昭通国家级页岩气示范区水平井地质工程一体化导向技术应用

梁 兴 徐进宾 刘 成 焦亚军 舒红林 陈安环 卞维坤 陶晓峰

（ 中国石油浙江油田公司 ）

0 引言

近些年来的实践表明，实现地质工程一体化是非常规气藏提产增效的最佳途径[1-4]。方案设计、钻井施工、储层改造、排采优化等步骤对页岩气井产能的影响逐次递进。按照逆向思维、正向施工的思想，越靠近源头的偏差对最终的产能影响也越大，因此只有顺利实现前一环节目标，才能给下一环节提供一个良好的基础。地质导向在整个工作链中处在一个相对靠前的位置，它是把勘探开发方案的思想由纸面向现实转化的枢纽，也是地质要求与工程指标结合的焦点所在，既要保证优质储层钻遇率又要给后续的压裂改造提供一个良好的井筒环境，在地质工程一体化中占有重要地位[5]。本文以昭通国家级页岩气示范区为例（以下简称昭通示范区），阐述针对山地页岩气的地质工程一体化技术及组织管理模式。该模式强调页岩气开发全过程的管理，采取与山地页岩气地质工程特点相适应的技术对策，采用地质工程一体化导向技术，有效规避因复杂地质、工程条件而产生的页岩气钻采工程实施隐患，有效提高钻井品质及作业效率，降低开发综合成本。

1 地质工程一体化导向技术背景

昭通示范区经历了加里东期以来4期板内强烈造山运动，表现为“强改造、过成熟、杂应力”盆外山地页岩气特点。整体构造改造较盆内复杂，呈现隔槽—隔挡式冲断褶皱与隆升剥蚀，断层、天然裂缝带发育，构造应力结构与地层产状复杂，气井产量不确定性加大了开发风险[6]。对于昭通示范区页岩气地质导向技术来说，主要面临以下技术难题：①井区水平井主方向微幅度构造发育，正向、负向构造频变，小断层、天然裂缝带发育，轨迹控制困难，井漏频发，钻井复杂多，提速困难。②随着地质认识的加深，对储层甜点的识别愈为精准，靶体由以往的大段笼统定位向单层细分发展，由于优质页岩分布薄，设计目标箱体从过去的6m调整为现在的2～3m，箱体钻遇率控制难度大。③工程甜点和地质甜点存在不一致性，地质工程动态评价难度大，不易取舍。④轨迹复杂，旋转导向工具使用有风险，存在刚性强、尺寸满井眼设计的缺陷，卡钻风险大。这样的技术背景，需要形成一套适应昭通示范区山地页岩气的地质工程一体化导向技术，满足以提速提效为目标的钻井品质，在最大程度保证优质储层钻遇率的情况下兼顾轨迹平滑，实现单井高产目的。

2 地质工程一体化导向技术对策

地质工程一体化推进力度取决于领导层的重视，特别是复杂类型油气藏的勘探开发，需要解决好组织架构、学科交叉、动态管理等影响一体化效果的问题[7-9]。为此，浙江油田公司专门成立地质工程一体化工作站，统一组织和管理一体化工作。根据山地页岩气勘探开发难点和页岩气水平井实施要点，整合公司内外部资源，组织各科研单位和钻探公司技术力量，不分彼此，共享信息，共同攻关，持续开展地层工程预警、裂缝预测、物探随钻跟踪、地质力学分层、固化生产流程等工作，在地质导向方面取得了较好的效果。

2.1 工作流程

昭通示范区页岩气水平井导向技术基本工作流程：①建立目标区域的构造、裂缝、应力属性三维模型，精细认识井区地质特征，进行水平井优化部署。②根据三维模型展示的构造趋势和储层甜点的空间展布特征，进行靶点预测和轨迹优化设计，识别水平段方向钻遇微断层、裂隙的可能性，做出钻井工程地质预警，提前告知钻井队做好井漏等复杂情况的预防。③利用邻井直井资料建立导向标志层模板，建立轨迹关键控制点。同时利用软件对相邻水平井校直处理，建立虚拟控制井导向标志层模板。④实钻中对标志层逐层逼近控制，不断修正靶点垂深，确保入靶。⑤采用地震逐点引导技术，预测钻头前地层倾角、修正待钻轨迹，结合元素录井+随钻伽马资料进行水平段实时跟踪、实时调整[10]，确保优质储层钻遇率。随钻过程中结合元素、气测、钻时等资料进行随钻评价，必要时进行靶体调整，确保轨迹处于设计靶区。鉴于构造复杂可能引起的井身轨迹复杂，进行轨迹扭矩、屈曲系数、摩阻计算，论证轨迹合理性、可行性，最终实现轨迹的地质与工程双优化。⑥根据随钻导向资料及钻后测井资料钻后评价，参与水平井压裂设计地质优化，结合压裂响应参数及微地震监测数据，进行三维模型迭代更新，指导后续水平井的滚动优化设计及一体化导向实施[11-18]。

