水平井是提高油气井产能、高效开发油气藏的一个重要手段^[1-3]。碳酸盐岩油气藏孔洞、洞穴及裂缝发育，储层非均质性强，水平井可钻探多条裂缝或多个缝洞系统增加井筒接触面积和提高储层钻遇率，达到提产增效。前人对水平段的垂向位置、长度、方位等优化，井壁稳定性及后期改造增产等进行了大量研究^[4-10]，认为应在精细构造解释和油藏描述的基础上，综合考虑油水界面、隔夹层分布、钻井工艺和经济效益等多因素，采用数值模拟技术确定最优垂向位置和最佳长度。水平井井眼轨迹方向应与最大水平主应力呈一定夹角，避免沿着中间水平主应力方向，且不同地应力类型对水平井轨迹的井斜角、井眼方位角优化设计具有很大影响。通过曲线拟合水平位移和储层界面垂深，建立储层界面预测模型，可以适用于构造变化比较大的地层中的水平井地质导向^[11]。以波阻抗反演数据体为基础，建立三维地应力模型，进而在三维空间上对水平井井眼轨迹进行优化，可以兼顾井壁稳定性和后期储层改造^[12]。但缝洞型碳酸盐岩储层连续性差且天然裂缝发育，对水平井靶点的储层顶面应力场预测、裂缝多尺度预测等方面的研究相对不够。

塔中碳酸盐岩储层具有埋藏深、储集体规模小且分散等特征，适宜水平井开发^{[5, 10]}。本文在认识储层发育规律和储层地应力特征的基础上，根据塔中地区近几年实钻水平井的情况，总结了3项碳酸盐岩储层水平井轨迹优化技术，并应用于塔中地区某井区水平井的轨迹优化设计。

塔中凝析气田为超埋深(5000~7000m)复杂大型碳酸盐岩油气田，油气藏主要分布在塔中I号破折带及其以南的塔中北斜坡，主要开发层系为奥陶系良里塔格组、一间房组和鹰山组^[13-15]。东部试验区良里塔格组发育礁滩体，发育粒间溶孔、粒内溶孔和晶间溶孔，储层类型主要为孔洞型和裂缝—孔洞型^[16-18]；储层在地震剖面上主要表现为弱的小串珠或强波谷中夹一弱波峰的响应特征，宏观上呈不规则的长条带状分布。东部试验区试采证实，此类储层利用直井开发多为中低产井；水平井由于可以沟通多个缝洞系统提高单井控制储量，且水体能量弱，多数为中高产井^[3]。中西部一间房组、鹰山组发育层间岩溶储层，以大型缝洞储集空间为主，洞穴型、裂缝—孔洞型、裂缝型储层均有不同程度发育^[19-20]。针对此类储层水平井钻进中，易钻遇大型溶洞和裂缝发生严重工程异常难以继续钻进的难题，提出了“穿头皮”的轨迹优化思路，即水平段与缝洞的垂向距离控制在10~20m，以防止发生井漏，又能保证完井酸化后沟通缝洞，取得了较好的开发效果^[5]。

在水平井靶点确定的前提下，如何进行水平井轨迹的优化是水平井设计的关键工作。碳酸盐岩储层水平井轨迹优化有3个基本原则：一是使水平井钻遇更多的有效裂缝，以沟通更多的储集空间和利于后期储层改造；二是最大限度满足钻进中井眼稳定要求; 三是保证井管汇顺畅，为分段改造完井一体化管柱施工提供有利井眼条件。因此，水平井轨迹优化的关键在于确定区域应力场分布和裂缝发育程度。

水平井较直井的最大优点是储层钻遇率高，因此，明确储层发育的空间位置是水平井轨迹设计的重点研究内容。缝洞体内部呈现多套储层纵向分布特征，具有明显的纵向非均质性。塔中地区奥陶系目的层有利地震相多数表现为“一谷加一峰”的响应特征，储层的发育位置与波峰、波谷的振幅强弱相关：串珠状地震相总能量越强，波峰和波谷振幅的比值越大，储层越发育；波峰和波谷能量都很强时，对应的储层也很发育，故利用峰谷能量指数可以预测储层纵向发育位置^[21]。

