一种水平井精准着陆的地质导向技术方法

吴 松，冯 冰，于继良，李 龙，王 胜，何新兵，李刚权，胡永光，蔡欣卉

（贵州页岩气勘探开发有限责任公司，贵州 遵义 563400）

随着常规油气资源的快速消耗，新增资源勘探和开发难度增大，全球油气勘探开发正在由以传统的常规油气为主向常规与非常规油气并重的局面转变[1]。非常规油气相对于常规油气一般资源储量大，但资源丰度较低[2]。得益于水平井钻探和体积压裂技术的应用，页岩油气、煤层气、致密气等非常规天然气近年来表现出强劲勘探开发势头，成为常规油气资源接替和油气资源稳产增产的重要方向，加强非常规油气资源勘探开发已成全球大势所趋[3]。页岩气作为一种非常规天然气，储量大、分布广，具有巨大的资源前景，已为我国油气增储上产作出巨大贡献。中国已成为仅次于美国的全球第二大页岩气生产国，近年来，页岩气探明地质储量和产量增长显著，2021 年新增页岩气探明地质储量7 454 亿m3，2022 年产量超240 亿m3。从非常规油气尤其是近年来成熟区块页岩气的勘探开发实践证明，井眼轨迹在最优靶窗的穿行长度及比例一定程度与该井的产量呈正相关关系[4]，地质导向作为一种指导水平井在地层里按照设计目标箱体顺利钻进发挥着重要作用。地下地层由于原生地貌及后期构造作用并非平直或者理想中的状态，尤其是在构造比较复杂的地区，受到地史上多期构造运动叠加导致地层变化很大。以黔北正安地区五峰组-龙马溪组为例，五峰组-龙马溪组地层残留与一系列的向斜中，地层倾角变化大且变化频繁，在向斜两翼的倾角很大。一是由于地层的倾角大，导致初期采集处理解释的地震资料精度较低，对于靶点的预测和轨迹误判很多。二是由于地层倾角大且变化频，造成水平井钻探过程中钻头调整跟不上从而影响箱体钻遇率。为切实解决水平井钻探中的这些难点，以地震资料为基础，通过测录井资料结合，开展水平井地质导向技术攻关与试验，取得良好效果，保障了后期水平井的精准着陆及水平段施工，有效提高箱体钻遇率。

1 技术背景

黔北地区地处四川盆地外缘复杂褶皱区，历经多期次褶皱、变形和改造，相对较快的地层沉积和复杂的构造运动导致了区内特殊的页岩气成藏条件。五峰组-龙马溪组页岩地层残留于一系列条带状向斜内，黔北地区发育一系列向斜群，自西向东有狮溪向斜、桴焉复向斜、安场向斜、斑竹向斜、务川向斜和高山石朝向斜，并表现出一种“窄陡型”向斜特征[5]。向斜群呈条带状分布，长轴走向基本一致，方位为19～48°，长轴长度40～105 km，短轴长度较短，最窄处仅3.5 km，最宽处也不到20 km，长轴与短轴长度比值基本都大于6，最大达到14，充分体现了窄陡型向斜“窄”的特征。“陡”主要体现在地表与地下2 个方面，贵州省地表“地无三尺平”，地表海拔147～2 800 m，平面变化较大。黔北地区地形同样不断起伏，以AC 地区向斜为例，该地区地表海拔500～1 400 m 之间，向斜东西两侧较高。而各地层构造与地貌特征具有一定的继承性，向斜核部地层产状变化较缓，向东西两侧产状明显变陡，地层倾角达到30°以上。五峰组-龙马溪组构造形变强度大，地层倾角变化大、局部发育微裂缝带和微断层。水平井导向技术在这种窄陡型向斜的应用中存在很大难点，入靶点垂直深度难以把控、加大了入靶和出层风险，地层速度变化大、应用三维地震资料预测靶点深度精度低。定向钻进过程中，计算深度与实际深度存在差异，使水平井导向模型预测着陆点精准度偏低，导致提前入靶或推迟入靶的情况多见。同时地层倾角较大且不断变化，难以把控轨迹位置。地层倾角变化快，难以准确预测轨迹方向产状。增大地质和工程风险，常造成井轨迹不平滑，轨迹呈“V”型或“阶梯”型，多口井甚至出现填井侧钻。目的层地层稳定性差，井眼扩大率严重，地质导向人员往往参考自然伽马曲线起伏特征，对钻头在地层的相对位置进行判断，但由于井径大小不同，测量的伽马值不同，很大程度影响了技术人员的判断。同时水平段钻进过程中，常钻遇断层、挠曲构造等难题，导致误判钻头位置、偏移方向，使井眼轨迹偏离储层靶体位置，钻穿储层顶板或底板，造成储层钻遇率偏低和水平段井眼轨迹严重不平滑，给后期压裂施工带来套管变形的风险，造成巨大经济损失。如何保证水平井着陆成功率、储层钻遇率和井眼轨迹平滑是这类窄陡型向斜水平井地质导向急需解决的关键问题，对于促进盆外窄陡型向斜页岩气水平井产量提升及效益开发起着关键作用。

