鄂西渝東紅星地區地質導向關鍵技術研究與應用

馮亦江,趙紅燕,石文睿,程國良,曾小林

(1.中石化經緯有限公司江漢測錄井分公司,武漢 430074; 2.長江大學非常規油氣省部共建協同創新中心,武漢 430100)

鄂西渝東紅星地區是湖北省頁巖氣開發的重點區域,其吳家坪組、茅口組頁巖是繼四川盆地龍馬溪組—五峰組實現規模化商業開發后最具勘探潛力的頁巖氣儲層,也是中石化增儲上產的主要陣地之一[1-3]。

地質導向技術是鉆井領域近15年來發展的一項高新技術,其定義是“用近鉆頭地質、工程參數測量和隨鉆控制手段來保證實際井眼穿過儲層并取得最佳位置”[4-5]。頁巖氣開發通常采用水平井壓裂形成產能,而在水平井鉆井過程中,應用地質導向技術可以及時對水平井軌跡進行校正、優化,提高優質儲層鉆遇率,該技術是頁巖氣開發過程中必不可少的關鍵技術之一。地質導向技術在頁巖油氣領域的應用,文獻[6-10]做了大量的研究和探索:中外主要頁巖氣區塊通常根據儲層非均質特性、水平段軌跡方向上地層產狀變化、設計水平段長等情況制定導向技術優選的標準,以期在滿足地質甜點鉆遇率的同時,實現鉆井提速降本。與已經大規模商業開發的涪陵頁巖氣田、長寧—威遠頁巖氣田不同,紅星地區面臨勘探程度整體較低,微幅構造、斷裂發育[1],給井眼軌跡的精確控制和地層界面的準確預測帶來巨大挑戰。傳統的地質導向方法在紅星地區中運用存在著A靶點預測不準確、在入靶階段水平段軌跡易出層等問題。

針對上述問題,現以吳家坪組吳二段有利頁巖儲層段為研究對象,構建運用三維地質建模隨鉆跟蹤、確定導向標志層(點)、優選導向工具、優化隨鉆導向軌跡控制等一系列有針對性的技術體系;并且通過首次建立的平均角法軌跡控制計算模型和不同造斜率約束條件下標志層(點)與井斜分段控制圖版,提高靶點的預測和軌跡控制精度,對今后紅星地區頁巖氣高效開發具有重要的指導意義。

1 研究區地質概況

紅星地區位于湖北省利川市、重慶市萬州區和石柱縣境內,構造隸屬于四川盆地川東高陡褶皺帶石柱復向斜,南東、北翼分別被齊岳山復背斜和方斗山背斜所夾持,包括建南構造、龍駒壩構造和三星區塊(圖1),勘探面積約3 000.0 km2,其中建南構造為箱狀長軸背斜,兩翼相對較陡,發育擠壓構造逆斷層,是紅星地區頁巖氣勘探開發的重點區域[1,11]。該區二疊系沉積環境以早濱岸、晚陸棚相為主,吳家坪組吳二段、茅口組茅四段發育褐色含硅質頁巖,區內兩套頁巖平面分布較穩定、埋深和成熟度適中、氣測顯示良好,是較為有利的頁巖氣勘探新層系。目前,已投入開發的紅頁1HF井日穩產頁巖氣6.0 × 104m3。該區塊新增頁巖氣控制儲量6.21 × 1010m3,實現了中國二疊系頁巖氣勘探重大突破,使本研究團隊針對該頁巖氣層的10年追蹤終于落地。

根據文獻[2]修改

為了達到最佳開發效果,紅星地區水平井部署要求與主應力方向近垂直和大角度相交,設計水平段長1 500.0～2 700.0 m,有效靶窗垂厚約5.0 m,并嚴格控制優質儲層鉆遇率。區塊內已鉆探HYA、HYB、HYC、HYD四口導眼井揭示:目的層吳家坪組吳二段發育灰黑色硅質頁巖、含灰硅質頁巖,局部夾薄層泥質灰巖,厚度約20.0 m,屬深水陸棚沉積環境;錄井氣測全烴顯示介于4.08%～12.96%,測井解釋總有機碳含量(total organic carbon content,TOC)介于7.26%～9.00%,測井解釋孔隙度介于5.23%～6.15%,實測含氣量3.81～4.84 m3/t。礦物成分黏土礦物含量10.92%～18.13%,長英質含量48.81%～51.82%,碳酸鹽含量29.52%～33.13%,具有硅質和碳酸鹽巖含量高、黏土含量低的特征,整體脆性指數在60.0%～70.0%,處于縫網與多縫過渡區。