同时，建立一体化专家远程决策系统，搭建信息共享平台，应用互联网、大数据技术，让信息技术与勘探开发各环节深度融合，实现远程技术支持，快速决策，创新数字化、精细化管理模式，实现远程辅助决策，提高导向决策的实时性。

2.2 主要做法

把地质导向工作简化为钻前、钻中、钻后3个步骤，这3个环节均强调地质与工程的紧密结合。钻前主要做好地质研究、力学分析，以及制定导向方案、提前对复杂情况工程预警。钻中通过逐层逼近控制、精细小层对比，实时估算局部地层倾角，确保入靶；水平段通过地震逐点引导技术把握趋势，随钻伽马+元素录井跟踪判断轨迹和地层上下切关系，实时微调轨迹，确保优质储层钻遇率和轨迹平滑度。钻后分析总结，去伪存真，更新数据，建立更精确的数据平台，为后续水平井设计及一体化导向提供数据基础。

2.2.1 钻前设计优化

由于昭通示范区位于四川盆地边缘，经历多期构造变形的改造与叠加，形成了各种不同类型、不同规模、不同展布方向的断层、微断层、褶皱和天然裂缝带，造成钻井过程中存在大量钻井液漏失、遇卡遇阻等钻井复杂状况。为了在保证井筒的光滑性与完整性的同时，提高水平段优质储层的钻遇率，创新性地开发了地震导向技术，通过深度挖掘地震信息，解决了井控程度较低情况下井位设计的精准度。在岩心分析、测井、地震等多方法融合的基础上，开展储层综合评价。利用岩心分析信息，建立页岩气关键评价参数，结合岩电标定，明确优质页岩纵向分布特征，井震结合拓展建立了反演结果与储层参数之间的关系，通过叠前地震AVO反演预测储层甜点空间展布特征，进而确定靶体位置。实际工作中，容易忽视钻井设计的严谨性，表现在仅仅根据构造图就提供靶点坐标和垂深，水平段的轨迹起伏波折设计时未作充分分析，对存在的诸多地质风险和工程难点考虑不足，一概交由随钻导向解决，这无形中增大了导向难度。要避免这种地质工程结合不紧密现象，就必须在水平井设计之初深入解读开发方案，精细刻画构造特征，确定水平井位置，重点对水平段出现的构造细节变化进行描述，确定不同位置地层倾角，并依此计算造斜率，为导向仪器选择和导向工具组合提供参考。比如在水平段轨迹设计方面，拾取构造倾角属性来提示井轨迹上的倾角突变；在天然裂缝的识别方面，采用蚂蚁体刻画技术提示断层或裂缝带的位置及发育强度，进行轨迹优化合理避让。针对易造成工程复杂的井段，应该采用地震多属性联合分析技术进行钻前预警，沿井轨迹提取振幅剖面、视极性剖面、瞬时带宽剖面和蚂蚁体剖面，直观展示钻井复杂的位置、特征和复杂程度，并且以此为依据优化地质导向方案。地震多属性联合分析技术在黄金坝区块得到充分应用，落实了诸多断层和裂缝发育带，使得钻井现场能够主动规避钻井风险。非常规资源开发中强调利用三维地质力学模型为钻井工程优化提供支持，该模型可模拟压力场、应力场的空间变化，为选择钻井液密度窗口提供依据，最大限度减少工程复杂。

地质导向师应对地质设计思路进行深入剖析，收集前期的地质综合研究成果，包括地震、钻井、录井、测井等资料，建立三维地质模型，制定有针对性的导向方案。特别是应及时利用邻井或平台完钻井的实钻地层参数对构造模型进行再标定，及时更新地质信息，做到动态修正。比如黄金坝东北复杂区某水平井，水平段前半段夹持在中部隆起的两条断层之间，后半段地层则是先变陡再变平缓直至尾部略微上翘，整个井轨迹呈波浪状，断层、裂缝发育，倾角变化大，导向困难。该井在设计时借鉴了前一口类似井的施工教训，采取针对性措施，一是剖面上采用双增设计方案，井轨迹定向稳斜段平行断层斜下，入靶过程避开断层，保证揭开地层齐全以免断失标志层给地质卡层带来干扰；二是选择构造高点着陆，虽然与早期方案相比损失近百米水平段，但是在复杂地质情况下简化了井轨迹，降低了施工难度，最大限度保证了优质储层钻遇率；三是在穿越中部小断层前后增加控制点，利用黄金坝核心区双甜点的特征，过断层前主动降至龙一11下甜点，穿越断层后靶体升至龙一13上甜点，通过靶体空间位置优化来降低断层的不利影响，在快速降斜中局部狗腿度得到有效控制，降低了钻井难度，提高了靶体钻遇率；四是在倾角剧变处结合工具造斜能力和全井筒的完整性合理取舍靶体。

