致密砂岩气藏水平井多学科综合导向新技术——以鄂尔多斯盆地为例
费世祥1,2, 杜玉斌3, 王一军4, 陈楠5, 高阳5, 王树慧1,2, 何鎏1,2
1.中国石油长庆油田公司勘探开发研究院
2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室
3.中国石油长庆油田公司气田开发事业部
4.中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司研究院长庆分院
5.中国石油长庆油田公司第一采气厂

作者简介:费世祥,1984年生,高级工程师;主要从事天然气综合地质、水平井开发等方面的研究工作。地址:(710018)陕西省西安市未央区长庆兴隆园小区。电话:(029)86598491。ORCID: 0000-0001-5317-2015。E-mail: fshix_cq@petrochina.com.cn

摘要

鄂尔多斯盆地上古生界致密砂岩气藏的储层主要表现为近南北方向条带状展布,河道分叉、交汇频繁,单砂体接触方式以侧向加积形成的多层式接触为主,河流交汇处砂体具有近东西向横卧分布的特征,给水平井地质导向带来了很大的难度。为了提高水平井储层钻遇率,系统分析了水平井地质导向现状和储层沉积特征,利用三维地质建模与三维地震对储层空间展布进行预测,同时结合对已钻水平井砂体空间展布的认识,不断完善和丰富水平井地质导向技术与方法,形成了“小层精细对比入靶、地质小尺度、地震大方向”的多学科思维深度融合的综合导向新技术,并进行了现场应用。研究结果表明:①沉积模型导向可在入靶过程中精确制导,提高一次入靶成功率,是斜井段入靶导向的主要方法;②地质建模导向可指导水平井钻进,但与地下真实地质体存在着一定的误差,可作为水平段辅助导向方法;③三维地震导向可区分复合河道界限和判断优势砂体空间相对位置,对水平段导向有很好的预判和指导性,是水平段导向的主要方法;④新方法在致密砂岩气示范区应用于水平井62口,实现平均水平段长1 430 m、平均砂岩钻遇率86.2%、平均气层钻遇率70.2%,水平井气层钻遇率提高了10%以上。

关键词: 鄂尔多斯盆地; 致密砂岩气藏; 水平井; 沉积模型; 地质建模; 三维地震; 多学科; 综合导向; 储集层钻遇率
A new multi-disciplinary integrated steering technology for horizontal wells in tight sandstone gas reservoirs: A case study of the Ordos Basin
Fei Shixiang1,2, Du Yubin3, Wang Yijun4, Chen Nan5, Gao Yang5, Wang Shuhui1,2, He Liu1,2
1. Exploration and Development Research Institute, PetroChina Changqing Oilfield Company, Xi'an, Shaanxi 710018, China
2. National Engineering Laboratory of Low-permeability Oil & Gas Exploration and Development, Xi'an, Shaanxi 710018, China
3. Gasfield Development Division, PetroChina Changqing Oilfield Company, Xi'an, Shaanxi 710018, China
4. CNPC Changqing Branch of BGP Inc., Xi'an, Shaanxi 710018, China
5. No.1 Gas Production Plant, PetroChina Changqing Oilfield Company, Xi'an, Shaanxi 710000, China
Abstract

