趙宏波,季 偉,王 沖,李興寶,陳國飛

(中國石油長慶油田分公司第二采氣廠，陜西西安 710021)

榆林氣田位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東部，主要目的層為山西組山2段，屬于特低孔隙度特低滲透率致密型砂巖氣藏[1]，雖然儲量豐富，但由于低孔隙度、低滲透率導致單井產量低，開發(fā)難度較大[2-3]?，F(xiàn)場開發(fā)實踐表明，水平井能夠增大低孔隙度低滲透率油氣藏的泄油氣面積、提高單井采收率[4-5]。榆林氣田山西組山2段砂體以水平井開發(fā)為主，為了提高儲層鉆遇率，普遍采用了地質導向技術。目前，水平井地質導向面臨的主要問題是如何精確預測油砂體頂界的深度并指導井眼軌跡準確入窗和在砂體中穿行，避免入窗失敗或水平段在鉆進中偏離砂體。對于這個問題，前人已經有不少研究，主要集中在設計階段利用地震、測井等資料建立地質模型，預測目的層海拔、砂體厚度并完成地質設計；鉆井階段利用隨鉆測井識別巖性、測量井斜角和方位角并計算垂深，嚴格按照設計入窗，完成水平段鉆進[6-9]。但由于采用測井資料難以精確預測砂體頂界海拔和頂部單砂體是否尖滅，利用地震資料難以準確識別水平段單砂體數(shù)目、界面、展布特征及其頂部是否存在泥質沉積物，造斜工具誤差等原因[9]，導致入窗準確率和儲層鉆遇率低。

為此，筆者以現(xiàn)場錄井資料和卡準標志層為基礎，研究形成了標志層法水平井入窗導向技術；將現(xiàn)場錄井資料與目的層砂體沉積序列信息結合，形成了沉積旋回法水平段穿行導向技術。該技術在YuH1井和YuH2井進行了試驗，未進行側鉆，砂巖鉆遇率分別達到了98.2%和95.6%。

1 山23砂體地質導向難點

山2段是一套辮狀河三角洲平原水上和水下分流河道、天然堤、決口扇、分流間灣或分流間灣沼澤、洪泛平原等微相形成的碎屑巖組合地層[10]，其中山23砂體是主要目的層。采用水平井開發(fā)時，水平井造斜點到第一靶點的垂直距離與靶前距的大小相當，優(yōu)點是根據(jù)靶前距可以確定造斜點，便于水平井準確入窗；缺點是在布井前需要準確知道目的層深度并提前造斜。榆林氣田山23砂體水平井地質導向主要存在以下難點：

1) 因水平井造斜點到著陸點的垂直距離與靶前距的大小相當[11]，故在造斜前必須比較準確地預測目的層深度并選擇造斜點，指導井眼以理想的井斜角進入砂體。但榆林氣田井網間距大，地震資料少，依據(jù)地震和測井資料很難精確預測目的層海拔和實現(xiàn)井眼以理想的井斜角進入砂體的目的。

2) 由于鉆具丈量長度、地面實測海拔、實測井斜角、造斜工具和計算方法等均存在誤差，導致井深及對應垂深存在誤差，使得井眼很難以理想的井斜角進入砂體。

3) 山23砂體是由多個三角洲平原水上或水下分流河道、天然堤、決口扇單砂體在垂向上疊置或切割、側向上遷移形成的巨厚復合砂體，單砂體尖滅或頂部局部發(fā)育泥質沉積比較普遍[8，10，12]，依據(jù)僅有的測井資料難以精確預測水平井入窗點砂體海拔、砂體是否尖滅或單砂體數(shù)目、界面、展布特征等，導致水平井入窗失敗或水平段偏離了目的層。

