前視探測的關鍵（圖 3）。

圖3 UHR測量空間敏感度分布及對應的前視電阻率反演圖

每鉆進1 m，IriSphere會以已鉆地層的電阻率作為限定條件，以常規電阻率測量和上述4個方向性電磁波測量為數據輸入，通過大量的統計模擬找出最可信的鉆頭前方電阻率數值，從而可以得到一個單獨的電阻率反演道。一系列反演道集橫向排列可組成有效的前視電阻率反演圖，來顯示鉆頭前方電阻率變化及其對應的1D地層模型（圖3），可提供鉆頭距離目的層的距離、目的層的層數、厚度以及其中電阻率的分布特征等關鍵地層信息[4,17-20]。如圖3右圖所示，3個紅點表示3個接收器的位置，藍點表示發射器的位置，綠點表示鉆頭的位置，如果鉆頭前方出現電阻率對比較大的異常壓力層位，在圖中各反演道中會顯示為統一的顏色邊界。

理論上的前視探測距離是指Tx至前方探測到的界面之間的距離，而鉆頭前方的前視距離才是更有效的決策依據，因此需要盡量縮短Tx和鉆頭之間的距離，才能更優化鉆頭前方的前視距離。此外前視探測距離受到Tx—Rx3間距、前視探測距離還受到發射電磁波的頻率、地層界面上下電阻率及其對比度、均質層厚度和薄夾層特征等因素的影響[17-18]。電磁波頻率越低、發射器和接收器間距越大、地層電阻率對比度越高、地層越均質且越厚，則前視探測距離越遠，反之越近。在單層厚度小于3 m的砂泥巖薄互層中，或者電阻率低于2 Ω·m的地層中，前視探測距離會明顯縮短，甚至鉆頭已經進入目標地層了，前視反演中仍未見明顯的地層邊界，這樣的復雜情況確實可認為是前視探測技術的應用盲區。

在鉆前階段，需要針對特定的勘探目標和待鉆地層的可能特征，模擬不同配置儀器串的前視效果，來選擇有效的電磁波頻率，以得到最優信噪比和測量敏感度，才可能在實鉆中取得較好的前視效果。在實鉆過程中，井底數據疊加、實時數據傳輸和軟件反演處理需要一定的時間，由此會導致反演有一定距離的延遲，反演延遲距離與機械鉆速密切相關，因此在靠近高壓氣層的關鍵井段，為了盡可能縮短反演延遲距離、提供更多的鉆頭前方地層信息，需要控制機械鉆速盡可能慢，以此來優化前視探測效果，更有效地規避風險。

2.4 綜合預測方法

不同技術在探測深度、垂向分辨率和預測精度等方面有不同的優勢及局限。為了高效實現鉆頭前方地層預測和風險預警的目標，需要綜合運用三種技術，分析、對比多尺度預測結果，才能有效滿足勘探作業的要求?；诓煌夹g在準確性、實時性、時效性、實用性和經濟性等方面的對比，以IriSphere隨鉆前視探測技術為主導的綜合預測方法（圖4）可以有效解決LD-1區塊所面臨的精細地層壓力定量預測和地層界面預測問題。

圖4 以IriSphere隨鉆前視探測技術主導的綜合預測方法圖

3 實例分析

LD-W井是LD-1區塊的一口垂直評價井，距離鄰井較遠（2.5～10 km）。鄰井對比顯示，地層巖性和厚度變化不確定性較大。為了預防鉆遇高壓氣層（壓力系數預測2.25～2.28）的相關風險，要求?311.15 mm井段中完于高阻高壓氣層（電阻率10～60 Ω·m）之上的低阻泥巖層（電阻率2～4 Ω·m）中，且在距離高壓氣層1頂面約5 m的位置下?244.47 mm 套管。

該高壓氣層由五套水道中砂巖層組成，砂體之間發育泥巖隔層。最頂部的高壓氣層1厚度5～10 m，上覆泥巖厚度超過30 m。決策團隊決定采用隨鉆前視探測技術主導的包括隨鉆壓力監測技術和VSP預測技術的綜合預測方法，對高壓氣層相關風險提前預警。

3.1 鉆前模擬

圖5 LD-W井鉆具組合圖

根據選定的鉆具組合特征，以及鄰井地層厚度和電阻率等特征，選取Tx發射的較低頻電磁波（2 kHz、6 kHz、12 kHz、24 kHz）測量，模擬了 IriSphere 前視探測技術在LD-W井中的可能結果（圖6）。模擬結果顯示：①當軌跡在低阻泥巖層中，可提前8～10 m探測到較高阻、且較厚（厚度大于3 m）的高壓氣層；②如果砂巖厚度小于3 m，即使有較好的電阻率差異，前視效果也受影響。

