0 引 言

地质导向是水平井钻井中保障沿着优质储集层钻进的重要支撑手段。20世纪80年代以来,伴随水平井钻井技术的发展,随钻地质导向技术取得长足进步^[1],特别是近几年来,随着国内非常规油气勘探开发步伐的加快,地质导向技术在靖边、苏里格致密砂岩气田及焦石坝等页岩气勘探区的勘探开发中发挥了重要作用^[2]。该技术主要采用地层对比法构建地层的二维模型,结合随钻测井、综合录井和气测录井资料,参考地震成果剖面,判断水平井井眼轨迹所在地层,指导钻井轨迹调整^{[3,4,5,6,7,8,9,10]}。尽管基于地层对比的导向技术建模简单,但因参考因素少,且受地质导向人员经验限制,人为因素多,误差大,难以提供精细且具有预测能力的模型,往往导致导向工作出现偏差,引发优质储集层钻遇率低的问题。利用测井数据与地震数据二者的优点,采用井震联合构建三维地质导向模型技术,可将测井数据如自然伽马值、含油(气)饱和度等信息同时展示在模型中,提供更准确的三维地层模型,再结合随钻数据实时校正更新模型,就能够确保钻井轨迹位于薄砂层目的层中,指导钻井施工,实现高效地质导向。

1 井震联合三维地质导向技术

地震解释的层位数据可反映地层构造特征,并反映了地层的延展性,具有层面横向控制能力,其缺点是在纵向上分辨率低,层位识别能力差;测井数据在纵向上有很高的精度,层位识别能力强,但其井间距离大,对于复杂地层,不容易确定井与井之间地层的连通性,影响随钻地质导向的准确性。为了发挥地震数据和测井数据的优势,可以考虑通过井震联合构建三维地质导向模型,指导地质导向工作。

井震联合三维地质导向技术就是基于上述思想而发展起来的,其核心是将地震解释层位数据与单井分层数据进行融合,通过插值技术,形成更精确的三维地层模型,然后提取沿待钻井轨迹的切片作为地质导向模型,在钻井过程中再利用随钻测井数据和综合录井、气测录井数据,共同判断钻遇地层情况,并不断地动态校正地质导向模型和三维地层模型,从而更精准指导钻井作业。这种导向技术在一定程度上排除了人为因素的影响,特别是在成熟勘探区,由于钻井数量多,基于三维地质导向模型构建的地层剖面更加符合真实地质情况。

井震联合三维地质导向的关键技术包括井震联合三维建模技术、地层剖面建模与分析技术和模型更新技术。

1.1 井震联合三维建模技术

井震联合建模主要分为构造建模和属性建模,但目标是要实现属性建模。构造建模采用地震的层面数据与测井的分层数据进行联合,横向通过地震层面控制模型的走向,纵向通过测井的深度控制层面垂向位置。属性建模主要是在构造模型的基础上加入自然伽马、含油(气)饱和度等相关信息,预测岩性变化和油气分布,所反映的信息更加丰富,对于地质导向更有意义。构造建模与属性建模在插值算法上基本一致,下面以构造建模为例来说明建模方法。

地震解释的层面数据是由(x,y,z)组成的一系列连续的坐标数据构成,测井层位数据是一个个孤立的点(x,y,z)数据构成,不同的井位的深度与地震层面的深度差异不同(如图1所示,图中△Z₁、△Z₂、△Z₃为地震层位与测井层位垂深差),如果采用平移方式来校正地震层位将会出现校正后的地震层位与测井层位不重合现象。因此,这里的校正需要采用两步走方式实现,即采用层面整体校正和局部误差校正来完成。

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图1   测井层位与地震层位差异

   

层面整体校正即通过统计地震层面与各测井层的最小垂深差异量,平移地震层面到这个最小垂深位置,实现沿垂深方向上下平移校正。局部误差校正主要考虑如何将地震层面移动到各井位点位置,且各点深度还不矛盾,同时层面光滑。这里采用多点B样条趋势面拟合算法进行校正。由于井位分布不均,趋势面拟合采用非均匀分布点拟合(图2)。

