2. 长江师范学院, 重庆 408100;
3. 中石化重庆涪陵页岩气勘探开发有限公司, 重庆 408100
2. Yangtze Normal University, Chongqing 408100, China;
3. Fuling Shale Gas Exploration & Development Corpration, SINOPEC, Chongqing 408100, China
页岩气作为一种大规模低丰度连续成藏的非常规油气资源, 以吸附态和游离态赋存于暗色富有机质泥页岩层系中。相较常规油气储层, 页岩气藏储层孔隙度和渗透率极低, 页岩气藏的采收率较大程度依赖于水平井钻井和有效的压裂改造。水平井可以大幅增加目标产层的泄油气面积, 提高油气层的开采效率, 与直井相比, 其成本虽然提高了1~2倍, 但产量却增加了2~4倍[1-2]。水平井是实现薄层油气、低渗透-致密油气、稠油、页岩气等油气藏高效开发的关键技术之一。
在水平井的钻进过程中, 地质导向起着至关重要的作用, 它综合利用地质、构造、测井、测试等多种资料进行分析, 寻找气层最为有利的发育部位, 以降低钻井风险, 提高钻井的命中率[3], 保障水平井的单井产能。早期的地质导向主要依靠测录井和构造图, 并未引入地质导向模型[4-5], 客观上受仪器精度、仪器盲区长度以及构造图精度影响较大, 主观上对操作人员的控制精度要求较高。近些年, 地质导向模型逐渐被引入[6-8], 李一超等[6]和张德军[7]的研究指出对不准确的钻前模型, 可以在实际导向中加以修正, 但未提及修正方法; 王理斌等[8]的研究提供了一种应用Workflow模块更新地质模型的研究思路, 其主要应用于构造简单地区。而涪陵气田(特别是焦石坝断背斜以外区块)构造复杂, 断裂发育, 水平井初始地质导向模型往往与实钻差异较大, 这给涪陵页岩气田水平井轨迹跟踪、调整与控制带来了极大挑战。为解决实钻过程中初始地质导向模型不准确的问题, 本文提出了实时更新的速度场地震地质导向模型修正思路, 并形成了一套水平井地震地质导向方法。
1 涪陵页岩气田概况2012年11月, 重庆涪陵焦石坝地区钻探的JY1HF井获得日产20多万方的高产工业气流, 随后部署实施的JY2井、JY3井和JY4井均获中—高产天然气流, 自此拉开了涪陵千万方级页岩气田开发的序幕[9-12]。如图 1所示, 涪陵页岩气田焦石坝区块在构造上位于川东高陡褶皱带的万县复向斜东南部, 是川东、川南及鄂西断褶带等多个构造单元的结合部[13-14], 总体表现为隆凹相间的特征, 具有东西分带、南北分块的特点。边部构造复杂, 地层变形强烈; 主体区块局部微幅构造发育, 地层倾角变化较大。
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图 1 涪陵页岩气田焦石坝区块奥陶系五峰组(O3w)反射层构造 |
涪陵焦石坝地区页岩气层为晚奥陶世五峰组(O3w)—早志留世龙马溪组(S1l)下段地层, 主要发育了一套暗色富有机质泥页岩, 整体为深水陆棚沉积, 平面分布稳定, 厚度变化不大。根据岩性、电性、物性、脆性、含气性及地化特征, 页岩气层段纵向上可细分为9个小层(图 2)。在目前涪陵页岩气田开发中, 一般要求水平井在主力气层(①~⑤小层, 约38m)中部入靶, 水平段在优质页岩气层(①~③小层, 约20m)穿行。
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图 2 JY1井-JY2井-JY3井-JY4井O3W—S1l地层对比 |
地震地质导向是综合利用地质、地震、钻井、录井、测井等多种数据信息, 研究获取井下实际地质特征, 并对钻井轨迹进行实时跟踪、调整与控制的一套技术。水平井地震地质导向可分解为水平井着陆导向和水平段导向[8-9], 主要包括入靶点深度预测与调整以及水平段井轨迹跟踪与调整; 前者确保钻头准确钻进目的层, 后者确保水平段在目的层中钻进。
水平井地震地质导向技术思路为:在水平井轨迹跟踪调整过程中, 首先开展地层特征及小层精细对比分析, 弄清井眼轨迹穿遇的各套地层的地震及地质特征; 其次根据地质分层数据与地震资料开展构造精细研究; 再次根据地层特征及构造特征研究成果对靶点深度及地层产状进行预测; 最后紧密跟踪钻井动态资料, 及时更新认识及相关数据, 滚动调整钻井轨迹。
