海上低滲砂礫巖氣藏水平井地質(zhì)導(dǎo)向初始模型

江錨，王黎，周東紅，牛濤，李飛

(1.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028；2.中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300459)

0 引言

海上低滲砂礫巖區(qū)塊二期開發(fā)區(qū)域位于氣田主體區(qū)域南部，包含沙河街組、孔店組和太古界[1]，其中沙河街組至孔店組主要發(fā)育砂礫巖及砂巖。沙河街下部至孔店組中部小層孔滲特性強(qiáng)于太古界，單井無阻流量高于太古界，為該區(qū)主力氣藏。對于海上低滲砂礫巖區(qū)塊而言，巖石基本性質(zhì)及天然微裂縫分布規(guī)律決定著地質(zhì)甜點(diǎn)的分布趨勢。前期研究已開展中等分辨率地震解釋并識別出部分區(qū)域的巖性，但并未進(jìn)行精細(xì)刻畫與表征，導(dǎo)致直井及水平井產(chǎn)量差異大，為了降本增效，實(shí)現(xiàn)“少井高產(chǎn)”，后期繼續(xù)采用水平井優(yōu)化開發(fā)井網(wǎng)。

根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研，地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)橫跨鉆井工程、地震解釋、物探、測井及油藏工程等多個學(xué)科領(lǐng)域，形成帶有測定GR 曲線、電阻率曲線、鉆井軌跡井斜角、方位角及其他輔助參數(shù)的短節(jié)，憑借電磁波方式傳至MWD/LWD，再將數(shù)據(jù)傳送至地面控制系統(tǒng)。包含精細(xì)地質(zhì)模型、巖石屬性參數(shù)解釋結(jié)果和目標(biāo)井鉆遇軌跡控制3 個主要模塊的軟件系統(tǒng)可以適時作出解釋與決策，實(shí)施隨鉆控制。國內(nèi)經(jīng)過十幾年的發(fā)展，基于探井測錄井及區(qū)塊構(gòu)造地震等資料的地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)已在陸上油氣田得到廣泛應(yīng)用[2-4]。在復(fù)雜巖性及構(gòu)造條件下，該技術(shù)能夠有效增加各類井型鉆井作業(yè)的鉆遇率[5-6]，但海上低滲氣田應(yīng)用很少。相比于常規(guī)砂巖氣藏，海上低滲砂礫巖區(qū)塊斷層發(fā)育，并且根據(jù)巖心資料分析出地層微裂縫較為發(fā)育，要落實(shí)有利于儲量動用的氣層立體分布情況，提高地層孔滲物性及巖石力學(xué)參數(shù)精度，為壓裂開發(fā)層位優(yōu)選及水平鉆井各項(xiàng)參數(shù)調(diào)整提供依據(jù)。

1 目標(biāo)區(qū)塊地質(zhì)建模

以多學(xué)科一體化為理念，運(yùn)用地震基礎(chǔ)理論及三維地質(zhì)建模理論，結(jié)合探井錄井、探井測井、巖心化驗(yàn)及區(qū)塊構(gòu)造地震等資料[7]，建立了海上低滲砂礫巖區(qū)塊構(gòu)造模型、巖性模型、巖石各類屬性模型[8]。

1.1 基本地質(zhì)模型

1.1.1 斷層模型

研究區(qū)擬鉆遇地層受多期構(gòu)造活動影響，長期活動斷層及其派生斷層發(fā)育，長期活動斷層溝通油源，并與不整合面和砂體組成復(fù)式油氣疏導(dǎo)體系，油氣運(yùn)移通暢，具備油氣規(guī)模成藏的基本條件。研究區(qū)共鉆遇6 條斷層，海拔總體呈現(xiàn)從西南向東北方向逐漸遞減的趨勢。運(yùn)用地震解釋結(jié)果和已鉆井資料，重新落實(shí)孔店組到太古界的構(gòu)造基本屬性，并對地震解釋結(jié)果獲取的斷層產(chǎn)狀、位置進(jìn)行有效的排列組合，進(jìn)而建立出海上砂礫巖三維斷層模型，如圖1 所示。

圖1 海上砂礫巖儲層三維斷層模型

1.1.2 地層結(jié)構(gòu)模型

在建立三維斷層模型的基礎(chǔ)上，利用不同小層平面構(gòu)造圖，開展了三維構(gòu)造面尺度上的精細(xì)刻畫，目標(biāo)層位斷層總體較為連續(xù)，海上砂礫巖儲層三維地層結(jié)構(gòu)模型如圖2 所示。

圖2 海上砂礫巖儲層三維地層結(jié)構(gòu)模型

圖3 海上砂礫巖儲層三維地層巖性模型

圖4 海上砂礫巖儲層三維地層孔隙度模型

圖5 海上砂礫巖儲層三維地層滲透率模型

圖6 海上砂礫巖儲層三維聲波縱波時差模型

圖8 海上砂礫巖儲層三維巖石力學(xué)參數(shù)模型

海上低滲砂礫巖儲層三維建模目標(biāo)層位包括孔店組及太古界，單小層厚度2～45 m，平均9.7 m。由于目標(biāo)區(qū)塊壓裂水平井鉆遇孔店組，為真實(shí)地展現(xiàn)出孔店組不同小層砂體在三維空間上的變化情況，含氣層位縱向網(wǎng)格細(xì)分的厚度調(diào)整為3～6 m 的精度剖分，泥巖隔層調(diào)整為15 m 等比例剖分，太古界上部層位網(wǎng)格厚度為8 m，下部層位以灰?guī)r、泥巖為主，因此下部層位網(wǎng)格厚度25 m。