再结合靶点的平面分布，可以设计水平井轨迹。油田现场往往根据经验选取有利的储层组合，没有量的概念。针对此问题，提出水平井地震储层钻遇指数H的概念，即钻遇多个有效串珠长度占水平段长度的百分数，其与串珠的峰谷能量指数、串珠长度有关，见公式(1)、公式(2)^[21]。

式中H——水平井地震储层钻遇指数；

L——水平段长度；

N——水平井钻遇串珠个数；

R_n——第n个串珠的峰谷能量指数；

L_n——第n个串珠长度；

P_n——第n个串珠波峰振幅值；

T_n——第n个串珠波谷振幅值。

在靶点周围选取多个水平井轨迹，即在储层发育区结合均方根振幅属性、地震相及缝洞雕刻，根据储层组合选取若干个水平井轨迹。在此基础上，计算水平井地震储层钻遇指数，定量评价每个水平井轨迹的综合储层钻遇率。

水平井轨迹设计考虑的另一个主要因素是现今主应力方向，钻井工程和储层改造要求设计的水平井轨迹方位与主应力方向有较大的夹角，需要准确预测主应力的方向，以设计更有利的水平井轨迹。

地壳中或地球体内的应力状态随空间点的变化，称为应力场。应力场预测从构造力学出发，利用地层的构造面、纵横波速度、密度等，反演出地层的应力场，包括地层面的曲率张量、变形张量和应力场张量，从而得到主曲率、主应变和主应力。碳酸盐岩储层顶面应力场预测主要是预测储层顶面的主应力方向和强度。根据前人的正演模型结果^[21-24]，串珠状地震相储层顶界对应于零相位之上，随着缝洞体高度的增加，储层顶部逐渐向最大波谷靠近，最终位于最大波谷处。因此，储层顶的精细标定较为关键。

先以储层顶界作为控制层位，利用较为准确的断裂信息、速度信息进行构造应力场分析，得到储层顶面的主应力方向和强度。在此基础上，选取盲井对校正效果进行验证，改进预测精度。本次储层应力场预测技术是利用叠前地震弹性参数反演方法构建精细的力学模型，叠合岩性、地震层位、断裂、厚度等信息，使应力场数值模拟更加合理，模拟结果的准确率大大提高(图 1)。

图 1

图 1 储层顶面应力场预测流程 Fig. 1 Prediction process of reservoir top stress field

水平井轨迹设计还需要考虑裂缝因素。裂缝是碳酸盐岩油气的储集空间和流动通道，地下裂缝的识别与预测对碳酸盐岩油气勘探具有重要的实践价值。大断裂控制整个裂缝发育带，派生的小断裂控制缝洞系统。断裂(裂缝)级别各不相同，必须针对不同级别的裂缝，选取相应的资料和预测方法。利用高精度三维地震资料，采用叠前叠后裂缝预测技术可以预测不同尺度的裂缝。

基于叠后地震数据，采用与地震相干技术相关的预测技术，可以进行大尺度裂缝的预测和对比分析^[25]。倾角边缘裂缝检测、蚂蚁追踪和曲率体等技术的预测结果能够定性识别出大尺度裂缝。结合地质认识和断裂发育特征，通过多属性对比分析和约束控制优选的预测结果，就能够定量识别出大尺度裂缝。小尺度裂缝的预测则需要利用分方位叠前地震数据进行研究。利用地震资料叠前道集方位各向异性特征开展高精度的叠前裂缝预测，既能预测出裂缝密度，也能预测出裂缝的方位和走向^[26]，对裂缝带的分布规律刻画更为清晰，预测出的裂缝分布特征相对叠后裂缝预测更为精细，在塔中地区的应用取得了较好的效果。