2.1 地层特征分析地层特征分析在水平井地震地质导向中具有重要作用。只有了解地层特征, 才能更加准确地判断钻头所处的位置, 为速度场实时更新提供依据。涪陵焦石坝地区的地层特征分析主要包含两个方面, 即标志层特征分析以及近目的层与目的层的标志点特征分析。
2.1.1 标志层特征分析涪陵焦石坝地区标志层主要包括二叠系龙潭组(P2l)、二叠系梁山组(P1l)、奥陶系五峰组(O3w)(图 3), 辅助标准层有龙马溪组中段(浊积砂岩段)。
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图 3 涪陵页岩气田标志层特征 |
二叠系龙潭组(P2l):岩性为灰黑色泥岩、灰色、深灰色灰岩、生屑灰岩互层, 间夹薄煤层。上覆长兴组与下伏的茅口组均为灰岩。电性特征主要表现为高伽马、高声波时差、低密度等, 底部地震反射表现为连续的波组强反射特征。
二叠系梁山组(P1l):岩性为泥页岩, 上覆栖霞组地层岩性为灰岩。电性特征主要表现为高伽马、高声波时差、低密度等, 底部地震反射表现为连续的波组中强反射特征。
奥陶系五峰组(O3w):岩性为黑色碳质页岩, 下伏地层岩性为灰岩。电性特征主要表现为高伽马、高声波时差、低密度等, 底部地震反射表现为连续的超强反射波组特征。
在一期产建区北部, 志留系龙马溪组浊积砂岩段也可作为辅助标准层。其岩性为含泥质粉砂岩, 上覆与下伏地层岩性均为泥岩。电性特征主要表现为低伽马; 顶部地震反射特征因所处区域的环境不同而差异明显, 北部表现为较连续的中强反射波组特征, 南部部分区域表现为前积反射结构特征, 部分地区表现为断续的弱反射或中强反射波组特征。
2.1.2 标志点特征分析目的层与近目的层标志点是精准入靶的关键控制点, 开展近目的层与目的层的小层特征精细对比, 寻找区域普遍存在且特征较为明显的特征点作为精准入靶的关键控制点。
涪陵页岩气田龙马溪组中段—五峰组可确定B1, B2, …, B9共9个标志点, 在随钻过程中, 每个标志点伽马值均存在的高、低峰特征(图 4)对井轨迹的控制起到了非常重要的作用。
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图 4 近目的层与目的层标志点特征 |
受限于地震资料品质, 水平井初始地质导向模型往往精度不高, 这给页岩气水平井精准入靶与高效穿行带来了一定挑战。为满足涪陵页岩气田高效开发的要求, 尽量减少钻井停等时间, 引入了速度场实时更新技术, 这给构造图的精细修编与地震资料的快速更新带来了方便。
速度场实时更新即在高精度速度场的基础上, 不断应用实钻标志层深度数据对原有的速度场进行更新与迭代, 以获取精度越来越高的速度场。在开展新一轮的速度场数据更新时, 以上一次获取的老速度场作为质量控制, 及时利用新一轮的实钻标志层数据计算误差趋势面, 并对初始速度场进行局部误差校正, 以提高局部速度的精度, 进而更新全区三维速度场。在全区速度场实时更新完成之后, 迅速利用新的速度场对时间域地震资料进行时深转换, 以获取构造形态更加逼近真实的地震地质导向模型, 及时为水平井地震地质导向提供支持。
2.3 井眼轨迹跟踪阶段划分根据焦石坝地区地层特征及目的层深度, 钻井井深结构划分为3个开次, 一开钻至飞仙关组或长兴组, 二开钻至龙马溪组上段或中段, 三开钻至目的层(龙马溪组下段—五峰组)。
结合钻井开次、地层特征将整个水平井跟踪调整划分为入靶阶段和水平段阶段, 入靶阶段又可细分为:二开阶段、三开入靶阶段(图 5)。
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图 5 水平井跟踪阶段划分 |
远离目的层控制性调整, 为三开提供更好的工程可操作条件, 提高有效入靶概率。该阶段主要有两个控制点, 一个为梁山组, 另一个为二开结束点。
2.3.2 三开入靶阶段近目的层滚动式精准调整, 主要为实现精准入靶。在标志点分析中提到近目的层与目的层有9个标志点, 在该阶段最重要的控制点有3个:一个为浊积砂段顶部砂岩条带(B1), 伽马曲线上表现出非常明显的低伽马尖形态; 一个为⑧号层顶部的含灰质泥岩条带(B4), 伽马曲线上表现出较明显且普遍存在的低伽马尖形态; 一个为⑥号小层顶部的碳质页岩条带(B6), 伽马曲线上表现出较明显且普遍存在的高伽马尖形态(图 4)。这3个清晰的标志点为近目的层的滚动调整提供了很好的控制点。
