深度挖掘水平井资料预测地层倾角新方法

2022-03-07郭敬民孙恩慧杨东东

西南石油大学学报(自然科学版) 2022年1期

郭敬民，孙恩慧，汪巍，李博，杨东东

中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津滨海新区 300452

引言

在油田开发的中后期，区域构造的趋势对储层边部调整井位的部署起着极为重要的作用。由于海上油田以丛式井为主，井位分布较集中，储层外围钻遇较少，部署储层边部调整井时具有一定风险[1-3]。在构造趋势不明确的位置实施水平井时，常依靠将水平段尾端向上钻出储层的方式进行预测地层倾角，该方法影响了水平段尾端的实施效果，造成水平段的油层钻遇率的降低。地层倾角对层序地层分析、砂体构型解剖等地质研究工作也有着重要意义，是开展相关地质研究的重要因素[4-6]。

针对地层倾角预测问题，除了水平井尾端钻出储层的方法，前人的研究工作多是依靠特殊类型的测井仪器或测井技术[7-16]，缺少水平井普遍适用性，且未根据不同类型水平井资料的差异进行分类研究。本文针对海上油田水平井较多的特点，充分利用水平井常规资料进行信息深度挖掘，根据水平井形态及水平段与储层的位置关系，将水平井厘定为“一”字型水平井、“V”字型水平井及小井斜水平井3 个类型。结合3 类水平井的常规资料特点，分别开展信息深度挖掘研究，并在渤海湾C 油田进行了该方法的实践，取得了较好的效果，为储层边部的调整方案的部署提供了有力的地质支持。

1 研究区地质概况

研究区C 油田位于渤海海域西部，西距天津塘沽市约90 km，为一套披覆在基底潜山之上的背斜构造，油田整体圈闭幅度较低，最大圈闭幅度35 m，油田区域内断层不发育。油田主要含油层段为明化镇组与馆陶组，储层呈高孔高渗的特征，油藏类型以岩性构造油藏为主，驱动类型为强底水驱动，为了提高开发效果，C 油田一直采用水平井单砂体开采的开发模式，积攒了大量的水平井资料。

C 油田钻井平台部署在构造最高点（图1），距离平台1 km 范围内井位过路信息较丰富，向外围方向井位逐渐减少。经过长期高速开发，近年来，油田外围部署井位逐渐增多。外围缓坡带的构造趋势决定了油柱高度及水平井避水高度，地层倾角的变化是决定井位部署方案的重要因素[17-19]。而水平井在储层内部钻进过程中无法得知储层顶面倾角的变化，当前主要依据深层井位过路评价、地震剖面趋势推测及水平段尾端钻出储层等方式获取地层倾角信息，亟需预测地层倾角的新方法。

图1 C 油田构造特征Fig.1 Structural characteristics of C Oilfield

2 水平井类型划分及资料特点

2.1 水平井类型划分

通过对C 油田160 口水平井的梳理认为，水平井与储层顶面的相对位置及水平段的轨迹形态对钻遇资料有着一定影响，由于水平段资料具有横向连续性较好的特点，水平段钻进轨迹的不同导致了揭示储层信息的差别[20]，进而根据水平段的轨迹特点将水平井厘定为3 类（图2）。

图2 不同类型水平井示例Fig.2 Schematic diagram of dip angle calculation method

（1）“一”字型水平井：一般为贴近储层顶部钻进的水平井，当地层水平时，以90°±1°的井斜横向钻进，假设水平段在300 m 左右，整段距离储层顶面的上下幅度不超过5 m，水平段井斜会因地层构造趋势发生一定的增大或减小。（2）“V”字型水平井：由于下探储层的需要或钻头稳斜失败等原因，当地层水平时，水平段进入储层后先以小于89°的井斜横向钻进，后以大于91°的井斜钻进，假设水平段在300 m 左右，整段上下幅度超过5 m，整个轨迹呈明显的“V”字型。（3）小井斜水平井：由于下探储层的需要或钻头稳斜失败等原因，持续以小于89°的井斜横向钻进，逐渐向储层中部钻入，尾端距离储层顶面超过5 m。

2.2 不同类型水平井资料特点分析

根据水平井钻遇储层的特点，对3 类水平井的资料特点进行分析。

“一”字型水平井轨迹始终贴近储层顶面，对储层垂向上的变化特征揭示较少，直接用于井间对比较难（图3a）。其资料具有两方面的优势：首先，近似平行顶面钻进，水平段揭示了同一沉积期次内沉积微相的横向变化，相较于另外两种井型，更适用于构型单元规模的刻画。其次，水平段贴顶钻进，受顶面泥岩的影响，电测曲线包含大量近界面的电测响应信息，是本次信息深度挖掘的重要资料支持。

