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  中国石油勘探  2018, Vol. 23 Issue (2): 27-36  DOI:10.3969/j.issn.1672-7703.2018.02.004
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引用本文 

杨海军, 张辉, 尹国庆, 韩兴杰. 基于地质力学的地质工程一体化助推缝洞型碳酸盐岩高效勘探——以塔里木盆地塔北隆起南缘跃满西区块为例[J]. 中国石油勘探, 2018, 23(2): 27-36. DOI: 10.3969/j.issn.1672-7703.2018.02.004.
Yang Haijun, Zhang Hui, Yin Guoqing, Han Xingjie. Geomechanics-based geology-engineering integration boosting high-efficiency exploration of fractured-vuggy carbonate reservoirs -a case study on West Yueman block, northern Tarim Basin[J]. China Petroleum Exploration, 2018, 23(2): 27-36. DOI: 10.3969/j.issn.1672-7703.2018.02.004.

基金项目

国家科技重大专项"塔里木盆地奥陶系-前寒武系油气成藏条件与区带目标优选"(2016ZX05004-004)

第一作者简介

杨海军(1970-), 男, 河北秦皇岛人, 博士, 2008年毕业于中国地质大学(武汉), 教授级高级工程师, 现主要从事勘探开发研究及管理工作。地址:新疆库尔勒市石化大道26号塔指小区科研楼, 邮政编码:841000。E-mail:yanghaij-tlm@petrochina.com.cn

通信作者

尹国庆(1979-), 男, 湖北襄樊人, 2004年毕业于西南石油大学, 高级工程师, 现从事储层地质力学研究及应用工作。地址:新疆库尔勒市石化大道26号塔指小区科研楼2号实验楼, 邮政编码:841000。E-mail:yinguoqing-tlm@petrochina.com.cn

文章历史

收稿日期:2017-09-19
修改日期:2017-12-26
基于地质力学的地质工程一体化助推缝洞型碳酸盐岩高效勘探——以塔里木盆地塔北隆起南缘跃满西区块为例
杨海军 , 张辉 , 尹国庆 , 韩兴杰     
中国石油塔里木油田公司勘探开发研究院
摘要: 受碳酸盐岩断溶体内部复杂性的影响,塔里木油田缝洞型储层钻井一次中靶率低,复杂地层压力和地应力系统导致钻井复杂频发、完井提产措施难以优选和优化,制约了油气勘探开发进程。以地质力学研究为基础,建立了地质工程一体化思路,跨学科协作,结合断裂解剖和断溶体刻画,从井位部署源头、钻井工程过程跟踪和完井提产措施定量优化等环节,确保塔北隆起南缘跃满西区块的钻探成功率。研究中,充分考虑断溶体的分布和主应力方位分布、天然裂缝渗透性方向和井壁稳定性方向等因素,建立了井点优选和斜井井轨迹优化方法,并采用井震联合的方法预测了地层压力分布特征,据此优化井身结构;完钻措施阶段,以井筒周围应力场分布、井眼与储层分布方向等的匹配关系提出了4类完井提产措施方法。应用该研究结果,跃满西区块已完钻的W22、W20等3口井勘探持续突破并获高产,该研究思路为其他缝洞型碳酸盐岩储层勘探开发提供了借鉴依据。
关键词: 地质工程一体化    缝洞型碳酸盐岩    地质力学    轨迹优化    提产措施    分类    
Geomechanics-based geology-engineering integration boosting high-efficiency exploration of fractured-vuggy carbonate reservoirs -a case study on West Yueman block, northern Tarim Basin
Yang Haijun , Zhang Hui , Yin Guoqing , Han Xingjie     
Institute of Petroleum Exploration and Development, Petrochina Tarim Oilfield Company
Abstract: Influenced by the complexity inside the faulted -vuggy carbonate bodies, the first target drill-in rate of the fractured-vuggy reservoir in the Tarim Basin is low, complex formation pressure and stress systems lead to difficult drilling operation and frequent incidents, and it is hard to optimize effective measures for well completion and increasing production capacity. These have delayed the oil and gas development process. Based on geomechanical research, the idea of geological-engineering integration is proposed which involves interdisciplinary cooperation, fine fault interpretation and faulted-vuggy body characterization, and drilling success rate can be increased by quantitative optimization from well location, drilling process to measures related to well completing and production capacity increasing in the West Yueman oilfield in the northern Tarim Basin. In the study, by focusing on the distribution of faulted-vugg bodies and principle stress azimuth, the orientation of natural fracture permeability and well stability, optimization methods have been established for well location and deviated trajectory, the distribution of formation pressure has been predicted using well-seismic data, and based on which the wellbore structure was optimized. In addition, four kinds of methods for well completion and increasing production capacity have been proposed based on near-wellbore stress distribution, wellbore orientation and reservoir distribution. Application of these methods in three wells including W22, W20, etc. provided high production, and made continuous exploration breakthrough in the West Yueman block, northern Tarim Basin. The study idea proposed in this paper provides references for exploration and development of other fractured-vuggy carbonate reservoirs.
Key words: geology-engineering integration    fractured-vuggy carbonate    geomechanics    well trajectory optimization    measures for increasing production capacity    classification    

