2. 中国石油浙江油田公司;
3. 能新科 (西安) 油气技术有限公司;
4. 中国石油新疆油田公司
, Liang Xing2 , Dong Jianyi3 , Li Zhaofeng2 , Zhang Zhao2 , Wang Gaocheng2 , Gao Yang4 , Li Xun3
2. PetroChina Zhejiang Oilfield Company;
3. ENTI Xi'an Petroleum Technology Co., Ltd.;
4. PetroChina Xinjiang Oilfield Company
常规油气田开发中地质研究往往扮演着指导工程施工的角色，而工程施工的主要任务是为地质研究服务并实现地质目标。非常规油气田开发面临更艰巨的工程任务，其产量和效益更大程度上决定于工程质量，特别是水平井钻井具有更多的困难和挑战。因此地质研究需要向支持工程的方向去转变。钻井施工面临的困难往往是由复杂的地质条件引起的，只有实现充分的地质工程一体化，将地质研究与钻井施工无缝对接，才能将井轨迹置于“地质+工程”甜点之内，并做到风险预警、轨迹预判预调，在高质量地实现地质目标的同时，提高钻完井施工的整体时效，达到理想的降本增效的目标。
1 非常规水平井钻井面临的挑战非常规水平井钻井面临着来自地质和工程上一系列的挑战[1-9]。例如，在构造演化历史比较复杂的地区，地层受不同方向的构造运动影响，有较大程度的变形；部分井可能钻遇小断层、小挠曲等地震上难以发现的微构造，影响着陆段入靶及水平段钻遇率；设计水平段长而靶窗较小（部分井水平段长2000m，靶窗高只有4~6m），提高钻遇率难度大；地层倾角大，导致井轨迹复杂，造成摩阻及托压，水平段扭矩大；多期断裂叠加使得油气藏比较破碎，限制了井位和平台的部署；微裂缝及破碎带的发育增加了井漏及井壁失稳等风险；优质储层脆性高易垮塌；地层研磨性强可钻性差，容易出现自然增降井斜或方位漂移的问题；由于压裂改造的需要，水平井只能按最小水平主应力方向钻进，增加了设计难度，一些地质风险无法规避；地震资料品质往往较差，地质模型预测精度低。
除了来自复杂地质条件的挑战之外，从工程技术本身以及降本增效角度也为非常规水平井钻井提出了更高的要求。出于地面条件的限制以及“井工厂”高度集约化的需求，非常规水平井一般采用平台丛式井的方式布井，井间距一般为300~600m，一个平台钻4~8口井。这导致部分井横向偏移距大（最大达600m），使得这些井的设计轨迹呈复杂的三维曲线形态，设计狗腿度高（部分井超过7°/30m），大大增加了工程施工及地质导向的难度；非常规区块一般采用水平井进行开发，直井较少，难以定量评估储层厚度及物性在平面上的变化。由于地表和地下条件的共同限制，为了尽可能多地动用储量，增加水平段长度，设计靶前距往往较短（一般为300m），着陆段调整空间小，对工具的造斜能力要求很高；高狗腿，尤其是微狗腿，导致完井困难，引发后期施工中套变的发生。
2 地质导向发展动态针对这一系列的挑战，有专家提出“钻井品质”的概念，突出了钻井环节在非常规水平井开发中的关键作用，并有针对性地提出评估钻井品质的方法及提高钻井品质的解决方案[10]。地质工程一体化是提高钻井品质的有力保障，是解决地质与工程、设计与施工相脱节问题的必由之路[10-12]。地质导向就是地质工程一体化最直接的体现，它是基于地质判断、采用工程手段来提高钻遇率和钻井时效的综合工作流程。地质导向技术已经有20余年的发展，然而面对非常规水平井大规模开发的新形势和新挑战，地质导向被赋予了新的内涵，承担着新的任务（表 1）。
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表 1 地质导向面临的新任务 |