根據巖性、電性、物性、含氣性等特征,吳家坪組吳二段自上而下細分為⑤～①段(圖2)。其中③小層又可以細分為a、b、c、d四段,巖性為灰黑色泥頁巖局部夾薄層灰巖條帶、厚度一般在5.5～8.0 m之間,地層可鉆性較好、鉆時比值大于1.5,全烴見明顯異常、曲線呈塊狀高值,伽馬(gamma ray,GR)曲線呈齒狀中高值,其值一般在140.0～280.0 API;基于優中選甜的原則,HYA井優選③小層井段3 300.0～3 306.7 m為“地質+工程”最佳甜點段,厚6.7 m,適宜作為水平段優選目標靶窗。

2 研究區地質導向面臨的主要問題

2.1 入靶段軌跡控制難度大

因受地理條件限制,目前紅星地區水平井采用直井段—造斜段—穩斜段—增斜扭方位段—水平段的軌跡剖面類型,這種剖面設計方法一般在入靶前方位才能擺正;同時,多井實鉆對比分析顯示:目的層上方飛仙關組+長興組地層在橫向上沉積厚度變化大,伽馬曲線形態也存在一定的差異,加上新區塊物探資料精度有限,地層視傾角計算、等厚法預測A靶點等量化計算精度受到明顯影響,增加了預測目的層深度和A靶點的難度。若入靶階段靶點深度預測不準和軌跡姿態控制不理想,會直接影響優質儲層鉆遇率及后續水平段地質導向作業。

2.2 水平段軌跡出層風險高

紅星地區目的層吳家坪組吳二段優質儲層薄,沉積特征在橫向上存在一定的差異性;縱向上有效靶窗窄、橫向上微幅構造多且起伏大、小斷層多等綜合影響因素,鉆遇微幅構造和小斷層時極易鉆出靶窗,軌跡調整頻繁,工程實施難度高。

當鉆遇微幅構造時,地層產狀常常出現急劇變化,而靶窗內地層的伽馬高值和低值處均有對稱趨勢,在隨鉆測量儀器伽馬辨識度差時往往會表現出多解性,導向人員很難判斷鉆頭所處靶窗的準確位置,若采用常規隨鉆測井(loggling while drilling,LWD)導向工具,伽馬探管位置與井底相差約15.0 m,盲區長會導致調整滯后,甚至無法發現已鉆出優質儲層;另外鉆遇斷層時地層可識別性變弱,如果沒有方位伽馬輔助判斷,極易錯過最佳調整窗口。

3 地質導向關鍵技術

3.1 井震聯合的地質建模方法

目前流行的建模方法是基于井震聯合的三維地質建模[12-16],其核心是將地震解釋層位數據與單井分層數據進行融合,通過插值技術,形成更精確的三維地層模型,提取沿待鉆井軌跡的切片作為地質導向模型,在鉆井過程中再利用LWD數據和綜合錄井、氣測錄井數據,共同判斷鉆遇地層情況,并不斷地動態校正地質導向模型和三維地層模型,從而更精準指導鉆井作業。

本次研究選用GEOS地質導向分析系統,在油藏地質研究的基礎上,對13口已鉆井的吳家坪組小層進行細分和數據歸一化處理,結合地震資料解釋信息,采用克里格、最小曲率、三角網等空間插值算法,建立由已知點到未知點的三維地質模型,建模面積約625.0 km2。沿設計井軌跡切制地層剖面,生成二維地質模型,基于動態擬合對比,在待導向井通過增加控制點,結合屬性曲線對比隨鉆調整二維模型后,及時更新區域內三維地質地層模型;實現動態三維模型反復迭代校正,對新鉆井目的層軌跡方向地層傾角進行更為精準預測。

