GeoSphere地質(zhì)導(dǎo)向工具在深水氣田水平井鉆井中的應(yīng)用

何勝林 李 明 王 光 譚 舜 朱紹鵬

中海石油（中國）有限公司湛江分公司

0 引言

深水L氣田位于南海北部大陸架西區(qū)的瓊東南盆地北部海域，水深超過1 000 m，砂體為發(fā)育在盆地底部深海中央峽谷內(nèi)的受峽谷限制的濁積水道復(fù)合體，縱向上發(fā)育多期沉積，受后期侵蝕改造明顯，平面上則表現(xiàn)為沿峽谷軸向呈條帶狀展布的孤立砂體。儲層砂體上覆為超千米深海泥巖蓋層，后期受差異壓實的影響表現(xiàn)為不同的有一定構(gòu)造幅度的巖性圈閉，各自獨立成藏，形成不同的氣水系統(tǒng)。整體表現(xiàn)為高—特高孔隙度、高—特高滲透率的物性特征，平面上物性特征差異不大。從氣水分布看，各砂體氣層主要分布在構(gòu)造較高部位，整體氣柱高度不大，具有不同的氣水界面和壓力系統(tǒng)，并且多為底水氣藏，少數(shù)為邊水氣藏。

氣田采用水下井口方式開發(fā)，在構(gòu)造高部位部署了多口水平井開發(fā)，由于探井少、地震資料處理解釋的分辨率有限，水平井的實施面臨著氣藏構(gòu)造誤差不確定、橫向物性展布不確定及較強的邊底水等風(fēng)險，水平井著陸風(fēng)險較高。為了確保水平井順利著陸及水平軌跡縱向上盡可能在儲層頂部，亟需一種探測范圍較大、可準確識別儲層界面及氣水界面的地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)。該技術(shù)須能夠利用實時測量數(shù)據(jù)，遠距離地探測目的層界面以確認最佳著陸位置，確保后續(xù)水平段的軌跡盡可能遠離氣水界面，有效延緩水平開發(fā)井見水時機，提高氣井生產(chǎn)年限，從而盡可能提升經(jīng)濟效益。

1 地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)

利用水平井進行油氣田開發(fā)不僅增加井眼軌跡在儲層內(nèi)鉆進的長度，有效擴大油氣層泄流面積，同時使得用常規(guī)鉆井技術(shù)無法動用的邊際油氣藏得到了有效的開發(fā)，從而提高油氣藏的采收率[1-2]。但是在水平井開發(fā)油氣藏過程中，由于地層深度預(yù)測存在誤差，實鉆目的層深度可能較預(yù)測變深或者變淺，目的層可能存在夾層、斷層等情況，給水平井軌跡優(yōu)化調(diào)整帶來了巨大的挑戰(zhàn)，導(dǎo)致錯過或漏掉油氣層。地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)正是為解決水平井著陸及導(dǎo)向問題而提出和發(fā)展起來的。

地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)是在大斜度或者水平井鉆井過程中，通過工程應(yīng)用軟件，整合鉆井工程技術(shù)參數(shù)、地層物性參數(shù)及隨鉆測井、錄井等實時地質(zhì)信息等數(shù)據(jù)，經(jīng)過地質(zhì)研究人員綜合儲層展布情況開展隨鉆分析，預(yù)測將要鉆遇的地質(zhì)情況，實時調(diào)整井眼軌跡在儲層中穿行、以提高鉆遇率的技術(shù)工作總和，是一項將先進的隨鉆測井技術(shù)、工程應(yīng)用軟件與人員緊密結(jié)合的實時互動式工作流程[3]，主要應(yīng)用在水平井“著陸”段或水平段實時作業(yè)，主要目標是保證目標層的精確“著陸”和保持水平井軌跡在儲層“甜點”中鉆進，最終實現(xiàn)單井產(chǎn)量最大化和收益的最大化[4-7]。

