王 平 潘文慶 李世銀 關寶珠 熊 昶 陳 雷

（ 中國石油塔里木油田公司勘探開發(fā)研究院 ）

0 引言

水平井是提高油氣井產(chǎn)能、高效開發(fā)油氣藏的一個重要手段[1-3]。碳酸鹽巖油氣藏孔洞、洞穴及裂縫發(fā)育，儲層非均質性強，水平井可鉆探多條裂縫或多個縫洞系統(tǒng)增加井筒接觸面積和提高儲層鉆遇率，達到提產(chǎn)增效。前人對水平段的垂向位置、長度、方位等優(yōu)化，井壁穩(wěn)定性及后期改造增產(chǎn)等進行了大量研究[4-10]，認為應在精細構造解釋和油藏描述的基礎上，綜合考慮油水界面、隔夾層分布、鉆井工藝和經(jīng)濟效益等多因素，采用數(shù)值模擬技術確定最優(yōu)垂向位置和最佳長度。水平井井眼軌跡方向應與最大水平主應力呈一定夾角，避免沿著中間水平主應力方向，且不同地應力類型對水平井軌跡的井斜角、井眼方位角優(yōu)化設計具有很大影響。通過曲線擬合水平位移和儲層界面垂深，建立儲層界面預測模型，可以適用于構造變化比較大的地層中的水平井地質導向[11]。以波阻抗反演數(shù)據(jù)體為基礎，建立三維地應力模型，進而在三維空間上對水平井井眼軌跡進行優(yōu)化，可以兼顧井壁穩(wěn)定性和后期儲層改造[12]。但縫洞型碳酸鹽巖儲層連續(xù)性差且天然裂縫發(fā)育，對水平井靶點的儲層頂面應力場預測、裂縫多尺度預測等方面的研究相對不夠。

塔中碳酸鹽巖儲層具有埋藏深、儲集體規(guī)模小且分散等特征，適宜水平井開發(fā)[5，10]。本文在認識儲層發(fā)育規(guī)律和儲層地應力特征的基礎上，根據(jù)塔中地區(qū)近幾年實鉆水平井的情況，總結了3項碳酸鹽巖儲層水平井軌跡優(yōu)化技術，并應用于塔中地區(qū)某井區(qū)水平井的軌跡優(yōu)化設計。

1 地質背景

塔中凝析氣田為超埋深（5000～7000m）復雜大型碳酸鹽巖油氣田，油氣藏主要分布在塔中I號破折帶及其以南的塔中北斜坡，主要開發(fā)層系為奧陶系良里塔格組、一間房組和鷹山組[13-15]。東部試驗區(qū)良里塔格組發(fā)育礁灘體，發(fā)育粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔和晶間溶孔，儲層類型主要為孔洞型和裂縫—孔洞型[16-18]；儲層在地震剖面上主要表現(xiàn)為弱的小串珠或強波谷中夾一弱波峰的響應特征，宏觀上呈不規(guī)則的長條帶狀分布。東部試驗區(qū)試采證實，此類儲層利用直井開發(fā)多為中低產(chǎn)井；水平井由于可以溝通多個縫洞系統(tǒng)提高單井控制儲量，且水體能量弱，多數(shù)為中高產(chǎn)井[3]。中西部一間房組、鷹山組發(fā)育層間巖溶儲層，以大型縫洞儲集空間為主，洞穴型、裂縫—孔洞型、裂縫型儲層均有不同程度發(fā)育[19-20]。針對此類儲層水平井鉆進中，易鉆遇大型溶洞和裂縫發(fā)生嚴重工程異常難以繼續(xù)鉆進的難題，提出了“穿頭皮”的軌跡優(yōu)化思路，即水平段與縫洞的垂向距離控制在10～20m，以防止發(fā)生井漏，又能保證完井酸化后溝通縫洞，取得了較好的開發(fā)效果[5]。

2 水平井軌跡優(yōu)化技術

在水平井靶點確定的前提下，如何進行水平井軌跡的優(yōu)化是水平井設計的關鍵工作。碳酸鹽巖儲層水平井軌跡優(yōu)化有3個基本原則：一是使水平井鉆遇更多的有效裂縫，以溝通更多的儲集空間和利于后期儲層改造；二是最大限度滿足鉆進中井眼穩(wěn)定要求；三是保證井管匯順暢，為分段改造完井一體化管柱施工提供有利井眼條件。因此，水平井軌跡優(yōu)化的關鍵在于確定區(qū)域應力場分布和裂縫發(fā)育程度。