2.3.3 水平段阶段主要是根据已钻水平段地质特征计算的地层倾角分析井眼轨迹与地层的交切关系, 结合地震资料品质、构造特征、地震偏移成像原理预测待钻水平段地层产状, 为井眼轨迹实时调整提出合适的建议, 保障水平井在优质气层中的高效穿行。
2.4 入靶阶段井眼轨迹跟踪与调整在跟踪钻井动态的同时, 我们的构造认识也在发生变化, 这就需要对井眼轨迹设计进行调整, 主要是对靶点进行调整。靶点调整主要包含靶点个数调整、靶点坐标调整和靶点深度调整。
靶点深度预测的准确性是保证精准入靶的核心要素。因为地震资料处理成果较多, 预测方法较多, 所以选择合适的资料与预测方法才能得到更加准确的靶点深度。
就焦石坝地区的地震资料情况及钻井动态情况归纳了以下5种靶点深度预测方法。
2.4.1 利用邻井平均速度预测在区域评价时期, 因为缺少深度域地震资料, 所以井控程度很低, 将附近的导眼井的声波测井资料或垂直地震剖面资料经过人工合成转换成地震记录(地震道), 用来精细标定层位, 得到井区的时深曲线, 然后结合时间域地震资料预测评价井的靶点深度。
2.4.2 利用区域层速度预测当正钻井钻遇目的层上部某标志层时, 利用附近完钻导眼井VSP资料或声波测井资料, 计算该标志层与目的层之间各层的层速度, 然后结合该标志层与入靶点之间的时差, 综合计算入靶点深度。在完钻井资料较少的地区, 该方法实用性较强。
2.4.3 变速成图预测在缺少深度域资料或者深度域资料井震误差较大(前期成像处理时井控程度较低), 且该区域目前井控程度较高时, 一般采用变速成图的方法来预测靶点深度, 将构造图上读取的深度与其他方法预测的结果相互佐证。在一期产建区及江东区块主要应用该方法对靶点深度进行预测与调整。
2.4.4 邻井井震误差法预测该方法主要建立在深度域资料的基础上, 根据邻井井震误差以及区域的井震误差趋势来预测靶点深度, 若实钻点与预测点较近(水平距离300m以内), 则该方法预测结果较为准确, 若实钻点与预测点较远(水平距离大于300m), 一般会同时采用其它方法进行预测, 再相互佐证。
2.4.5 地层等厚对比法预测在钻遇近目的层(龙马溪组中段和下段上部)时, 一般采取地层等厚对比来预测靶点深度, 这需要开展邻井的小层精细对比, 根据邻井的小层厚度, 结合地震预测的井眼轨迹方向的地层产状综合预测靶点深度。随着钻头往目地层逐步逼近, 预测的精度不断提高。以正钻井钻遇浊积砂(龙马溪组中段)为例(图 6), 正钻井A靶点预测深度H2=H1+h±L1+L2(下倾为+, 上倾为-), 其中:H1为本井浊积砂底垂深; h为邻井浊积砂底至气顶垂厚; L1为本井浊积砂底至A靶点气顶处垂差; L2为邻井气顶至气中垂厚。
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图 6 等厚对比法预测A靶点示意 |
该方法在附近有完钻井、标志层特征明显且地层厚度横向分布稳定的情况下, 适用性较强, 预测精度较高。
在钻遇标志点B1~B6的过程中, 综合运用以上方法，紧密跟踪，滚动预测，逐步缩小预测误差。以平桥断背斜北翼的W1井为例(图 7)，钻遇B1时，预测A靶点气层底垂深为3362m, 钻遇B6时, 预测A靶点气层底垂深为3349m，实钻揭示A靶点气层底垂深3345m。钻头从B1钻至B6的过程中, 设计深度与实钻深度误差由17m缩小至4m。
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图 7 W1井钻遇B1时靶点深度预测 |
根据开发目的与地质特征的不同, 涪陵页岩气田主要目的层存在差异。以下部气层(①~⑤号小层)为主体开发目标, 平桥区块优质层位为③号小层, 其他区块的优质层位为①~③号小层; 以上部气层(⑥~⑨小层)为评价目标, 其优质层位为⑧号小层下部。
依据优质层位的纵向位置、厚度、随钻特征(伽马、气测、钻时数据)等不同, 建立对应的轨迹控制原则。开展小层精细对比, 寻找优质气层顶部与底部的特征点作为轨迹穿行窗口, 并以优质气层中部附近的特征点为轴, 控制井眼轨迹绕轴穿行。