2 主要做法

通过分析黔北正安地区水平井地质导向造斜着陆及水平井钻探过程中地质导向的难点，开展技术攻关，以地震资料为基础，结合已钻井的测、录井资料，井震结合重建区域速度场，建立构造、倾角、厚度等基础地质模型，对已钻井的地层特征进行正演，提取自然伽马等地球物理测井曲线，根据地震属性与测井曲线的耦合，对新钻井随钻曲线结合基础地质模型进行反演，在实钻过程中不断更新迭代地质模型，同时应用岩性元素敏感特征，进行元素成像，准确识别地层位置，指导随钻地质导向，具体技术路线如图1 所示。

一是前期数据准备，主要收集工区的已钻井的测、录井资料，包括声波、自然伽马、电阻率等地球物理测井曲线，以及钻中的元素录井等数据及分层数据。二是建立速度场，工区内已部分井，需进行多井联合标定，落实区域地震资料各套地层均方根速度与地表、地貌，以及所处部位的关系。通过井震结合进行标定，重建速度场。三是正演提取曲线，对周边无标准井资料，且已实施过水平井的地区，需结合构造模型，对已实施水平井的测井曲线进行提取。四是井震融合对比，将井的分层数据加载至三维地震数据体中，并进行多井联合对比，落实井震匹配性。五是断层、层位精细解释，对水平井周边地区结合钻井分层、断点进行精细解释，确保断层、层位闭合。六是模型建立，根据解释成果、建立各地层三维构造模型。结合实钻情况，建立厚度模型、全方位的倾角模型及随钻导向模型。七是属性与测井曲线藕合，对三维地震资料的振幅等属性进行提取，并与已有测井曲线建立藕合关系，为反演做好准备。八是随钻曲线反演，以构造模型为基础框架，应用导眼井的测井曲线（无导眼井应用正演提取的测井曲线），结合地震属性，对正钻井的随钻曲线进行反演。并通过与实钻情况进行对比，准确判断靶点和层位，同时根据实钻情况进行矫正、反演循环，指导水平井造斜着陆及水平段导向。

3 关键技术

3.1 随钻曲线提取

为了更好地判断钻探的位置，水平井钻井一般在钻井的过程中测量地层岩石物理参数，目前国内外随钻测量主要是测量地层的放射性，利用随钻测量的放射性值即自然伽马及自然伽马曲线起伏特征与邻近的标准井对比，对钻头在地层的相对位置进行判断[6-7]。而三维水平井的方位和井斜的变化，加大了水平井与邻井对比的难度。尤其是水平井在进入箱体钻进后，井斜角多数为90°左右，随钻曲线通过井斜矫正后，矫正曲线数据基本集中位于一个很小的深度范围内，导致与邻近直井可对比性差，增加了对钻头所处箱体位置判断的难度。通过建立的三维模型，分析轨迹与地层产状之间的关系，可以对水平井随钻曲线进行提取，主要是在建立三维构造模型的前提下，剔除方位和井斜的影响，将三维水平井的曲线转换成二维直井（图2），更加直观地进行对比，了解区域地层厚度的变化情况。关键是利用地层的高放射性或低放射性的特征，分析特征点之间的地层厚度变化规律，对于特征点间厚度稳定的地层，调整模型参数，使得水平井稳定地层的厚度与邻井一致后，就可获得厚度不稳定地层的真实厚度，计算地层的产状，预测水平井的靶点深度。

