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刘平, 施宝海, 陈贺, 李长洪, 孙方宇, 史从越. 三维地质建模技术在水平井钻井地质设计中的应用[J]. 录井工程, 2021,32(4): 121-126.
LIU Ping, SHI Baohai, CHEN He, LI Changhong, SUN Fangyu, SHI Congyue. Application of 3D geological modeling technology in geological design of horizontal well drilling[J]. Mud Logging Engineering, 2021,32(4): 121-126.
Doi:10.3969/j.issn.1672-9803.2021.04.022  
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三维地质建模技术在水平井钻井地质设计中的应用
刘平①, 施宝海①, 陈贺①, 李长洪①, 孙方宇②, 史从越③
①中国石油渤海钻探第一录井公司
②中国石油集团海洋工程有限公司钻井事业部
③中国石油大港油田公司第四采油厂

作者简介：刘平 工程师,1972年生,2004年毕业于长江大学资源勘查工程专业,现在渤海钻探第一录井公司地质研究中心主要从事地质综合研究及水平井地质设计工作。 通信地址:300280 天津市大港油田团结东路渤海钻探第一录井公司。电话:13212087972。E-mail:liuping011@cnpc.com.cn

收稿日期: 2021-10-21
摘要

目前水平井钻井地质设计依据常规地质认识在一维平面图上的数据分布和测井数据归一化处理的储层解释基础上,通过绘制地质图件寻找有利储层进行水平井轨迹的部署,针对该方法存在的不足,采集经过测井处理的高精度井数据和地震解释处理的地层构造数据,利用三维地质建模技术的随机模拟计算方法,对水平井部署区块建立三维构造模型、岩相模型及属性参数模型,预测储层垂向深度及其中目的层的展布规律和地层倾角的变化,最终用于优化风险区块水平井轨迹的设计。以四川盆地川东风险开发区为例,详细介绍了水平井地质设计流程,并针对地层倾角变化较大的地层,将常规水平井地质设计与基于三维地质建模技术的水平井地质设计方法进行了比较,结果表明,三维地质建模技术能精准预测地层倾角和水平井地质设计中各靶点的垂深,提高地质设计的效率和精准度,利于提高储层钻遇率。

关键词: 三维地质建模; 岩相模型; 属性模型; 地层倾角; 水平井; 钻井地质设计
中图分类号:TE132.1 文献标志码:A
Application of 3D geological modeling technology in geological design of horizontal well drilling
LIU Ping①, SHI Baohai①, CHEN He①, LI Changhong①, SUN Fangyu②, SHI Congyue③
①No.1 Mud Logging Company,BHDC,CNPC,Tianjin 300280,China
②Drilling Division of CNPC Offshore Engineering Co., Ltd.,Tianjin 300280,China
③No.4 Oil Production Plant of Petrochina Dagang Oilfield Company, Tianjin 300280, China
Abstract

The geological design of horizontal well drilling is currently based on conventional geological knowledge based on the data distribution on a one-dimensional plan and the normalized reservoir interpretation of logging data, and the horizontal well trajectory is deployed by drawing geological maps to find favorable reservoirs. Aiming at shortcomings of this method, by collecting high-precision well data processed by logging and stratigraphic structure data processed by seismic interpretation, and using the stochastic simulation calculation of 3D geological modeling technology, 3D structural model, sedimentary facies model and attribute parameter model for horizontal well deployment block are established to predict the vertical depth of reservoir, the distribution law of the target layer and the change of formation dip, and ultimately optimize the design of horizontal well trajectories in risk blocks. Taking the rick development zone in eastern Sichuan Basin as an example, geological design process of horizontal wells is introduced in detail, and the geological design of conventional horizontal wells is compared with the ones based on 3D geological modeling for formations with large changes in stratum dip. Results show that 3D geological modeling technology can accurately predict the formation dip and the vertical depth of each target point in horizontal well geological design, improve the efficiency and accuracy of geological design, and increase reservoir drilling rate.

Keyword: 3D geological modeling; reservoir facies model; attribute model; stratum dip; horizontal well; drilling geological design
0 引言

为有效提高油气田风险勘探区域水平井钻井地质设计中水平井入靶点及水平段各控制点的精准度, 业内引用三维地质建模技术[1], 精细刻画目的层展布特征及各属性体的匹配关系, 预测目的层垂向深度及相应地层倾角, 作为水平井地质设计中入靶点及水平段各控制点设计依据的方法被广泛应用。目前是依据常规地质认识在一维平面图上的数据分布和测井数据归一化处理的储层解释基础上, 通过绘制地质图件寻找有利储层进行水平井轨迹的部署。然而该方法存在以下不足之处:

(1)传统的数理统计方法解释目的层都是基于将井点上采集的参数转换为一维分布数据, 再取目的层段的平均值得到的, 其弊端是转换后的一维分布无法从三维空间的层次上研究岩相变化、砂体的展布规模和展布特征对水平井轨迹的影响。

