非常規水平井地震導向關鍵參數分析及預測方法

鄭建雄 朱斗星 袁立川 趙 佳 張 瑩 宋利霞

(東方地球物理公司研究院，河北涿州 072751)

0 引言

非常規油氣的勘探開發進展及資源潛力決定了未來能源市場的格局。頁巖油氣評價技術日趨成熟,致密油氣的增量貢獻日益突出。隨著世界常規油氣能源開發承受的壓力日趨增大,各種非常規能源逐漸受到人們的重視,相應的開發技術也越來越成熟。目前頁巖油氣、致密油氣等低效產層的開發主要通過水平井鉆探實現，如何應用好地震資料是非常規天然氣勘探開發研究的關鍵[1-3]。

在水平井鉆進的過程中，需要開展精確的地震成像、精細的構造解釋和成圖、鉆井符合率較高的地震屬性儲層預測及地質統計學反演等多個環節。這些環節總結起來即為水平井鉆探提供靶體預估(精確地層埋深)、趨勢預判(精確地層傾角)及風險預警(小斷層、微幅構造)等信息[4-7]。然而，針對頁巖和致密砂巖這兩類非常規儲層，確定這些環節中哪些是預測難點并起關鍵作用，需要針對水平井箱體的地質特征進行具體分析。地質特征不同，其水平井地震導向需解決的關鍵問題就會有所不同，把握各類非常規油氣水平井地震導向的關鍵問題，并制定針對性的技術對策，不僅有助于提高導向效率，且有助于提高水平井的鉆遇率。因此，隨著非常規水平井的廣泛應用，水平井地震導向關鍵參數分析及預測方法研究也越來越迫切[8-9]。

1 研究思路

水平井一般部署在地質“甜點”區，即涵蓋優越的儲層指標(TOC、含氣量、孔隙度和儲層厚度等)和優越的保存條件(構造、斷裂等)兩個方面，同時考慮到工程鉆探、下套管和后期壓裂等，也需要部署在工程“甜點”區，即埋深適中、地層平緩、裂縫發育的區域[10-12]。在這些地震地質靜態部署依據下，水平井現場地震導向就需要深化這些數據依據的精度，如地質甜點精細落實、小斷層或微幅構造及地層傾角精確預測等。

因此，本文結合頁巖氣、致密油儲層地質特征，通過建立水平井導向地質模型，從入靶導向和鉆進導向等環節詳細分析地震導向的關鍵問題，即由于頁巖分布廣、箱體薄、成層性好，頁巖氣的地層埋深、地層傾角以及小斷層和微幅構造精細預測是難點，也是導向的關鍵問題；而致密砂巖相對較厚，其地層埋深、地層傾角、小斷層和微幅構造在地震導向中的精度要求相對較低，但砂體疊置關系復雜，橫向變化快，是水平井出層的關鍵因素。結合目前物探技術方法，提出應用動態勘探理論制定針對性的技術方法來解決關鍵問題，即通過建立“動態速度”不斷提高深度域地震數據精度，以解決頁巖氣地震導向關鍵問題；通過建立“動態屬性”不斷提高致密砂巖預測精度，以解決致密油地震導向關鍵問題。具體流程見圖1。作為一種新的針對性技術，該方法在非常規領域水平井地震導向中的應用，可顯著提高水平井箱體的鉆遇率。

圖1 研究思路

后文以滇黔川五峰—龍馬溪組海相頁巖氣和松遼盆地泉四段致密油水平井地震導向為例，說明非常規水平井地震導向關鍵參數分析及預測方法。

2 頁巖氣水平井地震導向

2.1 儲層特征

滇黔川五峰組—龍馬溪組海相頁巖分布范圍廣、沉積穩定(表1)。五峰組地層沉積較薄，厚度一般為2～13m。龍馬溪組相對較厚，厚度一般為200～350m。龍馬溪組縱向上可進一步分為兩個巖性段，即龍馬溪組一段(以下簡稱龍一段)和龍馬溪組二段(以下簡稱龍二段)，其小層劃分及厚度見表1。其中，優質頁巖主要分布在龍一1亞段1號小層，厚度約1～4m[13-14]。

表1 五峰組—龍馬溪組小層劃分及厚度表

2.2 地震導向關鍵因素分析

根據頁巖氣儲層特征，建立如圖2所示水平井導向地質模型。目標箱體(優質儲層)厚約4m，包括五峰組或龍一1亞段1號小層，上覆龍一1亞段2、3、4號小層，為次級優質儲層，下伏寶塔組非儲層。水平井軌跡鉆遇構造幅度2m左右的微幅構造和垂直斷距2m左右的小斷層。