“V”字型水平井前半段向储层中部钻入，后半段向储层顶钻进，钻遇的储层可能为不同沉积期次的沉积单元，不可直接用于沉积单元规模的刻画（图3b）。其优势在于揭示了一定的储层垂向变化特征，且水平段前、后半段钻遇储层具有一定相似性，通过选取合理方法进行水平段前、后半段的对比可得到更多的信息。

小井斜水平井轨迹向储层中部钻入，钻遇的构型单元界面为不同时期的沉积单元界面，可能存在穿时的情况，不可直接用于沉积单元平面规模刻画（图3c）。该类型水平段揭示的储层垂向变化特征较多，当水平段钻进方向与底层倾向相同时，水平段垂向厚度比储层实际厚度厚，而水平段钻进方向与底层倾向相反时，水平段垂厚度比储层实际厚度小，利用与钻穿井的曲线对比，计算小井斜水平井垂向厚度的伸缩幅度，从而推断区域地层倾角。

图3 不同类型水平井资料特点Fig.3 Data characteristics of different types of horizontal wells

根据不同类型水平井资料特点的分析，对不同类型水平井选取不同方法进行信息挖掘，可间接得到区域地层倾角。

3 不同类型水平井信息挖掘预测地层倾角技术

不同类型水平井的最根本区别在于沿水平段井筒径向的储层变化。当贴近储层顶部钻进时，水平段电测曲线更多的受到轨迹上下储层变化的影响，一些探测距离较远的曲线可直接获得储层界面的信息；而向储层中部钻入的水平井，逐渐远离储层顶面，难以直接获得储层顶面的电测响应信息，但水平段与储层呈一定角度钻入时，相比较于垂直钻入储层的过路井，垂向上单位长度内的取样点得到了加密，更精细地揭示了储层垂向的变化，可通过对比方法间接获得储层构造趋势的信息。

3.1 基于“相位&衰减电阻测井差别”的构造界面预测方法

针对以上特点，对“一”字型水平井进行深挖电测曲线信息，对各类电测曲线的探测范围进行对比筛选[21-26]，最终选择较为常见且具有多重探测距离类型的电阻率曲线作为挖掘对象。

3.1.1 预测方法原理

在随钻测井项目中，电阻率是非常重要的一个系列，不同类型的电阻率曲线反映了不同范围的地层电阻率，准确认识电阻率曲线反映的信息是地质人员正确评论地层的前提，同时也是用来判别油气层的重要手段。本次研究以贝克休斯公司的OnTrack 测井中的电阻率测井为例，根据探测深度差异可划分为：相位与衰减；根据频率可划分为：高频与低频；根据收、发器的距离可划分为：长源距与短源距。通过以上类型组合可得到8 条探测距离不同的电阻率曲线，其中，衰减长源距低频电阻率（简称衰减电阻率）探测距离最远，相位短源距高频电阻率探测距离最近，但由于该曲线易受到井筒影响，选用相位长源距高频电阻率（简称相位电阻率）作为探测距离最近的曲线。

电阻率曲线反映了探测方位内包括的介质对电极系测量结果的贡献，当水平段接近储层界面时，进入衰减电阻率的探测半径时，衰减电阻率优先发生变化，而探测距离较短的相位电阻率变化迟缓；当储层界面距离小于相位电阻率探测半径时，相位电阻率值迅速下降。根据贝克休斯实验室得到的电阻率探测距离的数据（表1），可实现水平段在储层内部预测储层顶面的目的。

表1 不同类型电阻率测井探测距离Tab.1 Detection distance of different types of resistivity logging

根据相位与衰减两条电阻率曲线与储层顶面距离变化时表现出的测井线组合特征，建立不同模式，对照模式类型可对水平段各段轨迹距离顶面的距离进行分析。图4 为6 种模式相位&衰减电阻率测井差别对照，根据表1 相位、衰减的探测距离，模式1 反映了在距离当前轨迹0.6～1.2 m 的位置存在电阻率较低的地层；模式2 反映了当前轨迹处于泥岩或水层中，距离当前轨迹0.3～0.8 m 的位置存在电阻率较高的储层；模式3 反映了轨迹从电阻率较高的地层钻入电阻率较低的地层，可见极化现象；模式4 反映了从电阻率较低的地层钻入电阻较高的地层，可见极化现象；模式5 反映了距离当前轨迹0.6～1.2 m 的位置，在纯油层的边界出现电阻率较低的地层；模式6 反映了当前轨迹位于高电阻率储层且在1.2 m 内无低电阻储层，或位于低电阻率地层且0.8 m 内无高电阻率储层。