2 地質導向關鍵技術

為了提高水平井儲層鉆遇率，進行了水平井地質導向關鍵技術研究，主要包括水平井鉆探區(qū)域選擇、水平井入窗導向和水平段穿行導向等關鍵技術。

2.1 水平井鉆探區(qū)域選擇

一般情況下，適合鉆探水平井的區(qū)塊，其目的層砂體必須在橫向上穩(wěn)定存在且構造平緩，縱向上厚度較大且穩(wěn)定。榆林氣田山西組山23砂體屬于巖性油氣藏[13]，呈近南北向展布，厚度為10.00～35.00 m，寬度為5.0～30.0 km，無斷層,構造穩(wěn)定而平緩；巖性以石英砂巖為主，巖屑砂巖次之，儲層孔隙度集中分布于4.0%～8.0%，平均為5.3%；滲透率集中分布于0.10～0.50 mD，平均為0.25 mD；儲量豐度為0.72×108m3/km2[14-15]。由于砂體厚、物性好，構造穩(wěn)定而平緩，儲量豐富，適合鉆探水平井。

由于研究區(qū)以水平井開發(fā)為主，井距較大，依據(jù)地震資料和有限的測井資料建立的地質模型難以精確預測目的層頂界海拔，因此設計時建議增大靶前距和合理上提造斜點，并采用大曲率半徑的“直—增—穩(wěn)—增—穩(wěn)—增—水平”七段制井眼軌道，以便在第一個穩(wěn)斜段調整造斜率誤差，在第二個造斜段調整由于丈量鉆具長度、實測地面海拔、實測井斜角和模型預測不準確引起的目的層頂界誤差。

2.2 標志層法水平井入窗導向技術

2.2.1 標志層選取

鄂爾多斯盆地早石炭紀以沖積-三角洲沉積體系為主,進積、退積和加積作用控制著盆地充填物的發(fā)育,形成不同類型和規(guī)模的含有煤系地層的沉積層序[16-17]；山西期，盆地在晚古生代海侵已經急劇萎縮的背景下，發(fā)生了多次小規(guī)模的海侵[18-20]，形成了多個不同級次的洪泛面，其中，最大洪泛面是海侵結束和海退開始的轉換面，最大洪泛期海(湖)平面與地表接近一致，并在較長時期內緩慢持續(xù)上升，大面積發(fā)育分流間灣和洪泛平原沼澤，形成區(qū)域性穩(wěn)定分布的煤系地層，是劃分層序的重要標志層[19]。榆林氣田山西組山2段屬于三角洲平原-三角洲前緣亞相沉積[10]，由2個長期旋回(LSC1、LSC2)、3個中期旋回(MSC1、MSC2和MSC3)和8個短期沉積旋回(SSC1—SSC8)組成[18，20]，并發(fā)育多套煤系地層(見圖1)。其中，1號煤層(即山21頂煤)位于山21頂部和LSC2上部，在研究區(qū)南部和北部主河道側翼穩(wěn)定存在，是劃分山1段與山2段的主要標志層，2號煤層(即山22頂煤)和4號煤層(即山23頂煤)分別位于中期旋回MSC2、MSC1上部和山22、山23頂部，并在研究區(qū)穩(wěn)定存在，是劃分山21和山22、山22和山23的主要標志層；3號煤層位于山22中部，在研究區(qū)中部和南部穩(wěn)定存在，是識別短期旋回SSC5的主要依據(jù)；5號、6號和7號煤層均位于山23內部，是識別短期旋回SSC3、SSC2和SSC1的依據(jù)。

圖1 榆林氣田山2段層序地層對比剖面Fig.1 The sequence stratigraphic correlation profile of Shan 2 member in the Yulin Gas Field

2.2.2 入窗導向方法

榆林氣田主要標志層有山21頂煤、山22頂煤和山23頂煤，其普遍色黑、性脆、易燃，鉆時快，氣測值高，自然伽馬值低或中等，聲波時差高，電阻率高，密度低，井徑大，深感應高幅度正異常，容易識別。這3套煤層頂界在主河道部位距山23砂體頂界厚度普遍穩(wěn)定，其中山21頂煤距山23砂頂普遍小于50.00 m，主要集中在42.00～45.00 m(見圖2(a))；山22頂煤距山23砂頂普遍小于30.00 m，主要集中在22.00～25.00 m(見圖2(b))；山23頂煤距山23砂頂主要集中在2.00～5.00 m(見圖2(c))。

圖2 榆林氣田山2煤層距山23砂頂?shù)群駡DFig.2 The isopachous map of Shan 2 coalbed to the top boundary of Shan 23 sub-member in the Yulin Gas Field