2.1 儲層鉆遇率綜合評價技術

水平井較直井的最大優(yōu)點是儲層鉆遇率高，因此，明確儲層發(fā)育的空間位置是水平井軌跡設計的重點研究內(nèi)容。縫洞體內(nèi)部呈現(xiàn)多套儲層縱向分布特征，具有明顯的縱向非均質性。塔中地區(qū)奧陶系目的層有利地震相多數(shù)表現(xiàn)為“一谷加一峰”的響應特征，儲層的發(fā)育位置與波峰、波谷的振幅強弱相關：串珠狀地震相總能量越強，波峰和波谷振幅的比值越大，儲層越發(fā)育；波峰和波谷能量都很強時，對應的儲層也很發(fā)育，故利用峰谷能量指數(shù)可以預測儲層縱向發(fā)育位置[21]。

再結合靶點的平面分布，可以設計水平井軌跡。油田現(xiàn)場往往根據(jù)經(jīng)驗選取有利的儲層組合，沒有量的概念。針對此問題，提出水平井地震儲層鉆遇指數(shù)H的概念，即鉆遇多個有效串珠長度占水平段長度的百分數(shù)，其與串珠的峰谷能量指數(shù)、串珠長度有關，見公式（1）、公式（2）[21]。

式中 H——水平井地震儲層鉆遇指數(shù)；

L——水平段長度；

N——水平井鉆遇串珠個數(shù)；

Rn——第n個串珠的峰谷能量指數(shù)；

Ln——第n個串珠長度；

Pn——第n個串珠波峰振幅值；

Tn——第n個串珠波谷振幅值。

在靶點周圍選取多個水平井軌跡，即在儲層發(fā)育區(qū)結合均方根振幅屬性、地震相及縫洞雕刻，根據(jù)儲層組合選取若干個水平井軌跡。在此基礎上，計算水平井地震儲層鉆遇指數(shù)，定量評價每個水平井軌跡的綜合儲層鉆遇率。

2.2 儲層頂面應力場預測技術

水平井軌跡設計考慮的另一個主要因素是現(xiàn)今主應力方向，鉆井工程和儲層改造要求設計的水平井軌跡方位與主應力方向有較大的夾角，需要準確預測主應力的方向，以設計更有利的水平井軌跡。

地殼中或地球體內(nèi)的應力狀態(tài)隨空間點的變化，稱為應力場。應力場預測從構造力學出發(fā)，利用地層的構造面、縱橫波速度、密度等，反演出地層的應力場，包括地層面的曲率張量、變形張量和應力場張量，從而得到主曲率、主應變和主應力。碳酸鹽巖儲層頂面應力場預測主要是預測儲層頂面的主應力方向和強度。根據(jù)前人的正演模型結果[21-24]，串珠狀地震相儲層頂界對應于零相位之上，隨著縫洞體高度的增加，儲層頂部逐漸向最大波谷靠近，最終位于最大波谷處。因此，儲層頂?shù)木殬硕ㄝ^為關鍵。

先以儲層頂界作為控制層位，利用較為準確的斷裂信息、速度信息進行構造應力場分析，得到儲層頂面的主應力方向和強度。在此基礎上，選取盲井對校正效果進行驗證，改進預測精度。本次儲層應力場預測技術是利用疊前地震彈性參數(shù)反演方法構建精細的力學模型，疊合巖性、地震層位、斷裂、厚度等信息，使應力場數(shù)值模擬更加合理，模擬結果的準確率大大提高（圖1）。

圖1 儲層頂面應力場預測流程Fig.1 Prediction process of reservoir top stress field

2.3 疊前疊后裂縫預測技術

水平井軌跡設計還需要考慮裂縫因素。裂縫是碳酸鹽巖油氣的儲集空間和流動通道，地下裂縫的識別與預測對碳酸鹽巖油氣勘探具有重要的實踐價值。大斷裂控制整個裂縫發(fā)育帶，派生的小斷裂控制縫洞系統(tǒng)。斷裂（裂縫）級別各不相同，必須針對不同級別的裂縫，選取相應的資料和預測方法。利用高精度三維地震資料，采用疊前疊后裂縫預測技術可以預測不同尺度的裂縫。

基于疊后地震數(shù)據(jù)，采用與地震相干技術相關的預測技術，可以進行大尺度裂縫的預測和對比分析[25]。傾角邊緣裂縫檢測、螞蟻追蹤和曲率體等技術的預測結果能夠定性識別出大尺度裂縫。結合地質認識和斷裂發(fā)育特征，通過多屬性對比分析和約束控制優(yōu)選的預測結果，就能夠定量識別出大尺度裂縫。小尺度裂縫的預測則需要利用分方位疊前地震數(shù)據(jù)進行研究。利用地震資料疊前道集方位各向異性特征開展高精度的疊前裂縫預測，既能預測出裂縫密度，也能預測出裂縫的方位和走向[26]，對裂縫帶的分布規(guī)律刻畫更為清晰，預測出的裂縫分布特征相對疊后裂縫預測更為精細，在塔中地區(qū)的應用取得了較好的效果。