紅星地區受斷裂影響,區內微幅構造發育,地震資料無法有效識別微幅構造,但井震聯合建立地質導向模型是導向人員實時軌跡調整和預測軌跡方向上地層產狀變化的重要依據;實鉆井顯示:利用三維地質模型指導地質導向,待導向井A靶點設計垂深與實鉆誤差一般在10.0 m左右,對于疑似斷層或微幅構造段采取多角度抓取地震剖面加以驗證,盡可能提高預測的準確性。

3.2 確定地質導向參考標志層(點)

厘清紅星地區長興組到吳家坪組吳二段目的層的地質導向參考標志層(點),對A靶點預測、入靶前水平段軌跡控制至關重要。根據電性、巖性、氣測、鉆時等資料,選擇井區預探井HYA井為標準井,利用長興組頂部到吳家坪組吳二段共識別出的8個伽馬曲線高尖或低谷組成的巖、電性變化標志層(點)(表1),建立了紅星地區吳家坪組地質導向參考標志層(點)圖版(圖3),明確4號、5號、7號標志層(點)為控制靶窗的關鍵標志層(點)。實際導向中依據地層對比結果,為靶點預測和軌跡調整提供依據。

表1 地質導向參考標志層(點)巖電特征判斷標準(標準井HYA井)

圖3 紅星地區吳家坪組地質導向參考標志層(點)

3.3 隨鉆導向工具優選與軌跡調控技術

3.3.1 優選導向工具

導向工具選擇的依據是在滿足地質需求的條件下,促進鉆井提速降本[17]。由于常規LWD盲區過長,系統獲取的隨鉆數據滯后,僅有平均伽馬曲線,沒有隨鉆方位伽馬,無法及時判斷鉆遇地層的上下界面和地層傾角,降低了隨鉆決策和調整的及時性,在微幅構造和小斷層發育的紅星地區并不適用。在實現地質目的方面:近鉆頭、旋轉導向工具均能獲取距離鉆頭近1.00 m左右的地層方位伽馬(上伽馬GRU、下伽馬GRD)、井斜、方位、鉆頭轉速、井底溫度等資料,且具有伽馬成像功能。在滿足工程需求方面:長水平段且地層產狀連續起伏變化>10.0°的井型可選擇近鉆頭+旋轉導向工具,發揮旋轉導向工具軌跡控制能力強的優勢;水平段地層產狀連續起伏變化在5.0°～10.0°的井型優先考慮近鉆頭導向工具;水平段地層產狀連續起伏變化<5.0°的井型則可采用常規LWD導向工具。

3.3.2 入靶階段軌跡調控

針對入靶階段變方位、目的層上方地層沉積厚度變化大情況,傳統等厚法[6,18]帶來的A靶點預測和入靶軌跡控制難的問題,施工前應認真分析鄰井資料,運用隨鉆伽馬曲線特征、巖性組合、鉆時、氣測等資料,選取標準井對應的地質導向參考標志層(點)計算地層視傾角。在此基礎上,遵循地層厚度消耗與井斜合理匹配原則,建立了利用平均角法來計算軌跡方向上任意A、B兩點消耗地層厚度計算模型(圖4),其計算公式為

圖4 平均角法軌跡控制計算模型

h=(H-Δxtanθ)cosθ

(1)

式(1)中:h為A至B點正向下切厚度,m;H為A、B兩點垂深差,m;Δx為A、B兩點位移差,m;θ為當前地層視傾角,(°)。

進一步推導得出

(2)

式(2)中:HA為A點處斜深,m;HB為B點處斜深,m;α為A點處井斜,(°);β為B點處井斜,(°)。

該模型使用方法如下。

(1)通過軌跡的正演、反演模擬,從而提高A靶點預測的和入靶前軌跡控制的精度。通過控制一定的造斜率來把控軌跡與地層的夾角,模擬正演軌跡與地層上、下切的速度;從A靶點反演到某一標志層時所需的合適井斜,利用到達某一標志層的井斜來控制施工軌跡。

(2)建立不同造斜率條件約束下的標志層(點)與井斜分段控制圖版(圖5),圖版按4.5°/30 m、5.1°/30 m、5.7°/30 m、6.3°/30 m等施工常用的造斜率來模擬軌跡,并指示出對應造斜率到達某一標志點時的井斜。

