闞洪閣, 薛 杰, 羅騰躍, 張 昆, 杜奎甫,朱 明, 俞天軍, 陳 剛

(1. 斯倫貝謝長和油田工程有限公司, 西安 710016; 2. 陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院, 西安 710075;3. 西南石油大學 地球科學與技術學院, 成都 610500; 4. 西南石油大學 油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室,成都 610500; 5. 中國地質大學(武漢) 構造與油氣資源教育部重點實驗室, 武漢 430074;6. 斯倫貝謝中國公司, 北京 100015; 7. 延長石油集團油氣勘探公司, 陜西 延安 716000)

0 引言

延113—延133井區(qū)位于鄂爾多斯盆地南部，延安市寶塔區(qū)以北，整體面積2 341 km2。二疊系山西組二段三亞段(山23)致密砂巖儲層水平井多級壓裂是井區(qū)主要開發(fā)方式。山23儲層是鄂爾多斯盆地的主力含氣層，從盆地北部的榆林、子洲氣田到盆地南部的延安氣田，山23都是各氣田的重點研究層位[1-2]，大部分研究集中于儲層特征和產能特征[3-5]。國內外關于水平井地質導向的研究側重于沉積旋回和先進導向儀器的應用[6-8]，對儲層上下圍巖及層間地層發(fā)育特征的研究較少，但鄂爾多斯盆地致密氣藏的開發(fā)普遍采用低成本策略，為了提高鉆井速度和降低地質導向成本，普遍采用PDC鉆頭和無方向性的導向工具[9]，這對通過巖屑錄井進行沉積旋回的分析和大規(guī)模應用價格昂貴的方位電阻率及伽馬成像等先進導向儀器帶來了極大的限制。該研究根據(jù)井區(qū)山23水平井開發(fā)和地質導向實踐，重點研究水平段鉆出儲層時，不同位置地層的發(fā)育特征和隨鉆伽馬、電阻率及錄井數(shù)據(jù)差異，在井區(qū)現(xiàn)有導向工具的基礎上，通過地質認識的加深指導和優(yōu)化山23水平井的地質導向。

1 地質背景

延113—延133井區(qū)位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡之上，構造形態(tài)單一，總體上為一個傾角小于1 °的東北高西南低的平緩斜坡，如圖1所示。

圖1 井區(qū)位置及地層劃分Fig.1 Well block location and stratigraphy

井區(qū)在二疊紀山西期主要發(fā)育三角洲前緣沉積，根據(jù)沉積序列和巖性組合，自下而上分為山2和山1段，其中山2段主要發(fā)育煤系地層和三角洲前緣沉積。根據(jù)巖性變化和沉積旋回，山2段又劃分為山23、山22和山21這3個亞段，其中山23亞段水下分流河道砂體是井區(qū)主產氣層。山23砂體在井區(qū)內分布廣泛，連通性好，厚度為1～19 m，平均7.5 m，儲層石英含量較高，主要發(fā)育中-粗粒石英砂巖和巖屑石英砂巖，巖屑砂巖較少。黏土礦物以伊利石和高嶺石為主，發(fā)育少量綠泥石?？紫额愋椭饕l(fā)育粒間溶蝕孔、粒內溶蝕孔、晶間孔和微裂縫等，孔徑較小，主要為微米級孔隙[10]。山23儲層孔隙度主要為2%～8%，平均5%，滲透率為0.03～1.00 mD，平均0.2 mD，含氣飽和度為60%～80%，平均70%。山23氣藏埋深為2 800～3 200 m，實測靜壓為20～25 MPa，壓力系數(shù)0.8。延113—延133井區(qū)山23儲層發(fā)育典型的低孔、低滲、低壓致密砂巖氣藏。為了提高單井產量，增加氣藏控制面積，井區(qū)以水平井開發(fā)為主。局部的構造隆起、砂體厚度和傾角的變化都對水平井地質導向提出了極大的挑戰(zhàn)，沿水平段方向可能會鉆遇砂體上覆、下伏以及層間地層。

