準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖油田優(yōu)快鉆地質(zhì)因素研究

付基友 徐聲馳 陳乃至 李宜霖 侯力虎 湯 夏

(中國(guó)石油西部鉆探地質(zhì)研究院(克拉瑪依錄井公司))

0 引 言

準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖10億噸級(jí)特大油田成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)油氣資源增儲(chǔ)上產(chǎn)的重要接替區(qū)之一，在該油田鉆探過程中，重點(diǎn)針對(duì)瑪湖大型非常規(guī)砂礫巖油藏，從方案研究、技術(shù)攻關(guān)、組織協(xié)調(diào)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施等方面共同發(fā)力，旨在通過優(yōu)快鉆完井技術(shù)、高效壓裂工藝、合理開發(fā)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模開發(fā)快速建產(chǎn)[1]。其中，鉆井提速和優(yōu)質(zhì)完井是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的前提，將為瑪湖砂礫巖油藏效益開發(fā)起到重要引領(lǐng)作用。

MH 1區(qū)塊多層段易發(fā)生井漏、井壁失穩(wěn)、油氣水侵等各類工程復(fù)雜情況，經(jīng)對(duì)區(qū)域內(nèi)2017年至2019年所鉆的井進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，有40口井發(fā)生工程復(fù)雜，占總施工井?dāng)?shù)的45%，復(fù)雜發(fā)生次數(shù)共173井次。其中：井漏發(fā)生128井次，占比73.99%(主要集中在J1b及以下地層)，累計(jì)耗時(shí)7 936.68 h；油氣水侵發(fā)生12井次，占比6.93%(主要集中在T1b及以下地層)，累計(jì)耗時(shí)849.57 h；井壁失穩(wěn)發(fā)生33井次， 占比19.08%(主要集中在T2k及以上地層)，嚴(yán)重影響了鉆完井工期。從上述復(fù)雜數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)來看，井漏占比最高，耗時(shí)最長(zhǎng)，主要漏失層段為侏羅系八道灣組，三疊系白堿灘組、克拉瑪依組、百口泉組和二疊系烏爾禾組；其次是井壁失穩(wěn)，主要發(fā)生層段為二疊系烏爾禾組。另外，區(qū)域內(nèi)二疊系上烏爾禾組(P3w)砂體發(fā)育，橫向連片、縱向疊置，但砂體縱向上非均質(zhì)性較強(qiáng)，隔夾層較多且橫向發(fā)育不穩(wěn)定，當(dāng)水平井鉆遇隔夾層時(shí)，鉆速較慢，嚴(yán)重影響鉆井施工進(jìn)度，同時(shí)降低油層鉆遇率[2]。亟需深入研究MH 1區(qū)塊內(nèi)誘發(fā)各類工程復(fù)雜的地質(zhì)因素，攻克無方向性導(dǎo)向工具情況下水平井地質(zhì)導(dǎo)向隔夾層識(shí)別的難題，形成一套有針對(duì)性的工程復(fù)雜地質(zhì)因素分析技術(shù)和隔夾層識(shí)別技術(shù)，為工程復(fù)雜風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防及水平井地質(zhì)導(dǎo)向提供技術(shù)支持。

1 優(yōu)快鉆技術(shù)

優(yōu)快鉆技術(shù)是由國(guó)內(nèi)提出并迅速發(fā)展起來的鉆井工藝技術(shù)，因各大油田實(shí)際情況及所鉆地層的差異，導(dǎo)致解釋內(nèi)容不盡相同，總的來說是指高質(zhì)量、快速、高效鉆井施工，但前提是要保證井下安全[2]。針對(duì)研究區(qū)域開發(fā)難點(diǎn)，主要運(yùn)用地層壓力預(yù)測(cè)、巖石裂縫預(yù)測(cè)以及井壁穩(wěn)定性分析進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判，降低鉆井風(fēng)險(xiǎn)；利用隔夾層預(yù)測(cè)技術(shù)輔助水平井地質(zhì)導(dǎo)向，提高油層鉆遇率，最終達(dá)到提質(zhì)提速增效的目的。

1.1 地層壓力預(yù)測(cè)