随着塔里木油田奥陶系碳酸盐岩勘探开发程度的不断深入,塔里木盆地塔北隆起(简称塔北)与塔里木盆地中央隆起(简称塔中)逐步形成连片趋势,油气大场面形势明朗,已成为碳酸盐岩原油上产主力之一。实现塔中、塔北连片的重要资源接替区域为位于塔北南缘的跃满西、跃满、富源、果勒等区块,其主要储层类型为缝洞型碳酸盐岩,前人通过研究,根据断裂与储层分布的关系,将其进一步明确为“断溶体”[1-2],但由于断溶体内幕的结构十分复杂,导致储层一次钻遇率较低,中靶难度大;另一方面,多种因素导致该构造带在奥陶系铁热克阿瓦提组和一间房组、鹰山组出现异常高压,钻井复杂现象日益增多,完井提产措施的论证缺乏定量优化依据,从而影响勘探发现和开发上产。针对该问题,前期研究中论述了勘探开发一体化在塔里木盆地碳酸盐岩提高钻井成功率、单井产量、采收率和钻井速度等几个方面的重要作用,并简要论述了地质工程一体化在地质卡层、特殊岩性预报、精细控压、轨迹调整等方面的应用[3]。对于断溶体内幕储层分布,前人试图从三维地震资料入手,但由于分辨率等因素无法准确预测;对于碳酸盐岩异常高压问题,国内高校学者对其成因和分布特征、预测方法等进行了研究[4-5],可类比塔里木盆地地质背景,进行适应性论证后借鉴应用;对于超深缝洞型碳酸盐岩的提产措施问题,从实践中论述了塔里木盆地碳酸盐岩储层改造的影响因素及需要解决的问题[6-9],但未进行分类细化,较为笼统。本文将地质、地球物理、地质力学、石油工程相结合,建立了基于储层地质力学的缝洞型碳酸盐岩高效勘探的地质工程一体化解决思路[10-12]。在井位部署阶段,以精细的断溶体刻画为基础,研究断溶体与区域主应力方位、区域天然裂缝渗透性方位、井壁稳定性方向等因素,优选井点和制定最优井轨迹;钻井工程中,采用井震联合反演的方法获取区域精细三维速度体资料,预测纵向和横向上的地层压力分布特征,从而优化井身结构和钻井液密度设计;进入完井提产阶段,重点开展井周应力场特征、应力方位与储层主体分布方向、井筒天然裂缝力学特性的分析,建立4种分类提产措施方法。在整个过程中,以地质力学参数为桥梁,解决了复杂缝洞型碳酸盐岩储层的井点优选、轨迹优化、钻井参数设计和完井提产措施论证中的问题,在塔北南缘跃满西区块油气勘探中充分实践,实现塔北南缘碳酸盐岩勘探的持续突破,为塔中、塔北连片奠定了基础,助力建设大油气田。