2 地層發(fā)育特征

2.1 上覆地層

山23砂巖又叫北岔溝砂巖，首見于太原西山柳子溝上端北岔溝[11]，是山西組底部的標志層，在延113—延133井區(qū)發(fā)育三角洲前緣水下分流河道沉積的石英砂巖和石英巖屑砂巖[4]，垂向上表現(xiàn)為下粗上細的正韻律特征。圖2所示為井區(qū)一口典型的山23砂體測井曲線和巖心特征。在砂體下部3 176.8 m發(fā)育灰白色中粗粒砂巖，泥質含量較低，伽馬值較小，向上粒度變細，暗色礦物增多，巖性漸變?yōu)? 174. 2 m的灰色細砂巖。向上泥質含量繼續(xù)升高，借助微電阻率掃描圖像，在砂體頂部可以觀察到亮暗相間的砂泥巖互層特征，單層砂巖厚度小于1.0 m，砂層間是厚度不等的泥巖，指示發(fā)育水下天然堤沉積。微電阻率掃描圖像上，相對高阻的砂巖呈高亮色，相對低阻的泥巖呈暗色，微電阻率成像測井的分辨率可以高達0.5 cm，遠高于一般常規(guī)測井曲線30～60 cm縱向分辨率[12-13]，所以借助微電阻率掃描圖像可以觀察細微的巖性變化和沉積層理等特征。對這種厚度小于1.0 m的薄層，常規(guī)測井主要受縱向分辨率和圍巖的影響，曲線幅度變化較小，不能較好地反應薄互層的巖性變化[14-15]。

井區(qū)通過對山23儲層大量微電阻率掃描成像數(shù)據(jù)的采集，發(fā)現(xiàn)在儲層上部砂泥巖薄互層特征明顯，在水平井地質導向過程中，當通過隨鉆測、錄井數(shù)據(jù)判斷鉆遇薄互層沉積，一般表明鉆頭已從山23砂體頂部鉆出儲層。

圖2 山23巖心和電性特征Fig.2 Shan23cores and logs characteristics

2.2 下伏地層

山23水下分流河道砂體底部一般發(fā)育河道沖刷面與下伏太原組泥巖接觸，北岔溝砂巖底部沖刷面是山西組和太原組的地層分界[16]。沖刷面構造是高流態(tài)下石英碎屑等粗粒沉積對下伏泥巖細粒沉積沖刷形成的，界面兩側巖性變化明顯，沖刷面以上是山23砂巖下部的灰白色中粗粒石英砂巖，沖刷面以下是太原組黑色泥巖，如圖3所示。太原組在延113—延133井區(qū)共發(fā)育4次海侵，從下到上發(fā)育了廟溝、毛兒溝、斜道和東大窯4套灰?guī)r。最后一次海侵發(fā)育了東大窯灰?guī)r和北岔溝砂巖下伏的海相黑色泥巖。該套泥巖在井區(qū)南部發(fā)育穩(wěn)定，厚度為5～10 m。在井區(qū)以東的鄉(xiāng)寧剖面中發(fā)現(xiàn)了大量腕足類和放射蟲化石，指示了海相的沉積環(huán)境，同時該套泥巖有機質含量較高，TOC為4.2%～15.0%，含氣性較好，是井區(qū)東側的大寧-吉縣地區(qū)的重點勘探開發(fā)層位，一批直井與水平井測試獲工業(yè)頁巖氣流[17-18]。相比于普通的泥頁巖，有機質含量較高的頁巖氣甜點段的電測曲線具有 “三高兩低” 的特征，即高伽馬、高中子、高電阻率、低密度、低光電指數(shù)，并且常用聲波和電阻率曲線疊合的方法計算總有機碳含量[19]。

圖3 下伏地層發(fā)育特征Fig.3 Underlying formation characteristics

圖3中測井曲線顯示井區(qū)山23儲層下伏海相泥巖與山23泥巖有明顯的電性差異，呈現(xiàn)出高中子、高聲波、高電阻率和低密度的特征，在山23水平井地質導向中，鉆遇該套泥巖，表明鉆頭已從底部鉆穿砂體。

2.3 層間夾層

層間夾層分為泥質夾層、鈣質夾層和粒度、結構等改變造成物性變化的物性夾層[20]，其中泥質夾層是三角洲前緣砂體的主要夾層類型，夾層巖性為泥巖和粉砂質泥巖，一般為兩期水下分流河道之間的水動力條件較弱沉積環(huán)境下形成。井區(qū)山23儲層伽馬曲線多呈光滑鐘形和箱型，平均單井鉆遇泥質夾層少于1層。部分井鉆遇泥質夾層，厚度1～2 m，巖性主要為黑色泥巖和灰黑色粉砂質泥巖，電測數(shù)據(jù)一般具有高伽馬、高中子、高光電指數(shù)和低電阻率的特征。井區(qū)山23砂體中多次鉆遇一套具有放射性異常的層間夾層，如圖4所示，該類夾層伽馬值較高，顯示泥巖特征，但中子、密度、光電指數(shù)和電阻率等曲線仍然顯示山23砂巖特征。伽馬能譜測井數(shù)據(jù)顯示，夾層中釷含量較高，巖心物性分析數(shù)據(jù)與上下砂巖無明顯異常。鄂爾多斯盆地北部的榆林氣田山23儲層鉆遇高伽馬砂巖，伽馬值120～200 API，鉀、鈾含量正常，但釷含量較高。榆林氣田通過巖心觀察發(fā)現(xiàn)玻屑、火山灰塵和火山巖屑成分較高，并認為放射性異常主要與同沉積火山事件有關[21]。延113—延133井區(qū)山23高伽馬夾層特征與榆林氣田發(fā)現(xiàn)的高伽馬砂巖特征相似，該類高伽馬砂巖夾層在井區(qū)多口井中發(fā)現(xiàn)，厚度0.5～1.0 m，直定向井中伽馬曲線呈尖峰狀，而其他曲線無明顯異常。

