西南石油大学学报 (自然科学版)  2017, Vol. 39 Issue (2): 62-70
应对成熟油田可持续开发的地质导向革新策略    [PDF全文]
陶彬1, 李林1, 常波涛2 , 王超2, 贺敬博2    
1. 中海石油 (中国) 有限公司番禺作业公司, 广东 深圳 518054;
2. 斯伦贝谢中国海洋服务公司, 广东 深圳 518067
摘要: 基于南海东部番禺油田水平井地质导向工作的整体目标,针对地下构造、地层和流体特征的不确定性,提出了基于革新性边界探测技术和井眼成像技术的地质导向策略,可高效控制轨迹平稳着陆,并在储层内精确调整水平轨迹尽量贴顶钻进(距顶0~1 m)。不同类型油藏中的成功应用实例表明,该地质导向革新策略可提高钻井效率、节省预算,而且对于产能优化的贡献明显,油井日产量2 000~6 000桶,含水极低,油田累计产量超过预期17%。通过规避“阁楼”油和延缓油井见水时间,有效优化了油田采收率。此外,钻后地质油藏模型的更新可为后续井位部署和开发策略的优化提供有效指导。
关键词: 成熟油田     地质导向策略     可持续开发     边界探测     采收率    
Innovative Geosteering Strategies for the Sustainable Development of Mature Oilfields
TAO Bin1, LI Lin1, CHANG Botao2 , WANG Chao2, HE Jingbo2    
1. Panyu Operating Company of CNOOC China Ltd., Shenzhen, Guangdong 518054, China;
2. Schlumberger China Offshore Services S. A., Shenzhen, Guangdong 518067, China
Abstract: Based on the overall goals of geosteering in horizontal wells, we have proposed an innovative strategy for geosteering based on boundary detection and borehole imaging techniques, to resolve uncertainties in subsurface structure, and stratum and fluid characteristics. This strategy allows highly-effective control of the bore to produce smooth bore trajectories, and accurate steering of the bore within a stratum to allow horizontally-drilled bore trajectories to proceed as closely as possible to the ceiling of a reservoir (within 0-1 m of the ceiling). Successful implementations of this strategy in various types of oil reservoirs have shown that this innovative geosteering strategy can improve well-drilling effectiveness, decrease costs, and contribute significantly towards the production optimization; with this strategy, 2000-6000 barrels were produced a day from an oil well, with extremely low levels of water content, and the cumulative production of the oil field has exceeded initial estimates by 17%. Hence, we have effectively optimized the recovery rate of oil fields by avoiding "attic" oil and postponing the use of waterflooding in a well. Furthermore, the updating of post-drilling geological oil reserve models may provide an effective form of guidance for the optimization of well deployment and development strategies in the future.
Key words: mature oil fields     geosteering strategies     sustainable development     boundary detection     recovery rate    
引言

地质导向概念自20世纪90年代提出以来,随着随钻测井技术和相关软件的不断进步和完善,逐渐实现了由“被动地质导向”到“主动地质导向”的升级[1-3]。在油田开发早期采用的被动地质导向技术,通过分析常规随钻测井曲线和成像资料来帮助导向决策,但其探测深度有限,对精细开发阶段的精确轨迹控制和地质油藏特征细化的指导作用受限[4-5]。电阻率边界探测技术在21世纪初面世之后,利用提供的更大探测深度范围内的清晰电阻率边界反演结果可精细刻画地质油藏特征、主动按照要求精确调整轨迹和为后续开发决策提供依据。基于这一革新性技术的主动型地质导向策略展示的主动性和前瞻性是优化地质导向效率的关键,可满足油田精细开发的要求,在国内外高含水、断块等复杂油藏的精细开发中应用越来越广泛,解决问题更有针对性[3-13]

随着开发进程不断深入,南海东部的番禺4-2油田逐渐进入高含水的成熟开发阶段,面临单井产量递减、底水锥进加剧、采液指数和井底压力大幅降低等严峻形势。为提高油田综合采收率、保持可持续开发,启动了水平调整井项目,实施过程中可能会面临目的油层薄、非均质性强和层内流体特征复杂等风险。面对相关风险,在早期开发过程中采用的常规随钻测井资料和被动型地质导向技术不能满足细化地质油藏特征的目标,可能影响地质导向效率和后期生产动态,因此,在调整井钻完井阶段应采取有针对性的地质导向技术和策略,通过细化储层特征,精确控制轨迹在物性较好的储层内钻进,以提高采液能力;尽量加大水平井轨迹与油水界面之间的距离,以延缓见水时间;同时,采用防水控水等先进的完井方式才能改善开发效果,并对剩余油挖潜和油田整体采收率的提高做出积极贡献。