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图2   B样条趋势面示意

   

1.2 地层剖面建模与分析技术

井震联合构建的三维地层模型为地质导向人员提供了目标区域地层展布特征,使导向人员能够了解区域内地层走向、岩性分布及含油气分布等,对钻井过程中钻遇层位的位置及其特性进行预判。具体到地质导向工作中,仍需要沿轨迹施工方向作三维地质导向模型切片,形成地质导向模型,沿切片进行施工。在这种三维导向技术中,可以利用三维地层模型截取过设计井轨迹的切片来形成待钻井钻前地质导向模型(图3)。

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图3   基于三维模型的切面提取方法示意

   

施工剖面的提取与轨迹投影方位角(这里用φ表示)选择有关。不同的φ形成的剖面是不同的,不合适的投影会使导向人员难以理解地层本身的特征,进而影响导向工作。选择合理的φ是非常重要的,可以采用水平段的轨迹来确定φ,其计算步骤为:①计算出轨迹的每一点空间坐标(x_i,y_i,z_i);②寻找水平段起始位置(x₀,y₀,z₀);③计算投影方位角φ(下式中n为数据点数)。

φ=tan^-1n∑(xi-x0)(yi-y0)-∑(xi-x0)∑(yi-y0)n∑(xi-x0)2-∑(xi-x0)∑(xi-x0)

当投影方位角φ确定后,则进行坐标系确定。沿方位角方向设定X轴,垂深方向设定Y轴,切取三维模型即可形成地质导向所需的地层剖面模型。将该剖面显示在上述X-Y坐标系中;将正钻井的设计轨迹、实钻井眼轨迹和曲线信息等绘制在剖面的中心位置;沿着轨迹将曲线在水平方向和垂直方向分别投影绘制在该剖面的上部偏左区域,从而形成一个较为完整的地质导向剖面(图4),其中水平方向测井曲线投影反映水平地层变化情况,垂向方向曲线投影则反映垂向地层的变化情况。导向分析人员将依据这些随钻测井数据、录井数据进行导眼井测录井数据与地层剖面对比,从而识别轨迹所在地层,判别轨迹是否与实际地层相符,确定是否需要调整轨迹方向,指导钻井施工。

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图4   基于切面的导向技术示意

   

1.3 模型更新技术

地质体本身是一非均质体,已钻井分布亦不均匀,加之实测资料也可能不全面,建立的三维地层导向模型不可能与地下实际地层分布情况完全相符,只能随着实测资料的更新不断修正模型,使其更接近实际情况。因此,在地质导向过程中,需要利用随钻测量数据,判断三维地质模型是否与实际地层解释结果相符,并对模型进行动态修正。参见图5,A点是基于三维模型预测的轨迹穿越层位的位置,B点是假设前提下钻遇的地层,那么需要将A点地层界面修正到B点位置(其中△Z为垂深移动量)。

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图5   地层动态校正示意

   

理论上,地层的修正可以按照上文1.1节中井震联合三维建模的测井层位校正地震层界面算法进行层面校正。然而,导向过程中井眼轨迹与待校正地层面交会点只有一个,地层界面的校正是采用界面整体平移还是仅移动交会处附近地层界面,需要根据实际情况确定。

本项目采用虚拟井技术进行校正。过A点作一垂向虚拟井穿过各地层面,然后提取过各层面坐标点(x,y,z),移动A点垂深坐标与B点一致。将该井坐标与实际井数据一起重新进行上文1.1节三维模型构建,实现模型更新并重新切剖,支撑下一步导向。