2.2.2 钻中导向实施

水平井导向实施以确保优质储层钻遇率为目标，准确着陆和水平井轨迹精细控制是两个关键环节。昭通示范区山地地质条件复杂，石灰岩出露区激发条件差，山区地表地形起伏大导致静校正问题严重，地震剖面信噪比低，且受地震资料自身精度影响，难以建立一个精准的构造模型。同时，山地地下地质条件复杂，速度场横向变化快，地震波场复杂，单靠地震资料难以建立精准的时深转换速度场，造成靶点深度预测存在误差。综合运用地震、录井、测井等信息，开展地层精确划分、层位精细标定和邻井的精细校正工作，动态地进行三维构造精细解释，尽可能建立准确的速度场，准确揭示储层横向空间展布趋势，以缩小地层埋深预测误差。

着陆过程就是不断修正模型、不断接近地层构造真相的过程。在着陆过程中可能出现两类问题，一是实钻轨迹和地层之间的角差过大，井轨迹进入目的层下部易发生井漏的五峰组或宝塔组，在后续钻进过程中被动上挑校正轨迹，使简单轨迹复杂化，影响井眼平滑度，增大钻井风险；二是角差过小，迟迟不能入靶，会增加靶前距和水平段长度，浪费靶前的优质储层，形成“灯下黑”。因此，着陆阶段主要采用逐层逼近的方法进行轨迹控制，标志层的设定由宏观到微观，越接近目的层，选取点越密集。以黄金坝区块为例，建立不同尺度测井识别特征，逐级控制入靶过程。根据邻井自然伽马特征进行识别，分别有如下3个控制点（图1），控制点①：出现相对高自然伽马尖峰，自然伽马值为160API，进入龙一2层中下部，距箱体顶界30m，对比计算地层局部倾角，重新预测靶点并调整轨迹。控制点②：自然伽马值从140API上升至150API，进入龙一14小层，距箱体顶20m，对比校正靶点垂深并重新优化轨迹。控制点③：自然伽马值从160API上升至220API，进入龙一13小层，距箱体顶4m，通过推算地层倾角，调整井斜角，保持良好入靶姿态着陆。同时，为了克服单伽马仪器产生的多解性导致地层判别不准的问题（尤其是当目的层上下岩性、电性特征相似），通过引入X射线元素录井技术，分析岩屑中各种元素含量、建立标准交会图版，辅助地质导向跟踪，对小层进行精确定位，该技术不受钻井液等其他因素影响，能真实反映地层变化特征。

图1 页岩气水平井着陆控制点分析Fig.1 Analysis of landing points in horizontal gas wells

水平段精细跟踪的关键在于对沿井轨迹地层倾角的判断，明确井斜角与地层倾角关系，实时微调井斜角，把轨迹控制在设定靶体内[19-24]。目前常用方法是，依据实钻的岩屑录井、气测、钻时、随钻测井等信息实时分析与对比，比如采用等时旋回对比技术，解释钻进层位、地层倾角、轨迹状态，制定导向方案，随钻伽马和元素录井跟踪是钻头实时定位的依据，主要依靠方位伽马进行上下切判断和实时计算角差进行轨迹微调。采用地震逐点引导技术对未来地层倾角趋势进行预测，该技术以动态校正速度场为基础，在周边已钻井和已钻地层控制约束下，校正速度体，修正误差，实现构造实时、高效更新，进而提高地层倾角预测精度。这种方法的优势是克服了以往静态剖面的局限，将水平井实钻信息与地震剖面相结合，实现地震剖面实时更新，大幅提高了地震数据对后续地层趋势的预测精度，尤其是精确预测微幅度构造变化、提前规划待钻轨迹，有助于保证井筒平滑性（图2）。尽管地质导向的目标是提高优质储层钻遇率，但在微幅度构造发育的水平段应辩证分析，刻意追求优质储层钻遇率会导致井轨迹人为复杂。比如局部挠曲、微断层的追层，必定导致局部井斜角的大增大降，工程操作上勉强迎合意味着狗腿度超标，给后续的钻完井造成困难，甚至引发井下事故，造成井筒完整性受限。因此，水平段钻进中既要强调随钻测井和元素录井的精准定位，又要把握地震宏观趋势，二者相辅相成，对复杂井段适当取舍，才可以既保障井筒光滑又保证较高的钻遇率。在地震资料的协助下宏观把握构造大趋势，识别构造突变及断层，提前主动微调井斜，避免滞后被动猛调井斜；涉及断层、挠曲穿越情况，采用“拣西瓜，丢芝麻”对策，在确保大段构造稳定段钻遇率前提下，保持稳斜钻进，最大程度保证井筒完整性和优质储层钻遇率。对于构造复杂井，轨迹调整前应进行方案可行性、科学性计算和论证，确保轨迹平滑，以保证后续测井、下套管、下连续油管顺利进行及压后不形变，保证井筒全生命周期的完整性。