本文针对番禺4-2油田早期开发效果和水平调整井精细开发项目要求,详细制定了基于电阻率边界探测技术的革新性主动地质导向策略,并通过实例阐述其对该成熟油田可持续开发战略的贡献。

1 番禺4-2油田地质和油藏概况

番禺4-2油田位于南中国海珠江口盆地珠I拗陷南部恩平凹陷东端,距香港约150 km。该构造整体上是一个断块,为两条北西南东断层所夹持。油田范围内无断层切割,构造走向为近东西向,构造平缓。下部构造主要为北西西大断层下降盘上的小型逆牵引背斜,发育两个构造高点;上部构造主要为受油田南部北西西大断层控制的断背斜,发育一个高点。

该油田的砂岩储层主要发育在早中新世的珠江期,为一套以下三角洲平原三角洲前缘前三角洲交替变化为特征的三角洲体系碎屑岩沉积,主要沉积微相为分流河道和河口坝等[14-16]。砂岩的平均厚度约为10~12 m,储层在横向上分布相对稳定,物性较好,具有中高孔隙度和高渗透率。油田内纵向上可划分为46个具有独立油水系统的油藏,以底水油藏为主,油藏内流体从上至下逐渐由重质原油向轻质原油过渡。

2 调整井项目的精细开发及地质导向目标

番禺4-2油田于2003年开始正式投产,截至2012年7月共完成36口开发井,日产油量约18 750 bbl(1 bbl=137 kg),含水率达91%。经过近10年的集中开采,油田已进入高含水的成熟阶段,剩余油挖潜将是维持油田可持续开发的关键。中海油于2012年第三季度启动了新的水平调整井项目,包括25口水平井,水平段长度500~800 m,着重精细开发番禺4-2油田中未开发的边水薄油层(1~2 m)和已开发底水油层中的剩余薄油柱(小于5 m)。

长期开发导致储层中油水(边水和底水)界面不确定性较大,因此,需要精确控制水平井轨迹在靠近储层顶面的物性较好的砂层内钻进,不仅可以保证采液能力,而且可以通过尽量远离不确定的油水界面来延缓见水时间,由此优化生产动态和采收率。此外,三角洲沉积砂岩储层平面上可能存在厚度变化和较强的非均质性,层内可能发育不规则的泥质和钙质夹层;断层和背斜控制的构造背景导致油区内可能存在地层倾角突变、微断层等不确定因素。油层内存在的上述构造、地层和流体特征等方面的不确定性,使得本区地质油藏特征比较复杂,而油田的精细开发需要尽可能细化地质油藏模型,才能保证轨迹按照要求精确控制。

3 革新性地质导向技术及策略

在番禺4-2油田开发早期的定向井和水平井中,主要采用常规随钻测井资料(伽马、电阻率、密度、孔隙度和成像等)和被动型地质导向技术来指导地质导向决策。该方法受探测深度的限制,在地层厚度和物性横向发生变化时,对地质油藏模型重建的准确性影响较大,而且,只有当轨迹很靠近边界时测井曲线才有变化,从而导致反应时间有限,存在较大的出层风险,严重影响复杂储层内的地质导向效率。

针对上述该油田水平调整井项目精细开发的要求及相关风险,项目决策团队决定采用斯伦贝谢公司的随钻地层边界探测仪PeriScope提供的随钻电阻率边界探测技术,来指导水平井的地质导向施工和地质油藏模型的细化。PeriScope不仅可提供常规电磁波传播电阻率测量,还通过加装两个倾斜接收线圈提供方向性测量数据。两套数据在配套软件中可通过反演处理显示出轨迹至上下两个边界的距离、轨迹所在地层及上覆和下伏三套地层的电阻率[17-18]。PeriScope反演的探测深度与边界两侧地层电阻率差异成正比,最远可达15 ft,可为主动、提前调整轨迹提供可靠依据[19-20]。此外,PeriScope反演结果基于实钻数据,因此,在地层厚度和物性横向变化的地层中也可精细刻画探测深度范围内的储层构造、物性和流体分布特征,据此细化地质油藏模型,优化地质导向效率和后续生产动态。

