夏子街油田X50區塊隨鉆地層邊界探測工具應用

田亞銘,王貴文,李 彤,王懷武,王 飛

(1. 成都理工大學地球科學學院,四川成都 6100592;2.中國石油新疆油田公司風城油田作業區,新疆克拉瑪依 834000; 3.斯倫貝謝科技服務(成都)有限公司,四川成都 610041)

隨著全球能源需求的激增,石油公司越來越重視復雜油藏水平井的油層鉆遇率。與傳統的被動型地質導向技術相比,主動型地質導向技術在提高復雜油藏中水平井的儲層鉆遇率、刻畫地層特征及鉆井提速等方面效果更明顯[1-3]?；谶吔缣綔y技術的隨鉆地層邊界探測儀能夠提供探測范圍較大的隨鉆測量資料,在主動型地質導向技術中占重要地位,可以有效地降低復雜油層中水平井地質導向的風險。本文選取新疆油田復雜儲層為研究對象,通過分析兩口水平井軌跡控制過程,闡述基于邊界探測技術的主動型地質導向技術在提高復雜油層水平井儲層鉆遇率和刻畫地層特征方面的價值和意義,也可為類似復雜區塊的地質導向工作提供借鑒。

1 油藏地質概況

夏子街油田位于準噶爾盆地西部隆起東北部、瑪湖生烴凹陷的上傾方向,油源豐富,儲層較為發育。X50井區位于夏子街油田東北部,該井區北部受兩條斷裂相交封閉,地層向南傾斜,地層傾角5°～10°,中部為構造鞍部,南部為斷背斜[4]。研究區地層自下而上主要為二疊系的烏爾禾組(P2w)、三疊系的百口泉組(T1b)、克下組(T2k1)、克上組(T2k2)、白堿灘組(T3b),主要含油層系為三疊系克下組,油藏砂體發育,橫向連續性較好,油層發育穩定且厚度較大,巖性以砂礫巖為主,上下圍巖為泥巖。油層平均孔隙度2.5%,平均滲透率10.3×10-3μm2,為低孔低滲儲層。

2 開發過程中存在問題

X50井區克下組油藏于2016年開始部署水平井開發,設計水平段長度900～1 000 m。第一口實施的水平井SP-2井受構造復雜、追層困難、泥巖進尺過多等因素影響,造成井眼垮塌而導致側鉆,側鉆前地質導向模型如圖1所示。

圖1 SP-2井老井眼地質導向模型

從地質方面和工程方面分析并總結SP-2井及其他待鉆井存在的技術難點,主要有以下幾個方面:

1)構造變化大以及儲層厚度的不確定性。SP-2井部署在背斜的鞍部,水平段地層傾角的變化以及構造拐點位置的判斷對于水平段軌跡控制非常重要。根據地震剖面預測,如圖2所示,水平段傾角由著陸點A靶點附近的下傾5°變化到下傾8°、再變成水平、到末端時變為上傾3°,構造起伏大,但最初的剖面只能為傾角變化趨勢判斷提供參考,不能作為井斜精細控制的依據。結合SP-2井側鉆前井眼數據分析可知,受地層傾角不確定性影響,即使在水平段中段分析出軌跡由目的層頂部鉆出目的層,也會存在因降斜不足導致軌跡遲遲無法回到目的層或者因降斜過多軌跡穿回目的層之后再次從底部穿出的情況。另外,受地震精度影響,對構造拐點位置的判斷也存在較大的不確定性,實鉆過程中也需要根據實時隨鉆測井曲線確認構造拐點位置。

圖2 SP-2井水平段軌跡剖面

除了構造的影響,儲層厚度的變化也增加了SP-2井地質導向的難度。在設計井區內,鄰井較少,且水平段中段西側沒有鄰井控制,儲層發育情況存在較大不確定性?？讼陆MS5油層厚度整體較薄,變化范圍4～7 m,整體表現為東部厚、中部次之、兩側變薄的特征。

2)工程難度大。X50區塊目的層巖性為砂礫巖,粒徑大小不均,采用特殊選型的鉆頭,機械鉆速可達5 m/h,上下圍巖為泥巖,具有較強的水化分散特性,易導致井眼失穩,出現縮頸或者井壁垮塌,在泥巖中鉆進時鉆速極低,僅1 m/h,而保持軌跡在砂礫巖中鉆進,不僅可以提高鉆遇率,對鉆井效率及井眼穩定也有很大影響。