從圖2可以看出，山21、山22和山23頂煤穩(wěn)定存在，容易識別且距離山23砂體頂界的距離比較穩(wěn)定，可以作為標志層來精確預測著陸點氣層頂界海拔并及時調整井眼軌跡。具體步驟如下：

1) 收集鄰井資料，計算出鄰井山21、山22和山23頂煤距山23砂體頂界的距離，用內差法預測以上3個煤層頂界距水平井砂體頂界距離ΔH1，ΔH2和ΔH3。

2) 卡準山21頂煤位置并計算出頂界對應垂深H1，第一次預測山23砂體頂界垂深Hy1，計算公式為：

Hy1=H1+ΔH1+Lsinα

(1)

式中：α為沿井眼軌跡方向山23砂體頂界視地層傾角，(°)；L為鉆遇的山21頂煤到著陸點水平距離，地層上傾取“-”值，下傾取“+”值,m。

3) 卡準山22頂煤位置并計算出頂界對應垂深H2，第二次預測山23砂體頂界垂深Hy2，預測方法同Hy1。

4) 卡準山23頂煤位置并計算出頂界對應垂深H3，第三次預測山23砂體頂界垂深Hy3，預測方法同Hy1。

通過以上方法依次卡準山21、山22和山23頂煤深度并預測山23砂體頂界垂深，隨著依次鉆達3個標志層，砂體頂界垂深預測越來越準確。但是，生產實踐中發(fā)現(xiàn)個別水平井與鄰井山23目的層頂部單砂體對應的砂體尖滅，使得預測砂體頂界誤差較大。

榆林氣田山西組單砂體厚度為2.00～8.00 m，主河道砂體厚度在10.00 m以上[8]，如果砂體頂部單砂體尖滅，可以通過調整井斜角引導水平井順利入窗。具體方法是：若井眼軌跡與山23砂體頂界間的夾角減小至3°～6°時還沒有發(fā)現(xiàn)砂體，不要繼續(xù)增大井斜角，保持復合鉆進直至發(fā)現(xiàn)砂體；夾角依次為3°，4°，5°和6°時，復合鉆進10.00 m,依據(jù)正弦函數(shù)計算可知，垂深依次下調0.52，0.70，0.87和1.05 m。探到氣頂之后，及時采用滑動鉆進調整增大井斜角，如果調整前二者夾角為5.0°，單彎螺桿夾角為1.5°，用該區(qū)塊造斜率修正系數(shù)0.75對幾何造斜率計算結果進行修正，結果發(fā)現(xiàn)，滑動鉆進約20.00 m后，可以將二者夾角調整到0°，依據(jù)正弦函數(shù)計算可知，鉆頭與含氣砂體頂界之間距離不超過1.00 m，井眼軌跡仍然在砂體上部[21]。

只有卡準砂體頂界之后，才能在水平段鉆進前重新準確預測砂體展布和調整井眼軌跡。鉆頭鉆進砂體之后鉆時變快、氣測值升高、隨鉆自然伽馬值降低，巖屑中砂巖顆粒比例升高，現(xiàn)場可以根據(jù)這些特征卡準砂體頂界。

標志層法水平井入窗導向技術與目前所用的導向技術的主要區(qū)別是：該技術充分利用了隨鉆標志層資料及時預測目的層井深并及時調整設計，降低了水平井入窗失敗的概率；而目前所用的導向技術只能按照設計預測的目的層深度來調整井眼軌跡，一旦設計預測不準，則水平井入窗失敗的概率大增。

2.3 沉積旋回法水平段穿行導向技術

沉積旋回是指在垂直地層剖面上,若干相似巖性、巖相的巖石,在粒度、顏色、結構等方面的特征有規(guī)律地周期性重復出現(xiàn)的現(xiàn)象。利用砂巖沉積韻律變化特征，結合現(xiàn)場錄井所撈取的水平段砂巖粒度等變化特征，指導水平段在砂巖中穿行的技術就是沉積旋回法水平段穿行導向技術。

