基于地层边界探测的主动型地质导向技术在南海西部复杂油层中的应用*

高永德陈 鸣蔡建荣常波涛李红东

(1.中海石油(中国)有限公司湛江分公司; 2.中海石油(中国)有限公司上海分公司; 3.斯伦贝谢中国海洋服务公司)

基于地层边界探测的主动型地质导向技术在南海西部复杂油层中的应用*

高永德1陈 鸣1蔡建荣2常波涛3李红东1

(1.中海石油(中国)有限公司湛江分公司; 2.中海石油(中国)有限公司上海分公司; 3.斯伦贝谢中国海洋服务公司)

随钻地层边界探测仪PeriScope可以探测距离较远(15 ft)的地层边界及其产状,有效降低复杂油层中水平井地质导向的风险,在主动型地质导向技术中占有重要地位。以中国南海西部浅海油田2个复杂区块为例,具体分析水平井在薄层内钻进以及钻遇微断层和不规则夹层时的轨迹控制过程,阐述边界探测技术在提高复杂油层水平井储层钻遇率和刻画地层特征方面的价值和意义。实例分析表明,随钻地层边界探测技术可以有针对性地降低复杂油层中的地质导向风险,尤其是在水平井钻遇地层突变导致轨迹出层的情况下,远距离边界探测服务可以为前方导向施工提供有建设性的指导,帮助轨迹尽快返回储层,从而提高储层钻遇率。

地层边界探测;主动型地质导向;复杂油层;储层钻遇率;水平井;南海西部浅海油田

随着全球能源需求的增加,提高复杂油藏的采收率以及水平井的油层钻遇率变得越来越重要。相对于常规的被动型地质导向技术,主动型地质导向技术在提高复杂油藏中水平井的储层钻遇率、刻画地层特征以及识别流体动态特征等方面优势明显[1-2]。基于边界探测技术的随钻地层边界探测仪能够提供探测范围较大的随钻测量资料,在主动型地质导向技术中占有重要地位,可以有效降低复杂油层中水平井地质导向的风险。本文选取中国南海西部浅海油田复杂储层为对象,分析了2个复杂区块中的2口水平井轨迹控制过程,以此阐述基于随钻地层边界探测的主动型地质导向技术在提高复杂油层水平井储层钻遇率和刻画地层特征方面的价值和意义,并希望该成熟技术对于类似复杂区块的地质导向工作能够提供一定的指导和借鉴作用。

1 基于地层边界探测的主动型地质导向技术

与传统的几何导向技术相比,地质导向技术体现了地质、钻井、测井、录井和油藏工程技术的高效结合,可实时系统分析地质、随钻测井、综合录井和工程等资料,优化轨迹,高效完成油藏工程和钻井目标,最终实现产能和采收率最大化、风险和不确定性最小化的目的。

常规地质导向技术通过实时分析全向随钻测井资料并与邻井资料进行对比,来判断构造特征和轨迹位置,更新地质油藏模型,及时做出导向决策。这一方法在地层物性发生横向变化的情况下对导向决策的准确性影响较大;而且全向测井数据对于轨迹和地层之间的切割关系缺乏方向性指示作用。即使引入方位性测量曲线和井眼成像资料,也由于其有限的探测深度,导致只有当工具很靠近或者穿过边界的时候,随钻测井曲线才有反应,而此时决策反应时间有限,轨迹出层风险较大。这种被动反应型地质导向技术的局限性在复杂区块体现得更加明显,对于储层钻遇率影响很大。

随着待开发区块的地质和油藏特征越来越复杂,对应的地质导向技术也需要更大的主动性和前瞻性,由此需要随钻测井工具在钻头后方探测得更深或者能够预测钻头前方地质和流体特征,并且根据测井数据建立较大尺度范围内高分辨率的三维地质油藏模型[3]。在实钻过程中,能够根据较大尺度范围内的地质和流体特征,在轨迹与靶体边界保持安全距离的前提下,主动地提前调整轨迹,控制平滑轨迹在目的层内钻进,规避地质和工程风险,这一技术被称之为主动型地质导向技术。与被动反应型地质导向技术相比,主动型地质导向技术对轨迹调整体现的主动性和前瞻性是优化地质导向效率的关键。

针对在钻头后方增大随钻测井的探测深度这一需求,随钻地层边界探测仪得以开发,其提供的边界探测技术摆脱了传统意义上地质导向的探测深度和方向性问题,具有更大的探测深度和更明确的地层边界指向性,并通过反演成图实现油藏边界实时可视化三维地质导向[4]。这一具有革命性意义的技术在主动型地质导向技术中占有重要地位,可以有效降低复杂油层中水平井地质导向的风险,提高水平井储层钻遇率,同时可以精细刻画地质和油藏特征,为后续开发决策提供依据[5-6]。