相對(duì)準(zhǔn)確的地層壓力預(yù)測(cè)是合理設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)、鉆井液比重、工程套管程序及有效完井方法的基礎(chǔ)，直接影響鉆探的成功率，對(duì)鉆井施工而言至關(guān)重要。早在1968年P(guān)enebaker總結(jié)形成了地震波傳播速度公式v=KZn(式中v為地震波在地層中的傳播速度；K、n為常數(shù)；Z為地層埋深)，可應(yīng)用于鉆前壓力預(yù)測(cè)。而后國(guó)內(nèi)外關(guān)于鉆前地層壓力預(yù)測(cè)方法歷經(jīng)了數(shù)十年的研究，目前大致有壓實(shí)平衡方程方法、等效深度法、Eaton公式法、Stone方法、Fillippone 公式法及其改進(jìn)法、波阻抗反演法、R比值法、公式計(jì)算法等[3-4]。主流的地層壓力預(yù)測(cè)方法是利用地震層速度預(yù)測(cè)地層壓力，這是近幾十年來國(guó)外廣泛使用的一項(xiàng)技術(shù)，其原理是地震波在泥、頁(yè)巖中的傳播速度隨埋深增加而有規(guī)律地加快，除非遇到異常壓力層。

瑪湖油田廣泛利用dc指數(shù)和聲波時(shí)差等資料計(jì)算地層壓力，由于dc指數(shù)法計(jì)算地層壓力的精度受巖性、收集參數(shù)的準(zhǔn)確性、提速工具使用等因素的影響較大[5]，主要用于隨鉆壓力監(jiān)測(cè)。本區(qū)塊主要依據(jù)完井聲波時(shí)差數(shù)據(jù)計(jì)算地層壓力(在研究區(qū)域內(nèi)建立106口直井地層壓力剖面)，結(jié)合地破實(shí)驗(yàn)、試油資料修正，運(yùn)用成熟的井震結(jié)合三維建模技術(shù)建立地層壓力模型(圖1)，實(shí)現(xiàn)地層壓力分布規(guī)律研究由二維平面向三維空間的轉(zhuǎn)變。依據(jù)三維空間地層壓力展布規(guī)律，可以沿鉆井軌跡進(jìn)行地層壓力分段預(yù)測(cè)，提出后續(xù)鉆井井身結(jié)構(gòu)、鉆井液體系和密度使用的優(yōu)化建議，降低鉆井工程復(fù)雜風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 MH 1區(qū)塊三維地層壓力模型

1.2 巖石裂縫預(yù)測(cè)

巖石裂縫預(yù)測(cè)方法較多，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)天然裂縫的識(shí)別主要利用測(cè)井和地震等地球物理方法[6]。國(guó)外斯倫貝謝公司主要利用地震法，通過地震螞蟻體、曲率等屬性識(shí)別追蹤裂縫[7]，建立裂縫模型，分析總結(jié)裂縫展布特征及其規(guī)律(圖2)。國(guó)內(nèi)主要采用井震結(jié)合的方法來識(shí)別巖石裂縫，通過對(duì)裂縫性地層巖心刻度成像(圖3)，基于國(guó)內(nèi)相關(guān)研究建立的線性、非線性簡(jiǎn)化方程進(jìn)行常規(guī)測(cè)井的深、淺電阻率標(biāo)定[8]，求出校正系數(shù)，建立聲波-孔隙度解釋模型，計(jì)算單井裂縫指數(shù)，井震結(jié)合建立三維裂縫指數(shù)模型，實(shí)現(xiàn)裂縫立體刻畫。

圖2 螞蟻?zhàn)粉櫫芽p示意圖

圖3 MH 1區(qū)塊巖心圖和測(cè)井成像

具體計(jì)算公式如下：

RSK=(RT-RI)/(RT×RI)1/2

(1)

φFLLD=(A1/RI+A2/RT+A3)Rmf

(2)

Rmf=(2.169-1.1ρ)Rm1.073

(3)

式中：RSK為裂縫傾角指數(shù)，無量綱；RT為深電阻率，Ω·m；RI為淺電阻率，Ω·m；φFLLD為裂縫孔隙度指數(shù)，無量綱；A1、A2、A3為裂縫系數(shù)，無量綱；Rmf為鉆井液濾液電阻率，Ω·m；ρ為鉆井液密度，g/cm3；Rm為鉆井液電阻率，Ω·m。