2.3.1 山23砂體沉積旋回特征

山23砂體沉積早—中期，研究區(qū)內發(fā)育近NS向展布的三角洲平原水上-水下分流河道，分流河道兩側為天然堤、決口扇、分流間洼地、洪泛平原微相沉積[10]，有利儲集砂體主要為分流河道砂體和心灘。物源供給充沛，三角洲平原和前緣分流河道砂體垂向上由多個水上-水下分流河道單砂體疊加而成。疊加方式包括2種類型：一種是早期河道砂體上的分流間洼地、洪泛平原微相的泥質和煤系地層被后期河流截削、沖刷或剝蝕掉，使得后期河道砂體直接疊置在早期河道砂體之上，砂體在垂向上表現(xiàn)為多個正韻律單砂體直接疊置，單砂體間無泥質隔(夾)層，單砂體對應的自然伽馬曲線呈鐘狀(見圖3(a))；另一種是早期河道砂體上的分流間洼地、洪泛平原微相的泥質或煤系地層未被或部分被后期河流截削、沖刷、剝蝕，垂向上表現(xiàn)為多個正韻律砂體間存在分流間灣泥或洪泛平原煤層隔(夾)層(見圖3(b))。砂體在橫向上遷移頻繁，側向上疊置河道砂體之間也常形成泥、粉砂質隔層。

2.3.2 水平段穿行導向方法

水平段鉆井的核心是保證井眼軌跡在高滲透率、高孔隙度油氣層內部穿行，且不能進入水層。

圖3 榆林氣田山23砂體沉積韻律組合Fig.3 The sedimentary rhythm combination of the Shan 23 sub-member in the Yulin Gas Field

由于沉積作用決定了沉積物初始孔隙度和滲透率,其對巖石的最終孔隙度和滲透率產生影響[22]。榆林氣田山23砂體在縱向上由多個水上-水下分流河道單砂體疊加而成，垂向上表現(xiàn)為多個正韻律單砂體疊加；對于每一個正韻律結構，砂巖的初始孔隙度和滲透率表現(xiàn)為從下部到上部逐漸減小[23]；對于整個砂體來說，由于沉積物埋藏過程中遭受淋濾作用[24]，使得大氣水攜帶砂體上覆泥巖中的部分泥質進入砂體，在砂巖篩析作用下，隨著大氣水流動路徑加長而淋濾能量降低[25]，同一砂體頂部保存的外來泥質含量相對較高，砂體頂部孔隙度和滲透率相對較低。

研究發(fā)現(xiàn)，山23砂體底部1.00～4.00 m石英砂巖膠結物中硅質含量較高，其產狀有次生石英加大型、微粒櫛殼型、孔隙充填型、自生石英微粒及隱晶孔隙型等，使得砂巖底部孔隙度和滲透率也較小。

山23砂體氣水同產，平均液氣比3.34×10-5m3/m3，比用液氣比法和相態(tài)分析法計算的氣井產凝析水上限大0.048～0.064 m3/m3，證明其屬于地層水和凝析水。氣藏產水量少，氣水分異不明顯，無明顯的邊水和底水。

綜合以上研究可知，榆林氣田山23砂體頂部、底部的孔隙度、滲透率較低，且無邊水和底水，故水平段井眼軌跡在砂體中部或中上部穿行較好。

由于榆林氣田山23砂體垂向上由多個正韻律單砂體疊置而成，每個單砂體內部砂巖粒度從下到上逐漸變細，在水平段鉆進過程中，如果發(fā)現(xiàn)巖屑粒度由細逐漸變粗，然后突然變細，同時隨鉆自然伽馬曲線值由大逐漸變小，然后快速增大，說明井眼軌跡從上到下穿過了上部單砂體并進入了下部單砂體的上部；如果發(fā)現(xiàn)巖屑粒度由粗逐漸變細，然后快速變粗，同時隨鉆自然伽馬曲線值由小逐漸增大，然后快速變小，說明井眼軌跡從下到上穿過了下部單砂體并進入了上部單砂體的下部；如果砂巖粒度基本不變，說明井眼在同一單砂體的同一部位穿行。根據(jù)該規(guī)律和鉆時、氣測值等，結合鄰井測井資料，能夠準確判斷鉆頭在砂體中的穿行部位。