目前国际几大油田服务公司均推出了具有各自特色的随钻地层边界探测仪,各家工具的测量原理相似,但是在工具结构、反演算法和输出结果等方面具有各自的特色和专利。以斯伦贝谢公司的随钻地层边界探测仪PeriScope为例来介绍工具结构、测量原理及反演结果。PeriScope工具包括常规的对称型电磁波发射-接收设置,包括5个发射线圈(T1—T5)和2个接收线圈(R1和R2,与工具平行),可提供常规的电磁波传播电阻率测量;在工具两端有2个倾斜接收线圈(R3和R4,与工具呈45°夹角),可提供方向性测量数据;在工具中部还有1个横向发射线圈(T6),与所有接收线圈配合可提供各向异性测量(图1),其中2个倾斜接收线圈和1个横向发射线圈是该工具的关键技术。倾斜接收线圈提供的方向性测量数据受地层边界处上、下2套地层的电阻率差异控制,边界两侧地层电阻率差异越大,方向性信号越强,探测深度越大,最远可达15ft。配套软件通过处理方向性测量数据和常规电阻率数据,在每个测量点可以反演出轨迹至上下边界的距离、轨迹所在层的横向和纵向电阻率,以及该层上覆地层与下伏地层的电阻率。该工具提供的是360°全方位方向性测量,可以反演出边界的产状。实钻反演模型基于实钻数据,不受邻井数据影响,可以有针对性地控制横向物性和厚度变化对地质导向效率的影响。

图1 随钻地层边界探测仪PeriScope结构示意图[7]

与常规随钻测井工具相似,随钻地层边界探测仪不能探测钻头前方的地层特征,因此不能预测钻头前方情况,当然也就不可避免地会钻遇意料之外的地层突变,如不规则发育的夹层、地震资料识别不出的微断层以及其他构造突变等。在由于地层突变引起轨迹出层之后,相对于常规随钻测井资料,随钻地层边界探测技术会体现出其独特的优势来帮助地质导向工作,其提供的方向性深探测功能可以在非储层内探测出储层位置(即使距离较远),为接下来的地质导向工作指明方向,有目的性地调整轨迹快速返回储层,从而有效避免盲目搜索及可能的侧钻。

2 在南海西部复杂油层中的应用

2.1 区域地质导向风险及控制方案的确定

在中国南海西部浅海油田群中,小断块复杂油层内边际储量的水平井开发为油田稳产增产发挥着越来越重要的作用。为满足产量目标且优化采收率,水平井轨迹须控制在目标砂体内复杂的有利区带内。如果存在底水,须远离底水;如果钻遇地层突变导致轨迹出层,要求尽快返回目的层,避免盲目搜索而浪费进尺。

基于地震资料和单井资料建立的三维构造和储层模型可以为井位设计和实钻提供帮助,但受限于地震资料的精度,三维模型的帮助有限,因此地层、构造和地下流体特征的不确定性仍然是当前地质导向工作的主要风险。

区域内已钻水平井结果证实,常规随钻测井数据及其对应的被动反应型地质导向技术不足以高效应对本区复杂的地质特征及相应的地质导向风险。在本区三角洲—浅海相沉积环境中,开发目的层主要发育在新近系M组地层和古近系N组地层,为中高孔、中高渗地层,其中发育不规则泥质夹层;泥岩、含油砂岩和水层的电阻率差异比较明显,邻井数据模拟显示边界探测技术是适用的,因此选取边界探测技术帮助实时导向,以期最大程度上控制导向风险,保证轨迹的精确定量化控制。另外,密度成像对于该地区构造特征识别的作用不可忽视,可以有效地帮助轨迹控制,据此确定了有针对性的地质导向随钻服务项目(图2):随钻地层边界探测仪Peri-Scope提供边界探测服务;多功能地层评价随钻工具EcoScope提供近钻头密度成像及常规的伽马、电阻率、密度和孔隙度曲线;旋转导向工具Power-Drive X5提供近钻头伽马和井斜测量。

图2 南海西部复杂油层地质导向工具及其测量服务项目(图中长度数据指示各条工具所提供的测量服务至钻头的距离)

2.2 应用实例

2.2.1 实例1:文昌油田X1H水平开发井

设计X1H井的目的是开发动用文昌油田某个小断块的原油储量,其目标砂体为新近系M组的某油组。邻井1显示目的层厚约6.1m,为高孔中渗地层,目标砂体内发育多个泥质夹层(图3)。该油藏为边水驱动,215.9mm水平段地质导向目标为在目标砂体内寻找最有利油层,然后控制轨迹在其中完成约500m进尺。

