引言

随着全球能源需求的增长及勘探开发技术水平的提升，页岩气等非常规资源的开发迅速发展，已成为油气勘探开发的热点领域。中国页岩气资源丰富，具备良好的资源基础和开发潜力。目前，中国石油在四川的威远、长宁和昭通等地区的页岩气区块已达到工业开发水平，并已建成产能^[1-2]，中国石化则在涪陵建成了中国第一大页岩气田^[3]。

页岩气开发具有大规模采用水平井工厂化作业、直井/评价井数少、密度低特点，如何充分利用水平井资料对页岩气区储层研究显得尤为重要。在水平井资料运用方面，随着水平井技术广泛地应用于薄层油藏、致密油气、页岩气等复杂油气藏的开发，以及老区调整和剩余储量挖潜^[4-7]，国内外学者已逐渐意识到水平井地质信息提取对储层研究的重要性，开展了相关的研究工作^[8-11]，赵国良等^[4]以阿曼DL油田为例，提出充分利用多分支水平井资料，采用水平井轨迹对构造层面进行约束和校正，提高了构造模型的精度。郝建明等^[7]在高尚堡油田实现了利用水平井资料进行变差函数分析，建立单一目标砂体高精度地质模型。吴胜和等^[10]应用坪桥区块水平井资料和露头资料，有效提取三维建模所必须的地质统计学参数，特别是砂体侧向变化参数，弥补了砂体统计学特征受直井井距太大“瓶颈”的限制，建立的沉积微相三维模型更符合地质实际。水平井实钻储层地质信息提取和利用技术是页岩储层描述的重要发展方向之一。同时，中国页岩气区块多具有纵向上优质页岩层薄，最佳巷道位置厚度薄，优质页岩储层钻遇率不高等问题。页岩气井产能影响因素分析表明，页岩气井中的长水平段优质页岩储层的钻遇率和井眼轨迹控制是影响页岩气井产能的重要因素^[12-18]。

前人研究认为，采用随钻地质导向钻井在一定程度上可以提高水平井段钻探优质储层的精度^[12-18]，但地质导向判断参数少、不直观，标志点选取难度大，且龙马溪组优质页岩段发育多个小层和旋回，部分小层伽马特征具有一定相似性，特别容易混淆。因此，如何利用水平井资料建立精细的三维构造模型，对水平井井轨迹的优化设计及提高水平井段优质页岩储层的钻遇率具有重要意义。

1 研究区地质背景

震旦纪以来，受多期构造作用的影响，形成了四川盆地现今格局，其中威远区块位于四川盆地西南部，横跨四川省内江市、资中县、自贡市荣县境内。构造上处于四川盆地川中古隆起区的川西南低陡褶皱带(图 1a)。

目前，四川盆地主要勘探开发目的层位为奥陶系五峰组至志留系龙马溪组一段1亚段，埋深1 500$\sim$3 500 m。龙马溪组页岩处于加里东构造运动期，构造运动活跃，海平面升降频繁，发育多期沉积旋回，纵向上，尤其是底部的龙马溪组一段1亚段层理发育、非均质性强。从沉积角度来看，五峰期及龙马溪期早期的龙一$_1$亚期沉积主体为半局限浅海相的深水陆棚，发育一套黑色碳质、硅质页岩和黑色页岩组合沉积(图 1b)，有机质丰度高，笔石发育，主体为优质页岩发育地层，厚度约36$\sim$48 m。龙马溪晚期，水体变浅，沉积环境变为浅水陆棚，主要岩性为深灰色泥页岩、灰色泥岩和粉砂质泥岩，笔石含量明显降低，有机质相对不发育。龙一$_2$亚段为大段砂泥质互层或夹层岩性组合，笔石数量少，地层厚度在105$\sim$200 m。目前威远区块W井区已建产能，主要以水平井方式开发，探明含气面积54.86 km²，探明地质储量312.63$\times$10⁸ m³，技术可采储量78.16$\times$10⁸ m^3[16]。