The sandstone layers of the Upper Paleozoic tight clastic gas reservoirs in the Ordos Basin are generally distributed in a pattern of nearly NS strip, and the channel branches and intersects frequently. A single sand body is in a multilayered contact mode resulted from lateral accretion, and the sand bodies at the river intersections present a feature of lying in the nearly EW direction, which brings great difficulties to the geosteering of horizontal wells. In order to improve the reservoir drilling rate of horizontal wells, this paper systematically analyzed the geosteering status of horizontal wells and the sedimentary characteristics of reservoirs. Then, the spatial distribution of reservoirs was predicted using 3D geological modeling and 3D seismic. In addition, based on the cognitions on the space distribution of sand bodies from the drilled horizontal wells, the horizontal-well geosteering technology and method were constantly improved and enriched. Thus, an integrated steering technology of "fine sublayer correlation for target entering, geology in small scale, and seismic in large scale" based on in-depth integration of multidisciplinary thinking was newly formed, and it was also applied on site. And the following research results were obtained. First, under the guidance of the sedimentation model, the target entering process is controlled precisely and the success rate of one-trip target entering is improved, so it is one important method for the target steering of deviated hole sections. Second, geological modeling can guide the drilling of horizontal wells, but to some extent, it is deviated from the real underground geologic bodies, so it can be used as an auxiliary horizontal-well steering method. Third, 3D seismic steering can tell the boundary of complex river channel and discriminate the spatial relative location of predominant sand bodies, so it is the primary method for horizontal-well steering to provide excellent judgement and guidance on the steering of horizontal hole sections. Fourth, owing to the application of this new method in 62 horizontal wells drilled in the tight gas demonstration area, the average horizontal section length reaches 1 430 m, the average sandstone drilling rate is 86.2%, the average gas layer drilling rate is 70.2%, and the gas layer drilling rate of horizontal wells is increased by more than 10%.

Keyword: Ordos Basin; Tight sandstone gas reservoirs; Horizontal well; Sedimentation model; Geological modeling; 3D seismic; Multi-disciplinary; Integrated steering; Reservoir drilling rate
0 引言

鄂尔多斯盆地致密砂岩气藏于2002年开始探索水平井开发, 相继完钻2口水平井, 气层钻遇率为24%, 裸眼酸洗初产产量低, 未获得理想效果。2007年开展水平井试验[1], 完钻2口水平井, 气层钻遇率为44.7%, 采用1~2段水力喷射拖动压裂改造, 初产4× 104m3/d, 取得一定开发效果[1, 2, 3, 4, 5]。经过近几年水平井地质开发技术的逐步完善, 储层改造技术不断成熟, 水平井单井产量超过直井的4倍以上[5]。但水平井气层钻遇率一直维持在60%左右, 笔者通过系统分析水平井地质导向现状和储层沉积特征, 利用三维地质建模与三维地震对储层空间展布进行预测, 同时充分结合已钻大量水平井的砂体空间展布认识, 进一步完善和丰富水平井地质导向技术与方法, 实现了提高水平井气层钻遇率和单井产量的目的。

1 水平井地质导向现状

地质导向技术是近十几年内发展形成的一项水平井钻井技术, 是伴随着随钻测量工具的发展而发展起来的, 导向过程中应用随钻测量工具从地下获取钻头近处地层最新地质资料, 来不断修正钻前地质认识, 不断调整轨迹, 保证实际井眼轨迹尽可能地穿过最佳储层[6]

目前鄂尔多斯盆地致密砂岩气藏水平井地质导向基本为单一化地质导向, 过程相对简单和单一, 大多采用多点测井相对比下的二维剖面对比, 没有充分考虑储层三维空间变化, 只有个别参考三维地质建模和三维地震预测结果, 使地质导向具有多解性和较大的不确定性。

2 气藏地质概况

鄂尔多斯盆地上古生界受物源、相带和源储配置影响, 致密气成藏区带差异显著, 整体呈现物源供给北强南弱, 北部体系砂体规模大、延伸远, 南部体系砂体规模较小。水平井开发主要目的层系为中二叠统下石盒子组8段, 目前多数认为该区属于辨状河三角洲沉积[7, 8, 9], 主要发育分流河道、分流间湾、泛滥平原等微相, 局部发育河口坝、心滩微相, 整体属于低丰度、低渗透、低压气藏, 气藏分布受构造影响不明显。砂体普遍呈现多期叠置、横向上复合连片的特征, 砂体厚度小于5 m的占88%、 5~10 m的占14.9%、大于10 m的仅占2%, 平均视孔隙度为9.1%、基值渗透率为0.681 mD、视含气饱和度为60.1%, 是典型的致密砂岩气藏。平面非均质性主要表现在砂岩总体上沿近南北方向呈条带状展布, 河道分叉、交汇频繁, 单砂体接触方式有多边式、多层式和孤立式3种(图1), 其中以侧向加积形成的多层式接触为主, 河流交汇处砂体具有近东西向呈横卧的趋势, 这对水平井地质导向带来了很多困难。

