羅 鑫， 張樹東， 王云剛， 簡 利， 張德軍

(1川慶鉆探工程有限公司頁巖氣工程項目部 2中國石油集團測井有限公司西南分公司)

昭通頁巖氣示范區(qū)為多期多組構(gòu)造擠壓與走滑作用疊加與聯(lián)合的復(fù)向斜單元，構(gòu)造起伏較較大、斷層較發(fā)育[1-2]。

該區(qū)域?qū)崿F(xiàn)頁巖氣水平井地質(zhì)導(dǎo)向鉆井的難點在于：地質(zhì)上主要表現(xiàn)為箱體厚度較薄、構(gòu)造復(fù)雜、實鉆與地質(zhì)設(shè)計差異較大，微裂縫帶發(fā)育、部分井鉆遇小斷層；工程上難點在于井眼穩(wěn)定性差，鉆遇斷層或裂縫段易發(fā)生井漏。縱向上五峰組至龍一1各個小層在巖性、巖石結(jié)構(gòu)和頁理發(fā)育程度不同，形成了各個小層的巖石力學(xué)特征、脆性特征、巖石的各向異性、可鉆性以及井眼的穩(wěn)定性差異較大。弄清和掌握這些規(guī)律是優(yōu)化地質(zhì)導(dǎo)向鉆井方案的依據(jù)[3-5]。

在著陸前的增斜段，運用標(biāo)志層逐步逼近方法，準(zhǔn)確計算距離箱體頂部距離，預(yù)判鉆進構(gòu)造、地層變化規(guī)律，優(yōu)化調(diào)整鉆進方案，實現(xiàn)井軌跡平穩(wěn)著陸；水平段鉆進過程中，充分利用測錄井資料，實時分析井眼軌跡處于靶體的小層位置及井眼軌跡與地層的相切關(guān)系，預(yù)測鉆進方向構(gòu)造形態(tài)的變化趨勢，保持井眼軌跡在靶體內(nèi)平穩(wěn)鉆進[6-8]。

一、地質(zhì)特點

1. 構(gòu)造特征

昭通頁巖氣示范區(qū)志留系～寒武系主體為形成于華南加里東造山帶控制并閉塞的北前陸盆地帶，屬于滯流盆地的缺氧沉積環(huán)境的黑色頁巖，構(gòu)造特征與地面構(gòu)造基本相同，具有很強的繼承性和相似性，表現(xiàn)為強烈的壓性構(gòu)造特征，呈現(xiàn)為“背斜帶平緩寬闊、向斜陡峭狹窄”的隔槽式褶皺形變帶，屬于侏羅山式褶皺模式。龍馬溪組地層厚度呈由西南向東北逐漸增厚的趨勢，主要在240～320 m內(nèi)變化。龍馬溪組地層主要為灰黑色粉砂質(zhì)頁巖、炭質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖夾泥質(zhì)粉砂巖；上覆石牛欄組，巖性為深灰色條帶狀粉砂質(zhì)泥巖夾灰?guī)r條帶；下伏奧陶系五峰組，巖性為灰黑色頁巖及薄層粉砂巖。

2. 箱體特征

表1 區(qū)域龍一1小層厚度對比表

二、地質(zhì)導(dǎo)向關(guān)鍵技術(shù)與鉆前建模

1.地層視傾角計算

地層視傾角計算就是分析井眼軌跡與地層的相切關(guān)系[9-11]，并預(yù)測鉆頭前方地層與傾角變化趨勢，為實時決策提供依據(jù)。近鉆頭方位伽馬測井資料結(jié)合巖屑元素錄井和伽馬能譜資料能夠判斷井眼軌跡所處層位，使用上下伽馬/伽馬成像能夠準(zhǔn)確計算地層視傾角的公式如式(1)和式(2)，在現(xiàn)場中一般兩種方法互相結(jié)合，判斷井眼軌跡上切或下切地層。

θ=arctana+2×b)×π/c×180°

(1)

式中：θ—地層視傾角，°；a—鉆頭直徑，m；b—儀器探測深度，m；c—井筒切割層界面距離，m。

α=arctan(De/ΔD)+I-90°

(2)

式中：α—地層視傾角,°；De—井徑，m；ΔD—上、下方位伽馬數(shù)值變化點之間的距離，m；I—井斜角，°。

2.井震結(jié)合地質(zhì)概念建模

區(qū)域上地質(zhì)條件、構(gòu)造背景和儲層物征及分布狀況的清楚認識和準(zhǔn)確把握，是進行水平井井眼軌跡設(shè)計和地質(zhì)導(dǎo)向的基礎(chǔ)。測井資料具有很高的縱向分辨率，但只能反映一些“點”的地層特征，橫向上難以反映出構(gòu)造變化趨勢；三維地震資料在橫向上資料點密集，具有很高的分辨率。因此，測井結(jié)合地震，利用地震資料的橫向約束，測井資料的垂向控制，建立地質(zhì)導(dǎo)向鉆前模型，構(gòu)建的鉆前地質(zhì)模型能夠比較真實的反映地下構(gòu)造狀況[13-14]。