为了满足非常规水平井开发提出的新要求，地质导向必须走三维可视化、智能化和高度一体化的道路。导向工作要从地质和工程设计阶段开始，做到设计和管理上的一体化，根据钻前综合地质研究成果优化轨迹设计思路、优选钻具组合、优化人力及资源的调配；做到地质研究和施工的一体化，及时总结井区遇到的地质、工程上的问题，与研究团队结合，提出实时解决方案，保证项目的高效运行；做到钻井环节上下游的一体化，钻井施工充分考虑对完井及压裂的影响，导向结果及三维模型为后续施工服务，提高水平井开发的整体效果；做到多学科无缝对接，地质和施工人员必须有共同工作、无障碍沟通协调的机制，导向师培养做到地质和工程基本功并重。通过不断提升地质导向工作的技术水平及一体化程度，切实做到钻井过程的全方位全过程的一体化。
图 1给出了地质导向服务的类别。对于非常规水平井，目前最常用的仍然是二维导向方法。该方法是从常规油气藏导向发展而来的，其核心技术是根据邻井曲线和地层厚度信息建立二维地质模型，运用曲线拟合技术并借助高级的随钻测井工具做到及时调整轨迹，保证钻遇率。虽然采用了先进的随钻成像及探边反演等方法，但该技术仍然只能根据测点位置的地质情况推断钻头之前的地层变化，导向的判断和决策仍然有较大的滞后性和不确定性。该方法适用于厚度较大或者水平段较短且地层变化较小的常规储层，但已无法满足地质条件复杂、对预判预调要求很高的非常规水平井导向工作。另外，二维导向方法对随钻测井工具高度依赖，而对区块三维模型及邻井导向数据的利用程度不高，导向模型与三维模型是脱节的，因此不可避免地增加了地质导向和随钻施工的成本。
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图 1 地质导向的服务类别（据文献[13]修改） |
为了提高地质导向的效果，优化施工成本，近年来国内外已经有一些学者针对非常规水平井对三维地质导向的工作方法进行了探索[10-11, 14-17]。例如，浙江油田在昭通黄金坝页岩气示范区，将完钻水平井地质导向结果与地震解释相结合，进行精细三维地质建模，并对模型进行迭代更新，弥补了地震资料的精度限制，实现了对微构造的预判；沙特阿美公司借助地质统计学方法和随钻测井曲线，实现了三维地质模型的随钻实时更新，通过提高三维模型精度，能够对地质构造及储层物性变化进行预判，提高了甜点钻遇率。
本文系统总结了近年来在三维建模软件和地质导向软件的新技术、新功能基础上创新的三维地质导向的流程和方法。特别是本文探讨的三维地质导向，并非简单的三维模型可视化或依赖探边反演获得的有限的三维导向，而是通过充分利用工厂化作业优势，挖掘已有数据和研究成果的价值，将已完钻水平井的导向模型植入三维地质模型，大大提高三维模型的精度，真正实现对钻头之前地层变化的预判。从设计到实钻施工整个过程中，通过对井眼轨迹的预调，在实现高甜点钻遇率的同时，降低施工风险，保证钻井时效，提高非常规水平井开发的效益。
3 三维地质导向流程与方法当前主流的地质导向方法仍然是基于简单的二维地质模型，难以与钻前和钻后的各个环节相对接。例如，钻前分析只能参考地震剖面和邻井导向模型图，难以利用已有数据，优化钻前轨迹设计；实钻导向决策严重依赖于随钻测井工具，缺少预判预调能力；钻后导向模型难以与综合地质模型结合，为后期施工提供支撑。
完整的地质导向工作应该涵盖钻井施工的上下游，即钻前充分挖掘区域地质综合研究的价值，形成对实钻具有前瞻性指导意义的三维导向模型；实钻过程利用随钻数据实时迭代建模，提高三维模型精度；钻后形成高精度井区三维模型，为钻后地质力学建模及储层改造设计优化提供综合数据平台。三维地质导向是建立在地质工程一体化数据平台上，充分体现了一体化施工的优势。