區(qū)域巖心和成像資料呈段分布，縱向無法建立連續(xù)裂縫剖面，橫向井間裂縫追蹤困難，同時(shí)測(cè)井法建立的裂縫指數(shù)模型存在局限性[9]。因此，在瑪湖油田選取地震螞蟻?zhàn)粉櫫芽p方法進(jìn)行裂縫追蹤，結(jié)合實(shí)鉆井裂縫資料進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。具體為采用完井測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)制作區(qū)域內(nèi)單井合成地震記錄，建立區(qū)域內(nèi)速度體模型，將時(shí)間域地震體轉(zhuǎn)換為深度域地震體，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行構(gòu)造平滑、混沌、3D邊界增強(qiáng)等屬性處理，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聚類分析技術(shù)選取可靠的螞蟻?zhàn)粉櫫芽p信息，建立MH 1區(qū)塊三維裂縫追蹤模型(圖4)，沿鉆井軌跡方向預(yù)測(cè)裂縫發(fā)育情況，提示井漏風(fēng)險(xiǎn)，豐富工程復(fù)雜預(yù)測(cè)手段。

圖4 MH 1區(qū)塊螞蟻體屬性三維裂縫模型

1.3 井壁穩(wěn)定性分析

地應(yīng)力系統(tǒng)和巖石強(qiáng)度直接控制了井壁穩(wěn)定性，藉此可全方位分析鉆井井壁的力學(xué)狀態(tài)，作為正確評(píng)估鉆井井壁穩(wěn)定性的重要依據(jù)。其中，地應(yīng)力狀態(tài)對(duì)井壁穩(wěn)定的影響最大，應(yīng)力集中是導(dǎo)致井壁失穩(wěn)的原因之一。目前，準(zhǔn)確求取地應(yīng)力(上覆巖層壓力、最小水平主應(yīng)力、最大水平主應(yīng)力)的大小和方向、地層孔隙壓力、巖石機(jī)械力學(xué)性質(zhì) (主要包括巖石單軸抗壓強(qiáng)度、內(nèi)摩擦系數(shù)、泊松比、多孔彈性系數(shù)、彈性模量)等的方法主要為實(shí)驗(yàn)法和測(cè)井解釋法[10]，建立黃氏、斯倫貝謝、多孔彈性水平應(yīng)變及ADS法等解釋模型。這些解釋模型均較好地考慮了地層非均質(zhì)性及應(yīng)力的各向異性。針對(duì)瑪湖區(qū)塊非常規(guī)礫巖儲(chǔ)層，主要采用斯倫貝謝地應(yīng)力解釋模型(圖5)，通過模擬井壁沖蝕程度，建立崩落指數(shù)，評(píng)價(jià)井壁穩(wěn)定性，從而達(dá)到指導(dǎo)安全鉆井的目的。

圖5 斯倫貝謝地應(yīng)力解釋模型

井眼穩(wěn)定性不單純是一個(gè)力學(xué)平衡問題，礦物的物理化學(xué)性能是一個(gè)不容忽視的重要影響因素[11]，其中礦物遇水基鉆井液后膨脹的特性影響最大。其原理是隨著礦物吸水量的增加，礦物和鉆井液之間發(fā)生物理化學(xué)滲流的作用增強(qiáng)，地層發(fā)生膨脹形變的幅度增大，最終導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。相關(guān)研究表明，遇水后黏土礦物膨脹發(fā)生形變幅度最大的是蒙脫石，較大的是退化的伊利石(伊蒙混層)，較小的是高嶺石、伊利石、綠泥石(存在較大的晶層間作用力)。通過對(duì)MH 1區(qū)塊內(nèi)多口井進(jìn)行礦物分析，同時(shí)與擴(kuò)徑井段對(duì)比，發(fā)現(xiàn)擴(kuò)徑井段伊蒙混層含量較高(圖6)，證實(shí)MH 1區(qū)塊井壁穩(wěn)定性與地層中所含礦物物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。該方法分析井壁穩(wěn)定性簡(jiǎn)單實(shí)用，可以進(jìn)行大范圍推廣。