图2 随钻曲线提取展示图

3.2 随钻曲线反演

水平井随钻曲线反演是充分利用地震资料和前期的钻井资料，在进行标定后，提取井旁道地震振幅等属性，根据不同地层，不同岩性等条件的约束下，进行不同地震属性与声波曲线的耦合。海相沉积环境里沉积的岩层相对稳定，同一地区地层岩性、电性、放射性等地球物理特性具备在地层岩性的约束下，具有较好的匹配性和一致性。可利用这一特性，得到声波时差与放射性的耦合关系。通过地震属性与声波、声波与放射性关系，可得到与放射性的耦合关系（图3）。建立耦合关系后，在钻探水平井之前，就可以根据设计水平井轨迹，提前设计轨迹方向的地震属性，进行随钻曲线反演，将反演的自然伽马曲线与随钻测量的自然伽马曲线进行对比，即可判断目的层是提前还是滞后，及时精准调整水平井的轨迹。

图3 曲线反演展示图

3.3 特征元素成像

元素含量与地层和岩性有关，元素录井是页岩气水平井目前常用的录井方法，可以测量得到岩屑中常量元素及微量元素的含量达到33 种以上，可依据特征元素的变化规律进行分层[8]。往往一种单一元素并不能直观反映地层的变化规律，目前，常采用硅/铝、钾/钙、钠/镁和铀钾比等二维以上组合关系进行地层对比与划分，提高了元素的可对比性和地层划分的准确性。然而水平井地质导向对地层的把控非常精细，尤其是在水平段钻进时，箱体厚度一般都在3～5 m，必须准确把控钻头的位置，才能提高箱体的钻遇率，因此，应用某几种元素的组合关系判断地层的位置效果有限。利用特征元素成像将所有元素进行归一化处理后，再对元素的变化率、对数等高阶特性进行处理，最后对高阶特性值进行成像处理，获得了元素成像图（图4），更加细微地分辨钻头在箱体的位置。X 井通过多方法结合，尤其是元素成像，使水平段长度1 500 m，箱体钻遇率100%，其中有1 420m井段位于箱体下部3 m 最优质页岩地层内，促进该井产量的提升及工区单井产量的突破，测试产量达5.8 万m3/d，实现盆外常压页岩气产量的突破。

图4 X 井元素成像图展示图

4 应用效果及结论

通过曲线正演提取、反演对比及元素成像等关键技术的应用，可切实解决复杂构造区地质导向难点，有效保障入靶率及箱体钻遇率，取得良好的实践效果。在黔北复杂构造区正安安场向斜7 口井的钻探实践中，靶点误差降低至25 m 左右，其中有2 口井误差低于5 m。优质页岩钻遇率提高达到99.2%，箱体钻遇率从87.6%提高至96.5%，提高了8.9%。应用该技术方法在桐梓狮溪地区实施首口评价水平井实现了优质储层钻遇率97.92%，箱体钻遇率94.08%的良好指标，轨迹在龙马溪组底部1.4 m 铂金靶体的长度达750 m，占水平段总长的60%，为区块首口水平井实现商业气流突破奠定了坚实的基础。

该技术方法在四川盆地盆外缘黔北地区五峰-龙马溪组构造复杂，形变强度大，地层倾角变化大形成的“陆棚边缘沉积、改造残留强烈”的“高、陡、窄”的独特背景下，从页岩气水平井着陆成功率、储层钻遇率和井眼轨迹平滑方面，针对盆外“窄陡型”向斜水平井地质导向技术开展攻关应用。充分利用了构造、厚度、倾角等基础模型，结合地震属性对随钻曲线进行反演，通过正演提取技术，将三维井资料恢复成导眼井数据。针对盆外复杂构造区地层元素特征对比性不强，很难与川渝地区进行直接对比，将元素归一化后，应用元素的变化梯度，进行元素成像，并集成应用，有效促进水平井箱体钻遇率及产量的提升。