1.1.3 小層巖性模型

目標(biāo)區(qū)塊砂礫巖鉆遇厚度整體向構(gòu)造高部位逐漸減薄，局部低洼處厚度大。砂礫巖縱向差異大，沙河街組上段以辮流帶沉積為主，層理發(fā)育、物性較好，沙河街組下段至孔店組以殘積、坡積及沖積扇為主，塊狀致密、物性差。結(jié)合錄井資料分析，上述鉆遇地層隔夾層巖性以泥巖為主夾雜著灰?guī)r。巖性屬性模型離不開精細(xì)化小層模型。以地震解釋結(jié)果速度場為中間媒介，將時間域?qū)游晦D(zhuǎn)變?yōu)樯疃扔驅(qū)游弧Ｔ诳紤]探井分層數(shù)據(jù)的前提下，修正各層位若干個氣組的上下構(gòu)造面，進(jìn)而形成精細(xì)化小層模型。目標(biāo)區(qū)塊砂礫巖鉆遇厚度整體向構(gòu)造高部位逐漸減薄，局部低洼處厚度大。砂礫巖縱向差異大，沙河街組上段以辮流帶沉積為主，層理發(fā)育、物性較好，沙河街組下段至孔店組以殘積、坡積及沖積扇為主，塊狀致密、物性差。結(jié)合錄井資料分析，上述鉆遇地層隔夾層巖性以泥巖為主夾雜著灰?guī)r。巖性屬性模型離不開精細(xì)化小層模型。以地震解釋結(jié)果速度場為中間媒介，將時間域?qū)游晦D(zhuǎn)變?yōu)樯疃扔驅(qū)游唬诳紤]探井分層數(shù)據(jù)的前提下，修正各層位若干個氣組的上下構(gòu)造面，進(jìn)而形成精細(xì)化小層模型。

在精細(xì)化小層模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合區(qū)域沉積儲層研究、探井實(shí)際鉆探結(jié)果分析，太古界砂礫巖發(fā)育程度低于灰?guī)r，孔店組以砂礫巖地層為主，因此將目標(biāo)區(qū)塊砂礫巖儲層巖性劃分為砂巖、礫巖、泥巖和灰?guī)r四類。結(jié)合地質(zhì)建模的理論知識，采用序貫指示模擬算法，擬合變差函數(shù)，進(jìn)行3 次等概率模擬，進(jìn)而完成小層巖性模型的建立。

1.2 地層物性模型

孔店組發(fā)育大套砂礫巖，為裂縫-孔隙型儲層，5D 探井孔店組旋轉(zhuǎn)壁心實(shí)測孔隙度1.2%～10.5%，平均5.8%，滲透率0.046～15.10 mD，平均0.64 mD；13D探井孔店組旋轉(zhuǎn)壁心實(shí)測孔隙度1.4%～12.9%，平均6.3%，滲透率0.011～4.970 mD，平均0.53 mD，該探井滲透率極差及平均值低于5D 井，但平均孔隙度好于5D 井，與上覆泥巖構(gòu)成較好儲蓋組合。

由于海上低滲儲層埋深較大，各類屬性存在較強(qiáng)非均質(zhì)性，因此，用平面不超過三個觀測點(diǎn)實(shí)施插值的傳統(tǒng)固定性建模方法，不能夠充分展現(xiàn)中深層低滲砂礫巖物性在立體方向上的變化。在目標(biāo)區(qū)塊以小層巖性模型為約束條件的基礎(chǔ)上進(jìn)行氣藏基礎(chǔ)物性參數(shù)模擬才能相對真實(shí)反映儲層物性的非均質(zhì)性。結(jié)合上述認(rèn)識，采用巖性三維分布規(guī)律作為約束條件的序貫高斯模擬算法，建立了孔隙度、滲透率、聲波時差、巖石密度模型。

1.3 巖石力學(xué)及地應(yīng)力模型

結(jié)合巖石密度、聲波縱波時差、橫波時差三個屬性，巖石楊氏模量及泊松比計算如式(1)所示：

式(1)～式(2)中：Δts為橫波時差(μs/ft)；Δtp為縱波時差(μs/ft)；E為楊氏模量(GPa)；μ為巖石泊松比；ρ為巖石密度(g/cm3)。

結(jié)合巖石密度、靜態(tài)泊松比、地層孔隙壓力、構(gòu)造系數(shù)等屬性，巖石最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力如式(3)和式(4)所示：