针对昭通示范区典型山地页岩气特点，为了满足高造斜率的需要、提高机械钻速，造斜段主要采用旋转导向工具，根据井型、构造的不同，提前制定地质导向方案，尽量减小靶前距，控制狗腿度；三维井、地层上翘的造斜段，井斜、方位控制难度大，旋转导向技术需提前介入，确保顺利入靶。由于旋转导向工具自身结构特点，容易造成卡钻埋钻等风险，在高难度水平段钻进中风险大，需根据待钻轨迹、待钻地层的难度，适时优化简化导向钻具组合，选择方位伽马或近钻头伽马工具，最大程度满足导向要求。昭通示范区水平井钻井过程中也尝试了随钻储层评价工作，基于元素录井、自然伽马能谱和气测录井资料，结合岩心分析资料，采用多元线性回归拟合方法，建立了矿物含量、有机碳含量和含气量的计算模型，对水平段页岩储层进行随钻解释评价，以便及时调整导向方案。

图2 地震逐点引导技术实时更新剖面Fig.2 Real-time profile under point-by-point guidance by seismic

2.2.3 钻后迭代模型

根据完钻井地质+地震导向成果，结合钻井漏点、划眼困难段及压裂施工、微地震响应等工程资料，通过多维迭代式构造建模法，不断修正研究区块精细构造模型和属性模型，同时基于更新后的地质模型进一步指导下一批井的地质设计、工程设计和施工作业。利用软件拟合后的水平井地质导向模型，对井斜和地层倾角进行校正并建立虚拟导眼井，对区域控制直井、系列虚拟导眼井进行对比，分析掌握地层空间变化特征，建立区域导向模板，指导后续的产建导向工作。

3 应用效果

水平井地质工程一体化导向技术在昭通示范区得到广泛应用，与2017年相比，2018年完钻的17口页岩气水平井，在平均井深、水平段长度大幅增加的前提下，平均机械钻速由5.33m/h提高至6.93m/h，提升30.08%；平均钻井周期由81.51天降至69.39天，缩短12.12天，降幅14.87%，优质储层钻遇率达到 96.48%。

案例1：A井为紫金坝区块的一口产能评价井，主要存在两个导向难点：一是箱体位于龙一12层下部至龙一11层上部，厚度薄，仅为2.6m；二是设计水平段长度达2800m。A井着陆后出现旋转导向卡钻现象，解卡后优化水平段导向工具组合，将旋转导向工具更换成螺杆+方位伽马，以降低井下风险。该井充分发挥地震逐点引导技术优势，实时把控地层趋势，利用方位伽马+元素录井实施一体化精细导向控制，轨迹平滑，完钻套管(5290m)用时48小时下到位，创示范区之最。同时，A井完钻水平段长度为2810m（图3），靶体钻遇率为100%，水平段气测显示较好，全烃含量平均值为20.88%，最大值为68.26%，达到预期目标。

案例2：B井为云山坝区块的一口评价井，结合前期地震资料分析，该井水平段构造较简单，地层上倾9°。实钻跟踪中，在钻至3905m时钻遇地震不可识别的构造突变，地层倾角由10°变为20°，局部地层倾角达到35°（图4）。按照“拣西瓜、丢芝麻”的思路，没有盲目过多增斜，以3°狗腿由100°增至106°，虽然部分水平段进入宝塔组，但是保证了井眼轨迹圆滑和井下安全，顺利通过该构造突变点再次入靶，该井优质储层钻遇率为90.6%。

图3 A井完钻深度域地震剖面Fig.3 Geosteering and tracking diagram of Well A

图4 B井导向跟踪图Fig.4 Geosteering and tracking diagram of Well B

4 结语

昭通示范区页岩气水平井实施坚持地质工程一体化，实现了由几何导向到气藏导向的转变，形成一套适应于山地页岩气的水平井地质导向技术，有效提高了复杂地质、工程条件下的应对能力，降低了施工风险，缩短了钻井周期。现场实践证明，钻前建立精细地质模型以优化设计，实钻中采用地震逐点引导、随钻伽马、元素录井等技术保障水平井优质储层钻遇率和井眼轨迹平滑，完钻后利用实钻参数对构造模型进行迭代更新以指导后续钻井，这种贯穿钻前、钻中、钻后的“循环”工作模式是一种能够有效实现精细地质导向的方法。