(2)对于地层倾角变化大, 地层构造抬升快的区块, 常规的基于井点上的一维分布数据没有考虑储层三维空间的不确定性和储层局部地层倾角变化的影响。

(3)在地震勘探资料解释处理基础上投影的水平井设计坐标和入靶垂深的精准度达不到钻井施工要求。

本文针对以上不足, 采集测井处理过的高精度井数据和地震解释处理过的地层构造数据, 利用三维地质建模技术的随机模拟计算方法[2], 对水平井部署区块进行三维构造模型、岩相模型及属性参数模型的建立, 预测储层垂向上的深度及储层中目的层甜点段的展布规律和地层倾角的变化, 最终用于优化风险区块水平井轨迹的设计, 提高有效储层钻遇率。

1 区域地质概况

研究区位于四川盆地川东高陡构造带东部[3], 位于华蓥山以东、七曜山以西、大巴山以南, 地处四川省中东部和重庆市东北部的四市二十县域内, 面积约55 000 km2。目标区处于苟西-卧龙河-板东构造带, 呈北东-南西向扫帚状分布, 构造和向斜连续分布。本文设计井X 1-1H井位处于苟西三维区的新市构造, 该构造上发育两个局部构造, 西侧为相对完整的背斜构造, 向东倾表现出鼻状特征, 东侧发育一个断层圈闭。构造在二叠系期间继承性发育, 稳定性较好。苟西-卧龙河-板东地区为帚状高陡构造与向斜区间隔分布, 苟西三维区发育低陡新市构造。新市构造总貌为穹隆状, 长轴12 km, 短轴5.5 km。地层倾角4° ~8° , 出露地层为侏罗系中统沙溪庙组。

整个盆地保持着西南高东北低的沉积格局[4], 区域内三套烃源岩厚度均较大, 面积分布广, 孔隙发育、测试产量高, 盆地内多口井在茅一段获得高产工业气流, 适合水平井部署。由于设计井所处的区块地层倾角变化大、地层构造抬升快, 需要采用三维地质模型分段计算地层倾角, 用于水平井井轨迹的优化设计。

2 水平井靶点确定

水平设计井X 1-1H井与已钻风险探井X 1井共用一个钻井平台, 侧钻井深3 700 m, 水平段长度为1 500 m, 设计要求为兼顾上下两个目的层的双台阶水平井, 上面目的层钻700 m, 下面目的层钻600 m, 方位0° , 地面海拔287.0 m, 补心距10.5 m, 靶前距350 m, 根据地震资料显示目的层地层倾角约4° (具体精度需要建立三维地质模型确定), 根据已钻井井口坐标(X:18 708 238; Y:3 312 898)及目的层顶垂深(4 402.5 m), 推算出设计井入靶点坐标(X:18 708 238; Y:3 313 248)及目的层入靶点垂深(4 399.5 m)。设计井水平段各控制点轨迹数据见表1。

表1 X 1-1H井0° 方位入靶点及控制点数据
3 常规水平井地质设计

常规水平井地质设计是建立在与设计井相邻的出发井和末端井并用石文软件绘制的二维地层油气藏剖面, 将表1计算的入靶点及各控制点数据投影到绘制的剖面图上, 得到的井轨迹设计图(图1); 或是根据地震资料来设计, 但受限于地震资料本身的分辨率, 无法识别十几米以内目的体, 解释层位的精准度不高, 以此为依据设计井筒轨迹误差较大。

图1 X 1-1H井井轨迹设计图

将此方法计算出的井轨迹数据投影到地震剖面图上(图2), 设计的入靶点及水平段控制点飘在目的层茅一b(图中粉色层界线)之上, 与地震解释的剖面深度相差甚远, 因此对于地层倾角变化较大的地层用常规的二维设计思路显然是不对的, 有必要引用三维地质建模的思路来设计工区水平井轨迹。

图2 X 1-1H井0° 方位轨迹地震剖面投影图

4 三维地质建模

研究区三维地质建模数据来源主要依据工区地震解释处理提供的强反射层构造图数据, 以及工区风险探井X 1井和X 14井两口井的测井处理数据。用斯伦贝谢公司的Petrel三维地质建模软件进行工区小层地层划分, 精准卡准目的层深度。 软件提供的随机模拟方法很多, 但各种方法的地质适用性和应用范畴各不相同[5]。通过对研究区储层沉积地质特征的研究, 结合多种随机模拟方法的比较, 认为序贯高斯模拟计算方法适合正常浅海碳酸盐台地相沉积储层的相控沉积特征, 其他储层属性参数在模型网格中进行离散数据分析处理, 在相控指导原则下建立由沉积相模型约束的属性模型, 用于反映有关参数在三维空间的变化特征, 从而最大程度地准确预测储层内部的非均质性和“ 甜点段” 的分布规律以及地层倾角的变化情况。