井區(qū)通過微電阻率圖像數(shù)據(jù)的采集發(fā)現(xiàn)，在放射性異常的井段發(fā)育厚度較薄的低電阻率條帶，單層厚度僅有數(shù)毫米到數(shù)厘米，遠低于常規(guī)測井曲線的縱向分辨率，該條帶由于含有火山物質，伽馬曲線顯示放射性異常明顯，但錄井巖屑仍以石英砂巖為主。

圖4 高伽馬夾層發(fā)育特征Fig.4 High gamma sand stripes

3 地質導向

延113—延133井區(qū)地質導向主要采用成本較低、無方向性的隨鉆伽馬和電阻率測井技術，并結合錄井和二維地震資料，綜合指導水平井地質導向。通過對山23砂體上、下圍巖和層間地層發(fā)育特征的深入研究，判斷鉆頭和砂體的相對位置，并及時調整軌跡，實現(xiàn)水平段砂巖鉆遇率的最大化。

3.1 鉆遇上覆地層

當水平井軌跡向上接近砂體頂部時，由于山23砂體一般呈正韻律，錄井巖屑顯示巖性逐漸變差，隨鉆伽馬升高，隨鉆電阻率逐漸降低。當鉆遇砂體上部薄互層時，隨鉆伽馬和電阻率對巖性的顯示可能出現(xiàn)不一致，這主要由于伽馬測井的探測深度為20～40 cm[22]，而隨鉆電阻率的探測深度一般為1～2 m[23]。隨鉆伽馬更明顯的指示互層中的砂泥巖變化，而電阻率由于探測深度較大，曲線的變化幅度較小。在水平井地質導向中，當根據(jù)隨鉆測、錄井數(shù)據(jù)，判斷鉆遇了薄互層的地層特征，一般說明已從砂體頂部鉆出儲層，應及時降斜調整井軌跡，盡快回到砂體中。

井區(qū)YBXX3井位于河道帶中部，根據(jù)鄰井情況，該區(qū)域儲層發(fā)育情況較好，預測山23砂體厚度8～12 m，地層向西下傾0.5 °，如圖5所示。該井著陸階段進入山23砂體垂深6 m，并保持89.5 °井斜向西北方向鉆進，水平段鉆進過程中，從MD3 360 m(A段)開始，錄井數(shù)據(jù)顯示石英含量減少，暗色礦物含量增加，隨鉆伽馬值逐漸升高，在MD3 400 m處鉆遇泥巖，當鉆至MD3 455～3 495 m(B段)，隨鉆伽馬上下波動鋸齒化特征明顯，但隨鉆電阻率變化幅度較小，判斷已鉆至山23儲層上覆砂泥巖互層沉積。決定降斜至86 °向下探砂，并于MD3 590 m處再次進入山23砂體，后以88 °～89 °井斜一直保持在砂體中鉆進。該井局部地層下傾角度增大，使水平井從砂體頂部鉆出儲層。通過對鉆遇地層發(fā)育特征的分析，及時調整軌跡回到砂體中，保證了水平段的鉆遇率。

圖5 YBXX3井山23水平井地質導向Fig.5 YBXX3 well Shan23 horizontal well geosteering

3.2 鉆遇下伏地層

區(qū)別于山23砂體頂部的巖性漸變特征，砂體底部沖刷面上下巖性差異明顯，當鉆頭從砂體底部出層，鉆遇下伏地層時，隨鉆測、錄數(shù)據(jù)在垂向上顯示巖性突變，巖屑錄井由灰白色石英砂巖突變?yōu)楹谏鄮r。通過對井區(qū)直定向井山23砂體下伏太原組海相黑色泥巖和山23段泥巖自然伽馬和電阻率的統(tǒng)計，下伏太原組泥巖和山23泥巖的自然伽馬分布范圍相同，主要為130～150 API，但電阻率差異明顯，下伏太原組泥巖的電阻率主要分布在200～300 Ω·m，而山23泥巖電阻率較低，主要為100～200 Ω·m。在水平段地質導向中，若鉆遇地層巖性由砂巖突變?yōu)槟鄮r，且泥巖段電阻率較高，結合地質分析判斷鉆遇下伏太原組泥巖，說明井軌跡已從砂體底部鉆出儲層，此時應及時增井斜，使井軌跡盡快回到儲層中。