1.4 隔夾層預(yù)測(cè)

隔夾層是發(fā)育在儲(chǔ)層中影響地層流體在儲(chǔ)層中流動(dòng)的重要因素，主要分為3類，即泥質(zhì)隔夾層、鈣質(zhì)隔夾層和物性隔夾層[12]。瑪湖區(qū)塊烏爾禾組目標(biāo)儲(chǔ)層主要發(fā)育泥質(zhì)隔夾層，水平井鉆進(jìn)過程中鉆遇隔夾層會(huì)導(dǎo)致油層鉆遇率降低、時(shí)效增加。隔夾層預(yù)測(cè)可以通過地震屬性分析，優(yōu)選均方根振幅、負(fù)振幅等地震屬性參數(shù)，采用聚類分析技術(shù)識(shí)別隔夾層[12-14]。為了精細(xì)刻畫瑪湖區(qū)塊目的層隔夾層情況，通過聚類分析測(cè)井資料與巖心觀察相結(jié)合識(shí)別隔夾層，在相控基礎(chǔ)上，井震結(jié)合建立三維隔夾層模型(圖7)，結(jié)合完鉆水平井地質(zhì)認(rèn)識(shí)進(jìn)一步修正隔夾層模型，提高三維隔夾層模型精度，進(jìn)而指導(dǎo)其他水平井鉆進(jìn)，提高油層鉆遇率。

圖6 瑪湖區(qū)塊礦物錄井剖面

圖7 瑪湖區(qū)塊烏爾禾組三維隔夾層模型

2 應(yīng)用效果

通過建立三維地層壓力模型、裂縫追蹤模型、隔夾層模型，并進(jìn)行井壁穩(wěn)定性分析，結(jié)果表明，瑪湖區(qū)塊地層壓力分布規(guī)律縱向特征明顯，裂縫展布規(guī)律清晰，隔夾層刻畫精細(xì)，明確了井壁穩(wěn)定性的影響因素。

2.1 地層壓力預(yù)測(cè)指導(dǎo)鉆井設(shè)計(jì)

從瑪湖區(qū)塊三維地層壓力模型來看，縱向地層壓力大致可分為三段，八道灣組及以上地層壓力屬于正常壓力，白堿灘組和克拉瑪依組地層壓力屬壓力過渡帶，目的層百口泉組和烏爾禾組為異常壓力。克拉瑪依組至烏爾禾組橫向地層壓力東南角(斷裂發(fā)育區(qū)域)地層壓力相對(duì)較高，目的層二疊系上烏爾禾組地層壓力屬異常高壓，橫向東南區(qū)地層壓力相對(duì)更高(圖8)。通過進(jìn)行地層壓力預(yù)測(cè)對(duì)待鉆水平井，提出合理的井身結(jié)構(gòu)、鉆井液使用密度以及井口裝置等鉆井設(shè)計(jì)建議(表1)。

圖8 瑪湖區(qū)塊上烏爾禾組地層壓力分布規(guī)律

表1 鉆井設(shè)計(jì)建議

2.2 巖石裂縫追蹤準(zhǔn)確預(yù)測(cè)漏點(diǎn)

三維裂縫追蹤模型顯示，瑪湖區(qū)塊裂縫發(fā)育，尤其是斷層附近?？v向上地層越深，裂縫越發(fā)育，橫向裂縫方向?yàn)槟衔?北東向，垂直于最大主應(yīng)力方向，分析認(rèn)為構(gòu)造應(yīng)力是裂縫發(fā)育的主控因素。為降低井漏風(fēng)險(xiǎn)，依據(jù)裂縫追蹤模型，在可能發(fā)育裂縫位置對(duì)待鉆井進(jìn)行了裂縫預(yù)測(cè)。區(qū)域內(nèi)MH 12038井未采取避讓措施，實(shí)鉆中在井深3 866 m處發(fā)生井漏，與裂縫追蹤模型吻合性較好(圖9)。