初期的地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)基本停留在一個簡單的、模糊的、非量化的實時引導(dǎo)地層鉆進的層面，日趨復(fù)雜的目標油氣藏的出現(xiàn)，則使得這類地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)暴露出越來越多的局限性，也制約了地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)和服務(wù)質(zhì)量的進步[8-10]。為進一步提高實時決策能力，國外提出了地質(zhì)導(dǎo)向矢量的概念及相應(yīng)地質(zhì)導(dǎo)向信息矢量化計算方法[11]，進而量化邊界探測，完成非平面地層結(jié)構(gòu)的實時解釋與實時導(dǎo)向，地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)取得顯著進步。從起初的探測深度較淺的無方向性測量，發(fā)展到具有大探測半徑的方向性探邊測量，有針對性地解決探測半徑及邊界響應(yīng)特征等問題，在實時導(dǎo)向過程中盡早判定儲層邊界或油水、氣水邊界位置，為隨鉆實時決策提供更為準確的參考依據(jù)[12]。其技術(shù)發(fā)展主要經(jīng)歷了3個主要階段：①基于無方向性隨鉆測井的被動式地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)；②基于隨鉆方位成像的定性交互式地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)；③基于儲層邊界探測的定量主動式實時地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)[13-14]。

隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向服務(wù)主要由斯倫貝謝、哈里伯頓、貝克休斯等國外服務(wù)公司提供，它們都有針對性地推出了具有不同特色的方位電阻率探邊測井工具，如斯倫貝謝的PeriScope隨鉆探邊測量工具可同時識別地層/油水邊界，具有較大的探測半徑，能識別工具上下4～5 m的電阻率變化（邊界）；貝克休斯研發(fā)的AziTrak工具可提供單邊探測和雙邊探測功能，其深方位電阻率邊界探測數(shù)據(jù)可用于定性判斷鉆頭進入地層/流體邊界的方向，并可計算邊界的距離和方向，實現(xiàn)了定量的儲層邊界探測實時地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)[15-17]。2008年后斯倫貝謝公司又先后推出了PeriScope HD隨鉆高清探邊測量工具、GeoSphere隨鉆超深探邊測量工具等電阻率儀器，遠探距離理論上達30 m，并具有一定前視能力。這些最新的隨鉆探邊工具，因其可對地層邊界和流體邊界進行提前精確定位，在水平井地質(zhì)導(dǎo)向服務(wù)中，為井軌跡和油藏地質(zhì)目的最優(yōu)化帶來了明顯的應(yīng)用效果[18-19]。

2014年斯倫貝謝推出的GeoSphere隨鉆超深探邊測量工具，通過多頻激發(fā)和收發(fā)多間距設(shè)計，最高可以采集到距井眼30 m范圍內(nèi)地層電阻率變化信息，并采用自動實時多層反演技術(shù)，及時獲取準確的地層電阻率展布和地層傾角特征，從地層電性角度精確描繪油藏特征。該技術(shù)可以更好地控制、優(yōu)化井眼軌跡，實現(xiàn)精確著陸和隨鉆儲層追蹤，提高鉆井鉆遇率，降低鉆井風(fēng)險及鉆井成本等[20]。

GeoSphere工具使用超深探測方向性電磁測量（圖1、2），由1個發(fā)射器短節(jié)和2個或3個接收器短節(jié)構(gòu)成，最大可探測距離井筒約30 m以內(nèi)的地層界面以及流體界面。通過每個接收器上安裝的3對傾斜天線，GeoSphere可采集三維的九分量信息，借助于先進的反演技術(shù)和不同測量分量對不同地層信息的響應(yīng)，將九分量測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為地層的界面信息，校正地面地震解釋結(jié)果，刻畫多個地層界面，更新區(qū)域構(gòu)造及地質(zhì)模型，提高鉆井效率，降低單井作業(yè)成本[20]。

圖1 斯倫貝謝GeoSphere工具測量原理圖

圖2 斯倫貝謝GeoSphere工具示意圖

2 水平井著陸段風(fēng)險及預(yù)案

深水L氣田目的層上方雖然存在多個標志層，但標志層和目的層之間發(fā)育數(shù)百米厚層泥巖，同時受重力流沉積儲層非均質(zhì)性影響，接近目的層時的精細砂體對比難度很大，軌跡著陸過程的控制及角度優(yōu)選就顯得尤為重要。