3 水平井軌跡優(yōu)化實例

綜合應用以上3項技術，以Z16-H3井為例，優(yōu)化設計水平井軌跡。Z16-H3井是塔中西部中古15井區(qū)中古16斷裂帶上的一口水平井，處于古地貌高部位，井周發(fā)育多個優(yōu)勢地震相。如何有效優(yōu)化設計水平井軌跡是開發(fā)中古16斷裂帶的關鍵，而靶點平面組合和靶點垂向優(yōu)化是水平井軌跡優(yōu)化的兩項主要工作。

3.1 靶點平面組合

為達到綜合評價的目的，首先對中古16斷裂帶附近的多個儲集體進行篩選，剔除位置相對偏低的儲集體，對篩選出的儲集體的振幅、體積進行統(tǒng)計，并計算地震儲層鉆遇指數(shù)，優(yōu)選了4個靶點A、B、C及L（圖2a）。然后根據(jù)不同儲層組合設計出3個水平井軌跡①、②及③（圖2b—d），并進行水平井軌跡的綜合評價。3個水平井軌跡的地震儲層鉆遇指數(shù)分別為6230、5240和7140。最后，結合裂縫、地應力預測，驗證水平井軌跡是否合適。由圖3a—c可見，軌跡③天然裂縫最為發(fā)育；天然裂縫力學預測模型（圖3d）顯示，最大水平主應力方向為北偏西85°，設計井底方位上具有潛在力學活動性的天然裂縫較發(fā)育。因此，優(yōu)選水平井軌跡③。

圖2 不同靶向地震剖面及地震相平面分布Fig.2 Targeted seismic sections and seismic facies distribution

圖3 多方法裂縫預測及主應力預測Fig.3 Multi-method fracture prediction and principal stress prediction

3.2 靶點垂向優(yōu)化

在單井地震剖面調(diào)協(xié)響應分析的基礎上，通過對地質異常體15Hz、18Hz、20Hz、22Hz及 25Hz等5個頻率段的最大熵分頻處理，發(fā)現(xiàn)A靶點波峰、波谷能量拐點在22Hz，波峰波谷儲層均發(fā)育；B靶點波谷能量拐點為20Hz，儲層主要發(fā)育在波谷；L靶點波谷能量拐點在18Hz，儲層主要發(fā)育在波谷（圖4）。據(jù)此完成該井水平軌跡設計：軌跡方向為近北北東向，井深7605m，水平段長894m（圖2d）。Z16-H3水平井軌跡穿越地震強反射及羽狀破碎帶，且附近裂縫發(fā)育，將鉆遇3套儲層，其中A靶點儲層最為發(fā)育。由于鄰井均在目的層鉆遇優(yōu)質儲層并獲得高產(chǎn)，預測Z16-H3井將獲高產(chǎn)。

圖4 Z16-H3井鉆遇儲層分頻能量變化趨勢Fig.4 Trend of frequency-based energy in the reservoir in Well Z16-H3

3.3 鉆探實施效果

Z16-H3井完鉆井底垂深6252m，水平段長度為973m，有效儲層鉆遇率為30.3%，酸壓投產(chǎn)，4mm油嘴，油壓42MPa，日產(chǎn)油78t，日產(chǎn)氣5×104m3。

利用水平井軌跡優(yōu)化技術，尤其是儲層頂面應力場預測技術和裂縫預測技術，塔中西部完成了30余口水平井軌跡優(yōu)化工作，水平井段完成井占比由58%提高至75%，達到水平段設計長度的完鉆井占比由55%提高至70%；近3年，平均有效儲層鉆遇率為35%，水平井平均初期日產(chǎn)油50t，日產(chǎn)氣6×104m3。

4 結論及建議

（1）通過優(yōu)選靶點，計算地震儲層鉆遇指數(shù)，指導水平井軌跡優(yōu)化設計的方位和縱向位置，提高了塔中地區(qū)碳酸鹽巖儲層水平井軌跡優(yōu)化設計的精度，水平井段完成井占比由提高至75%，水平井鉆井成功率85%以上，平均儲層鉆遇率為46.5%，實現(xiàn)了塔中氣田有效開發(fā)。

（2）采用疊前地震彈性參數(shù)反演方法構建精細的非均質力學模型，利用速度場資料預測儲層段應力場的主應力方向和強度，提高了碳酸鹽巖儲層頂面的地應力建模精度。

（3）疊前疊后裂縫預測技術可以識別不同級別的裂縫。疊前裂縫預測技術是裂縫預測的主要趨勢，但其對地震資料的質量要求高，建議加強高密度、寬方位地震資料的采集與處理，為井位部署、連通性分析和水平井軌跡設計奠定基礎。