图1 苏里格气田苏东南区上古生界盒8段砂体沉积模型图

3 水平井多学科综合导向新技术

水平井地质导向是一个多学科多因素综合问题, 只有在导向过程中尽最大可能掌握更多的模型预测信息, 经过综合比对分析后, 做出的导向指令才能达到“ 快速、准确” 的要求。针对陆相强非均质型储层, 充分利用三维地质建模与三维地震对储层空间展布预测, 同时充分结合已钻大量水平井的砂体空间展布认识, 总结形成水平井多学科综合导向新技术。

3.1 沉积模型优化导向技术

利用沉积学建立地质模型导向[10]。该方法就是在区域地质沉积环境分析基础之上, 利用“ Willson相律” 建立局部区域地质沉积相模型, 同时利用水平井随钻测量数据和录井资料不断修正模型, 在地质模型的概念指导下判断目的层产状[11, 12, 13], 指导水平井轨迹控制。苏里格地区砂体是多期河道沉积, 因此合理划分砂体叠置期次, 利用沉积学合理建立、不断修正沿水平段地质模型尤为重要, 根据地质模型预测钻头处于叠置砂体的位置, 可以有效预防钻出砂层并对异常情况及时做出调整。例如靖21-14H1水平段钻至井深3 477 m(垂深3 041.97 m)时储层含气性变差, 预测钻至对应“ 导眼井” 上部气层间的泥质夹层, 决定降斜至88° ~89° 钻进穿过泥质夹层, 在钻至井深3 758 m(垂深3 052.01 m)时, 降斜垂深已下降10.04 m, 岩性为灰色泥岩及泥质砂岩, 与“ 导眼井” 对比泥岩夹层变厚, 根据现场录井显示, 从井深3 477~3 758 m岩性有由灰色泥岩逐渐向泥质粉— 细砂岩变化的趋势, 依照沉积规律分析, 具有典型的河流二元结构特征, 并结合辫状河河道砂体沉积模式, 建立了该井地质模型(图2), 认为乌21-14井河道叠置模式属于心滩叠置, 靖21-14H1井属于心滩+废弃河道。在靖21-14H1井盒8下2层的下部砂体有着典型的河流二元沉积结构, 因此决定继续以井斜87° 稳斜钻进60 m视情况而定, 钻至井深3 795 m气测逐渐上升, 岩性继续变好, 该井自3 795 m以后以90° 左右稳斜钻进至4 373 m完钻, 均在气层中, 连续气层长度为578 m。

图2 靖21-14H1井地质模型图

水平段施工钻遇泥岩不可避免(图3), 准确判断泥岩沉积类型, 采取适时调整措施, 对提高有效储层钻遇率、成功实施水平井十分重要。在钻遇相变泥岩或单砂体间较厚泥岩时(图4), 一般随钻伽马曲线会发生突变, 呈箱型, 值较高(一般大于140 API), 可钻性相对较差, 颜色灰色— 深灰色, 这时要考虑采取较大井斜调整追踪替补气层; 当钻遇泥岩夹层时(图4), 一般随钻伽马曲线型态呈渐变、尖刺状, 值较低(一般小于140 API), 可钻性相对较好, 颜色浅灰— 灰色, 这时要采取微调或者不调整快速钻穿泥岩夹层。结合砂体垂向叠置关系及平面相变化趋势分析结果, 同时考虑顶部穿出、底部穿出、钻遇夹层和储层尖灭等4种情况, 及时修正地质模型, 制订调整方案。