圖5 紅星地區不同造斜率約束條件下標志層與井斜分段控制圖版

(3)在軌跡進入4號、5號、7號關鍵地質導向參考標志層(點)時,視剩余靶前位移情況,控制合適的下切角,進入目的層后適時增斜確保軌跡以較理想的姿態進入靶心。

3.3.3 水平段軌跡精準控制

針對水平段靶窗窄、微幅構造發育、小斷層多等復雜地質條件導致極易鉆出靶窗的難題,在加強地震預測地層產狀變化、井震聯合及時修正地質導向模型的同時,利用近鉆頭或旋轉導向方位伽馬、伽馬成像和目的層靶窗上、下地層的隨鉆伽馬曲線特征點[19-20],來判斷水平段中軌跡在目的層中的位置和穿行情況,實施主動軌跡優化調整技術,將軌跡提前調整到靶窗合適的位置,避免調整頻繁、調整過度和調整不及時,甚至反向操作鉆出目的層。

具體控制方法:水平段穿行以吳二段③小層中下部為主,利用③小層上部伽馬曲線特征點來判斷軌跡的走向,通過調整合適的井斜角,將軌跡控制在中下部穿行,為獲得最優的目的層穿行率提供保障。

近鉆頭或旋轉導向工具獲取的方位伽馬曲線不僅能確定鉆遇地層的巖性,判斷軌跡是否處于目的層里面,還可準確判斷井眼軌跡在目的層的位置、交切關系、以何種姿態鉆出目的層[20-21],即同一測量點上伽馬(up gamma ray,GRU)、下伽馬(down gamma ray,GRD)值變化情況,可判斷井斜角與地層視傾角相對關系及鉆頭在地層中的相對位置:如在地層伽馬形態為波峰時,當上伽馬GRU<下伽馬GRD,軌跡相對地層上行,即軌跡上切;當上伽馬GRU>下伽馬GRD時,井軌跡相對地層下行,即軌跡下切(圖6);該區塊目的層段使用方位伽馬、伽馬成像判斷軌跡與地層交切關系示意(圖7)。

圖6 利用隨鉆方位伽馬判斷鉆頭在地層中的相對位置

圖7 隨鉆方位伽馬、伽馬成像判斷軌跡與地層交切關系

利用方位伽馬(上伽馬GRU、下伽馬GRD)曲線計算井眼軌跡與地層不同接觸關系的夾角,及早發現地層變化、調整鉆頭的鉆進方向,使軌跡最大限度地保持在油氣藏的有利位置,為下步軌跡調整提供依據,大大降低了薄層和微幅構造易鉆出目的層的風險[19]。方位伽馬實時判斷地層與井眼軌跡之間夾角計算模型可用三角關系來表示(圖8),鄰邊為成像上正弦曲線沿井眼軌跡方向的幅度,對邊為井眼直徑加上兩倍的工具探測深度,其計算公式為

圖8 方位伽馬實時判斷地層視傾角與井眼軌跡夾角計算模型

(3)

式(3)中:γ為井眼軌跡與地層的相對夾角,(°);D為井徑,m;DOI為伽馬儀器的探測深度,m;Δd為伽馬成像上正弦曲線沿井眼軌跡方向的幅度,即同一地層GRU、GRD探測邊界與地層交點沿儀器軸線的距離,m。

在具體作業過程中,當水平段軌跡方向鉆遇微幅構造和斷層,應兼顧地質和工程需求優化軌跡。鉆遇微幅構造時,如果地層突然上傾變大超過3°以上,導向作業不宜猛增井斜追層,保持與地震+模型預測地層傾角相匹配的井斜鉆進,一般可在150.0 m以內回層。當鉆遇斷層時,斷層上盤地層整體上傾,且上傾趨勢較地震預測大,斷層下盤造成地層劇烈下傾,但下傾段距離并不長,因此鉆遇斷層時,當鉆遇斷距大于5.0 m的斷層,可以適當調整井斜,調整井斜小于5°;鉆遇斷距小于5.0 m斷層,可以適當調整井斜,調整井斜小于3°,以達到顯著降低鉆出層的段長及軌跡調整頻次。