現(xiàn)在普遍應用的水平段穿行技術的核心是：如果鉆頭在水平段砂巖中穿行，嚴格按設計方案進行；如果鉆頭偏離砂巖而進入了泥巖，需要及時進行調整，否則不僅砂巖鉆遇率較低，而且鉆井施工風險較大。沉積旋回法水平段穿行導向技術充分利用了水平段所鉆遇砂巖的粒度變化特征，結合了區(qū)域砂巖段韻律變化特征，可以提前預測鉆頭在砂體的位置并及時調整設計，降低了前者問題的發(fā)生概率。

3 現(xiàn)場應用

截至目前，榆林氣田山23砂體共完鉆59口水平井，由于井網間距大，資料較少，早期嚴格按照設計深度入窗和在水平段鉆進的57口井中，僅有32口井入窗時無側鉆，一次入窗成功率54.2%，15口井在水平段無側鉆，僅占總井數(shù)的35.6%，水平段砂層鉆遇率75%～85%。為此，在YuH1井和YuH2井試驗應用了標志層法和沉積旋回法水平井導向技術。實鉆結果表明，2口井均未側鉆，儲層鉆遇率分別為98.2%和95.6%。下面以YuH1井為例，分析標志層法和沉積旋回法水平井導向技術的應用效果。

3.1 標志層法水平井入窗導向技術應用效果

YuH1井位于榆林氣田東南部，目的層為山23砂體，井口海拔1 143.15 m，設計水平段長2 200.00 m，實際水平段長2 200.00 m，完鉆井深5 380.00 m。研究區(qū)無地震資料，依據(jù)測井資料預測YuH1井山23砂體由4個單砂體構成，總厚度大于25.00 m，砂頂海拔-1 638.00 m(垂深2 781.15 m)，其中1#單砂體厚6.50 m。設計第一靶點海拔-1 643.00 m(垂深2 786.15 m),距離1#砂頂5.00 m，鉆達第一靶點后保持井斜角89.2°在1#單砂體中穿行1 200.00 m；之后保持同樣井斜角在2#單砂體中穿行1 000.00 m(見圖4)。

圖4 YuH1井井眼軌跡Fig.4 The wellbore trajectory of the Well YuH1

該井按照設計從井深2 250.00 m開始造斜，井深2 858.00 m(垂深2 737.10 m，位移409.25 m，井斜角60.57°)處鉆遇山21頂煤(見圖4)。由圖2(a)知，山21頂煤距山23砂頂約42.00 m，推斷山23砂頂垂深約2 779.10 m。鑒于預測海拔比設計升高2.00 m，故第一次調整設計，將第一靶點垂深調整為2 784.10 m。

井深2 940.00 m(垂深2 767.33 m，位移450.41 m，井斜角74.16°)處鉆遇山22頂煤(見圖4)。由圖2(b)知，山22頂煤距山23砂頂約12.00 m，預測山23砂頂垂深約為2 779.33 m，與上次預測基本相同。

井深2 969.00 m(垂深2 774.10 m，位移467.53 m，井斜角80.18°)處鉆遇山23頂煤(見圖4)。由圖2(c)可知，山23頂煤距山23砂頂約5.00 m，預測山23砂頂垂深約為2 779.10 m，與前2次預測基本相同。

因水下分流河道砂體側向遷移頻繁，砂體尖滅現(xiàn)象普遍，井深3 000.00 m(垂深2 777.80 m，位移487.17 m，井斜角85.0°)以深保持穩(wěn)斜鉆進，防止1#單砂體尖滅時繼續(xù)增大井斜導致入窗失敗。穩(wěn)斜鉆進至預測垂深2 779.10 m時未發(fā)現(xiàn)目的層，鉆進至井深3 163.00 m(垂深2 786.81 m，位移618.40 m)時鉆時變快，氣測全烴值升高，隨鉆自然伽馬值降低，巖屑為灰白色石英細砂巖，判斷進入山23砂體(見圖4)。