图3 泥岩分布示意图

图4 靖42-33H1、靖46-31H1井随钻剖面图

3.2 三维地质建模导向技术

在井控程度较高的区域, 运用大量钻井、测井以及相关地质研究数据, 建立研究区精细三维地质模型, 精细刻画该区块三维空间下的构造、储层等相关地质特征[14, 15, 16]。导向过程中根据伽马模型, 对砂泥岩进行三维空间预测, 结合实钻资料不断更新、修正模型, 预判岩性边界点和物性边界点[14], 制订不同的导向预案。例如靖42-33H3井在井深3 800 m处判断为岩性边界点, 在井深4 000 m处判断为岩性边界点(图5), 完钻水平段长1 171 m, 有效储层钻遇率为77.3%。靖46-31H1井在井深3 650 m处判断为岩性边界点, 在井深4 150 m处判断为物性边界点(图5), 完钻水平段长1 121 m, 有效储层钻遇率为63.5%。

图5 靖42-33H3、靖46-31H1井在GR属性剖面上投影图

3.3 三维地震预测导向技术

三维地震预测导向相比沉积模型优化和三维地质建模导向, 其优势在于井间介质预测是三维地震连续反射数据, 是地下地层信息真实反映, 而沉积模型优化导向是基于沉积学理论指导下的思维导向, 三维地质建模导向根据多点数据按照一定的数学算法预测井间地层信息, 后二者是偏向于经验科学。

三维地震预测导向以高品质地震资料为基础, 进一步精细化井控目标处理, 提高目的层段分辨率和分角度数据的一致性, 通过叠前深度偏移处理, 使地震反射波精准归位, 以提高小幅度构造成像的准确性。在钻井过程中不断加入新完钻井资料, 采用多轮迭代的高精度叠前反演, 在钻井地质分层数据和解释层位控制下, 建立高精度的速度场, 实现三维地震时间域准确向深度域转换, 进而建立主要目的层段较为可靠的深度域地震气藏模型, 预测主要目的层的储层空间形态、规模、物性、含气性等分布规律[17]。按照三维地震延水平段方向的储层预测结果, 提前逐点优化设计水平井轨迹参数, 有效优质气层钻遇率, 同时最大限度保证井轨迹光滑, 降低后续井下施工风险。三维地震导向过程中对特殊地质体进行钻前预警和钻时确认(图6), 当钻遇到泥岩和小幅度构造, 钻头偏离储层时, 地震导向及时根据实钻资料进行模型校正, 及时给出下一段轨迹调整意见, 使钻头尽快回归储层, 最大限度的提高储层钻遇率和钻井速度。

图6 三维地震预测导向模式示意图

靖72-60H1井出发控制井靖72-60盒8下2层砂岩厚9.3 m、气层厚3.0 m, 远端没有控制井, 根据三维地震储层预测数据分析, 认为北部盒8下亚段的储层发育, 含气性较好, 是实施水平井的理想区带。水平段在盒8下2层砂岩段入靶, 小层砂体对比较好, 以90° 继续追踪气层, 钻遇170 m含气砂岩后, 出现大段高伽马(200~300 API)泥岩, 按照入靶过程中小层对比结果, 盒8下1层砂岩厚度由出发控制井4 m到水平井变为2 m, 钻头目前位于盒8下2层砂岩中上部, 判断下部可能还有4 m左右砂岩, 于是采用88° 下探钻进垂深2 m仍然是纯泥岩, 此时把实钻数据加到三维地震模型中, 判断盒8下2层砂岩已经尖灭, 水平段方向含气性好的砂岩应该是盒8下1层主河道砂岩, 按照三维地震预测结果以92° ~93° 快速上探储层, 在垂深上升9.6 m后顺利进入气测峰值高达89.23%的含气中砂岩(图7)。靖72-60H1井实钻水平段长1 654 m, 气层钻遇率为61.6%, 试气无阻流量为150× 104m3/d。该井实施证实三维地震对复合河道空间相对位置预测可靠。