随着区域井的增加,通过模型不断更新,三维地层模型会不断得到完善,更加接近实际地层情况,从而更好地指导导向工作。

2 应用实例与效果

2.1 应用实例

A油田某区块内完钻井超过100口,属于较成熟的勘探区。利用该区域已钻的56口井的测井曲线对馆陶组下亚段S小层所在地层进行了地质分层,并将其地震层位数据与测井分层数据按照上述建模方法相融合,形成了如图6的三维地层属性模型(图中颜色代表地层自然伽马值变化情况,黄色为低自然伽马,蓝色为高自然伽马,其他色为过渡)。

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图6   A油田馆陶组下亚段S小层三维地层属性模型

   

C-HF 1井是在该区块部署的一口侧钻水平井,目的层为馆陶组下亚段S小层。图7是该井前期基于地震剖面所设计的油藏剖面,其地层倾角约为1°,厚度为2~4 m。设计A、B靶点垂深分别为1 232 m、1 231 m,水平段长度200 m。图8是其基于三维模型沿设计井轨迹切取的地质导向剖面及实际完井地质导向图。随钻过程采用LWD设备随钻测量自然伽马和电阻率曲线跟踪油层。

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图7   C-HF 1井设计油藏剖面示意

   

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图8   C-HF 1井完井地质导向模型

   

对比图7与图8可以看出,基于地震剖面图设计油藏剖面与基于三维地质导向模型切分的剖面图二者深度上也存在2 m差异;倾向上有较大差异,地层由A靶点至B靶点方向下倾,地层倾角约4°;伽马值分布上,设计的A靶点下方2 m处,S小层左侧地层伽马值高,右侧伽马值低,表明S小层岩性由高泥质含量向砂岩地层转变。由于地质导向模型与地质认识存在差异,甲方没有采纳地质导向人员的建议,仍按照原设计轨迹施工,在钻遇设计A靶点之后,控制水平段井斜角约为89°。但在水平段钻进超过50 m后,仍未钻遇目的层砂岩,之后将第一个侧钻井眼填井,采纳了三维切面模型,并重新进行地震解释,侧钻第二个井眼顺利完钻,圆满完成了钻井任务。C-HF 1井最终油层钻遇率达到84%,完井后射孔水平段长度104 m,高峰期产油5.7 t/d,平均产油1.6 t/d,取得了较好的开发效果。

从图8可以看出,C-HF 1井轨迹穿过的地层伽马数据与图中地层颜色所代表的伽马数据基本一致。这表明钻井过程中所钻遇的岩性与三维地质导向模型预测的岩性变化情况基本吻合,也验证了三维地质导向模型的正确性。

2.2 应用效果

井震联合三维地质导向技术在B油田某区块4口井的水平井钻进中也进行了应用,其中:JPH-4XX井在三开侧钻施工中4 d钻进672 m,砂岩钻遇率100%;JPH-3XX井的水平井钻进中,7 d钻进水平段1 000 m,砂岩钻遇率100%,含气砂岩钻遇率提高了10%以上。该区块应用表明,井震联合三维地质导向技术对于河道沉积环境具有更好的应用效果。这类地层由于地层变化快,砂体薄,原有地震数据难以精确预测地层走向、油气分布、边界位置,井震联合多井约束使三维地质导向模型的精度得到了质的提高,从而较大程度地提高了钻井时效,降低了开发成本。

3 结束语

在完钻井资料丰富、勘探开发程度高的地区,采用井震联合所构建的三维地质导向模型具有高精度的垂向和横向控制能力,能够更精确地描述地层的形态,更加直观地展示导向地层的宏观特征,使导向人员能够从空间上把握地层的情况,了解地层的特征,预测轨迹走向。这对于提高油气层钻遇率,改善勘探开发效果,具有十分重要的现实意义。随着区域井的增加,所构建的模型也会不断得到完善,它对区域的描述更加精细,指导意义将更加明显。因此,井震联合三维地质导向技术具有广阔的前景,是未来发展的主要方向。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

文献选项

• 原文顺序
• 文献年度倒序
• 文中引用次数倒序
• 被引期刊影响因子