1 研究背景

塔北南缘位于塔里木盆地塔北隆起南部、北部坳陷北部,塔里木油田探矿区主要包括跃满西、跃满、富源和果勒等5个区块(图 1)。主要目的层为奥陶系一间房组、鹰山组一段、鹰山组二段,储层类型均为缝洞型碳酸盐岩,储层内幕结构十分复杂。通过野外露头考察发现,断溶体内幕结构大致可以分为4种,分别为平面缝洞组合型(图 2a)、倾斜缝洞组合型(图 2b)、垂直缝洞组合型(图 2c)和不规则缝洞组合型(图 2d),断溶体内部洞穴直径从0.1m到1.7m不等,洞穴之间的距离约为0.1m至5m不等,距离大于20m的则视为另一断溶体[13]

图 1 研究区构造区域位置图
图 2 塔里木盆地野外露头缝洞体组合样式

由于断溶体内幕结构的复杂性,导致了塔北南缘区块在勘探开发过程中的储层一次钻遇率较低。另一方面,在该区块的钻井中,陆续遭遇了非目的层奥陶系铁热克阿瓦提组和目的层奥陶系一间房组、鹰山组的孔隙压力异常,导致钻井复杂,一定程度上延误了勘探发现和开发上产。在完井阶段,同样由于断溶体内部的复杂性,为了提高单井产量,采用不同的完井提产措施,但完井提产措施的制定以经验为主,定量优化依据不足,导致完井改造方式参差不齐,部分井提产效果不理想。

2 地质工程一体化的主要做法及成果 2.1 基于地质力学的一体化研究的技术流程

塔里木油田针对塔北南缘断溶体模式的超深复杂碳酸盐岩储层,采用地质工程一体化的研究思路,以勘探发现和油气上产为目标,梳理井位研究、钻井工程、完井提产和科学开发各个环节中的突出矛盾,找到地质与工程的结合点,并将地质、地球物理、地质力学、石油工程、油气开发等多学科融合,形成针对复杂碳酸盐岩储层的地质工程一体化的工作思路[10],具体分4步进行(图 3)。

图 3 塔里木油田碳酸盐岩勘探中地质工程一体化解决思路

第一步,井位研究阶段。该阶段主要是提供可选择的优质井点,并优化井轨迹。以地质研究和地震解释为基础,对区域断裂系统、断溶体储层分布进行分级别刻画,并利用地震数据体对区域应力场方位进行预测,同时分析已钻井的天然裂缝与主应力关系,根据上述成果确定最优化的井点和最利于稳定、利于压裂、利于穿越更多裂缝的井眼轨迹[14]

第二步,钻井设计阶段。该阶段的主要目的是设计合理的井身结构和钻井液密度,确保安全高效钻进[14]。具体做法是采用井震联合反演的方法获取分辨率较高的三维速度体数据,进而进行全井段的地层压力预测,确定全井段异常压力分布的层位,同时开展诸如二叠系火成岩、奥陶系桑塔木组泥岩等地层的井壁稳定性分析,以及出砂风险的初步预测,最终确定每个层系的最优安全钻井液密度,优化井身结构。

第三步,钻进过程阶段。该阶段主要工作有两个方面,一是加强钻井井壁稳定性跟踪研究,实时调整钻井液性能和井身结构,二是加强随钻地质标定和VSP资料处理分析,实时调整井眼轨迹,实现顺利钻进和入靶,获得油气发现。

第四步,完钻措施阶段。该阶段主要开展3个方面的分析,一是测井解释处理,给出井眼处的储层、天然裂缝发育情况和油气钻遇情况;二是分析井周应力场方位、大小,开展天然裂缝与地应力方位评价;三是根据上述成果判断井眼是否钻遇储层,并初步判定可能的压裂缝走向是否能够波及储层主体,进而最终确定最优完井提产的方式,如酸化、压裂、加深、侧钻等,并根据优选的方法进行施工参数的定量优化设计,如改造层段、施工压力等。