2 优质页岩分布特征

四川盆地龙马溪组优质页岩地层为海相沉积，其厚度受深水陆棚沉积相的整体控制，整体上厚度变化幅度不大，约10$\sim$25 m。垂向上，志留纪早期经历了两期海进—海退的变化，发育多期沉积旋回，垂向上小层间非均质性强^{[16, 19-20]}。在威远地区，靠近龙马溪组底部的龙一$_1$亚段是目前页岩气区块主要目的产层，岩相主要为黑色碳质页岩和硅质页岩相，脆性矿物发育，含气量高^{[16, 21]}。为了满足页岩气大规模效益开发的需求，通过岩芯、薄片、测井及实验分析资料对该亚段进行小层细分，从下往上依次划分为龙一$_1^1$、龙一$_1^2$、龙一$_1^3$及龙一$_1^4$共4个小层^[22]。

根据中国石油制定的南方海相页岩气储层分类评价标准^[23]，龙马溪组龙一$_1$亚段的龙一$_1^1$、龙一$_1^2$和龙一$_1^3$小层储层以Ⅰ类和Ⅱ类储层为主，为主要的优质页岩层段，其中龙一$_1^1$小层Ⅰ类储层最发育。通过对比4个小层纵向上的有机质含量、含气量、孔隙度、裂缝密度、古生物发育情况及地层脆性指数，龙一$_1^4$小层是最有利的甜点层段，是水平井钻探的目标靶体位置(图 2)。

3 水平井多点地质信息解析 3.1 研究思路

目前，中国页岩气区块多采用水平井开发，威远研究区也仅有少量探井为直井，采用几口探井开展地质研究显然不能满足储层精细描述及实际气藏开发的需要，因此，充分利用水平井资料进行地质研究尤为重要。

常规油藏中水平井的水平段多在某一特性的目的层穿行，偶见穿层现象^{[7, 10]}。与常规油藏不同的是，威远页岩气藏目的层段小层厚度薄，五峰组、龙一$_1^1$、龙一$_1^2$、龙一$_1^3$小层各自厚度多在5 m左右；平面上地层分布稳定，具有甜点连续分布特征。水平井钻井过程中受地层厚度薄、地层倾角变化等因素影响，钻井过程中钻头方位不断发生变化，导致水平段不断上下穿行，钻遇不同小层，在长度约1 500$\sim$2 000 m的水平段，井轨迹多次与多个小层的构造面顶面相交，可获得比单一直井多很多倍的信息，等效于获取多口直井的地质信息，弥补了评价井少的不足(图 3)。

3.2 水平井钻遇层位精细分析

水平井具有难以与邻井进行精细地层对比的特征，而龙马溪组优质页岩段发育多个小层和旋回，部分小层，如龙一$_1^1$与龙一$_1^3$、龙一$_1^2$与龙一$_1^4$小层的GR特征具有一定相似性，通过测井曲线直观识别小层有一定的难度。因此，研究中首先建立主要钻遇地层，如宝塔组、五峰组、龙一$_1^1$、龙一$_1^2$、龙一$_1^3$及龙一$_1^4$小层的岩性、物性、电性曲线识别标准，划分中主要参考了GR、DEN、AC及TOC等4个参数，然后利用建立的小层划分标准对水平井的长水平段进行精细的小层划分，主要钻遇地层的识别标准见表 1。

为提高测井资料的准确性，在进行水平井分析前，对研究区内不同仪器测得的不同井的测井曲线进行校正。通过对比不同仪器测得的标志层测井曲线的方法，对测井数据进行了极差正规化处理，避免在应用过程中出现较大误差^[24]。统计发现，威远地区优质页岩层段龙一$_1$亚段GR大于150 API，龙一$_1^1$与龙一$_1^3$小层GR大于250 API；DEN为2.3$\sim$2.6 g/cm³，且密度随有机质含量的增高而降低，龙一$_1^1$小层密度值在此页岩层中最低；AC为60$\sim$70 μs/s，TOC为3%$\sim$8%，龙一$_1^1$小层TOC最高，为6%$\sim$8%。

根据水平井井轨迹信息与测井曲线组合特征，结合邻近评价井的小层电性特征，精细分析每口水平井在地层中的轨迹分布。由威远区块W4水平井段小层精细划分剖面(图 4)可见，该井在钻井过程中钻头不断调整钻井方向，水平井段钻遇五峰组、龙一$_1^1$、龙一$_1^2$、龙一$_1^3$及龙一$_1^4$小层，水平段长度分别是100 m、842 m、653 m、0、0，各小层钻遇率分别是6.27%、52.79%、40.94%、0及0。