運用已鉆井測井資料，對地層與儲層進行小層劃分，獲取地層巖性及組合特征、縱向物性特征、橫向分布特征，建立標(biāo)準(zhǔn)的地層和儲層的巖性與電性剖面。選取標(biāo)準(zhǔn)井建立地層層序模型：巖性組合、厚度、測井響應(yīng)特征序列等，用于地層的識別、對比和地層層序的確定。

地質(zhì)層位在地震反射軸上的精確標(biāo)定是連接井震結(jié)合建模的橋梁，是應(yīng)用地震資料進行構(gòu)造解釋和儲層預(yù)測的基礎(chǔ)。層位標(biāo)定首先要立足與地震波組、地質(zhì)標(biāo)志層特征一致性分析及速度分析，通過制作合成記錄進行精細標(biāo)定。井震結(jié)合建立構(gòu)造模型主要步驟為：①井間地層對比；②子波提??；③層位標(biāo)定；④層位追蹤解釋；⑤時深轉(zhuǎn)換；⑥建立構(gòu)造模型。

由構(gòu)造模型進一步建立地質(zhì)屬性模型，以地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)理論為基礎(chǔ)，利用克里金方法的插值和外推功能，求出符合地質(zhì)規(guī)律的地質(zhì)統(tǒng)計模型，來表征地質(zhì)屬性的變化規(guī)律。在昭通頁巖氣示范區(qū)水平井地質(zhì)導(dǎo)向鉆井使用的隨鉆測井曲線為自然伽馬曲線，因此建立自然伽馬屬性模型。

由構(gòu)造模型和地質(zhì)屬性模型在水平井的鉆進方向切片從而獲得目標(biāo)井鉆進方向構(gòu)造特征，目的層的埋深、厚度、自然伽馬曲線等參數(shù)，優(yōu)化設(shè)計鉆進軌跡方案。

測井結(jié)合地震在頁巖氣地質(zhì)導(dǎo)向中得到應(yīng)用的一個典型例子是以三維地震資料為基礎(chǔ)、以螞蟻追蹤技術(shù)追蹤的地震異?！拔浵侒w”為中尺度裂縫的主要指示，井震結(jié)合描述小尺度裂縫，在三維地質(zhì)建模的基礎(chǔ)上，對該區(qū)域發(fā)育的3 類尺度(大尺度、中尺度和小尺度)的斷層、天然裂縫進行多尺度裂縫系統(tǒng)表征和建模。螞蟻追蹤算法利用螞蟻覓食原理(螞蟻覓食總是重復(fù)最短路徑)，對傳統(tǒng)邊緣檢測或不連續(xù)性檢測的數(shù)據(jù)體(如地震方差體、混沌體等)進行斷裂特征增強，并壓制虛假斷裂信息。地震 “螞蟻體”異常反映了地震數(shù)據(jù)的不連續(xù)性，指示可能的中等尺度裂縫。

3.平臺已鉆井構(gòu)建鉆前地質(zhì)模型

昭通頁巖氣示范區(qū)由于構(gòu)造復(fù)雜，且斷層較發(fā)育，地震資料拾取的地層傾角往往與實鉆結(jié)果有較大差異[15-16]。平臺井可以通過本平臺已鉆井資料構(gòu)建后續(xù)井的構(gòu)造模型，相對于井震結(jié)合建立的地質(zhì)模型，因同屬于一個平臺，距離近(井間距400m)，由實鉆井資料建立的構(gòu)造模型更精確可靠。

三、實時地質(zhì)導(dǎo)向

1. 著陸導(dǎo)向

著陸導(dǎo)向的最大風(fēng)險是預(yù)測的埋深與實鉆差異較大，易出現(xiàn)難以著陸或提前著陸，造成著陸段井軌跡的復(fù)雜，產(chǎn)生這些現(xiàn)象的主要原因是實鉆過程可能鉆遇小斷層、地層傾角與地震資料解釋存在差異或者地層厚度發(fā)生變化，所有的這些變化都歸結(jié)為入靶點深度加深或者變淺。

著陸導(dǎo)向過程中采用逐步逼近方法，通過設(shè)立地質(zhì)和電性穩(wěn)定的標(biāo)志層或特征點開展精細小層對比，判斷鉆頭在地層中的位置，計算地層層位厚度變化情況，以此為依據(jù)計算出地層視傾角，分析地層及構(gòu)造異常與否，按照此方法從上至下的順序及時跟蹤，實時分析，通過全過程建模不斷優(yōu)化調(diào)整井軌跡，將井斜的控制數(shù)值分配到各個標(biāo)志層(點)，越是逼近靶體，井斜控制容許垂深誤差越小，在導(dǎo)向過程中，通過各個標(biāo)志層的對比，及時計算距離靶體頂部垂厚，逐步逼近，從而保證井眼軌跡以最優(yōu)姿態(tài)進入靶體。