SP-2井側鉆前井眼采用螺桿定向工具,只能通過滑動鉆進調整井斜;定向過程中鉆柱不旋轉,貼靠在井底,鉆頭只在馬達內部轉子帶動下旋轉,在大斜度定向井和水平井的鉆井過程中常常會導致鉆頭加壓困難,調整井眼軌跡時容易形成臺階,使得井眼軌跡不平滑。由于鉆柱不旋轉,不利于攜砂,易在井底形成巖屑床,增加了卡鉆風險。螺桿定向測斜零(長)長達十幾米,需要比較長的距離才能觀測到定向效果。當水平段較長或者軌跡調整過大時,滑動定向困難,且定向人員較難把握井斜的增降趨勢。若井斜無法滿足地質需求,軌跡很難從泥巖中穿回到目的層內,無法實現地質目標。此外,為保障軌跡在儲層中鉆進,水平段調整較頻繁,實際鉆井過程中需要花費大量時間滑動定向。

3 邊界探測工具及旋轉導向方案

水平井實鉆結果證實,常規隨鉆測井及其對應的被動型地質導向技術無法高效地應對研究區復雜的地質特征及構造變化。根據鄰井電阻率特征及分析模擬顯示,邊界探測技術在水平段導向過程中可以較大程度地控制導向風險,結合推靠式旋轉導向工具,能夠提供近鉆頭伽馬和井斜測量,保證軌跡平滑,遇到問題及時調整,提高了作業效率。

3.1 邊界探測工具介紹及可行性分析

基于方位電磁波電阻率的邊界探測技術主要來源于斯倫貝謝的隨鉆地層邊界探測儀(PeriScope)、哈里伯頓的方位電阻率測井儀(ADR)和貝克休斯的深探測方位電阻率測井(AziTrak),以及中海油服的隨鉆地層邊界探測工具(DWPR),測量原理基本相似,但是在工具結構、反演算法和輸出結果等方面具有各自的特色和專利。本文以斯倫貝謝公司的PeriScope為例,簡介工具結構、測量原理及反演結果。PeriScope工具包括常規的對稱型電磁波發射-接收設置,提供電磁波電阻率測量;在工具兩端有兩個傾斜接收線圈,與工具呈45°夾角,可提供方向性測量數據;傾斜線圈提供的方向性測量數據受地層邊界上下兩套地層的電阻率差異控制,邊界兩側地層電阻率差異越大,方向性信號越強,探測深度越大[5-7]。

邊界探測工具提供的電阻率反演數據零長位于距離鉆頭約10 m的位置。在水平井鉆井過程中,當軌跡穿越層界面時,常規感應電阻率曲線往往會出現極化現象,方向性曲線的形態特征取決于工具到地層邊界的距離。從圖3可以看出,當軌跡自2 Ω·m低阻地層靠近20 Ω·m地層時,方向性曲線開始慢慢抬升,穿層時候達到最高值;當軌跡由20 Ω·m地層靠近1 Ω·m地層時,方向性曲線開始出現下降;如果工具在探測范圍內無明顯電阻率變化,則方向性曲線表現為0。將方向性測量數據及常規電阻率測量數據通過軟件處理,在每個測量點可以反演出軌跡到附近上下邊界的距離,從而反演出邊界的產狀。

圖3 邊界探測工具穿層時方向性曲線及常規電阻率曲線響應

根據鄰井X50井電阻率特征可知,研究區目的層電阻率約30～60 Ω·m,上覆和下伏泥巖電阻率約8～10 Ω·m。利用鄰井X50井的電測曲線建立地質模型,模擬邊界探測工具穿層時曲線及邊界反演響應。如圖4所示,對X50井的電阻率曲線差分等比例賦值,建立電阻率屬性模型,其中紅色代表目的層,上方及下方灰色代表了上下圍巖。將軌跡投影到地質導向屬性模型中,可以計算出沿軌跡每個深度點的電阻率特性及方向性電阻率曲線特征;利用計算得到的電阻率數值及靠近邊界時方向性電阻率曲線的響應,可反演出探邊工具對儲層頂面和底面的可探測距離響應,從而得出以下結論:若儲層電阻率特征與X50井類似,則探邊工具對頂邊界的探測距離為2.5 m,對底部邊界的探測距離為2.7 m。