圖9 MH 12038井預(yù)測(cè)漏點(diǎn)與實(shí)鉆漏點(diǎn)對(duì)比

2.3 井壁穩(wěn)定性分析指導(dǎo)鉆井液選型

通過對(duì)瑪湖區(qū)塊井壁失穩(wěn)井段與地應(yīng)力對(duì)比分析，地應(yīng)力異常段與井壁失穩(wěn)段對(duì)應(yīng)性好，證實(shí)地層周期性釋放應(yīng)力是導(dǎo)致瑪湖區(qū)塊井壁失穩(wěn)的重要因素；通過對(duì)瑪湖區(qū)塊井壁失穩(wěn)井段與巖礦數(shù)據(jù)的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，水敏性礦物的含量較高，證實(shí)化學(xué)失穩(wěn)同樣是瑪湖區(qū)塊井壁失穩(wěn)的重要因素，使用水基鉆井液容易造成地層垮塌風(fēng)險(xiǎn)。后期鉆井在預(yù)測(cè)為井漏低風(fēng)險(xiǎn)井基礎(chǔ)上，建議選用油基鉆井液施工。

2.4 隔夾層預(yù)測(cè)提升油層鉆遇率

精細(xì)刻畫的三維隔夾層模型表明，瑪湖區(qū)塊縱向非均質(zhì)性強(qiáng)，隔夾層發(fā)育，橫向連續(xù)性差，藉此可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)隔夾層，指導(dǎo)水平井軌跡設(shè)計(jì)，實(shí)鉆過程中可以有效避開隔夾層，防止隔夾層和儲(chǔ)層邊界識(shí)別不清楚，降低出層誤判風(fēng)險(xiǎn)。區(qū)域內(nèi)MH 22013井參考隔夾層模型鉆進(jìn)，有效避開了頂部邊界，順利完成水平段鉆進(jìn)，油層鉆遇率100%(圖10)。

圖10 MH 22013井隔夾層預(yù)測(cè)模型

3 結(jié)論及建議

(1)地層壓力預(yù)測(cè)利用三維建模方法，建立了三維地層壓力模型，實(shí)現(xiàn)了地層壓力研究由二維平面向三維空間的轉(zhuǎn)變。從地層壓力模型來看，克拉瑪依組至烏爾禾組橫向地層壓力東南角(斷裂發(fā)育區(qū)域)地層壓力相對(duì)較高，建議該區(qū)域待鉆井使用三開井身結(jié)構(gòu)，為了預(yù)防圈閉高壓，建議三開后安裝精細(xì)控壓裝置。

(2)利用螞蟻?zhàn)粉欁R(shí)別出的裂縫模型顯示，瑪湖區(qū)塊縱向上地層越深，裂縫越發(fā)育，橫向裂縫方向?yàn)槟衔?北東向，垂直于最大主應(yīng)力方向，分析認(rèn)為構(gòu)造應(yīng)力是裂縫發(fā)育的主控因素。建議在本區(qū)塊預(yù)測(cè)裂縫附近及深層鉆進(jìn)時(shí)做好防漏措施，降低井漏風(fēng)險(xiǎn)。

(3)通過對(duì)井壁失穩(wěn)井段與地應(yīng)力的對(duì)比分析，證實(shí)應(yīng)力失穩(wěn)是瑪湖區(qū)塊井壁失穩(wěn)的重要因素。通過對(duì)井壁失穩(wěn)井段與巖礦數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，證實(shí)化學(xué)失穩(wěn)同樣是瑪湖區(qū)塊井壁失穩(wěn)的重要影響因素，使用水基鉆井液容易造成地層垮塌帶來的風(fēng)險(xiǎn)。建議該區(qū)塊使用油基鉆井液，勤修復(fù)井壁，降低井壁失穩(wěn)帶來的井下風(fēng)險(xiǎn)。

(4)運(yùn)用聚類分析技術(shù)識(shí)別隔夾層，從而建立的隔夾層模型，在實(shí)鉆過程中可以輔助水平井地質(zhì)導(dǎo)向。為降低水平井鉆遇隔夾層和儲(chǔ)層邊界誤判風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)水平井軌跡精準(zhǔn)控制，建議結(jié)合元素錄井，尋找地層“指紋”特征以輔助地質(zhì)導(dǎo)向。