井區(qū) YBXX5井位于河道帶邊部，同井場直井鉆遇山23砂體厚度11 m，預測該區(qū)域山23砂體厚度為10～14 m，該井由河道帶邊部向砂體增厚的河道帶中部鉆進。如圖6所示，當該井垂深進入山23砂體7 m，鉆至MD3 275 m(A段)，返出巖屑突變?yōu)楹谏鄮r，隨鉆伽馬值由20～30 API上升為130～150 API，隨鉆電阻率由700～900 Ω·m下降至230～290 Ω·m，判斷鉆頭已從底部鉆穿砂體，鉆至下伏太原組泥巖，迅速以92 °增斜并于MD3 350 m回到山23砂體中。該井由于山23砂體的實際厚度遠小于預測厚度，地質導向中鉆頭從底部出層，通過對鉆遇地層特征的分析，判斷鉆遇下伏太原組泥巖并迅速增斜，在泥巖段鉆進75 m后再次返回砂巖儲層。

3.3 鉆遇層間夾層

山23砂體中發(fā)育泥質夾層和高伽馬砂巖夾層，厚度均較薄。當鉆遇層間泥質夾層時，巖屑錄井顯示灰黑色、黑色粉砂質泥巖和泥巖，隨鉆伽馬值120～140 API，隨鉆電阻率的大小與泥質夾層的厚度相關，由于隨鉆電阻率的探測深度為1～2 m，如果泥質夾層的厚度較小，電阻率受夾層上下砂巖的影響較大，一般高于厚層泥巖地層電阻率。當根據(jù)隨鉆測、錄井數(shù)據(jù)和地質分析判斷鉆遇泥巖夾層時，可以根據(jù)當時的井斜和預測地層傾角，采取微調的方式，快速鉆穿夾層。 層間高伽馬砂巖夾層的錄井巖屑以灰白色石英砂巖為主，隨鉆伽馬較高，隨鉆電阻率與山23砂巖段電阻率相似。當鉆遇該類夾層時，可以不調整井軌跡繼續(xù)鉆進。

圖6 YBXX5井山23水平井地質導向Fig.6 YBXX5 well Shan23 horizontal well geosteering

圖6中YBXX5井鉆至MD3 772～3 793 m和MD3 928～3 961 m井段時，返出巖屑以暗色礦物為主，隨鉆伽馬曲線升高，隨鉆電阻率略低于砂巖段電阻率，判斷鉆遇厚度較薄的泥質夾層。當該井鉆至MD4 070～4 110 m(B段)，隨鉆伽馬由30 API增至120 API，隨鉆電阻率800～1 000 Ω·m，錄井巖屑以灰白色石英砂巖為主，判斷鉆遇高伽馬砂巖夾層并繼續(xù)穩(wěn)斜鉆進，該井完鉆水平段長度1 018 m，實現(xiàn)砂巖鉆遇率88%。

截止2020年，井區(qū)共完鉆山23水平井近百口，水平段砂巖平均鉆遇率大于85%。針對山23砂體上、下圍巖和層間夾層發(fā)育特征的研究，為水平井地質導向提供了堅實的地質基礎，采用較低成本隨鉆工具的同時，保證了鉆遇率，實現(xiàn)了氣田的高效低成本開發(fā)。

4 結論

1)山23砂體上覆地層普遍發(fā)育水下天然堤砂泥巖薄互層沉積；下伏太原組泥巖有機質含量較高，呈現(xiàn)高中子、高聲波、高電阻率和低密度的特征，與山23泥巖有明顯電性差異；砂體層間發(fā)育少量泥質夾層和高伽馬砂巖夾層。

2)在山23水平井導向中，當鉆遇地層巖性逐漸變差并鉆遇薄互層時，表明鉆頭已從頂部出層，應及時降斜；當鉆遇地層巖性由砂巖突變?yōu)槟鄮r，且泥巖電阻率200～300 Ω·m時，指示從底部出層，應及時增斜；當鉆遇泥質夾層和高伽馬砂巖夾層時可以微調或不調整，繼續(xù)穩(wěn)斜鉆進。