在该油田水平井地质导向过程中,需要识别的关键界面是砂岩和泥岩边界、储层和夹层边界以及油层和水层的边界。钻前反演模拟结果显示,边界探测技术在番禺4-2油田是适用的,在不同厚度和物性的储层中可以在4 m范围内远程识别关键界面及其产状,此外,结合随钻密度孔隙度测量工具ADN提供的密度、孔隙度测量和16象限密度成像,可精细、定量描述地下复杂的构造、储层物性和厚度、流体分布特征,进而可实时高效决策,制定并实施合理的轨迹控制方案,有效降低风险,顺利完成关键的平稳贴顶着陆和水平段贴顶钻进目标。

(1)着陆段地质导向策略

平稳贴顶着陆是高含水油藏高效开发的基础,对于后续轨迹调整策略以及油井生产动态有重要影响,尤其在底水油藏开发中影响意义更大。着陆过程中利用地层对比和预测技术,实时跟踪确认上覆标志层的位置、倾角以及厚度,据此预测储层位置,然后合理调整井斜以低夹角平稳入层,之后增斜着陆,可保证轨迹贴顶远离油水界面。针对着陆过程中标志层倾角、厚度以及储层顶面深度等方面的不确定性,需要合理设计稳斜段,为后续轨迹准确中靶预留足够空间,以防在储层变浅的情况下,入层角度过小导致着陆位置距顶太远;在储层加深的情况下,入层点水平位移后推太多导致储层段水平方向空间不足。

在调整井12.25′′井段中,利用感应电阻率测量仪ARC提供的平均伽马和电阻率来进行地层对比,优化轨迹,逐渐靠近目的层。在靠近高阻目的层时,可根据ARC提供的不同探测深度的电阻率测量来较远距离(1.5~2.0 m)地探测高阻储层的顶面并模拟构造倾角,据此调整轨迹,保证轨迹中完于靠近储层顶面的上覆地层中(距离储层顶约0.5 m),而且井眼和地层之间的夹角约1.5°。在8.5′′井段中,保持轨迹与地层之间的低夹角稳斜钻进,直至根据边界探测反演结果和常规测井曲线确认轨迹进入储层,之后在保证工程安全的前提下合理增斜,着陆于靠近储层顶面的位置(距离储层顶0.5~1.0 m,图 1),由此高效完成关键的平稳贴顶着陆。

图1 番禺4-2油田着陆策略示意图 Fig. 1 Sketch map of landing strategy in PY4-2 Oil Field

(2)水平段地质导向策略

根据开发目标以及已钻井眼的经验,要求精确控制水平段轨迹在储层上部物性较好的部位且距离有利储层顶面0.5~1.0 m(图 2)。根据实时边界反演结果和测井、录井等信息反映的储层物性和构造变化特征(图 3),控制风险,提前预判,主动调整轨迹,可实现高效地贴顶钻进。

图2 番禺4-2油田水平段导向策略示意图 Fig. 2 Sketch map of horizontal drilling strategy in PY4-2 Oil Field
图3 水平段钻具组合及实时测井服务项目 Fig. 3 Borehole assembly for horizontal section and related real-time logging services

根据精细、定量刻画的地下构造、地层和流体特征,在随钻决策过程中,当油水界面出现时,可根据具体的构造特征和油柱高度决定继续钻进还是提前完钻;在钻后评价阶段,可更新地质和油藏模型,为后续井位部署和开发策略的优化提供有效指导。

革新性的边界探测技术和井眼成像技术可为着陆段和水平段的地质导向工作提供重要和关键的决策依据,因此,也为上述地质导向策略注入了革新思维,将对该调整井项目的顺利和高效实施、优化油田采收率和保证成熟油田的可持续发展做出革新性的贡献。

为优化随钻地质导向过程中的不同部门之间交互分析解释决策效率,决策团队基于3D解释建模软件,制定和完善了针对于该油田可持续开发目标的工作流程。软件平台可通过分析边界探测反演资料识别地层和流体边界、解释实时密度成像拾取地层倾角并解释构造特征,实时更新地质导向模型并以3D方式显示出来,然后综合多方信息,最终高效、及时地完成导向决策。