圖6 LD-W井鉆前模擬預測地層剖面及隨鉆前視探測技術可行性分析圖

此外，基于鄰井的測井數據及鉆井、地質和地震資料，建立本井的鉆前壓力預測模型。其中，采用Eaton方法計算孔隙壓力，利用鄰井地層測試孔隙壓力結果進行了刻度；采用Zamora方法計算地層破裂壓力，利用地漏試驗進行了刻度。模型顯示，當軌跡逐漸靠近高壓氣層時，地層壓力系數逐漸由1.90增至2.28，鉆井液密度窗口逐漸變窄至0.20 g/cm3，工程安全風險較大。

鉆前模擬（圖6）顯示，前視探測技術在實鉆中有較大可能實現預期的前視效果，據此：①可在高溫、高壓、高風險氣層上方幾米的位置及時地質停鉆、下套管去隔離不同壓力系統的地層；②在保證鉆井時效的前提下，針對較大的工程安全風險，為預防風險提供科學的指導，高效實現氣藏評價目標。

3.2 隨鉆決策

在逐漸靠近高壓氣層的鉆進過程中，隨鉆前視探測技術實時預測到鉆頭前方的多個電阻率變化的邊界。在這些邊界處，電阻率由2～3 Ω·m增至6～7 Ω·m，對應的實際前視距離4～6 m，預測的界面深度在隨后的鉆進過程中得以驗證，誤差介于1～3 m。由此實鉆結果驗證了前視探測技術在本井中的前視效果。

鉆進至X018 m時，為細化對未鉆地層特征的認識，起鉆并進行電纜VSP施工。該電纜VSP資料用于預測鉆頭前方高壓氣層位置及孔隙壓力變化，同時修正壓力預測模型（圖7）。

圖7 基于電纜VSP資料的已鉆地層孔隙壓力和鉆頭前方未鉆地層界面預測模型圖

更新的模型顯示鉆頭前方孔隙壓力有升高趨勢，由此，在繼續鉆進之前調整鉆井液密度保證ECD為2.1 g/cm3。此外，也預測了高壓氣層的5個關鍵界面（表1），預測結果在下個井段中得以驗證，預測誤差較大（8 ～ 33 m）。

表1 鉆頭前方高壓氣層頂界深度的VSP預測與實鉆對比表

VSP資料預測結果為實鉆卡層提供了較大尺度范圍的參考。為實現精確的中完目標，仍需著重參考IriSphere隨鉆前視探測技術提供的較小尺度、分辨率較高的前視預測結果。

鉆進至井深X070 m，鉆遇薄砂層，而導致井漏。隨鉆曲線確認該薄砂層厚約2.5 m，在前視電阻率反演中沒有明確的預警，這也與鉆前模擬顯示的結果吻合。

在逐漸靠近預測的高壓氣層的關鍵過程中，為盡可能縮短反演延遲對前視預測的影響，控制機械鉆速約為5 m/h，以期獲取更全面的數據和充足的反應、討論、匯報和決策時間。鉆進至X100 m井深時，前視反演在X102 m位置探測到明顯的高阻層頂界，預測電阻率由2～3 Ω·m增至4 Ω·m（圖8）。VSP反演中沒有識別出該高阻層，說明該層厚度小于VSP數據分辨率（10 m），且大于前視反演的探測極限（3 m）。此時，根據壓力預測模型已將ECD增至2.15 g/cm3，接近破裂壓力，說明鉆頭可能已經靠近高壓氣層上部的較薄層。基于鉆井安全考慮，決策團隊決定中完該井段，下?244.47 mm套管。在后續的?215.9 mm井段中，驗證了該較高阻砂層為厚度5 m的高壓氣層，預測深度僅比實際深度相差1 m。在該氣層下方仍發育多套厚度不一的高壓氣層，中間被較厚的泥巖層分隔，由此說明了區塊內高壓氣層發育特征的復雜性。

圖8 預測鉆頭前方高阻氣層的IriSphere前視電阻率反演圖

實鉆過程中，以隨鉆前視探測技術主導的綜合預測方法得到了高效應用，通過提前預測高壓較薄氣層的存在，及時地質停鉆并中完下套管，有效地規避了與高壓氣層相關的風險，為復雜探井的高效完鉆提供了科學且有效的指導。

4 結論

1）樂東地區鉆前模擬顯示，當軌跡在低阻泥巖層中，可提前8～10 m探測到較高阻、且較厚（厚度大于3 m）的高壓氣層，前視探測技術在實鉆中有較大可能實現預期的前視效果。

2）通過結合分辨率較低、探測深度深的VSP預測和分辨率較高、探測深度淺的隨鉆前視探測方法進行隨鉆決策，識別出了鉆頭前方的高壓氣層及其對應的地層孔隙壓力增加趨勢。

3）在LD-1區塊VSP法預測的鉆頭前方高壓氣層頂界深度與實鉆深度誤差介于－10～33 m，而隨鉆前視探測較高阻、厚度5 m的高壓氣層，預測深度僅與實際深度相差1 m。

4）該綜合方法能及時有效地預防高壓氣層相關的地質工程風險，準確確定套管鞋位置。