1)钻前分析

X1H井设计水平段内目标砂体在构造和地层上均表现出较强的复杂性,且前方没有邻井控制,水平段的地质导向风险较大。邻井目标砂体中泥质夹层发育,因此地层不确定性较高,可能存在横向储层厚度和物性变化,而且夹层分割的砂体较薄(1～2m)。另外,沿该井设计水平轨迹发育一小型背斜,背斜轴部位置的不确定性可能影响实时导向策略。地震剖面也显示邻近发育较大断层,可能在断块内诱发地震资料识别不出的微断层,这也是不可忽视的风险因素。

钻前可行性分析显示,在目的层内随钻地层边界探测仪PeriScope可以在1～2m范围内探测到目的层顶底;在目的层中部,由于泥质薄夹层的影响,顶底边界探测不到;在高电阻率的薄油层内,可以探测到该薄层的顶底;当轨迹出层之后,可以在约2m范围内探测到目的砂层的顶底。因此,在实钻过程中需要综合曲线对比、成像分析和边界探测等多方面的信息来准确判断构造形态、储层物性和轨迹位置,精确控制轨迹于要求的较薄砂体内。

图3 文昌油田X1H构造位置及邻井目的层特征

2)实时决策及评价

2013年2月,X1H井215.9mm水平段开钻,确认目的层中部较薄的储层2的物性和含油性均较好,精确控制轨迹平稳着陆于该薄层,并以此作为水平段导向窗口。

边界探测反演结果清晰地刻画了该薄层的构造形态和地层特征,据此合理调整轨迹在其中钻进:该薄层顶底界面形态不规则,而且存在横向地层物性和厚度变化(0.5～1.5m);前半段地层整体上倾约0.5°,薄层厚0.5～1m,轨迹位于顶界之下约0.5m;之后地层逐渐转平,储层增厚至1.5m,轨迹靠近底界。该薄层内发育不规则的较薄钙质硬夹层,导致局部电阻率较高。

在该薄层内钻遇277m有效储层之后,突然钻遇微正断层,断距约3m,在地震资料中没有显示,导致轨迹突然上切进入泥岩层(图4)。常规随钻测量资料不足以识别断层之后轨迹位置和构造特征,而边界探测反演结果清晰地显示出了当前的微构造特征,同时指出了轨迹之下1.7m处的较高电阻率层的存在。根据上述分析,决定降斜返回下方显示存在的高电阻率层,同时也以此验证基于边界探测的主动型地质导向决策的可靠性。实时储层评价显示当前已钻水平段可以满足本井的产量要求,因此决定持续降斜确认目的层底界以及目标砂体整体形态。在降斜过程中,轨迹穿过另一微断层之后返回目的砂层,地层整体下倾,然后根据边界探测反演结果确认了目的层的底界。

总之,X1H井钻遇微断层后,低阻泥岩内边界探测技术的远距离探测结果指明了前方导向的方向和目标,据此调整轨迹,快速返回了目的层,不仅验证了基于边界探测技术的主动型地质导向决策的可靠性,而且避免了盲目的搜索及可能的侧钻,同时也有效地控制了断层对地质导向效率的影响。X1H井钻前配产油量为100m3/d,实际开井油量为150m3/d,无水,增产效果显著。

图4 文昌油田X1H井水平段井眼轨迹及地层模型

2.2.2 实例2:涠州油田X2H1水平开发井

X2H1水平井根据导眼X2H井设计,位于两大区域断层约束的小型复杂断块内,目标砂体为古近系N组地层中的某油组。邻井显示目的层厚11～12m,为中孔中渗地层,层内发育泥质夹层(图5)。

1)钻前分析

图5 涠洲油田X2H1构造位置及邻井目的层特征

X2H1井在着陆过程中,在预测位置一直没有找到在邻井中钻遇的较厚目标砂体,只钻遇了一个较薄砂层,之后轨迹在泥岩层中钻了较长进尺,说明着陆过程中使用的常规随钻测井资料难以准确判断轨迹位置。此时井下情况有2种可能性:①平面物性变化导致目标砂体变薄,轨迹已经进入底部泥岩;②轨迹仍位于目的层内的泥质夹层中,该夹层在导眼X2H井存在,但厚度可能有所变化。此外,虽然构造图显示断块内构造稳定,但是受两大区域断层影响,断块内可能发育微断层,而且沿设计的水平轨迹构造整体下倾,也可能存在构造倾角突变。针对上述地质特征及相关风险分析,决定在X2H1井水平段采用边界探测技术,尽快确认当前井底地质特征,然后控制轨迹返回目标砂体,并在砂体顶部区域内完成约500m水平段进尺。

