元素录井技术在鄂尔多斯盆地致密砂岩水平井地质导向中的研究与应用

阎荣辉 田伟志 鲍永海 武 星 杨 森 沈柏坪

(①中国石油长庆油田公司工程技术管理部；②中国石油长城钻探工程有限公司录井公司)

0 引 言

鄂尔多斯盆地上古生界发育大规模致密砂岩气藏，致密砂岩气资源十分丰富[1]。致密砂岩气是一种储集于特低孔-特低渗砂岩储集层的非常规天然气，常规技术开采效果较差[2]。勘探开发实践表明，水平井工艺能够增大气藏的泄气面积，提高产气量。盆地上古生界致密砂岩气以水平井开发为主，为了提高储集层钻遇率，普遍采用了地质导向技术。前人针对如何提高钻遇率做了不少研究，总结了沉积模型导向法、标志层法、沉积旋回法[3]，这些方法主要应用在两个阶段：一是前期资料分析和模型建立阶段，通过三维地震资料、测录井资料，建立三维地质导向模型，精细刻画砂体空间展布形态，对水平段导向有很好的预判和指导性[4]；二是施工阶段，通过随钻自然伽马判断钻头的相对位置，指导钻进[5]。储盖岩石自然伽马值差别较大时，随钻自然伽马适用效果较好。对于目的层顶、底板均为泥岩的砂体，由于随钻自然伽马对顶、底板泥岩响应特征一致，基于随钻自然伽马的地质导向技术具有多解性和较大的不确定性，仅仅依靠随钻自然伽马难以满足致密砂岩储集层地质导向的需求。为此，本文通过元素录井参数，建立不同小层的元素交会图板，在水平段跟踪过程中利用小层特征元素、元素组合及元素比值区分泥岩类型，进而判断钻头的相对位置及穿行状态，为上古生界致密砂岩气水平井地质导向提供了一种新思路[6]。

1 区域地质概况

1.1 研究区构造概况

鄂尔多斯盆地位于华北板块西部，是一个稳定沉降、多旋回克拉通盆地。盆地经历了多期构造运动。在加里东期，南北构造发生过俯冲、挤贴和再一次的拉张-挤压；海西期，盆地继承了加里东期的构造格局，影响了晚古生代沉积盆地的发展、演化过程。经过印支、燕山、喜山等构造运动，形成了现今伊盟隆起、西缘掩冲带、天环坳陷、伊陕斜坡、渭北隆起和晋西挠褶带6个二级构造单元[7]。研究区位于伊陕斜坡东部，伊陕斜坡整体为一大型宽缓西倾单斜，地层平缓，地层倾角小于1°，平均坡降约为10 m/km。斜坡以鼻状构造发育为特征，局部地区小型圈闭构造发育(图1)。

图1 鄂尔多斯盆地构造单元分区

1.2 研究区沉积体系

晚古生代以来，盆地一直保持陆内坳陷环境。盆地在晚古生代分为两个发展阶段：晚石炭世早期至早二叠世太原期，以海相沉积为主，盆地东部主要发育陆表海盆地；早二叠世山西期至晚二叠世石千峰期，以陆相沉积为主，包括山西期的海陆过渡相和石盒子期开始的内陆坳陷盆地[8]。

鄂尔多斯盆地上古生界受物源、沉积相带影响，源储配置关系相差较大，导致致密气成藏区带特征差异较大。研究区水平井开发目的层系为下二叠统山西组山二段。山二段为冲积-三角洲-海岸体系，是一套辫状河三角洲平原水上、水下分流河道、天然堤、决口扇、分流间湾、分流间湾沼泽、洪泛平原等微相组成的多个正韵律叠合碎屑岩地层(图2)。山二段砂体是由多个水下分流河道、天然堤、决口扇单砂体在垂向上多期叠置、侧向上迁移形成的复合砂体。由于单砂体横向的接触方式不同及局部泥质沉积发育(图3)，导致砂体的横向非均质性较差[9]。

图2 山二段沉积韵律模式

图3 山二段砂体分布模式示意

2 基于元素参数的地质导向技术

元素录井从地球化学角度对岩石及地层加以认识，从而为地层划分提供了新方法。元素录井所获取的化学成分含量不仅能反映岩石的物质组成，而且能指示其沉积环境[10]。地层发生变化必然是沉积环境变化引起元素分布异常所致。不同的沉积环境，其沉积物的岩石特征不同，元素含量也不相同；即使同一沉积环境，由于海平面(湖平面)的上下波动或者物源的变化，也会引起相关元素的差异变化。元素录井可以获取岩石中34种元素的含量，地层信息十分丰富。通过对34种元素加以提取和归纳，可以寻找到指示不同地层的特征元素，从而完成地层对比、地层卡取的工作[11-12]。通过元素参数寻找地球化学标志层，并对顶、底板泥岩、目的层进行精细刻画，建立地区元素标准剖面。利用储集层与顶板及底板的元素参数差异性，建立地质导向方法，实现钻头位置的及时判断，为该地区的水平井着陆、水平段轨迹跟踪提供指导。