該氣田目的層電阻率15～20 Ω·m，上覆泥巖電阻率2～4 Ω·m，二者差異較大。據(jù)此建立地層初始模型，反演模擬分析GeoSphere在該氣田的應(yīng)用效果。鉆前反演模擬顯示，在增斜著陸過程中可大約提前20 m探測到目的層頂面高阻氣層。這樣在目的層頂面垂深發(fā)生變化時，可以提前20 m左右調(diào)整軌跡，根據(jù)構(gòu)造變深或變淺情況決定穩(wěn)斜或增斜，以保證平穩(wěn)著陸要求的靶前距及入砂（入靶）姿態(tài)，并可減少軌跡調(diào)整和地質(zhì)循環(huán)次數(shù)，提高鉆井時效。在軌跡靠近目的層的時候，GeoSphere的超深探測能力還可提前反演目的層內(nèi)的物性、流體及構(gòu)造特征，這可為水平段的開發(fā)提供有效的指導(dǎo)。

3 現(xiàn)場應(yīng)用及分析

該項技術(shù)具有較深的邊界探測及反演范圍：①基于工具探測范圍，減少構(gòu)造誤差帶來的軌跡控制風(fēng)險；②基于工具定量多層反演，減少上覆薄層砂體帶來的目的層誤判風(fēng)險。基于此將該技術(shù)應(yīng)用于深水L氣田的兩口開發(fā)井著陸段作業(yè)，取得較好的效果。

3.1 A10H水平井著陸

A10H井目的層上方發(fā)育大套低阻泥巖，在著陸過程中沒有可對比的標志層，鉆前據(jù)地球物理資料預(yù)測目的層頂面垂深為3 445.6 m。基于鉆前反演模擬可提前約20 m探測到目的層頂面的能力，并且隨著軌跡靠近目的層，地層界面信息應(yīng)更加清晰，據(jù)此建議：如果鉆至井斜78°～80°，還未探測目的層，建議降低增斜速度或穩(wěn)斜探層；如果在78°之前，反演顯示探測到目的層，則需要增斜來保證著陸效果。

實鉆顯示，在井深3 670 m（垂深3 430.7 m）時，鉆遇地層以大套泥巖為主，曲線旋回對比不確定性較大，但GeoSphere探邊反演顯示在垂深3 455.7 m處識別到較連續(xù)的高阻抗頂界面，反演電阻率介于7～9 Ω·m。結(jié)合鉆前地球物理預(yù)測頂界垂深3 445.6 m，判斷目的層較鉆前地球物理解釋構(gòu)造加深，此時井斜78°，因此及時決策降低增斜率。在軌跡逐漸靠近目的層的過程中，超深探邊反演顯示更為連續(xù)的高阻層（圖3），反演電阻率介于10～20 Ω·m，據(jù)此預(yù)測可靠的頂面垂深為3 460 m，與此同時，電測曲線的可對比性逐漸變好，在井深3 853.3 m（垂深3 460.1 m），電性及氣測特征均顯示該井已經(jīng)進入目的層，探邊反演目的層頂界面與實鉆基本一致。同時超深探邊可探測到儲層底部，儲層垂厚約23 m，底部藍色為低阻水層特征，氣水界面特征明顯。

圖3 A10H井?311.2 mm井段井眼軌道著陸模型圖

根據(jù)井眼軌道著陸模型圖，在井深3 670 m（垂深3 430.7 m）處提前25 m探測的頂面（垂深3 455.7 m）較連續(xù)高阻抗為頂面物性較差砂層響應(yīng)，隨著軌跡靠近目的層，探測的頂面（垂深3 460 m）更為連續(xù)高阻抗為可靠預(yù)測頂面響應(yīng)特征，該預(yù)測垂深與目的層實鉆垂深3 460.1 m誤差較小。鉆前地球物理預(yù)測構(gòu)造頂面垂深3 445.6 m，由于構(gòu)造加深，軌跡著陸目的層平面位置發(fā)生變化，在實際著陸點對應(yīng)的構(gòu)造預(yù)測頂面垂深為3 446.7 m，與實鉆目的層垂深3 460.1 m相比誤差達到了13.4 m。分析認為目的層之上的低速泥巖，影響了速度體模型的精度，進而直接影響了深度預(yù)測的精度，利用常規(guī)的深度預(yù)測手段很難達到高精度著陸的需求，而超深邊界探測技術(shù)與常規(guī)地球物理預(yù)測技術(shù)相比，誤差較小。

在精確反演構(gòu)造深度的同時，利用GeoSphere反演得到的儲層厚度、地層傾角等數(shù)據(jù)建立了鉆后精細地質(zhì)模型，該模型主要用于水平段的軌跡優(yōu)化，根據(jù)該模型認識，將水平段軌跡控制在構(gòu)造頂面以下1.5 m左右，最終水平段實鉆氣層319.8 m，氣層鉆遇率95%，同時也最大限度保證了距氣水界面最遠。