計算可知，實際砂體頂界垂深比預測值降低7.71 m，對比發(fā)現(xiàn)1#單砂體尖滅。由于其尖滅，山23砂體實際厚度比預測的薄，為了避免井眼從砂體底部穿出，及時將鉆井方式由復合鉆進調整為滑動鉆進以增大井斜角，在井深3 200.00 m處井斜角增大為89.2°，并保持該井斜角鉆進。

3.2 沉積旋回法水平段穿行導向技術應用效果

由于YuH1井1#單砂體尖滅，水平段于井深3 163.00 m處進入2#單砂體，與Yu32-15井對比可知，該點附近2#單砂體頂界接近水平，考慮下部還有含氣單砂體，水平段保持89.2°鉆進。3 163.00 ～3 611.00 m井段鉆進過程中氣測全烴值較高且相對穩(wěn)定，自然伽馬值低且相對穩(wěn)定，砂巖粒度由細逐漸變粗(見圖4)，說明井眼從2#單砂體頂部向底部穿行。

從井深3 741.00 m(垂深2 790.77 m，位移1 119.58 m)開始，氣測值略有下降，自然伽馬值增大(泥質含量增加)，巖屑由原來的粗砂巖變?yōu)榧毶皫r，說明井眼進入了3#單砂體(見圖4)。由于鉆頭仍然在氣層中穿行，故未調整井斜角。3 741.00～4 221.00 m井段鉆進過程中，氣測全烴值較高且相對穩(wěn)定，自然伽馬值低且相對穩(wěn)定，砂巖粒度由細逐漸變粗，說明井眼軌跡從3#單砂體頂部向底部穿行(見圖4)。

從井深4 221.00 m(垂深2 791.30 m，位移1 582.71 m)開始，氣測值明顯下降，自然伽馬值增大，巖屑由粗砂巖變?yōu)榛液谏鄮r，說明井眼軌跡進入3#、4#單砂體之間的泥巖隔層(見圖4)?？紤]該泥巖隔層較厚，將井斜角調整到了87.0°；從井深4 261.00 m(對應垂深2 791.70 m，位移1 621.80 m)開始，氣測值升高，自然伽馬值減小，巖屑由泥巖變?yōu)榛野咨毶皫r，說明井眼鉆穿了泥巖隔層。根據(jù)泥巖頂?shù)捉绾０?、厚度、穿行距離及穿行時的井斜角推算，泥巖地層傾角為89.4°～89.9°。考慮4#單砂體較厚，故穿透泥巖隔層之后，將井斜角調整為89.2°，并根據(jù)砂巖粒度的變化隨時調整井斜角。從井深4 261.00 m開始到井深5 380.00 m完鉆之前井段氣測全烴值較高且相對穩(wěn)定，自然伽馬值低且相對穩(wěn)定，砂巖粒度由細逐漸變粗，說明井眼軌跡從4#單砂體頂部向底部穿行但未偏離氣層(見圖4)，故在該井段鉆進過程中沒有調整井斜角。

4 結論與建議

1) 榆林氣田山西組山21、山22和山23砂體頂界普遍發(fā)育穩(wěn)定的煤系地層，山23砂體由多個正韻律單砂體疊置而成；將以上煤系地層作為標志層，能夠精確預測砂頂垂深并指導水平井準確入窗，將水平段砂巖粒度、自然伽馬值和山23砂體沉積韻律特征結合，能夠判斷鉆頭在砂體哪個部位穿行，并及時調整井眼軌跡，確保水平段在砂體中穿行。

2) 標志層法和沉積旋回法水平井導向技術主要依據(jù)鉆時、氣測值、隨鉆自然伽馬、隨鉆巖性和鄰井資料，減少了鉆具長度、地面海拔、井斜角、造斜工具、計算方法等的誤差和目的層預測深度誤差對水平井地質導向的影響，效果較好，值得推廣。

3) 大位移長水平段水平井鉆井后期，大多數(shù)砂巖顆粒經過長時間長距離的研磨被磨成粉末，難以反映砂巖的原始粒度，導向難度較大。

4) 建議水平井水平段鉆進時隨鉆自然伽馬測井儀器盡量靠近鉆頭，及時獲得自然伽馬測井數(shù)值，以便根據(jù)自然伽馬值判斷井眼在單砂體中的位置并指導水平井導向。