3.3 水平井地层厚度校正

地层厚度是了解地层纵向和平面展布规律的重要参数，绘制地层等厚图的关键是确定井点位置的地层厚度，在直井情况下，地层厚度通过测井曲线获得并进行地层倾角校正。研究区直井较少时，利用仅有的直井不足以体现地层真实厚度，而利用水平井长水平段多次钻遇各小层这一地质资料解析后可获得多个小层地层视厚度数据，进而对视厚度进行校正即可获得多点地层真厚度数据点^{[14, 25]}(图 5)。

地层真实厚度采用式(1)求取

$H = {H_{\text{视}}} \times \cos \alpha$

(1)

当地层倾向与钻井方向相同时，地层视厚度采用式(2)求取

${H_{\text{视}}} = {Z_{AB}} - \sqrt {{a^2} - {Z_{AB}}^2} \times \tan \alpha$

(2)

当地层倾向与钻井方向相反时，地层视厚度采用式(3)求取

${H_{\text{视}}} = {Z_{AB}} + \sqrt {{a^2} - {Z_{AB}}^2} \times \tan \alpha$

(3)

式中：$Z_{AB}$—$A$、$B$点海拔高差，m；$a$—$A$、$B$点距离，m，$a=\sqrt {\Delta {x^2} + \Delta {z^2}}$；$\alpha$—地层倾角，(°)。

图 6a与图 6b是威远区块W井区分别利用区块仅有的少量探井和利用水平井穿不同小层这一特征经厚度校正求取的龙一$_1^3$小层页岩地层厚度平面分布图。受直井资料少的限制，图 6a中W井区地层厚度仅在4$\sim$5 m，而无法看出井区内部地层精细的厚度变化规律，图 6b中的点为解析后的地层厚度点，在其约束下绘制的厚度图 6b比图 6a更符合地层实际情况。总体来说，W井区地层厚度在2$\sim$7 m，中部局部地区较厚，向南北方向减薄，总体上厚度分布稳定。

4 利用水平井资料建立三维构造模型 4.1 构造模型的建立

构造模型主要反映地质构造及构造背景下的地层厚度分布、垂向地层之间的接触关系和断裂系统的发育等，且能够更加精确地显示微构造^{[4, 26]}，对水平井优化设计及提高目标储层的钻遇率具有重要意义^[16-17]。水平井资料在常规油藏精细描述和建模中的应用主要包括：与其他资料一起识别砂体侧向边界；水平井轨迹对构造建模的层面和断层进行约束或检验；描述储集层物性参数在平面上的连续变化特征等^{[7, 10-11]}。研究区直井少，主要通过水平井资料处理，建立研究区构造模型，用于研究地层三维空间展布、优质页岩储层钻遇并指导水平井钻探。由于钻井过程中钻头方位的不断变化，在部分情况下钻机并未钻穿某层位就不断地向上或向下调整钻头方位，此时若钻头往上覆地层钻，则该小层分层深度代表上覆地层底界，若水平段往下伏地层钻，则该深度代表该地层的底界。

建模时，首先建立关键层位的层面模型控制全区的地层格架，以此为约束建立其他小层层面，最终建立全区层面模型^[27]。以水平井井点处理后的分层数据作为约束条件应用精细地震解释出的地层构造层面为趋势，井震结合建立宝塔组、五峰组、龙一$_1^1$、龙一$_1^2$、龙一$_1^3$和龙一$_1^4$小层的构造面(图 7)。根据井-震结合构建的构造面既保证了井点处地层深度的准确性，又展示了井间构造变化趋势，因此较准确反映了目的小层构造特征。从模型上可见，W井区具有西北高东南低的特点，地层比较平缓，倾角约8°。

4.2 模型分析及验证

五峰组、龙一$_1^1$、龙一$_1^2$、龙一$_1^3$和龙一$_1^4$小层平均厚度分别为4.0 m、5.1 m、5.3 m、4.0 m和15.5 m，由于目的小层厚度总体较薄，建模过程中容易出现各小层层面相交，因此，在建模中逐井检查各水平井在三维空间中的轨迹是否与该井实钻水平井地层剖面一致，若出现不相符时，及时调整构造层面。通过对比W3井实钻地层剖面分析(图 8a)及该井三维空间井轨迹图(图 8b)，该井水平段各钻遇的地层与模型完全吻合。因此，认为本研究建立的三维地质模型相对可靠，可用于指导后续水平井钻井及地质属性建模。

