昭通页岩气示范区复杂地质条件下的地质导向技术

罗 鑫， 张树东， 王云刚， 简 利， 张德军

(1川庆钻探工程有限公司页岩气工程项目部 2中国石油集团测井有限公司西南分公司)

昭通页岩气示范区为多期多组构造挤压与走滑作用叠加与联合的复向斜单元，构造起伏较较大、断层较发育[1-2]。

该区域实现页岩气水平井地质导向钻井的难点在于：地质上主要表现为箱体厚度较薄、构造复杂、实钻与地质设计差异较大，微裂缝带发育、部分井钻遇小断层；工程上难点在于井眼稳定性差，钻遇断层或裂缝段易发生井漏。纵向上五峰组至龙一1各个小层在岩性、岩石结构和页理发育程度不同，形成了各个小层的岩石力学特征、脆性特征、岩石的各向异性、可钻性以及井眼的稳定性差异较大。弄清和掌握这些规律是优化地质导向钻井方案的依据[3-5]。

在着陆前的增斜段，运用标志层逐步逼近方法，准确计算距离箱体顶部距离，预判钻进构造、地层变化规律，优化调整钻进方案，实现井轨迹平稳着陆；水平段钻进过程中，充分利用测录井资料，实时分析井眼轨迹处于靶体的小层位置及井眼轨迹与地层的相切关系，预测钻进方向构造形态的变化趋势，保持井眼轨迹在靶体内平稳钻进[6-8]。

一、地质特点

1. 构造特征

昭通页岩气示范区志留系～寒武系主体为形成于华南加里东造山带控制并闭塞的北前陆盆地带，属于滞流盆地的缺氧沉积环境的黑色页岩，构造特征与地面构造基本相同，具有很强的继承性和相似性，表现为强烈的压性构造特征，呈现为“背斜带平缓宽阔、向斜陡峭狭窄”的隔槽式褶皱形变带，属于侏罗山式褶皱模式。龙马溪组地层厚度呈由西南向东北逐渐增厚的趋势，主要在240～320 m内变化。龙马溪组地层主要为灰黑色粉砂质页岩、炭质页岩、硅质页岩夹泥质粉砂岩；上覆石牛栏组，岩性为深灰色条带状粉砂质泥岩夹灰岩条带；下伏奥陶系五峰组，岩性为灰黑色页岩及薄层粉砂岩。

2. 箱体特征

表1 区域龙一1小层厚度对比表

二、地质导向关键技术与钻前建模

1.地层视倾角计算

地层视倾角计算就是分析井眼轨迹与地层的相切关系[9-11]，并预测钻头前方地层与倾角变化趋势，为实时决策提供依据。近钻头方位伽马测井资料结合岩屑元素录井和伽马能谱资料能够判断井眼轨迹所处层位，使用上下伽马/伽马成像能够准确计算地层视倾角的公式如式(1)和式(2)，在现场中一般两种方法互相结合，判断井眼轨迹上切或下切地层。

θ=arctana+2×b)×π/c×180°

(1)

式中：θ—地层视倾角，°；a—钻头直径，m；b—仪器探测深度，m；c—井筒切割层界面距离，m。

α=arctan(De/ΔD)+I-90°

(2)

式中：α—地层视倾角,°；De—井径，m；ΔD—上、下方位伽马数值变化点之间的距离，m；I—井斜角，°。

2.井震结合地质概念建模

区域上地质条件、构造背景和储层物征及分布状况的清楚认识和准确把握，是进行水平井井眼轨迹设计和地质导向的基础。测井资料具有很高的纵向分辨率，但只能反映一些“点”的地层特征，横向上难以反映出构造变化趋势；三维地震资料在横向上资料点密集，具有很高的分辨率。因此，测井结合地震，利用地震资料的横向约束，测井资料的垂向控制，建立地质导向钻前模型，构建的钻前地质模型能够比较真实的反映地下构造状况[13-14]。

运用已钻井测井资料，对地层与储层进行小层划分，获取地层岩性及组合特征、纵向物性特征、横向分布特征，建立标准的地层和储层的岩性与电性剖面。选取标准井建立地层层序模型：岩性组合、厚度、测井响应特征序列等，用于地层的识别、对比和地层层序的确定。

地质层位在地震反射轴上的精确标定是连接井震结合建模的桥梁，是应用地震资料进行构造解释和储层预测的基础。层位标定首先要立足与地震波组、地质标志层特征一致性分析及速度分析，通过制作合成记录进行精细标定。井震结合建立构造模型主要步骤为：①井间地层对比；②子波提取；③层位标定；④层位追踪解释；⑤时深转换；⑥建立构造模型。

由构造模型进一步建立地质属性模型，以地质统计学理论为基础，利用克里金方法的插值和外推功能，求出符合地质规律的地质统计模型，来表征地质属性的变化规律。在昭通页岩气示范区水平井地质导向钻井使用的随钻测井曲线为自然伽马曲线，因此建立自然伽马属性模型。

由构造模型和地质属性模型在水平井的钻进方向切片从而获得目标井钻进方向构造特征，目的层的埋深、厚度、自然伽马曲线等参数，优化设计钻进轨迹方案。

测井结合地震在页岩气地质导向中得到应用的一个典型例子是以三维地震资料为基础、以蚂蚁追踪技术追踪的地震异常“蚂蚁体”为中尺度裂缝的主要指示，井震结合描述小尺度裂缝，在三维地质建模的基础上，对该区域发育的3 类尺度(大尺度、中尺度和小尺度)的断层、天然裂缝进行多尺度裂缝系统表征和建模。蚂蚁追踪算法利用蚂蚁觅食原理(蚂蚁觅食总是重复最短路径)，对传统边缘检测或不连续性检测的数据体(如地震方差体、混沌体等)进行断裂特征增强，并压制虚假断裂信息。地震 “蚂蚁体”异常反映了地震数据的不连续性，指示可能的中等尺度裂缝。