图7 靖72-60H1井三维地震导向成果图

靖72-64H2控制井Y31井盒8下2层砂岩厚11.3 m, 气层厚6.9 m, 根据三维地震储层预测数据分析, 认为向南部盒8下亚段储层总体发育, 但水平段方向有多期斜交河道。靖72-64H2入靶后水平段以90.0° ~90.5° 微增斜追踪气层251 m后, 钻遇深灰色泥岩。三维地震预测沿水平段方向钻遇200~260 m泥岩后可进入下一个含气性较好的分流河道。实际以90.0° ~90.5° 钻过209 m灰色泥岩后, 出现长度345 m以含气细砂岩、泥质砂岩为主的河道边部沉积后, 进入气测峰值81.89%的含气中砂岩(图8)。靖72-64H2实钻水平段长1 550 m, 砂岩长1 293 m, 气层钻遇率73.03%。该井实施证实三维地震对复合河道边界范围预测可靠。

图8 靖72-64H2井三维地震导向成果图

3.4 多学科思维融合综合导向

在水平井导向过程中, 需要以地质、地震、钻井、录井、测井等多个专业共同合作, 及时共享数据, 多专业多角度跟踪分析, 通过多项数据和思维交叉深度融合, 指导水平井导向。

沉积模型导向过程中, 优势在于实钻小层精细对比, 实时根据钻录资料修正地质模型, 可以在入靶过程中精确制导; 劣势在于水平段钻遇过程中由于钻头几乎在同一深度钻进, 无法很好建立垂向沉积序列, 对水平段导向缺乏预判和指导性。地质建模导向过程中, 优势在于在水平段可以精细刻画三维空间下构造与砂岩展布特征, 综合预判待钻储层岩性边界点和物性边界点, 指导水平井钻进; 劣势在于三维地质建模时基于沉积经验下的数学算法预测储层, 与真实地质体会存在一定误差。三维地震导向过程中, 优势在于三维地震资料是地下真实地质体连续反射声波数据, 是地下地层信息真实反映, 可以区分复合河道界限和判断优势砂体空间相对位置, 对水平段导向有很好的预判和指导性; 劣势在于受资料分辨率限制, 同相轴为2~3期砂体综合响应(厚度20~30 m), 小幅度构造和多期砂体响应区分困难, 在小尺度下(厚度5~10 m)的导向精确性较差。

通过发挥学科优势, 避开学科短板, 综合应用各专业的结论相互佐证、补充, 提出了“ 小层精细对比入靶、地质小尺度、地震大方向” 的多学科思维深度融合的综合导向新技术, 在该方法的应用下, 致密气示范区共完钻水平井62口, 平均水平段长1 430 m, 平均砂岩钻遇率为86.2%, 平均气层钻遇率为70.2%, 水平井气层钻遇率提高10%以上。

4 结论与认识

1)沉积模型导向优势在于实钻小层精细对比, 可以在入靶过程中精确制导, 提高一次入靶成功率, 是斜井段入靶导向的主要方法。

2)地质建模导向优势在于在水平段可以精细刻画三维空间下构造与砂岩展布特征, 综合预判待钻储层岩性边界点和物性边界点, 指导水平井钻进, 但会与地下真实地质体存在一定误差, 可以作为水平段辅助导向方法。

3)三维地震导向优势在于资料是地下真实地质体连续反射声波数据, 是地层信息的真实反映, 可以区分复合河道界限和判断优势砂体空间相对位置, 对水平段导向有很好的预判和指导性, 是水平段导向的主要方法。

4)鄂尔多斯盆地致密砂岩气藏地质特征非常复杂, 单一的水平井地质导向方法很难提高气层钻遇率, 通过发挥学科优势, 避开学科短板, 综合应用各专业的结论相互佐证、补充, 提出了“ 小层精细对比入靶、地质小尺度、地震大方向” 的多学科思维深度融合的综合导向新技术, 有效提高了水平井气层钻遇率。

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