水平井部署区一般有丰富的地质综合研究资料。钻前需要通过精细地震解释和直井分层控制技术建立初步的三维构造模型[18]，根据储层评价、天然裂缝描述和地质力学分析数据筛选甜点有利区和层位，优化导向窗口和水平井轨迹设计，规避风险区段及层位。由于地震资料品质的限制，这时建立的三维地质模型比较粗糙，无法预测微构造形态。非常规水平井“工厂化”的布井方式为提高三维模型精度带来先天优势。由于水平段长度一般较大（1200~2000m），将已完钻水平井的地质导向模型植入三维模型中，可以在较大范围内对三维模型进行精确控制，使模型能够反映微小的地层构造变化。由于井间距较小，一般在300~600m，且水平井之间相互平行，因此水平井井控模型完全可以用来做邻井的钻前精细设计及实钻前瞻性指引。将设计轨迹投影到该钻前模型中，可提取标志层测深位置及模拟测井曲线响应。钻进过程中实时对比实钻标志层位置及实测曲线与模型提取数据的差别，并结合基于近钻头及方向性随钻测井数据对地层产状的判断，实时迭代更新三维模型，进一步提高模型精度，从而真正实现预测钻头之前地层变化的三维地质导向。在水平井逐一完钻后，不断用新完钻井的导向模型校正三维地质模型，即可得到井区内多水平井井控的高精度三维模型。该模型可作为精细储层评价和三维地质力学建模的基础模型，为压裂改造设计优化提供数据平台，从而获得高精度压裂模拟和水力裂缝预测。完整的三维地质导向工作流程见图 2所示。
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图 2 三维地质导向工作流程 |
三维地质导向方法的核心是高精度水平井井控，这就涉及如何将已完钻井的地质导向模型数字化为三维建模软件可读的数据格式，并将其植入三维模型。该过程被称作“地质导向模型重构”。有两种方法可以实现地质导向模型重构：①传统的模拟—拟合法。以井区中直井所测得的地层厚度和组合为基准建立二维导向模型，将直井测井曲线赋值到模型中，转换为模型属性。将完钻井轨迹投入模型中，沿轨迹抽取高分辨率模拟测井曲线，将其与实测曲线进行对比（如图 3左上的电阻率曲线和自然伽马曲线）。参考实钻导向模型，对模型划分区段，不断调整每个区段的地层倾角（有必要时，也可以调整地层厚度），使得模拟曲线和实测曲线最大程度拟合。拟合的程度越高，拟合的曲线数量越多（如自然伽马、电阻率、中子、密度等），得到的重构模型越准。②近年来随着北美非常规水平井大规模开发兴起的真垂厚对比法。由于地层厚度和物性在平面上有一定变化，因此模拟—拟合法有一定的多解性。将实测曲线以地层真垂厚的刻度画出来，即可得到真垂厚曲线。模型中的地层倾角影响的是实测曲线真垂厚的解释。调整地层倾角，实测曲线的真垂厚发生改变。将该真垂厚曲线与直井曲线直接对比，不断调整地层倾角，使得真垂厚曲线与邻井直井曲线在每一个特征值上进行匹配，便可准确地模拟地层倾角。真垂厚曲线对比是地质导向模型重构的基础，相比模拟—拟合法，这种做法更加符合人们的地层对比习惯。由于无需对测井曲线进行模拟，因此该方法显著提高了模型重构的准确度（如图 3右侧实测电阻率曲线和自然伽马曲线与邻井直井曲线的真垂厚对比）[19]。
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图 3 地质导向模型重构基本方法 |
沿重构模型中某一层面，以一定步长提取一系列地层标志点的三维坐标（图 4、表 2）。将这些三维点导入三维建模软件，即可实现以点控的方式校准三维模型。缩短标志点提取的步长，可以提高校准精度，使模型能够充分反映微构造变化。沿设计井位和方位切取地层剖面，可根据三维模型的微构造形态，优化设计靶点垂深、位移和井轨迹形态。沿优化后的设计轨迹提取标志层位置和模拟测井曲线数据（图 5），在实钻过程中实时对比实测数据和模型提取数据的差别，迭代更新三维模型，提高模型精度，从而达到预判钻头之前地层形态，预调井眼轨迹的目的。
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图 4 点控校准三维模型 (a) 地质导向重构模型；(b) 三维地质模型。重构模型中储层下边界的红色标志点对应三维层面上的红色控制点 |
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图 5 沿设计井轨迹提取的构造和属性剖面 |
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表 2 图 4导向模型中提取的地质层面上标志点的三维坐标 |