2.2 地质工程一体化具体认识和成果 2.2.1 断裂三维解剖及断溶体精细刻画

跃满西区块断裂的精细解释是断溶体刻画的基础。整体上共发育3组主干断裂(图 4),北北西向一组, 为F1;北北东向两组,为F2、F3。沿主干断裂发育30余条次级断裂,断裂的形成期次与整个塔里木盆地北部一致,F2、F3主干断裂及其次级断裂为加里东早—中期,垂向上断面陡立,断距在20~80m之间,断开层位可从寒武系至二叠系;F1主干断裂及其次级断裂为加里东晚期—海西早期,在剖面上断距为10~30m,同样具有高陡、向下收敛的构造特征,可向上延伸至志留系,平面上延伸距离小于3km,断裂性质均为走滑型[1, 15-16]图 4右图中红色的为主干断裂、紫色的为次级断裂,两级断裂组成了塔里木盆地缝洞型储层具有的典型性“花状结构”。“花状结构”所处的断裂交会处缝洞储集体最为发育,后期的岩溶作用往往对前期岩溶储集体存在较强的改造作用[1, 15]

图 4 跃满西区块断裂纲要(左)及断裂剖面解释(右)

以断裂为中心、以地震剖面连续强串珠或杂乱反射特征为依据、以相对连续振幅变化率属性为储层边界,落实了3个缝洞带(图 5a),同时依据断层分段性、地震剖面特征、振幅属性平面特征,刻画出断溶体23个(图 5b),且根据储层反射特点和储量控制规模,将断溶体进行细分,Ⅰ类断溶体为16个,Ⅱ类断溶体为3个,Ⅲ类断溶体为4个[17]

图 5 跃满西区块奥陶系一间房组地震相分布与缝洞带叠合图、断溶体划分平面图

在井点确定时,优选Ⅰ类断溶体作为钻探目标,该类断溶体储量规模大、内部断裂系统复杂,钻遇储层成功率高,井周天然裂缝发育,有利于压裂动用较大的缝洞系统,获得更高的累计产量。当采用斜井钻探时,开展区域主应力方位与断溶体走向关系研究,确保水力压裂缝走向与断溶体发育方向趋于一致,从而沟通储层主体;同时,还可以根据断溶体内部的断层、串珠的组合特征和形态,设计合理的井斜、方位以及造斜段的长度,确定对储层的控制范围。另外,断溶体内部的断层、层理等弱面也是钻井井壁稳定性需要考虑的重点,需要在开钻前预测钻遇断层的井壁稳定性,预测是否需要提高钻井液密度或者采用井身结构优化的方法防止井壁坍塌,确保顺利钻进。断溶体边界和内幕结构的准确刻画也是完井提产措施制定的重要依据,完井钻遇储层,则可以进行酸化压裂改造,若钻遇储层边界,则需要判断应力方位与断溶体的方向关系、井底距储层的距离等,通过模拟确定是否可以沟通储层,若不能,则采用侧钻、加深或者调整轨迹的方法继续钻进,从而节约成本。

2.2.2 基于地质力学的井轨迹优化设计

塔里木油田多年来的碳酸盐岩勘探开发实践证明,采用斜井模式能够有效钻遇具有复杂内幕结构的断溶体储层,而斜井的轨迹设计优化是斜井能够成功钻遇的保障。综合考虑储层的入靶方位、斜井的井壁稳定性、异常压力分布和后期压裂的难易程度等几个方面[18-19],将地质、地球物理研究结果转化为可以直接应用于工程设计及施工的参数,即搭建“储层地质力学”这座桥梁。

前人研究证实,在正断层型应力机制下,斜井井眼轨迹沿最小水平主应力方向钻进时,最有利于井壁稳定和后期压裂改造,因此现今主应力方位的准确预测[20]是井轨迹部署的基础。前人研究结果表明,现今主应力方位的分布与构造形态、走滑断裂性质等关系密切[18, 21], 由此,在单井实测方位基础上,结合构造倾角、断层走向等信息,预测了跃满西区块的现今主应力方位分布,如图 6所示。结果显示,整体上现今主应力方位与F2、F3两条主干走滑断裂的走向基本一致,为北东向,但在构造东北部W22井周围,由于次级断裂的影响,主应力方位发生了较大偏转,为北西向—东西向。主应力方位分布为斜井入靶提供了基础指向,确定了初步方位。