首先结合研究区储层地质特征, 以设计井工区内东西两边的断层和南北切线圈定为模型边界, 以小层为模拟单元, 充分考虑水平井对于网格系统的要求, 按照平面网格精度为 20 m× 20 m、垂向上精度为0.5 m进行网格化处理, 采用随机建模方法建立目的层的三维地质模型。

4.1 构造模型

构造模型主要反映储层的地层空间立体格架及微构造特征, 定量描述地层的外部几何形态。地层倾角预测是否准确取决于地层构造模型的构建正确与否, 其正确性取决于工区小层地层格架模型和地震解释的构造深度面的选取, 一般地震解释精度达不到单井实钻信息的精度, 因此本研究区选取离目标层距离最近的茅一b构造解释层作为地层模型构建的依据, 结合单井地质分层数据和地震解释的工区断层数据建立的断层模型相约束计算出各小层微构造, 建立符合工区地质认识的三维地层构造模型(图3、图4)。

图3 X 1井区小层对比剖面

图4 X 1井区三维地层构造、岩相及属性参数模型

4.2 岩相及属性参数模型

研究表明风险探井X 1井区属于浅海碳酸盐台地相沉积模式, 工区沉积相模型的建立综合利用岩心、测井、试油等资料, 在构造模型的基础上, 建立三维岩相模型, 再基于相控建模思路选取序贯高斯模拟计算方法, 建立可用于指导钻井施工现场水平井地质导向的伽马和电阻率等属性参数模型[4, 5](图4)。

5 三维空间水平井轨迹设计

水平井轨迹优化要素取决于入靶点和水平井段各控制点的坐标和垂深的准确预测[6]。

工区地质模型的建立, 准确地展示了地质体三维空间上入靶点和各控制点局部地层倾角和垂向上的深度, 将表1计算的水平井轨迹数据在三维模型中与目的层调整吻合后显示, 钻遇第一个目的层入靶点井斜为94.08° , 第二个目的层入靶点井斜93.13° , 揭开目的层中上部, 平行地层实现双台阶兼顾上下两个目的层钻进1 500 m水平段, 二维和三维切片窗口显示水平井轨迹正北末端钻遇断层(图5、图6), 有造成现场井漏的危险。

图5 X 1井区0° 方位水平井设计轨迹平面图

图6 X 1井区0° 方位水平井设计轨迹剖面图

为了规避风险, 建设方研究决定X 1井区探评水平井在原定方案基础上更改为方位10° , 水平段1 150 m设计水平井, 调整后设计轨迹绕开了正北方位的断层, 如图7、图8、表2所示。

图7 X 1井区10° 方位设计水平井轨迹平面图

图8 X 1井区10° 方位设计水平井轨迹剖面图

表2 X 1-1H井10° 方位三维模型中入靶点及控制点数据

同时, 属性参数伽马和电阻率模型, 在目标层属性剖面图上展示了高伽马、低电阻率的储层特征(图9), 为现场地质导向提供了参考[7]。

图9 X 1井区10° 方位伽马及电阻率模型剖面图

6 两种水平井轨迹设计方法比较

建设方要求X 1-1H井部署台阶式水平井, 纵向上兼顾两个目标层。由于常规水平井设计方法选取的出发井和末端井投影绘制的气藏剖面图, 只能反映地层的平均倾角, 水平段上各个控制点的水平段长度和切入地层的深度也无法精准把控(图10红色轨迹)。而三维地质模型从横向水平方向和纵向切入地层的深度上, 都能精准读出地层信息(几何空间上每个点的横、纵坐标数据, 垂向上的深度), 提高了水平井轨迹优化的精度。两种方法投影到地震图上轨迹的展示, 与实钻轨迹(图10绿色轨迹)相比较, 应用三维地质建模方法设计的水平井轨迹(图10黄色轨迹)更切合地层倾角的变化趋向。

图10 三维模型设计水平井轨迹投影图

7 结论

(1)将三维地质建模技术应用到四川盆地川东风险开发区水平井地质设计中, 能够达到对水平井入靶点和水平段各个控制点以及地层倾角的精准预测, 为现场钻井施工地质导向提供了参考依据, 有利于地质人员对水平井轨迹在目的层甜点段的控制, 提高了有效储层钻遇率。

(2)目标层分层数据约束地震解释的强反射层构造模拟计算的目标层微构造, 准确预测了目标层垂深, 解决了地震解释达不到的精度, 为探评区块水平井部署提供了依据。

(3)应用Petrel软件对水平井设计轨迹末端钻遇断层进行预测, 有利于设计方案的调整。同理, 在现场实施过程中, 对密集井网和边底水活跃的区块, 可以进行邻井碰撞和水淹预测, 防止水平段过长导致钻穿邻井井眼和水平段过长造成在开发过程中水平井投产即水淹的现象出现。

编辑 李特

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