4 实例剖析

在此选取两种不同类型油藏,详细分析上述地质导向革新策略对不同地质和工程风险的控制效率、精确完成导向目标的实际应用效果及其对油田产能的影响,最终阐述其对油田整体采收率优化的积极贡献。

4.1 实例1:边水薄油藏

1#井位于某边水油藏的构造高部位,设计水平段650 m,穿过一个背斜构造,区域油水界面距离较远。邻井数据显示该油藏储层较薄,厚约2.0 m,在高阻砂层内薄储层的顶部和底部均发育钙质胶结的硬夹层(图 4)。

图4 1#井构造位置及邻井储层特征 Fig. 4 Structural location of 1# well and reservoir property in offset well

着陆过程中,地层对比显示,储层顶面比设计略深,且模拟结果显示地层上倾约0.5°。根据不同探测深度感应电阻率曲线的响应特征,将12.25′′井段中完于砂岩储层上覆泥岩中,距离砂层顶约0.5 m,且轨迹与地层之间的夹角1.5°。在后续井段,基于地层上倾特征,稳斜88.5° ~89.0°,直至确认储层砂体,然后调平轨迹平稳着陆在距储层顶0.5~1.0 m的窗口之内。

水平段实钻过程中,PeriScope提供的边界探测服务可清晰地同时识别砂层的顶底界面以及轨迹至各界面的距离(图 5),而且,砂层和上覆、下伏泥岩电阻率的确定有助于地质导向决策团队详细了解地层的物性特征。

图5 1#井井眼轨迹及地层模型 Fig. 5 1# well trajectory and formation model

边界探测技术及井眼成像技术的应用揭示了钻遇的实际构造特征比设计要复杂的多:在前250 m井段中,地层先整体上倾,然后转为下倾;之后,经过一段较平缓的构造,后段地层整体下倾;确认多个微构造(微地堑和局部构造起伏等)的存在。实钻结果证实,在砂层内储层顶部发育致密钙质夹层,而且砂层整体厚度横向变化较大:靠近着陆点处高阻砂层厚约2.0 m,沿钻进方向直至中段逐渐变薄至0.8 m,在后段又逐渐增厚。在水平段末端,增斜探顶确认砂顶泥岩,与反演模型吻合,验证了边界反演结果的准确性。

尽管实际的构造、地层特征较复杂,仍精确控制水平轨迹于储层顶面之下约0.5 m的窗口内,完成752 m进尺。地质导向革新技术和策略的应用精细刻画了地下构造和储层物性特征,促使决策团队基于优化产能和提高采收率的目标决定延长水平段102 m。本井投产初期日产油3 501 bbl,无水,远超预期产量(日产油1 500 bbl),增产133%。

4.2 实例2:底水驱动薄油柱油藏

2#井位于某高度开发油藏的构造高部位(图 6),设计水平段550 m。油藏砂层虽然较厚,但由于开发程度较高,在最近钻探的一口邻井中发现油水界面上抬,导致剩余油柱较薄(约6.0 m)。砂岩层中,储层上部发育物性较差的钙质和粉砂质薄夹层。为完成尽量挖潜剩余油的目标,将轨迹控制在物性较好的储层顶面之下1.0 m窗口内是成功的关键,而且,边界探测技术能否探测到油水界面对于整个水平段轨迹的控制意义重大。一旦识别出油水界面,决策团队将根据实际情况决定是继续钻进完成设计,还是提前完钻以免影响后期油井生产动态。

图6 2#井构造位置及邻井储层特征 Fig. 6 Structural location of 2# well and reservoir property in offset well

着陆阶段,实际砂层顶面比设计深约2.5 m。由于储层之上发育约1.7 m厚的钙质和粉砂质薄夹层,决策团队将12.25′′井段中完于硬夹层的底部,距离预测的好储层顶约0.4 m,轨迹与地层之间夹角约2.0°。电阻率曲线模拟显示地层微上倾。在后续井段中,希望利用边界探测技术和井眼成像技术精确预测储层位置及其构造特征,以约1.5°夹角进入储层,平稳着陆在距储层顶较近的位置。