图 6 跃满西区块主应力方位预测图

对于跃满西区块缝洞型碳酸盐岩储层,准确的入靶方位还必须考虑区域上渗透性天然裂缝的分布方位,以期井筒能够穿越更多的渗透性较好的天然裂缝。根据跃满西区块东部的跃满区块已钻井成果(图 7),整个区域上的渗透性天然裂缝方位主要为北西向320°~360°和南东向140°~220°,这两个方位区间为井轨迹方位的准确设计提供了进一步的指导。图 7中所示的圆点为测井成像拾取的天然裂缝的赤平投影,其中白色圆点代表渗透性较好的天然裂缝,黑色圆点代表渗透性相对较差的天然裂缝[21]

图 7 跃满区块天然裂缝渗透性方位分析

根据地震属性、断溶体分布和地应力场特征,初步选定W23H井作为跃满西区块第一口定向探井,如图 8所示,底图为地震均方根属性,部署时兼顾3个靶点,在具体井点优化设计时,充分论证了3个靶点轨迹上的井壁稳定性[22-24];3个饼状图是3个靶点的井壁稳定性预测结果。根据上述论证,最终确定W23H井的井点位于主靶点北西方向320°,往东南方向钻进,与主应力方位夹角为80°左右,同时完钻后,井筒与备选靶点1的夹角为80°左右,与备选2靶点的夹角为60°左右,3个点均处于相对稳定的方位。但3个靶点井壁稳定性稍有差异,地层坍塌压力当量钻井液密度分别为1.20g/cm3、1.28g/cm3和1.32g/cm3,实钻中需要适当调整钻井液密度以确保顺利完钻。

图 8 W23H井周围断溶体分布及井壁稳定性预测图

地质工程一体化不仅需要考虑目的层奥陶系一间房组的井壁稳定性,还必须考虑其他层段的异常压力分布。地质研究认为,跃满西区块钻遇奥陶系铁热克阿瓦提组砂泥岩地层,可能存在异常高压水层的分布。加强地质工程一体化研究,利用地震反演成果,获取地震波阻抗数据体,采用有效应力法[18],开展铁热克阿瓦提组高压盐水层的地层压力系数分布预测(图 9),图 9中暖色部分显示为压力较高区域,冷色部分为压力较低区域,结果显示,W23H井点处可能存在异常高压。根据研究结果优化了W23H井的井身结构(图 10[25],将塔北地区原来通用的三开井身结构优化为四开结构,三开封固可疑高压水层,四开储层专打,以确保安全钻进和实现油气发现。

图 9 跃满西区块铁热克阿瓦提组地层压力预测
图 10 W23H井井身结构设计图
2.2.3 完井提产措施分类方法及实践

井完钻后,加强地质力学参数评价[26-27],根据井周应力场的分布、储层标定成果、井壁垮塌情况、天然裂缝发育情况及其之间的关系[20],建立复杂缝洞型碳酸盐岩储层的分类提产方案(图 11)。第一类是钻遇储层,直接投产,该类井的主要特征是钻进中油气显示活跃、有钻井液漏失或钻具放空现象,成像资料显示井壁垮塌现象不明显,显示为低应力特点,测井解释天然裂缝、溶洞发育;第二类是井底钻遇储层之上,未进入主体储层,则采取加深或加深侧钻的方式继续钻进,该类井主要特点是井震标定显示为尚未钻至储层,钻井无油气显示,无放空漏失,成像资料显示井壁垮塌严重,处于高应力区;第三类是钻至储层边界,钻进中油气显示总烃值低于0.5%,漏失量小,成像资料显示井壁有垮塌,测井解释有少量天然裂缝,分析其地应力方位与储层方位匹配,可以通过压裂改造沟通主体储层,则采用压裂的方式,并进行压裂方案定量优化,实现油气达到工业产能;第四类则是钻遇储层外,其主要特点为无油气显示、无放空漏失、测井无裂缝无油气层,电成像显示井壁垮塌现象十分严重,应力剖面整体偏高,且地应力方位与储层主体发育方位不匹配,无法通过酸压等措施沟通储层,则直接进行侧钻,并优化侧钻井轨迹,实现油气发现。