圖2 頁巖水平井地震導向地質模型示意圖

從入靶導向和鉆進導向分析頁巖水平井地震導向的關鍵環節。由于箱體薄、成層性好，對于地層埋深、地層傾角、小斷層和微幅構造等的預測精度需求高。

在入靶導向時，地層埋深預測不準會出現兩種情況：若箱體預測偏淺，提前造斜容易延長靶前距而縮短水平段長度；若箱體預測偏深，滯后造斜很容易出層，同樣會損失水平段距離。

在水平鉆進時，地層傾角變化、微幅構造和小斷層等很容易引起水平井出層，損失水平段距離。

以地層傾角偏離1°、箱體厚度4m為例，根據正弦三角函數，當斜邊長度為23m時，1°角所對應的直角邊長度為4m，即水平井最多向前鉆約23m就會出層，而鉆完23m的水平段對于鉆井工程是很快的。

此外，斷距或構造幅度超過箱體厚度一半時，比如箱體厚為4m時，小斷層斷距大于2m或微幅構造幅度大于2m也容易導致水平井出層。

因此，解決頁巖氣水平井地震導向的關鍵是建立精細的深度域構造模型，落實地層埋深、地層傾角和微幅構造等參數，并精確識別小斷層。

2.3 技術對策

2.3.1 動態速度方法

目前基于物探技術建立的速度場精度越來越高，一般精確的速度場(如層控變速建場等)轉化的構造圖絕對誤差能控制在10m以內[15-17]。但就頁巖氣儲層來說，這樣的精度不能滿足導向需求。因此，在初始速度的基礎上，應用實鉆水平井的時深信息對其進行實時校正，通過“動態速度”使地震地層形態向真實地層形態逼近，以此提高地層埋深、地層傾角以及微幅構造等的預測精度。

顧名思義，動態速度指的是動態變化的速度，在水平井導向中表示應用水平井實時鉆探的時深信息對初始速度(靜態速度)進行實時校正后的速度，可提高目的層速度估計精度。其工作原理及流程見圖3，具體描述如下。

圖3 動態速度工作原理流程圖(左)和剖面示意圖(右)

在初始速度的基礎上，以導眼井作為標準井，計算標志層1到箱體底面之間的距離d1，應用下式求取標志層1處對應的箱體底面的垂深(從地震基準面開始)

TVD箱體=TVD標志層+d導眼井

(1)

式中：TVD標志層表示標志層處的垂深；d導眼井表示導眼井標志層到箱體底面的距離。

應用式(1)所得TVD箱體和對應的時間校正初始速度，得到一個較準確的速度場。同樣，針對標志層2，…，N，均可以計算對應的校正值，得到速度場2，…，速度場N。原則上，校正點越多，計算的速度越精確。

2.3.2 小斷層預測方法

一般認為地震同相軸錯斷不明顯，借助地震屬性可識別的斷層為小(尺度)斷層。相對于小(尺度)斷層，中大(尺度)斷層即為地震同相軸錯斷明顯、人工解釋可識別的斷層。目前，基于疊前/疊后地震數據的螞蟻體屬性對于小斷層識別效果較好。基于疊后地震數據的螞蟻體屬性主要利用相干、曲率、方差等地震屬性體進行螞蟻運算，對中、大尺度斷層預測效果較好[18]；基于疊前地震數據的螞蟻體屬性是近幾年發展起來的一項新技術，主要利用方向各向異性等OVT域地震屬性體進行螞蟻運算，識別小尺度斷層精度較高，同時對中、大尺度斷層的預測效果亦很好[19-23]。

螞蟻體有主動和被動兩種常用算法：被動方式追蹤的結果信噪比較高，斷層連續性較好，但只能觀察到相對大一點的斷層；主動方式的螞蟻計算結果中異常較多，連續性較差，有些被動方式可追蹤到的斷層，主動方式反而不清楚[24-25]。

因此，為了兼顧大斷裂和小一些的異常，需要通過調整螞蟻追蹤參數，即可采用主動方式參數，自定義調整初始邊界的大小。初始邊界定義的是每只“螞蟻”的控制半徑，值越小，“螞蟻”越多，結果越精細。一般認為，螞蟻追蹤的大斷層與人工解釋斷層吻合或與相干屬性趨勢符合，其結果才是比較合理追蹤結果，對小斷層識別的可信度才高。

圖4為某區五峰組底面基于方差屬性的螞蟻體平面與人工解釋斷層疊合圖及(特征值)相干平面圖。可以看出，螞蟻平面圖預測的大斷層與人工解釋斷層或相干屬性趨勢一致，且其刻畫的小斷層也更清晰。

圖4 五峰組底面基于方差屬性的螞蟻平面屬性與人工解釋斷層疊合圖(左)和五峰組底面特征值相干屬性平面圖(右)