图 6展示了新疆油田某致密油区块建立的高精度水平井井控三维地质模型。由于水平井数量多，水平段长，因此该井区模型精度非常高，对后期水平井布井具有极大参考意义。从该模型中提取的地层剖面对随钻导向工作具有很强的指导意义。同时，该模型可以作为基础模型，建立高精度三维地质力学模型及天然裂缝模型。在此基础上进行水力压裂模拟，得到的裂缝网络形态准确度高，对压裂设计优化、微地震监测及压裂后评估起到切实支撑的作用。
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图 6 经地质导向模型重构校正后的高精度井区三维地质模型 |
三维地质导向为非常规水平井钻井环节带来诸多益处。由于实现了预判预调，因此能够将井轨迹置于“地质+工程”甜点内，井轨迹设计从单纯追求钻遇率向钻遇率和工程安全与时效保证并重发展。在保证钻遇率的同时，规避风险层位，在构造出现突变的位置使井轨迹平滑通过，降低狗腿度。平滑的轨迹降低了摩阻、托压等工程问题，提高了机械钻速。同时由于轨迹调整频率降低，发送指令次数减少，所以进一步提高了综合钻井时效。三维地质导向降低了对随钻测井工具的依赖，只需要工具能够提供基本的测井曲线。简化的钻具组合不仅大幅降低了工具使用成本，而且降低了钻具刚性和长度，对保证井下安全十分有利。另外，在直井控制较少的井区，可以通过水平井测井曲线提取地层真垂厚曲线用以区域对比，为研究地层横向变化提供依据，同时真垂厚曲线可作为伪导眼井曲线，降低了地质导向对钻导眼井的需求，进一步降低了开发成本。
4 页岩气三维大位移水平井三维地质导向实践近年来，昭通国家级页岩气示范区黄金坝建产区的勘探开发工作获得了突破性进展。示范区内构造变形强度大，地层形态复杂。井场地表条件差，地表起伏大。因此布井难度大，水平井轨迹一般十分复杂，多为三维水平井，部分井具有很大的横向偏移距。同时，为了增加水平段长度，尽可能采用短靶前位移的设计，设计轨迹曲率高[1, 10]。图 7中A井为待钻水平井，B井为A井以西400m的一口完钻水平井。从图 7可见，A井设计轨迹呈复杂的三维曲线形态，横向偏移距约600m，设计以7°狗腿度连续增斜着陆。由于该地区地表条件差，地震资料品质受到限制，构造形态不确定性高。同时由于工程设计标准高难度大，如果地质设计与工程设计出现脱节，必将带来很大的施工风险。因此急需通过高精度三维模型优化地质设计和工程设计。
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图 7 昭通YS108区块水平井轨迹实例 |
图 8为经过地质导向模型重构后建立的高精度三维地质模型，模型通过3口水平井进行控制，由于B井与A井距离较近，因此模型对钻前轨迹设计优化具有很高的参考价值。从三维地质模型中沿设计井轨迹提取地层剖面并展平后，可得到图 9所示的钻前导向模型。图 9显示，着陆段地层大约上倾7°~8°，在水平段前半部达到隆起最高位置，之后地层转为4°左右下倾。这与初始靶点设计差别较大，初始轨迹设计不符合地层形态。更新后的轨迹设计适当增加了靶前位移，将着陆点放在隆起最高位置。这样降低了入靶的难度，同时也避免了高狗腿度追踪地层构造变化，大幅降低了施工难度。
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图 8 昭通YS108区块地质导向模型重构及高精度三维建模实例 |
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图 9 钻前导向模型 |
A井在导向窗口的选取上采取“地质+工程”甜点的原则。五峰组和龙马溪组底部的龙一Ⅰ3小层、龙一Ⅰ4小层均为甜点层[10]，水力压裂模拟和监测结果证明水平段裂缝缝高可以覆盖这3套主力储层。龙一Ⅰ4小层高自然伽马段厚度较大，物性更好，然而由于地层脆性高，容易发生掉块卡钻事故。龙一Ⅰ3小层高自然伽马段厚度只有2m，但是地层更加稳定，是理想的工程甜点。凭借着高精度导向模型，将1700m水平段全部置于龙一Ⅰ3小层高自然伽马段钻进，保证了井下安全，大幅提高了钻井时效。