3.2 A3H水平井著陸

A3H井位靠近深水峽谷壁，目的層砂體沉積后受后期泥質(zhì)水道改造，砂體平面變化較劇烈，對應(yīng)探井層位的砂體在該井位處可能尖滅、亦有可能發(fā)育5～15 m厚度的砂體，該風(fēng)險砂體有可能會對入層判斷造成干擾?；诖孙L(fēng)險考慮，利用GeoSphere通過采集三維的九分量信息來校正地震解釋結(jié)果，刻畫出多個地層界面，達到實時反演精細刻畫多個地層界面信息的要求，提高入砂（入靶）精度。

A3H井實際著陸地質(zhì)導(dǎo)向反演剖面如圖4所示，該井自上而下鉆遇3套砂體，其中，A砂體在反演剖面上明顯呈現(xiàn)深藍色低阻抗層狀特征，厚度較薄，電阻率低，約1.5 Ω·m，低于泥巖電阻率、無氣測響應(yīng)特征，實鉆電測及錄井資料證實為水層，厚度為5.1 m。

圖4 A3H 井地質(zhì)導(dǎo)向?311.2 mm井段著陸模型圖

向下鉆遇一套新發(fā)現(xiàn)B砂體，該砂體對應(yīng)的探井層位砂體為水層，但實鉆地質(zhì)導(dǎo)向反演剖面上識別出紅色高阻抗氣層特征，預(yù)測氣層電阻率整體超過10 Ω·m，鉆頭揭示氣測響應(yīng)明顯，證實電阻率超過10 Ω·m，確認為高阻氣層。電阻率自上而下逐漸降低，電阻率最低降至約2 Ω·m，較泥巖電阻率（3 Ω·m）略低，反演剖面可以看到近于層狀的藍色低阻抗特征，但相對A砂體較不明顯，確認在該位置鉆遇流體界面。實鉆顯示該層厚度17.2 m，在鉆遇該套砂體時，反演砂體厚度與氣水界面特征均與目的層氣藏特征不一致，因此判斷該層為目的層上覆薄層砂體，有效地規(guī)避了入錯層的風(fēng)險。

在距離目的層C砂體垂深18 m時，常規(guī)曲線與鄰近探井對比有較大不確定性，超深探邊可測到目的層頂判斷目的層頂比設(shè)計構(gòu)造加深，及時調(diào)整軌跡以合適角度穩(wěn)斜探頂。在軌跡逐漸靠近目的層的過程中，超深探邊反演顯示連續(xù)的高阻層頂，地層逐漸變?yōu)榻?，地層厚度超過25 m，在C砂體垂向方位內(nèi)未見明顯的氣水界面響應(yīng)，調(diào)整軌跡增斜后，根據(jù)探邊識別認為鉆頭揭開儲層頂部即入砂著陸（圖4）。

4 結(jié)論和建議

1）GeoSphere超深邊界探測地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)在南海首個自主開發(fā)的深水氣田中得以成功應(yīng)用。

2）根據(jù)在該地區(qū)儲層中使用情況來看，Geo-Sphere工具實時反演最大探測深度約25 m，儲層厚度在該范圍內(nèi)，可較準確的識別30 m范圍內(nèi)儲層上下邊界深度、厚度及產(chǎn)狀等數(shù)據(jù)。

3）在入砂（入靶）段應(yīng)用該技術(shù)可獲得儲層頂?shù)捉缑妗馑缑婕暗貙觾A角等信息，有利于后續(xù)地質(zhì)油藏研究人員更新儲層地質(zhì)模型，并優(yōu)化水平段軌跡，降低水平段實施風(fēng)險。

4）與傳統(tǒng)隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向方法相比，GeoSphere超深邊界探測地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)探測范圍更大、準確度更高、信息更豐富；同時可有效減少軌跡調(diào)整次數(shù)，提高鉆井時效，大大節(jié)省了開發(fā)成本。

5）在鄰近探井較少、地震解釋構(gòu)造不確定性較大的區(qū)域，以及鉆井成本較高的深水或高溫高壓油氣田，建議可采用GeoSphere超深邊界探測地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)以輔助水平井著陸或者水平段實施。