2.4 應用效果

2.4.1 動態速度應用效果

圖5是滇黔川某區塊頁巖氣上傾水平井，目標箱體為五峰組和龍一1亞段1號小層，厚度很小，僅約3m，沉積穩定，成層性好。

在入靶導向時，水平井鉆遇第一個標志層——石牛欄組底(S1s)，實鉆垂深為1001.02m，導眼井中S1s到箱體底面(O3w)的距離是285.18m。根據式(1)計算水平井標志層S1s處對應箱體底面(O3w)的校正值是1359.18m，據此校正初始平均速度場后，預測箱體頂面(龍一1亞段1號小層頂面)垂深為1221.00m，比后期實鉆垂深度1231.02m淺9.98m。在水平井鉆遇第二個標志層——龍二段底(S1l2)時，利用第一個標志層的控制點和第二個標志層的控制點采用同樣的方法校正速度場，此時預測箱體頂面深度為1229.00m，比實際淺2.02m。當鉆遇標志層龍一2亞段底面(S1l1-2)時，利用校正后的平均速度場預測的箱體頂面誤差僅約1m(表2入靶導向)，有力保障了水平井的順利入靶，減少了水平段損失。

表2 滇黔川某區塊水平井1地震導向速度場校正參數表

在鉆進導向時，當水平井鉆遇箱體頂面、底面或其他標志層時(表2鉆井導向)，這些地層界面同樣可以作為控制點進行速度場校正，校正后轉化的深度域地震剖面能精確預測鉆頭附近地層趨勢，從而保障了水平井的鉆進。此上傾井最終鉆遇率達95%。

圖6是川南地區某頁巖氣水平井所在地震剖面。可見箱體在地震上表現為強波峰振幅反射，且位于上半波峰。在初始速度(靜態速度)轉化的深度域剖面(圖6上)中，鉆遇箱體的軌跡在波谷反射上，兩者所示地層不匹配，且水平井軌跡與地震同向軸的趨勢一致性也不高。因此，應用此深度域數據進行地震導向，誤差較大，沒有指導意義。而在通過動態速度校正的深度域剖面(圖6下)上，實鉆水平井軌跡與地震剖面同向軸趨勢一致性很高，且兩者所示地層的匹配度也高，有利于對水平井進行導向，具有較強的現實指導意義。

2.4.2 (微)小斷層應用效果

在圖5中，水平井水平段鉆遇3處小斷層(圖中f1、f2、f3)，由于斷距較小，在地震剖面中不能直接識別。利用基于各向異性的螞蟻體屬性預測結果見圖7。可見預測結果與鉆井結果吻合，屬性平面預測的小斷層辨識度高，位置準確，在導向過程中有很好的指導性，縮短了水平井在小斷層處的出層距離，提高了鉆遇率。

圖5 滇黔川某區塊過水平井1軌跡的深度域地震剖面

圖6 川南地區水平井初始速度場轉化的深度域地震剖面(上)和動態速度校正后轉化的深度域地震剖面(下)

圖7 滇黔川某區塊龍馬溪組底面地震螞蟻體屬性平面圖

3 致密砂巖水平井地震導向

3.1 儲層地質特征

松遼盆地扶余油層致密油資源潛力大,產油層為下白堊統泉頭組四段，泉四段可分為4個砂組：Ⅰ砂組為三角洲前緣亞相，發育水下分流河道砂體，多期疊加水下分流河道沉積，平均厚度約12m；Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ砂組為三角洲平原亞相，發育分流河道砂體，分流河道疊置，平均厚度約20m。總體來看，扶余油層致密砂巖儲層相對較厚，砂體疊置，各砂體平均厚度約16m[26]。

3.2 地震導向關鍵因素分析

根據致密油儲層特征，建立水平井鉆探導向地質模型(圖8)。模型中扶余油層某砂組地層厚度約為23m，平均砂巖厚度為16m，且砂體疊置，鉆遇垂直斷距約8m的小斷層。

圖8 扶余油層致密砂巖水平井鉆探導向地質模型

在入靶導向時，由于致密砂體厚，地層埋深、地層傾角以及微幅構造的預測精度需求相對頁巖低得多(優質頁巖厚度約4m)，因而精確的靜態速度誤差即可滿足導向需求。

在水平鉆進時，一方面對于容易引起水平井出層的小斷層或微幅構造，當斷距或構造幅度小于8m時，相對于砂體厚度，其出層概率較低；當斷距或構造幅度大于8m時，在地震剖面或屬性剖面上容易識別，因此，小斷層或微幅構造對水平井鉆探的影響較小。另一方面，水平井鉆探方向主要根據泉四段頂面(T2)強反射軸的地層趨勢確定。但由于砂體疊置，水平井在疊置區很容易出層，所以，鉆探趨勢(傾角)不能完全按照T2強反射軸的地層趨勢確定，需根據砂體之間的接觸關系隨時調整水平井軌跡，才能保證較高的水平井鉆遇率。