2. 水平段導(dǎo)向

水平段地質(zhì)導(dǎo)向的核心是準(zhǔn)確判斷井眼軌跡處于靶體的位置以及井眼軌跡與地層的相切關(guān)系，并預(yù)測鉆頭前方地層與傾角變化趨勢，為實時決策提供依據(jù)。依據(jù)實鉆的巖屑錄井、隨鉆測井等信息實時分析與對比，解釋鉆進層位、地層傾角、軌跡狀態(tài)(上切與下切)，制定下步方案。

技術(shù)方法包括小層識別、傾角計算、構(gòu)造重構(gòu)、構(gòu)造與儲層預(yù)測。其工作流程包括“分析-判斷-計算-風(fēng)險預(yù)測-方案制定-驗證”，通過對實鉆資料與設(shè)計模型的對比分析，結(jié)合錄井、工程參數(shù)，準(zhǔn)確判斷井眼軌跡與地層的相切關(guān)系(上切或下切)，計算地層和構(gòu)造的相關(guān)參數(shù)，對鉆頭前方的構(gòu)造和儲層變化趨勢進行預(yù)測，重新建模并制定鉆進方案，通過實鉆資料檢驗和調(diào)整，實現(xiàn)水平井實時導(dǎo)向的目的。在鉆進過程中的地質(zhì)與工程風(fēng)險進行預(yù)測與分析，制定預(yù)防措施，實現(xiàn)安全、高效鉆進的目的。風(fēng)險預(yù)測包括構(gòu)造風(fēng)險、埋深風(fēng)險、垮塌風(fēng)險、井漏風(fēng)險、工具風(fēng)險等。

四、實例分析

昭通紫金壩區(qū)塊某平臺布置上半支3口井，其中，1井和2井已經(jīng)完鉆，根據(jù)1井、2井實鉆結(jié)果,沿井軌跡方向計算地層傾角，預(yù)測3井水平段地層傾角情況：著陸段較陡，傾角由大變??；水平段較平緩，前半段地層下傾14°～10.5°，中部段地層下傾9.0°～7.5°，后半段地層下傾6.0°～5.0°，水平段整體為略具小起伏構(gòu)造。另外，地震剖面上，3井設(shè)計A點相對1井設(shè)計A點深20m，相對于2井淺10m，結(jié)合1井(2 376m)、2井(2 432m)實鉆深度，預(yù)測本井A靶點垂深2 435m。

根據(jù)1井、2井實鉆及地震資料分析，在著陸段地層傾角變化較大，由于傾角的變化就會造成A靶點垂深的變化，因此難以準(zhǔn)確預(yù)測A靶點垂深，造成著陸難度增大。為了能夠順利著陸，采用分層控制井斜的方法，具體每層中井斜控制大小。 在導(dǎo)向過程中，根據(jù)實際鉆遇情況，分析地層傾角的變化情況，根據(jù)實鉆分析的地層傾角大小與預(yù)計的地層傾角差異的大小，對井斜控制的范圍作適當(dāng)調(diào)整。

本平臺箱體龍一12小層內(nèi)自然伽馬有一定起伏，特征比較明顯。軌跡控制區(qū)域:上切時軌跡至箱頂不超過自然伽馬200API對應(yīng)點以上，下切時軌跡不超過自然伽馬180API對應(yīng)位置以下，以確保軌跡在箱體中穿行。根據(jù)1井、2井實鉆結(jié)果，在箱體中距箱底2.5 ～3m范圍鉆速較慢，5～6m/h。因此在實際導(dǎo)向過程中盡量使軌跡沿箱體中上部鉆進。

在實際導(dǎo)向過程中，由于隨鉆伽馬與電測伽馬存在較大的系統(tǒng)誤差，要根據(jù)隨鉆儀器在上部地層測得的自然伽馬曲線與鄰井伽馬曲線作相關(guān)對比分析，以確定隨鉆伽馬曲線在箱體中軌跡控制區(qū)域內(nèi)伽馬值對應(yīng)的區(qū)間，水平段軌跡控制區(qū)間。

五、結(jié)論

該技術(shù)方法在昭通頁巖氣示范區(qū)多個平臺進行了推廣應(yīng)用，取得了明顯的效果。平臺第一口井控制軌跡在箱體中穿行，確保箱體鉆遇率，軌跡調(diào)整平緩、均勻以保證軌跡平滑；水平段鉆進過程中，分析軌跡在箱體中不同位置的鉆井和地質(zhì)參數(shù)，逐步篩選出可鉆性好的小層，總結(jié)軌跡控制方法；平臺后續(xù)井進一步摸索地質(zhì)情況和優(yōu)質(zhì)頁巖儲層展布規(guī)律，優(yōu)化地質(zhì)模型，提高地質(zhì)導(dǎo)向決策指令質(zhì)量，預(yù)測預(yù)判地質(zhì)復(fù)雜，降低工程風(fēng)險，確保頁巖氣優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇率和井筒完整性。

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