综合应用以上3项技术，以Z16-H3井为例，优化设计水平井轨迹。Z16-H3井是塔中西部中古15井区中古16断裂带上的一口水平井，处于古地貌高部位，井周发育多个优势地震相。如何有效优化设计水平井轨迹是开发中古16断裂带的关键，而靶点平面组合和靶点垂向优化是水平井轨迹优化的两项主要工作。

为达到综合评价的目的，首先对中古16断裂带附近的多个储集体进行筛选，剔除位置相对偏低的储集体，对筛选出的储集体的振幅、体积进行统计，并计算地震储层钻遇指数，优选了4个靶点A、B、C及L(图 2a)。然后根据不同储层组合设计出3个水平井轨迹①、②及③(图 2b—d)，并进行水平井轨迹的综合评价。3个水平井轨迹的地震储层钻遇指数分别为6230、5240和7140。最后，结合裂缝、地应力预测，验证水平井轨迹是否合适。由图 3a—c可见，轨迹③天然裂缝最为发育；天然裂缝力学预测模型(图 3d)显示，最大水平主应力方向为北偏西85°，设计井底方位上具有潜在力学活动性的天然裂缝较发育。因此，优选水平井轨迹③。

图 2

图 2 不同靶向地震剖面及地震相平面分布 Fig. 2 Targeted seismic sections and seismic facies distribution

图 3

图 3 多方法裂缝预测及主应力预测 Fig. 3 Multi-method fracture prediction and principal stress prediction

在单井地震剖面调协响应分析的基础上，通过对地质异常体15Hz、18Hz、20Hz、22Hz及25Hz等5个频率段的最大熵分频处理，发现A靶点波峰、波谷能量拐点在22Hz，波峰波谷储层均发育；B靶点波谷能量拐点为20Hz，储层主要发育在波谷；L靶点波谷能量拐点在18Hz，储层主要发育在波谷(图 4)。据此完成该井水平轨迹设计：轨迹方向为近北北东向，井深7605m，水平段长894m(图 2d)。Z16-H3水平井轨迹穿越地震强反射及羽状破碎带，且附近裂缝发育，将钻遇3套储层，其中A靶点储层最为发育。由于邻井均在目的层钻遇优质储层并获得高产，预测Z16-H3井将获高产。

图 4

图 4 Z16-H3井钻遇储层分频能量变化趋势 Fig. 4 Trend of frequency-based energy in the reservoir in Well Z16-H3

Z16-H3井完钻井底垂深6252m，水平段长度为973m，有效储层钻遇率为30.3%，酸压投产，4mm油嘴，油压42MPa，日产油78t，日产气5×10⁴m³。

利用水平井轨迹优化技术，尤其是储层顶面应力场预测技术和裂缝预测技术，塔中西部完成了30余口水平井轨迹优化工作，水平井段完成井占比由58%提高至75%，达到水平段设计长度的完钻井占比由55%提高至70%；近3年，平均有效储层钻遇率为35%，水平井平均初期日产油50t，日产气6×10⁴m³。

(1)通过优选靶点，计算地震储层钻遇指数，指导水平井轨迹优化设计的方位和纵向位置，提高了塔中地区碳酸盐岩储层水平井轨迹优化设计的精度，水平井段完成井占比由提高至75%，水平井钻井成功率85%以上，平均储层钻遇率为46.5%，实现了塔中气田有效开发。

(2)采用叠前地震弹性参数反演方法构建精细的非均质力学模型，利用速度场资料预测储层段应力场的主应力方向和强度，提高了碳酸盐岩储层顶面的地应力建模精度。

(3)叠前叠后裂缝预测技术可以识别不同级别的裂缝。叠前裂缝预测技术是裂缝预测的主要趋势，但其对地震资料的质量要求高，建议加强高密度、宽方位地震资料的采集与处理，为井位部署、连通性分析和水平井轨迹设计奠定基础。