4.3 利用水平井资料建立构造模型的重要作用及实践效果

威远区块普遍采用长水平段水平井开发，水平段长度1 500 m左右，而纵向上优质页岩层薄，最佳巷道位置龙一$_1^1$段厚度仅5 m左右，井控程度较低，地面和地下条件复杂，地层埋藏深度大、构造复杂，且地质导向判断参数少、不直观，标志点选取难度大。页岩气井中的长水平段优质页岩储层的钻遇率和井眼轨迹控制是影响页岩气井产能的重要因素。W井区水平井产能影响因素分析表明水平井巷道位置及Ⅰ类储层钻遇长度对水平井产量具有重要影响，测试产量大于20万方的井，靶体均位于龙一$_1^1$小层(图 9a)；且单井产量随优质储层钻遇长度的增加而提高(图 9b)。因此，提高优质页岩储层钻遇率是提高页岩气井产量的关键。

目前，钻井中常采用随钻地质导向，该方法可一定程度上提高目标层位的钻遇率^[6-7]。龙马溪组优质页岩段发育多个小层和旋回，部分小层的伽马特征具有一定相似性，特别容易混淆，有时很难判断钻头钻进切线方向和钻头所在地层的实际位置，井眼轨迹容易钻出优质页岩段设计箱体。同时，由于部分井区地层倾角较大，地层倾角变化频繁，沿下倾方向的水平井钻遇地层视厚度明显增加，沿上倾方向的水平井钻遇地层视厚度明显变薄，对跟踪过程中准确预测靶点造成了较大的难度，影响目的层水平井段的钻遇率。因此，在水平井优化设计时，可以在三维地质模型内进行水平井设计，井轨迹大体平行于地层构造起伏。

在构造模型的基础上对储层参数进行模拟，依据随钻过程中自然伽马测井曲线的特征，模拟自然伽马属性的空间分布，最终完成水平井轨迹的设计与着陆点深度预测。在确保水平井段优质页岩钻遇率方面，将井轨迹随钻测井数据实时加载到精细建立的三维地质模型中进行三维可视化显示，若实钻数据与钻前模型预测数据相差较大，则对模型进行快速更新，预测下一柱至下几柱范围内实时钻井储层监督的储层发育情况，从而指导水平段的钻进，确保水平井段优质页岩的钻遇率，保证产能建设的有效跟踪与快速实施。目前，研究区内采用本方法指导钻井，水平井段优质页岩的钻遇率得到了显著提高。统计表明，区块水平井段钻遇优质页岩层段龙一$_1^1$、龙一$_1^2$、龙一$_1^3$小层的比例由之前的52%提高到现在的93%，钻遇龙一$_1^1$小层的比例也显著提高。

5 结论

(1) 提出了一种页岩气水平井多点地质信息解析的方法，利用当前开发的水平井，对水平井钻遇小层精细解析，等效获取多口直井信息，可弥补直井少的不足，为解决直井少，水平井多情况下地质研究提供了一种有效的方法和思路。

(2) 建立了主要钻遇地层宝塔组、五峰组、龙一$_1^1$、龙一$_1^2$、龙一$_1^3$及龙一$_1^4$小层的岩性、物性、电性识别标准，主要参考GR、DEN、AC及TOC等4个参数对水平段进行精细的小层划分，并对水平井各钻遇的地层厚度进行校正，为页岩气储层描述及三维地质建模奠定基础。

(3) 研究区目的层段龙一$_1^1$小层Ⅰ类储层最发育，测试产量大于20万方井的水平井靶体均位于龙一$_1^1$小层，且优质页岩储层钻遇长度越长，水平井单井产量越高。因此，以水平井段解析的各分层数据做控制点，建立目的区块精细的构造模型，模型沿水平井轨迹的剖面与实钻水平井剖面一致，表明模型较精确，建立的模型可有效指导水平井优化设计及确保水平井段优质页岩钻遇率。