图 11 缝洞型碳酸盐岩完井提产方案论证流程(左)及提产措施分类图(右)

地质力学分析及井底实钻标定认为,跃满西区块率先完钻的W22井和W20井分属上述第三类和第四类,如图 12所示,图中底图为奥陶系一间房组振幅属性分布,蓝色箭头为现今主应力方位,图中所标注数字为储层中点到各边界的距离。W22井最终采用酸压的提产方式,获得高产。W20井钻井无放空、漏失,无油气显示,测井无裂缝、无油气层,被称为“三无”井,对该井进行了VSP测井,VSP处理[28, 29]后,认为串珠主体往南偏移80m左右(图 13a),另一方面,地应力场建模也得出应力场较低部位位于现井点南140°~200°(图 13b),为最佳轨迹钻遇方位区间,二者结合确定该井侧钻方位为182°,但从三维井轨迹的井壁稳定性预测可知,该方位上井壁稳定性较差(图 13c),必须将钻井液密度提高至1.30g/cm3以上才能实现顺利钻进,该井最终采用1.32 g/cm3的钻井液密度顺利完钻,直接命中靶点,完井后采用4mm油嘴放喷求产,油压为31MPa,折日产油171m3

图 12 W22井、W20井初次完钻储层标定及与主应力方位关系图
图 13 W20井侧钻轨迹优化过程图

跃满西区块已有W20井、W21井、W22井完钻,3口井酸压改造后均获得日产超百吨的产能。采用4mm油嘴,平均日产油157m3。其中W22井试采220天,累计产油7800t,累计产气111×104m3,W20井试采160天,累计产油1.1×104t,累计产气350×104m3,两口井均油压稳定,未见地层水,处于同类碳酸盐岩勘探领域较高产量水平。

在跃满西区块勘探中,从井位部署、钻井工程到完井提产定量优化等多个环节成功应用地质工程一体化,证实了地质工程一体化理念非常适用于缝洞型碳酸盐岩储层。跃满西区块的勘探突破意义十分重大,将为塔中、塔北碳酸盐岩连片奠定坚实的资源基础。

3 认识及建议

(1)塔里木油田通过不断的探索,将非常规油气资源勘探开发中的地质工程一体化理念引入缝洞型碳酸盐岩油气资源中,并以地质力学为贯穿始终的桥梁作为技术引领,赋予地质工程一体化新的内涵,使其具有更丰富的意义,适用范围也更加广泛。

(2)通过基于地质力学的地质工程一体化研究,建立了缝洞型碳酸盐岩储层的基于断溶体刻画的井点优选原则,形成了考虑井壁稳定性、天然裂缝的最佳钻遇和完井压裂难易程度的斜井轨迹优化方法,在完井阶段,提出了根据储层钻遇和井周应力场关系的4类提产方法,避免了传统的笼统酸压的做法,使得完井提产方法更加科学、合理。

(3)地质工程一体化在不同的油气资源类型、不同的油气勘探开发阶段和不同的油气藏类型中具有不同的含义,以及不同的侧重点,故而具有不同的操作程序和生产组织方式。塔里木油田碳酸盐岩地质工程一体化刚刚起步,实践中还存在地质与工程数据的实时对接、专业互信、一体化工作平台缺失等突出矛盾,制约了一体化的推进。针对塔里木油田复杂的碳酸盐岩储层,真正实现地质工程一体化的广泛推广,重点在于“融合式、嵌入型”的学科交流和专业渗透,搭建一体化的工作平台,增进地质与工程人员的了解和互信,在工作中建立综合性的人才队伍,方显地质工程一体化在寻找大场面、建设大油气田中的重要作用。

(4)塔里木油田多年的实践经验证实,地质工程一体化在油田勘探开发中发挥了重要作用,但实际工作中还需要不断加强勘探开发一体化、科研生产一体化、组织结构一体化、投资部署一体化、地面地下一体化等方面的研究,综合考虑多方因素,实现塔里木油田超深复杂碳酸盐岩的效益勘探。

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