圖4 SP-2井邊界探測工具可行性分析

傳統常規的電阻率探測測量工具對應的邊界探測深度僅有0.8 m左右,如圖5所示,在地質導向過程中,若軌跡與地層夾角2.5°,使用傳統常規電阻率工具發現軌跡靠近頂部時,調整軌跡的空間為0.8 m/sin2.5°=18.3 m;若要避開頂部邊界,需要以接近9.0°(即2.5°×30 m/(18.3 m-10.0 m)=9.0°)的狗腿度調整軌跡,考慮到后期完井作業要求,水平軌跡狗腿度調整9.0°具有極大的風險及不可操作性。當使用探邊工具時,邊界電阻率反演在軌跡距離頂部2.5 m即有顯示響應,調整軌跡空間為57 m,狗腿度僅需調整約1.6°就可以避開頂部泥巖,既保證了軌跡的平滑,又避免了鉆入低鉆速泥巖中,從而保證鉆遇率,優化了鉆井效率。

圖5 傳統電阻率工具與邊界探測工具軌跡調整狗腿度計算

3.2 旋轉導向系統

SP-2井側鉆前老井眼采用螺桿定向鉆進,在水平段軌跡調整過程中需要花費大量時間進行滑動定向,嚴重影響作業效率。由于井斜測量零長較長,井斜控制難度大,致使軌跡多次頂出和底出進入泥巖。針對X50區塊的地質及工程難點,地質導向決策團隊決定采用旋轉導向工具優化實時軌跡的調整。

斯倫貝謝的旋轉導向系統主要包括推靠式、指向性以及復合式三種。推靠式旋轉導向使用推靠塊直接作用于井壁,適合軟硬適中的地層,最大造斜率約6.0°/30 m;指向式旋轉導向是指在鉆具連續轉動的同時,將鉆頭指向所需方位進行定向鉆進的導向方式,最大造斜率約8.0°/30 m;復合式旋轉導向兼具推靠式和指向式的特點,能提供更高的狗腿度。三種旋轉導向系統都帶有近鉆頭伽馬和井斜測量,這些測點距鉆頭最近處僅有2.0 m(對于不同尺寸的工具,此數據略有不同),既方便了定向井工程師控制軌跡,又為地質導向師實施實時地質導向服務提供可靠依據,將井軌跡鉆至最佳儲層,保證較高鉆遇率,提高單井產能。針對X50水平段的構造特征以及工程要求(水平段狗腿度不大于4.0°/30 m),優先選擇推靠式旋轉導向系統[8](圖6)。

圖6 推靠式旋轉導向系統示意

與螺桿相比,推靠式旋轉導向系統全程旋轉的特性不僅解決了鉆壓施加與工具面控制的問題,也提高了井筒清潔效率,改善了井壁質量,大大提升了鉆井效率,節省了作業經費,并可為后續固井、完井工作打下良好基礎。

4 應用實例

2017年至2019年,夏子街油田X50區塊使用邊界探測和旋轉導向組合已完鉆10口井,水平段總進尺7 166 m,平均機械鉆速約7.2 m/h。

SP-2側鉆井眼采用邊界探測工具結合旋轉導向工具,完鉆地質導向模型如圖7所示,當該井鉆至井深1 905 m(井斜81.0°)入層后,下入邊界探測及旋轉導向工具;隨鉆地質導向過程中,利用邊界探測工具提供的邊界信息及時調整軌跡,取得以下成果,水平段完成進尺846 m,儲層鉆遇率達100%;水平段前半段地層傾角由7.0°～8.0°下傾變化為約11.0°下傾,中部由8.0°下傾緩慢變為水平,再變為上傾,尾部地層約7.0°上傾;探邊工具最遠探測距離可達3 m,結合構造預測及時調整軌跡,有效避開了軌跡上方和下方的低阻泥巖,保證了儲層鉆遇率和鉆井效率。本井水平段工期9 d,平均機械鉆速約10 m/h,較螺桿鉆進井眼提高了近2倍,通過旋轉導向近鉆頭井斜測量也能隨時調整軌跡,將狗腿度控制在3.0°之內,保證了井眼軌跡的光滑,圓滿高效地完成水平段鉆進任務。

圖7 SP-2側鉆井眼邊界探測反演模型

5 結論

1)夏子街油田X50井區構造復雜,地層傾角多變,水平段軌跡調整風險較大,使用邊界探測工具可以根據軌跡與儲層的邊界距離進行預判調整,配合旋轉導向工具可以有效控制井斜,避免軌跡鉆入泥巖,確保了儲層鉆遇率,也保證了軌跡的平滑和井眼的穩定性,縮短了鉆井周期,實現工程地質一體化的目的。

2)實鉆過程中,利用邊界信息可以將軌跡控制在油層上部,使鉆井軌跡沿剩余油潛力大的部位鉆進,提高采收率。

3)邊界探測電阻率反演資料的解釋對于地質油藏模型的更新、全面理解地下儲層形態以及后續井位部署具有重要作用。