2.5.2 钻头位置确认依据标志层特征分析, 结合录井岩性、气测及钻时数据, 开展小层精细对比研究, 确定钻头所处的小层以及距该小层顶、底的距离。遇到实钻情况与地震深度剖面差异较大时, 需进行速度场更新及叠前时间域偏移地震资料转换为深度域偏移地震资料。
2.5.3 已钻水平段地层视倾角(水平段方向)计算依据随钻自然伽马和标志层特征分析，推算实钻地层产状，再结合随钻测量数据(测深、垂深、井斜角、方位角)，判断实钻井眼轨迹与小层的相互交切关系。
水平段地层视倾角的计算有两种算法：算法一是两次钻遇同一个特征点(图 8a)，直接根据水平位移s与垂差h计算该段地层的平均地层视倾角θ，该情况下算得的两点之间的地层平均视倾角比较准确。算法二是从一个特征点钻遇另一个特征点(图 8b)，此时计算地层倾角需要借助距离本井最近的直井地层铅直厚度h1，再结合本井实钻地层铅直厚度h2及水平位移s计算该段地层的平均地层视倾角θ。在高陡构造带利用算法二计算视倾角，需要综合考虑本井与导眼井所处的构造位置、导眼井的地层真倾角、本井区地层真倾角及水平段方向的地层视倾角。不考虑地层真倾角，仅根据地层等厚推算得到的地层视倾角来指导钻井，反而会影响导向技术的实施效果。
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图 8 地层倾角计算示意 a算法一; b算法二 |
待钻地层倾角预测方法如下:对比已钻水平段地层视倾角与地震预测地层视倾角, 分析本井的误差情况; 对井区附近的邻井井震误差进行分析, 总结井区地层倾角误差趋势; 综合地震预测的地层视倾角与井震误差趋势对待钻水平段地层视倾角进行预测。若待钻水平段地层视倾角变化较大, 则需要分段预测各小段的平均地层视倾角。
轨迹调整方法如下:在待钻水平段地层倾角预测的基础上, 结合钻头所处的气层位置(距优质气层顶、底距离)以及实钻轨迹与地层的交切关系, 以控制井轨迹最大限度在优质页岩气层段穿行为原则, 对井眼轨迹作出实时监控与调整, 引导定向施工。该过程主要有两套预警机制:其一, 若钻头位于气层底部且处于向下伏地层钻进的状态, 则需要紧急预警, 尽快增大井斜角, 实现钻头向上覆地层钻进(轨迹与地层夹角2°~5°, 一方面保证井轨迹尽可能光滑, 另一方面减小后续的降斜幅度), 钻头回到气层中部后, 调整井斜至井轨迹与地层平行。其二, 若钻头位于气层顶部且处于向上覆地层钻进的状态, 则需要紧急预警, 尽快减小井斜角, 实现钻头向下伏地层钻进(轨迹与地层夹角2°~5°, 一方面保证井轨迹尽可能光滑, 另一方面减小后续的增斜幅度), 钻头回到气层中部后, 调整井斜至井轨迹与地层平行。
3 应用效果涪陵页岩气田的开发中，开发井从平缓的箱状背斜核部逐步实施到高陡构造带与断裂带附近，随着地震地质导向技术的建立与完善，水平井动态调整设计精度及优质气层穿行效率逐年提高，该技术为气田产能建设提供了强力支撑。靶点设计深度与实钻深度误差小于20m的井数超过了90%(图 9)，由图 10可见，各项指标逐年提高，优质层穿行比例从73.35%提高到了87.69%；主力气层穿行比例从95.60%提高到了98.97%。
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图 9 水平井地震地质导向技术应用前后靶点设计深度与实钻深度误差对比 |
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图 10 2014—2017年优质气层(a)和主力气层(b)穿行比例 |
1) 基于导向模型实时修正的水平井地震地质导向技术包含地层特征研究、构造特征研究、跟踪档案的建立、跟踪阶段的划分、跟踪模式及预警机制的建立、靶点深度预测方法总结、地层倾角预测方法总结、轨迹控制原则的建立、水平井地震地质导向平台的建设等。其中地层特征研究、构造特征研究、井眼轨迹跟踪制度、动态预测靶点深度是页岩气水平井地震地质导向技术中的关键环节。
2) 本文所述地震地质导向技术有效地指导了页岩气水平井钻井, 为涪陵页岩气田的高效开发提供了保障。该技术具有很强的实用性, 能够简单快捷地应用于生产, 可推广应用于类似地区的页岩气开发。
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