因此，精確預測河道砂分布、厘清河道砂體疊置關系是致密油水平井地震導向的關鍵。

圖9是松遼盆地泉四段扶余油層兩口水平井反演剖面。目的層的砂體較厚(平均約16m)，入靶難度較低，但在砂體疊置區均有出層現象。1#水平井在水平段有3處出層區域，根據伽馬測井(GR)地質統計學反演剖面(圖9上)，這3處出層區均位于砂體疊置處。2#水平井在水平段有1處出層區域，根據阻抗地質統計學反演結果(圖9下)，該出層區也在砂體疊置區。因此，厘清楚砂體疊置關系可降低出層風險，提高水平井的鉆遇率。

圖9 過1#水平井的GR地質統計學反演剖面(上)和過2#水平井的阻抗地質統計學反演剖面(下)

3.3 技術對策

動態屬性在水平井地震導向中可提高目標區儲層反演精度，應用實時鉆探水平井信息為反演提供數據基礎，從而不斷提高地質統計學反演的精度，提高目標區儲層預測精度。

目前，直接預測扶余油層河道砂地震屬性較困難，所以主要應用地質統計學反演進行砂體預測[27]。然而，由于扶余油層單砂體較厚，砂體多期疊置，橫向變化快，在實際鉆井中，地震統計學反演由于樣本點數不足而使預測精度達不到地震導向需求。因此，應用實時鉆探的水平井信息參與反演并提供較多的樣本點，即“動態屬性”預測，是提高反演精度的主要手段。

然而，在水平鉆進導向中，實時鉆探的水平段信息在常規反演中一般很難被利用或利用時效性差，這是需要解決的關鍵問題。為此制定了以下技術思路(圖10)：在構造網格模型的基礎上，把實時鉆探的水平井信息、導眼井信息等粗化到構造網格模型(圖11)中，開展地質統計學反演，得到實時反演屬性體，從而提高河道砂預測精度及砂體疊置關系的辨識度，從而指導水平井鉆進。

圖10 動態屬性指導水平井鉆井流程

圖11 構造網格模型

3.4 應用效果分析

應用動態屬性對松遼盆地泉四段扶余油層致密油水平井開展地震導向。圖12所示是2#水平井針對扶余油層Ⅱ砂組鉆探的水平井反演剖面、巖性圖和動態屬性剖面。可見在沒有用水平井實時鉆探信息的GR地質統計學反演剖面(圖12左上)上，水平井設計軌跡鉆遇一大套砂體，砂體疊置關系不清楚。在實際鉆探過程中，應用水平井實時鉆探的GR曲線粗化到構造網格模型，參與統計學反演，得到“動態屬性”剖面(圖12左下)。由圖可見，水平井在測深2700m處鉆遇砂體疊置區，即設計的水平井軌跡其實穿越了兩個砂體的疊置區。因此，在出層時及時增斜，向下一個砂體鉆探，保證了盡快入層。最終此井的完鉆井深為3540m，水平段長1070m，其中砂巖層厚度995m，砂巖鉆遇率約93%。

圖12 過2#水平井的GR地質統計學反演剖面(左上)，巖性柱狀圖(右)及動態屬性剖面(左下)

4 結論

(1)海相頁巖分布廣、箱體薄、成層性好，因此精細預測其地層埋深、傾角及小斷層和微幅構造比較困難，是鉆井導向的關鍵問題。其地震導向的技術對策主要包括兩方面：一是通過水平井實時時深信息建立“動態速度”，不斷提高深度域地震數據精度，使深度域地震數據不斷逼近真實地層情況，提高地層埋深、地層傾角以及微幅構造等預測精度；二是通過基于疊前/疊后地震數據的螞蟻體屬性預測(微)小斷層，使大斷裂清晰可見，小尺寸異常也能顯現出來，且斷裂走向與相干屬性趨勢一致，提高地震導向中實鉆(微)小斷層的符合率。

(2)致密砂巖箱體相對頁巖箱體較厚，其地層埋深、地層傾角、小斷層和微幅構造在地震導向中的精度要求相對較低，但砂體疊置關系復雜，橫向變化快，是導致水平井出層的主要因素。所以，準確預測河道砂的分布是水平井導向的難點和關鍵。其地震導向的技術方法主要是應用動態地震勘探理論，通過應用實時鉆探的水平井測井信息，在構造網格模型的基礎上實現動態屬性預測，以提高河道砂預測精度及砂體疊置關系辨識度，及時有效指導水平井鉆進過程。