图4 相位&衰减电阻测井差别对照模式Fig.4 Phase&attenuation resistance logging difference control mode

对照以上模式，结合当前相位电阻率的测井解释结果，可判别水平段轨迹位于储层的位置，当水平段着陆在油层时，电阻率曲线呈模式4，由于此时虽然进入油层，但距离顶面较近，出现一段长度的模式1，但随着轨迹进入更好的储层，相位、衰减均无法探测到顶面，逐渐变为模式6；在贴顶钻进过程中，当轨迹逐渐靠近储层顶时，在距顶距离到达衰减曲线探测深度、但未到达相位探测深度时，曲线分叉出现模式5，通过随钻调整，轨迹再次远离储层顶，逐渐变回模式6。

钻后，通过各类电阻率曲线探测深度结合多模式分析预测储层顶面深度，通过多个取样点得到多处储层顶预测深度与水平位移的线性关系，建立三角函数计算得到该段储层的地层倾角。通过该方法，在不钻出储层的前提下获得了地层倾角。

3.1.2 C 油田应用实例

以C 油田水平井C1 为例，该井周边缺少过路井位，地层倾角估算仅依靠地震剖面趋势。通过分析C1 井水平段电测曲线（图5a），发现该井相位长源距高频（RPCEHM）与相位长源距低频（RPCELM）两条电阻率曲线间模式5 特征明显，相位长源距高频探测距离为0.58 m，相位长源距低频探测距离为0.76 m。统计两条曲线分叉、合并位置的井轨迹的海拔深度，设储层顶面与水平段轨迹距离为X，可知当0.76 m>X>0.58 m 时，曲线分叉特征明显，当X>0.76 m 时，曲线分叉变为曲线交叉重叠。曲线交叉、分叉点位置轨迹垂深H=H1+0.76（式中：H—曲线交叉、分叉点位置轨迹垂深，m；H1—数据点井轨迹的海拔，m）。

为了提高预测的准确性，避免个体因素影响，需统计多处位置，估算各处储层顶面海拔深度，并与水平位移进行交汇，寻找最合理的线性关系，最后根据交汇结果，选择出样品点（图5），计算得到地层倾角β=arctan(ΔH/ΔL)=0.4°（式中：β—地层倾角，（°）；ΔH—合理样品点间的垂向落差，m；ΔL—合理样品点间的水平位移，m）。

图5 C1 井所在区域地层倾角预测Fig.5 Prediction of formation dip in the area where Well C1 is located

计算结果可以根据高分辨率地震资料进行验证，利用水平井过路层位，在海上油田常用的90°相移剖面上进行精细标定类比的基础上，预测目的层地层倾角。根据过C1 轨迹地震剖面，该井路过多套分布稳定的上覆层位，结合多口过路井计算目的层地层倾角为0.45°，考虑目的层地震轴产状略小于相邻层位，利用地震轴产状预测地层倾角为0.40°，与本次方法计算结果较为一致，该方法为后续外围井位部署提供了数据依据。

3.1.3 方法的适用性

该方法适用于距离储层界面较近的“一”字型水平井，但对于以下储层特征效果不佳：油层内夹层较多或泥岩含量较大，受到储层内非均质性影响，模式特征不明显；河流相等横向相变较快的储层，靠近废弃河道处点坝砂体顶面向河道倾斜，无法反映真实的地层倾角；小于2.0 Ω 的低阻油层中电阻较低，电阻率曲线探测深度较浅，难以探测储层界面。

3.2 “V”字型水平井拆分自对比预测构造趋势方法

“V”字型水平井的水平段距离储层顶面的距离，常常超出了衰减电阻率的最大探测范围，无法直接获得储层界面的信息，可利用水平段拆分对比方法间接获取储层构造的趋势。

3.2.1 方法原理

“V”字型水平井前半段向储层中部钻进，后半段增大井斜向储层顶部钻进，前、后半段之间易钻遇相似储层，水平段一般长度在200～500 m，通过准确的分割对比，前、后半段可近似两口“对子井”，通过前、后半段的对比可了解储层变化的情况。

对于三角洲前缘席状砂等砂体结构横向分布较稳定的储层、砂体垂向韵律渐变特征较明显的储层以及电阻率垂向呈递增变化的低阻油层，由于储层整体具有相似的垂向变化特征，可选取反映储层特征较明显的电测曲线，进行水平段拆分对比，寻找前、后半段的相似曲线段，通过对比获得区域构造趋势变化。

3.2.2 应用实例

以C 油田水平井C2 为例（图6），C2 井水平段位于C 油田馆陶组辫状河沉积储层，储层内砾岩夹层、泥岩夹层较发育，垂向上，储层呈现顶部砂泥、砂砾薄互层、中部厚套砂岩夹泥岩、砾岩薄夹层的储层特征。