4 方法驗證

地質導向關鍵技術在紅星地區的研究與應用,較好地解決了該區塊A靶點預測和水平段軌跡極易出層的難題。該技術在紅星地區驗證了8口井,地質中靶率100%、水平段優質儲層鉆遇率從77.8%提升至100.0%、平均優質儲層鉆遇率93.0%、鉆井提速29.7%,技術應用效果良好。

HYCHF井設計水平段長2 000.0 m,在建成的紅星地區三維模型上沿設計井軌跡提取二維導向剖面。通過物探資料、地質模型綜合分析,明確水平段平均視傾角為整體上傾2.63°,局部地層產狀變化幅度較大,易鉆出層。A靶點前地層視傾角上傾4.0°,過A靶點逐漸增至上傾6.0°;受斷層影響水平段1 000.0 m左右地層產狀波動幅度超過10.0°,水平段后405.0 m地層由上傾轉為下傾2.0°左右。基于鉆前地質導向條件和風險分析,建議入靶段采用常規LWD、水平段采用旋轉導向工具鉆進方式。

實際導向過程中,參照紅星地區不同造斜率約束條件下標志層與井斜分段控制圖版,結合靶前距使用情況,控制施工軌跡到達某一標志層(點)時的井斜。在鉆遇關鍵控制入靶5號標志層時井斜達到60.0°,軌跡進入吳二段頂7號標志層(點)井斜達到77.0°,采用平均4.91°/30.0 m的造斜率適時增斜,控制軌跡在靶心(③小層C段頂)、井斜92.0°入靶,軌跡與地層呈2.0°夾角。

在水平段軌跡方向上微幅構造發育,且地層產狀局部起伏最大超過18.0°的不利條件下,利用方位伽馬判斷軌跡上、下切情況,通過物探資料、地質模型和實鉆參數綜合判斷鉆頭所處靶窗位置,實時獲得水平段傾角變化。實鉆水平段整體地層傾角主要在上傾0.2～4.41°,井段4 941.0～5 180.0 m受斷層影響有隆起,由上傾0.32°變為上傾9.34°后又逐步轉為下傾,最大下傾9.49°;水平段后420.0 m地層由上傾轉為下傾3.1°,導向人員及時調整井斜保證軌跡在地質+工程最佳甜點段③小層中穿行。

通過各項技術綜合運用,精細調控軌跡,本井于井深6 155.0 m順利鉆至B靶點,完鉆層位③小層C段中部,實鉆水平段長2 097.0 m,考核靶窗鉆遇率達到96.7%(圖9),助力該井刷新三開機械鉆速最快、鉆井周期最短、水平段趟鉆數最少等6項施工紀錄。

圖9 HYCHF井水平段軌跡穿行示意圖

5 結論

(1)紅星地區吳家坪組吳二段目的層上方地質導向參考標志層(點)的確定和目的層靶窗巖性、電性、含氣性等特征的綜合分析,為靶點預測和軌跡調整提供了重要依據,是水平井能否順利入靶和保障水平段在儲層穿越的基礎。

(2)針對儲層薄、地層產狀變化大的水平井,導向工具應優先選擇性能穩定的旋轉導向工具,發揮旋轉導向工具零長較短和軌跡控制能力強的優勢,方位伽馬、伽馬成像能及早發現地層變化、準確判斷軌跡在目的層的位置,降低了薄層和微幅構造易鉆出目的層的風險,在提高儲層鉆遇率前提下確保軌跡控制圓滑,為后續施工創造良好的井筒條件。

(3)針對入靶階段變方位、目的層上方地層沉積厚度變化帶來的A靶點預測和入靶軌跡控制難的問題,首次建立的平均角法軌跡控制計算模型和不同造斜率約束條件下標志層與井斜分段控制圖版,能夠有效解決傳統等厚法預測靶點誤差大和軌跡控制效果不理想的難題,顯著提高了靶點的預測和軌跡控制精度。

(4)通過紅星地區地質導向關鍵技術研究與應用,有效解決了該區塊A靶點預測不準、入靶階段軌跡控制不佳和水平段軌跡易出層等難題,既保障了優質儲層鉆遇率,又促進了鉆井提速提效,在水平井鉆井領域具有良好的推廣應用前景。