3.平台已钻井构建钻前地质模型

昭通页岩气示范区由于构造复杂，且断层较发育，地震资料拾取的地层倾角往往与实钻结果有较大差异[15-16]。平台井可以通过本平台已钻井资料构建后续井的构造模型，相对于井震结合建立的地质模型，因同属于一个平台，距离近(井间距400m)，由实钻井资料建立的构造模型更精确可靠。

三、实时地质导向

1. 着陆导向

着陆导向的最大风险是预测的埋深与实钻差异较大，易出现难以着陆或提前着陆，造成着陆段井轨迹的复杂，产生这些现象的主要原因是实钻过程可能钻遇小断层、地层倾角与地震资料解释存在差异或者地层厚度发生变化，所有的这些变化都归结为入靶点深度加深或者变浅。

着陆导向过程中采用逐步逼近方法，通过设立地质和电性稳定的标志层或特征点开展精细小层对比，判断钻头在地层中的位置，计算地层层位厚度变化情况，以此为依据计算出地层视倾角，分析地层及构造异常与否，按照此方法从上至下的顺序及时跟踪，实时分析，通过全过程建模不断优化调整井轨迹，将井斜的控制数值分配到各个标志层(点)，越是逼近靶体，井斜控制容许垂深误差越小，在导向过程中，通过各个标志层的对比，及时计算距离靶体顶部垂厚，逐步逼近，从而保证井眼轨迹以最优姿态进入靶体。

2. 水平段导向

水平段地质导向的核心是准确判断井眼轨迹处于靶体的位置以及井眼轨迹与地层的相切关系，并预测钻头前方地层与倾角变化趋势，为实时决策提供依据。依据实钻的岩屑录井、随钻测井等信息实时分析与对比，解释钻进层位、地层倾角、轨迹状态(上切与下切)，制定下步方案。

技术方法包括小层识别、倾角计算、构造重构、构造与储层预测。其工作流程包括“分析-判断-计算-风险预测-方案制定-验证”，通过对实钻资料与设计模型的对比分析，结合录井、工程参数，准确判断井眼轨迹与地层的相切关系(上切或下切)，计算地层和构造的相关参数，对钻头前方的构造和储层变化趋势进行预测，重新建模并制定钻进方案，通过实钻资料检验和调整，实现水平井实时导向的目的。在钻进过程中的地质与工程风险进行预测与分析，制定预防措施，实现安全、高效钻进的目的。风险预测包括构造风险、埋深风险、垮塌风险、井漏风险、工具风险等。

四、实例分析

昭通紫金坝区块某平台布置上半支3口井，其中，1井和2井已经完钻，根据1井、2井实钻结果,沿井轨迹方向计算地层倾角，预测3井水平段地层倾角情况：着陆段较陡，倾角由大变小；水平段较平缓，前半段地层下倾14°～10.5°，中部段地层下倾9.0°～7.5°，后半段地层下倾6.0°～5.0°，水平段整体为略具小起伏构造。另外，地震剖面上，3井设计A点相对1井设计A点深20m，相对于2井浅10m，结合1井(2 376m)、2井(2 432m)实钻深度，预测本井A靶点垂深2 435m。

根据1井、2井实钻及地震资料分析，在着陆段地层倾角变化较大，由于倾角的变化就会造成A靶点垂深的变化，因此难以准确预测A靶点垂深，造成着陆难度增大。为了能够顺利着陆，采用分层控制井斜的方法，具体每层中井斜控制大小。 在导向过程中，根据实际钻遇情况，分析地层倾角的变化情况，根据实钻分析的地层倾角大小与预计的地层倾角差异的大小，对井斜控制的范围作适当调整。

本平台箱体龙一12小层内自然伽马有一定起伏，特征比较明显。轨迹控制区域:上切时轨迹至箱顶不超过自然伽马200API对应点以上，下切时轨迹不超过自然伽马180API对应位置以下，以确保轨迹在箱体中穿行。根据1井、2井实钻结果，在箱体中距箱底2.5 ～3m范围钻速较慢，5～6m/h。因此在实际导向过程中尽量使轨迹沿箱体中上部钻进。

在实际导向过程中，由于随钻伽马与电测伽马存在较大的系统误差，要根据随钻仪器在上部地层测得的自然伽马曲线与邻井伽马曲线作相关对比分析，以确定随钻伽马曲线在箱体中轨迹控制区域内伽马值对应的区间，水平段轨迹控制区间。

五、结论

该技术方法在昭通页岩气示范区多个平台进行了推广应用，取得了明显的效果。平台第一口井控制轨迹在箱体中穿行，确保箱体钻遇率，轨迹调整平缓、均匀以保证轨迹平滑；水平段钻进过程中，分析轨迹在箱体中不同位置的钻井和地质参数，逐步筛选出可钻性好的小层，总结轨迹控制方法；平台后续井进一步摸索地质情况和优质页岩储层展布规律，优化地质模型，提高地质导向决策指令质量，预测预判地质复杂，降低工程风险，确保页岩气优质储层钻遇率和井筒完整性。

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