2)实时决策及评价

2012年6月,X2H1井215.9mm水平段开始钻进,边界探测反演结果清晰地刻画了井底地质特征,轨迹仍位于泥质夹层1中(图6),地层下倾;该泥质夹层顶底边界明显,厚约2m,与导眼X2H井中部的泥质夹层相似。据此决定增斜返回砂层顶部:在逐渐增斜的过程中,轨迹上切确认泥质夹层2,该夹层顶底界面清晰,厚约1m,地层微下倾(图7);继续上切穿过泥质夹层2后,轨迹返回至上部物性较好的砂体。在该砂体内,边界探测反演结果较清晰地显示了砂顶和砂底位置及其与轨迹之间的距离(图7、8)。同时,多功能地层评价随钻工具Eco-Scope提供的近钻头密度成像也识别出了构造特征。综合分析多方信息,平稳控制轨迹在靠近目的层顶部的砂体内钻进,完成536m水平段进尺,其中包括两段不可避免的泥质夹层。

图6 边界探测技术识别涠洲油田X2H1井井底泥质夹层1反演模型

图7 边界探测技术识别涠洲油田X2H1井泥质夹层2反演模型

图8 涠洲油田X2H1井水平段井眼轨迹及地层模型

总之,对于X2H1水平段内的低阻泥岩夹层和高阻油层,边界探测技术均可反演出清晰的边界,距离可达0.5～2.5m,这对于识别地层的整体特征以及指导轨迹控制方向和目标均有重要意义。此外,泥质夹层的识别避免了盲目探索及侧钻的风险,而且对于判断本区有效储层整体厚度和储量估算均具有重要意义。X2H1井钻前配产油量为60m3/d,而实际开井油量为20m3/d,无水,低于预期产量,这也从另一方面说明了产量预测的复杂性和不确定性。因此,储层钻遇率只是影响产量的一个重要因素,还需要综合考虑完井、生产等多方面的因素来综合预测产量动态。

3 结束语

南海西部浅海油田应用实例表明,随钻地层边界探测技术结合密度成像在实钻过程中可以较好地控制风险和高效地完成地质导向目标,基于随钻地层边界探测的主动型地质导向技术在提高复杂油层水平井储层钻遇率和刻画地层特征方面能够发挥指导作用。当然,随钻测井数据的解释对于地质油藏模型的更新、全面理解地下储层形态以及后续井位部署具有重要作用。在开发前期普遍认为小型断块内构造相对单一、地层整体稳定,但实钻显示井间地层和构造不确定性仍较大,因此,在后续井位部署和实钻地质导向过程中,须充分考虑这种不确定性,运用有针对性的控制方案,才能高效地完成制定的开发方案。今后在继续加强边界探测深度研究的同时,主动型地质导向技术的发展应该关注钻头前方信息探测的研究,加强三维地质导向系统的研发和应用。

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An application of the active geosteering technique based onstratigraphic-boundary detection in complex reservoirs in the western South China Sea

Gao Yongde1Chen Ming1Cai Jianrong2Chang Botao3LiHongdong1
(1.Zhanjiang Branch of CNOOC Ltd.,Guangdong, 524057;2.Shanghai Branch of CNOOC Ltd.,Shanghai, 200030;3.Schlumberger,Guangdong,518068)

The device ofstratigraphic-boundary detection while drilling,PeriScope,is capable to detect the remote(15 ft)stratigraphic boundaries and their occurrences,and effectively reduce the geosteering risk in horizontal wells for complex oil reservoirs,thusplaying amajor role in the active geosteering technique.Giving the examples of two complex blocks of oilfields in theshallow western South China Sea,the trajectory controlprocess of a horizontal well when drilling within a thin bed or encounteringsmall faults and irregular interbeds were analyzed in detail,and the value andsignificance ofstratigraphic-boundary detection in increasing the drilling-within-reservoir ratio of a horizontal well and describingstratigraphic features for complex oil reservoirs were explained.The example analyses haveshown that thestratigraphicboundary detection while drillingmay directionally reduce the geosteering risk in complex oil reservoirs.Particularly when a horizontal well trajectory has been out of the reservoir due to an abruptstratigraphic change,theservice of remote boundary detection willprovide a constructive guidance for the drilling operation,so as tomake the trajectory return to the reservoir assoon aspossible and increase the drilling-within-reservoir ratio.

stratigraphic-boundary detection;active geological geosteering;complex oil reservoir; drilling-within-reservoir ratio;horizontal well;oilfields in theshallow western South China Sea

2014-03-25改回日期:2014-05-07

(编辑:张喜林)

*中国海洋石油总公司“十二五”重大专项“南海西部海域典型低孔低渗透油气藏勘探开发关键技术研究(编号:CNOOC-KJ 125 ZDXM 07 LTD 02 ZJ11)”部分研究成果。

高永德,男,现任中海石油(中国)有限公司湛江分公司测井主管。地址:广东省湛江市坡头区南调路22号(邮编:524057)。E-mail:gaoyd1@cnooc.com.cn。