图6 典型“V”字型水平井C2Fig.6 Typical“V”shaped horizontal Well C2

（1）电测曲线的优选：根据储层特点，选取对砂、泥、砾反应较明显的电阻与密度测井曲线作为信息挖掘对象。

（2）选择合理的切分点：切分点的选择十分重要，不适合的切分会导致无法找到对比匹配位置，需根据地震剖面大致估算地层倾角，在水平段近平行的轨迹拐点附近选取合理的切分点（图7）。

图7 水平井切分Fig.7 Horizontal wells segmentation

（3）曲线拉伸对比：由于“V”字型水平井前、后段与地层间夹角变化较大，将曲线校直至垂向后，前、后半段曲线必然存在比例差异。对比方法A中，切分后的后半段A 段曲线与前半段相似，但对比结果显示两段曲线拟合效果较差；而对比方式B中，考虑了地层倾角对曲线投影的影响，尝试将B段曲线拉伸后进行对比，拉伸对比后电阻曲线、密度曲线拟合效果均较好（图8）。

图8 水平段切分对比的不同对比方式Fig.8 Different contrast methods of horizontal segmentation and contrast

（4）地层倾角的计算（图9）：水平段在地层真厚度方向投影长度为

根据曲线切分对比结果，水平段前后两段曲线对应的地层真厚度相等，故，La1/Lb1=1，可进一步推导出

图9“V”字型水平井求取地层倾角Fig.9 Obtaining formation dip angle by V-shaped horizontal well

C2 井水平段长度300 m，钻前认为C2 井所在区域地层倾角0.6°，水平段二靶位置预计比一靶位置深2.5 m；在未钻出储层的情况下，通过本次研究计算得到C2 井所在区域地层倾角为1.4°，比钻前认识的0.6°增加了0.8°，水平段二靶位置比一靶位置深了7.5 m，比钻前预测深了5.0 m。根据该认识，对该区域井网部署做出了调整。

3.2.3 方法的适用性

该方法适用于地层垂向具有一定变化特征的储层结构，对于比较均质的储层结构，由于缺少对比特征不适用；对于横向变化较快的储层，例如发育大量小型水下分流河道的三角洲前缘砂体储层，当水平井钻遇多条河道时，对比过程存在一定难度[27]；该方法尽量使用探测距离较近的电测曲线，由于“V”字型水平井相比较于钻穿井，垂向钻进厚度依然较少，对比时使用探测距离较远的电测曲线将导致丢失大量细节，不适用本方法。

3.3 基于“地层真厚度方向校正与对比”的地层倾角预测方法

对于小井斜水平井，缺少近储层顶的“相位&衰减电阻测井差别”特征，也缺少水平段拆分自对比基础，本次使用地层真厚度方向校直对比方法。

3.3.1 预测方法

在构造近于平行的储层中，设小井斜水平井在铅垂线方向的校直长度为Lc。当储层具有一定倾角时，若水平段钻进方向与地层倾向相同，在铅垂线方向的校直长度为Lc1，受构造倾角影响Lc1大于Lc；若水平段钻进方向与地层倾向相反，在铅垂线方向的校直长度为Lc2，受构造倾角影响Lc2小于Lc1。而Lc1、Lc2校直至储层真厚度方向时，与Lc相等。

利用小井斜水平井上述特点，结合地震剖面，估算大致地层倾角，对水平段进行地层真厚度方向的校直，并用校直后结果与相邻过路井进行对比，根据对比结果的匹配程度，进行地层倾角的调整，直至达到最优的对比结果，从而反向估算得到地层倾角。

3.3.2 C 油田应用实例

以C 油田水平井C3 为例，该井沿地层倾向钻进，为了验证流体界面，C3 井钻穿C 油田M 砂体，周边有一口过路井C4。将C3 井校直至铅垂线方向时，与邻井C4 井对比效果较差，电测曲线特征差异较大，见图10。

图10 低井斜水平井在铅垂线方向的校直与连井对比Fig.10 Vertical alignment of low deviated horizontal wells and comparison with adjacent wells

设井斜角为α，水平段轨迹长度L，估算该区域地层倾角为β，得到地层真厚度方向投影长度L1=Lcos(α+β)，根据L1对曲线进行调整，通过多次改变地层倾角β，找到电测曲线特征最匹配时对比方式，根据此时的L1的长度，计算地层倾角β=arccos(L1/L)-α，根据真实地层厚度方向校直后的C3 井与相邻过路井C4 的对比剖面反映了地下储层真实形态（图11）。