式(3)～式(4)中：β為最大水平主應(yīng)力方向構(gòu)造常數(shù)；γ為最大水平主應(yīng)力方向構(gòu)造常數(shù)；H為地層測定垂直深度(m)；μs為巖石靜態(tài)泊松比；ρ為巖石密度(g/cm3)；pp為地層孔隙壓力(MPa)。

根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，獲得三維地應(yīng)力數(shù)據(jù)體的方法有以下兩種：一是基于已鉆探井的聲波時差、密度及伽馬連續(xù)測井?dāng)?shù)據(jù)，計算巖石力學(xué)參數(shù)，再運(yùn)用伊頓法計算地層破裂壓力，進(jìn)而獲得目標(biāo)地層三個方向的地應(yīng)力；二是運(yùn)用有限元數(shù)值模擬方法對低滲油藏精細(xì)化地質(zhì)模型的地應(yīng)力進(jìn)行反演。然而水平井測井資料質(zhì)量較差，僅有伽馬曲線可用，利用探井?dāng)?shù)據(jù)等效至水平井來計算巖石力學(xué)及地應(yīng)力誤差很大，不利于指導(dǎo)水平井壓裂施工。因此，需要在精細(xì)化地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，運(yùn)用有限元數(shù)值模擬方法表征水平井巖石力學(xué)及應(yīng)力參數(shù)。有限元數(shù)值模擬方法考慮了裂縫性低滲儲層非均質(zhì)性對地應(yīng)力整體分布的影響[9]，在探井?dāng)?shù)量較少且伽馬測井質(zhì)量偏低的條件下具備較好的適用性。因此在計算巖石力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上，利用有限元三維地應(yīng)力模擬軟件Visage 來完成目標(biāo)區(qū)塊地應(yīng)力參數(shù)的模擬，包括三向主應(yīng)力、最大水平主應(yīng)力夾角及最小水平主應(yīng)力夾角。其中，最大水平主應(yīng)力及最小水平主應(yīng)力如圖9 所示。目標(biāo)低滲砂礫巖儲層最小水平主應(yīng)力變化范圍56～103 MPa，最大水平主應(yīng)力變化范圍64～109 MPa。

圖9 海上砂礫巖儲層水平方向三維地應(yīng)力模型

2 井眼軌跡優(yōu)化應(yīng)用

2.1 三維地質(zhì)模型修正

利用2023 年完成隨鉆及鉆井作業(yè)水平氣井的施工設(shè)計資料對精細(xì)化地質(zhì)模型開展驗(yàn)證，經(jīng)過模型網(wǎng)格及相關(guān)屬性的完善，使得F1H、F2H、F7H 三口水平井實(shí)際井眼軌跡與所建的模型結(jié)果誤差很小(如圖10所示)，地質(zhì)模型準(zhǔn)確程度滿足精細(xì)化數(shù)值模擬要求。因此，在精細(xì)化模型的基礎(chǔ)上，對后續(xù)已完成勘探井位部署的水平井井眼軌跡開展優(yōu)化。

圖10 海上砂礫巖儲層三口水平井軌跡剖面圖

2.2 水平井地質(zhì)導(dǎo)向驗(yàn)證

利用修正后的三維精細(xì)地質(zhì)模型，對目標(biāo)區(qū)塊已完成勘探井位部署的兩口水平井開展實(shí)際鉆遇地層的軌跡優(yōu)化工作，優(yōu)化后水平井砂巖鉆遇率相比于優(yōu)化前提高6%～10%，最小水平主應(yīng)力相比于優(yōu)化前降低1.5 MPa 以上，水平方向應(yīng)力差平均值從5.8 MPa降低至4.1 MPa。根據(jù)礦場實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，若水平主應(yīng)力差異系數(shù)小于0.15，水力人造裂縫則較大概率先沿著井筒規(guī)則擴(kuò)展，之后在壓裂液與脆性礦物組分的作用下，逐漸朝著天然裂縫走向擴(kuò)展，進(jìn)而形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)。因此，孔店組氣井滿足水平主應(yīng)力差異系數(shù)的基本要求，水平井軌跡優(yōu)化有助于提高體積壓裂實(shí)施概率及氣井壓裂施工效率，有助于降低鉆井、完井及后續(xù)生產(chǎn)階段出現(xiàn)復(fù)雜情況的概率。

3 結(jié)論及建議

(1)砂礫巖氣藏孔店組至太古界擁有較多斷層，針對這一特點(diǎn)運(yùn)用地震解釋結(jié)果、成像測井資料與鉆井設(shè)計資料進(jìn)行較頻繁地比較與驗(yàn)證，從而實(shí)現(xiàn)海上砂礫巖地層的精準(zhǔn)刻畫，為后續(xù)鉆井、完井及壓裂施工提供保障。

表1 優(yōu)化后的水平井砂巖層位鉆遇率及無阻流量與鄰井對比表

(2)應(yīng)用修正后的三維巖石屬性模型，指導(dǎo)海上低滲砂礫巖氣藏水平井鉆探實(shí)施及調(diào)整，降低了鉆井、完井及后續(xù)生產(chǎn)階段出現(xiàn)復(fù)雜情況的概率，提高砂巖氣層鉆遇率，從而提高海上低滲砂礫巖氣井無阻流量。