8.5′′井段开始钻进时,确认井底位于储层之上的硬夹层内,此时PeriScope的反演结果清晰显示了硬夹层顶面和储层顶面(图 7),据此主动调整轨迹,以1.5°夹角平稳进入储层,之后及时发现油水界面位于轨迹之下约4.2 m。根据PeriScope反演结果和ADN密度成像识别出地层上倾约0.6°。综合分析,决策团队决定上调井斜,追踪上倾的储层,保持轨迹距离储层顶0.5~1.0m,同时尽量远离油水界面,优化后期生产动态。

图7 2#井井眼轨迹及地层模型 Fig. 7 2# well trajectory and formation model

在入层之后的90.0 m范围内,边界探测技术同时识别了储层顶面及油水界面。在轨迹持续向上追踪储层顶面的过程中,当井眼与油水界面距离超过4.6 m后,由于工具测量探测范围的局限,PeriScope开始在井眼下方探测到较近的较高阻层顶面。在井眼上方,储层顶面持续清晰显示,地层持续上倾,轨迹平稳保持在距储层顶面0.5~1.0 m窗口内。在水平轨迹的中后段,地层逐渐变为下倾,决策团队根据边界反演和密度成像解释结果实时调整轨迹追踪构造变化,尽量贴顶钻进。在轨迹末端,地层下倾大于0.6°,刻意稳斜90.0°上切至硬夹层中,最终根据伽马和电阻率曲线确认了储层顶面,与边界反演结果相互验证。

尽管本井区实际的构造特征和流体特征较复杂,决策团队仍成功控制轨迹在储层顶之下0.5~1.0 m,完成进尺635 m,超出设计85 m,均远离油水界面。PeriScope和ADN提供的边界探测技术和井眼成像技术为随钻过程中的高效导向决策提供了重要支持,在确认底水之后仍继续钻进,控制轨迹贴顶且远离油水界面,有效地规避了“阁楼”油,将会对油井生产动态的优化起到至关重要的作用。本井投产初期日产油3 440 bbl,含水仅6%。在综合含水率高于90%的成熟油田中的底水驱动薄油柱油藏中取得这样的产能,充分体现了具有针对性地质导向革新策略的作用和效果。

4.3 应用效果

截至2014年,番禺4-2油田调整井项目的25口水平井顺利完钻,水平段长度509~818 m,储层钻遇率均为100%。革新性随钻测井技术和有针对性地质导向策略的应用,实时、准确地刻画地下构造、地层和流体特征保证了水平段轨迹在目标窗口内主动平稳调整,为该项目的高效实施、产能和采收率的优化、以及地质油藏模型的更新做出了积极贡献,保证了成熟油田可持续开发战略的顺利进行。

(1)提高钻井效率和节省预算:水平井轨迹均平稳控制在储层内,有效提高了机械钻速,而且规避了不必要的水平轨迹调整和侧钻风险。钻井效率得以显著提升,25口水平井钻井周期比设计总共节省了超过50 d。

(2)优化产能和采收率:25口油井初产总量达64 552 bbl/d,每口井平均日产油2 582 bbl,比设计高出48%,而含水仅2%。水平段轨迹均控制在物性较好储层内贴顶钻进(距储层顶面0~1.0 m),“阁楼”油得以高效规避,油井见水时间得以延缓,由此采收率得以优化。截至2014年,25口井的累计产油量约1.0×107 bbl,超出预测产量17%(图 8)。

图8 番禺4-2调整井项目累积产油量统计图 Fig. 8 Statistics of cumulative oil production of PY4-2 new horizontal well campaign

(3)在钻后评价阶段,根据精细刻画的地下构造、地层和流体特征可更新地质和油藏模型,为后续井位部署和开发策略的优化提供有效指导。

5 结语

番禺4-2油田水平调整井项目的高效实施,验证了上述有针对性的地质导向革新技术和策略对于成熟油田产能和采收率优化、及其高效可持续开发的积极贡献。该革新策略也可推广开来,为类似成熟油田的地质导向工作以及挖潜稳产增产方案的制定提供关键的指导和借鉴作用。

在综合地质导向策略中,除去关键的先进随钻测井技术,必须认识到地质导向过程体现了地质、钻井、测井、录井和油藏工程技术的高效结合,在钻前设计、实钻跟踪和钻后评价阶段,地质、油藏和钻井等多部门专家组成的决策团队是地质导向过程的主导因素,其合作效率也是项目成功与否的关键。

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