另外，由于克服了对昂贵随钻测井工具的依赖，这口井未选用随钻测井工具，旋转导向工具提供的近钻头方向性自然伽马足以用来进行精确导向。近钻头方向性自然伽马能够及时捕捉关键地层信息，在页岩气储层内对于判断钻头与地层的相对运动方向非常有效[20-21]。井下钻具组合长度缩短到11m，扶正器数量减少为2个，有效降低了钻具刚度，在节约钻具成本的同时，保证了井下安全。
5 砂砾岩致密油水平井增产提效实践近年来，新疆油田在玛湖斜坡区三叠系百口泉组的勘探工作取得突破，标志着中国又一大致密油资源得到有效动用。玛131井区百二段砂砾岩储层是玛湖斜坡区主要的致密油产层，在该层位布置水平井面临着地质和工程上的一系列挑战。井区主体为扇三角洲前缘沉积，水下分流河道发育，储层物性和厚度在平面上变化快，纵向夹层多，单油层厚度薄。由于处于评价阶段早期，井区直井较少，对构造形态控制程度低。储层含有大量砾石，粒径一般为2~40mm，岩性多为火山岩，可钻性差[22-23]。砂砾岩地层呈高自然伽马、高电阻率特征，由于岩性非均质性强，即使采用高端随钻测井工具，对判断钻头在储层中的相对位置、提高地质导向成功率的作用也十分有限。因此，在2014—2015年度部署的水平井先导性实验项目中采用了三维地质导向。
图 10为新疆油田玛131井区水平井校正前后的模型对比。两口待钻水平井分别距离完钻水平井400m和800m，两口井同时施工。根据高精度钻前模型，通过软着陆设计，实现了精准着陆，取消电测标斜，节省工期3天，节省施工费用50万元。水平段利用连续近钻头井斜实现高精度轨迹控制，对轨迹在储层中的相对位置的计算能够精确到厘米级，引导轨迹在最优甜点区运行。在储层出现尖灭的情况下仍然达到了88%的高钻遇率。两口井均采用6.5in小井眼井身结构设计，水平段施工难度大。根据高精度导向模型进行地层产状预判，做到了充分利用自然增降斜趋势预调井斜，避免微狗腿产生，保证了钻后完井一次碰压成功，顺利完成固井。这两口井水平段长度均达到2000m，创新疆油田纪录，综合钻井时效也打破了井区纪录。
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图 10 新疆油田玛131井区三维地质导向实例 |
高精度三维模型经实钻数据校正微调后，用以指导压裂设计，为微地震压裂监测提供模型平台。两口井顺利完成24—26段密切割体积改造，在返排13天后见油，峰值产量达到42t/d，实现了产量和效益的双丰收。
6 结论经过20余年的发展，水平井地质导向领域不断涌现出新的技术。然而随着低油价的到来，非常规水平井面临着更加艰巨的提产、降本、增效的任务，人们开始意识到钻井品质在非常规水平井开发成败中扮演的重要角色，并开始加强地质工程一体化综合研究工作。实践证明，只有在高标准的地质导向工作下，水平井才能达到产量和效益的双重目标。在这种技术需求的推动下，三维地质导向应运而生。它的核心技术是进行水平井地质导向模型重构，利用水平井控制，建立高精度三维地质模型，用以深度优化钻前水平井轨迹设计，并对实钻地质导向工作提供前瞻性指引。由于能够实现对储层变化的预判，以及对井轨迹的预调，因此在保证甜点钻遇率的同时降低了工程风险，提高了施工效率。同时，由于减轻了对随钻测井工具的依赖，显著降低了钻井成本。三维地质导向是典型的地质工程一体化工作流程，是对钻井品质有力的保障。在中国，三维地质导向技术刚刚兴起，已经在页岩气和致密油水平井中得到应用，效果显著。建议加强非常规水平井三维地质导向的研究与应用。
致谢:感谢中国石油浙江油田公司、中国石油新疆油田公司，能新科公司各专家对本文提出的修改意见。感谢王磊、刘冠德、于永刚、周士颖提供的部分地质导向模型重构资料。
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