2.1 元素标准剖面的建立

利用元素参数对地层剖面进行精细刻画，建立小层元素特征模型，旨在为水平段地层识别与判断提供依据。针对不同地质条件，采取不同方法对元素参数进行整理，从而提取特征元素。现场主要采用的方法有曲线法、交会法。这些方法的共同特点是提取能够反映岩石含量变化的特征元素或者能够反映沉积环境变化的元素比值，作为地层划分和对比的依据。对于岩石成分变化明显的层段，其主要元素含量会出现明显的变化，曲线法具有直观性、形象性；对于沉积环境有差异的沉积相，需要通过元素指数加以判断；对于缺乏明显电性标志层的大套同岩性地层，可以通过元素的交会曲线或者交会图板进行小层精细划分。

2.2 着陆段轨迹控制

根据地震资料、邻井测录井资料及元素参数建立该井的地质导向模型。在造斜段施工过程中, 依据小层特征元素，采用逐层逼近法(图4)，实时卡取小层，预测靶点垂深，并与设计靶点垂深进行对比，逐层调整、优化井眼轨迹，确保顺利着陆。基于元素参数的小层对比方法既能满足储集层着陆需要，提高一次入靶的成功率，又能满足轨迹平滑度需求，避免轨迹大幅调整导致井眼狗腿度超标，影响后续下套管、电测完井作业施工。

图4 基于元素小层逐层逼近法着陆示意

2.3 水平段轨迹跟踪

在水平段施工过程中，根据元素标准剖面中储集层与顶板、底板元素参数特征，地质导向工程师能够及时、准确地判断井眼轨迹位置，并识别轨迹是顶出还是底出，提前优化、调整井眼轨迹，提高储集层钻遇率。

由于地层突变或者局部微幅构造等地质因素影响，水平段轨迹需要进行适当调整，以便提高优质储集层钻遇率。当钻至A点时，元素值出现异常变化，现场人员按照元素录井技术规范要求加密采集元素数据，通过元素特征参数判定进入顶板泥岩。地质导向人员可以快速计算井眼轨迹与地层的角度差，在保证井眼轨迹平滑的前提条件下，快速向下调整轨迹。当钻至C点时，元素参数表现出底板泥岩特征，导向人员可以快速向上调整轨迹(图5)。

图5 水平段轨迹调整示意

3 应用实例

3.1 山二段元素标准剖面

研究区属于三角洲平原-三角洲前缘沉积环境，洪泛平原沼泽发育，形成了多套区域稳定的煤系地层，其中：山二段发育三套煤层，山21顶部发育3#煤层，是区分山一段与山二段的主要标志层；山22顶部发育4#煤层，是区分山21和山22的主要标志层；5#煤层位于山23内部。本研究区水平井的主要开发层系为山22砂岩，其主要成分为岩屑石英砂岩，岩屑砂岩次之，目的层顶、底板均发育深灰色泥岩(图6、图7)。

在实际应用中，一般将元素分为两大类。一是陆源碎屑成分SiO2、Al2O3、∑Fe2O3、K2O。其中SiO2、Al2O3、∑Fe2O3、K2O均为高值，岩屑呈泥质特征；SiO2为高值，Al2O3、∑Fe2O3、K2O为低值，岩屑呈砂质特征。二是表征碳酸盐岩骨架成分的CaO、MgO。其中CaO为高值、MgO为低值，岩屑呈灰质特征；CaO、MgO均为高值，岩屑呈云质特征。通过衍生参数K2O/CaO，可以定性反映岩屑中泥质与灰质的相对含量。煤层由无机组分与有机组分组成，煤层的元素总和通常小于70%，通过元素总和与SO3成分可以识别煤层。在研究区，通过对山西组岩屑进行元素分析，建立了山二段元素特征剖面(图8)。

山西组地层主要为碎屑岩沉积，元素成分整体表现为高Al2O3、高SiO2和低MgO、低CaO。

图6 鄂尔多斯盆地东部XX井山22段储集层矿物组分

图7 XX井山22段储集层岩石薄片资料

图8 研究区山二段元素标准剖面

由于地层主要由砂泥岩组成，在剖面上Al2O3、SiO2呈现出此消彼涨的特征。砂岩段表现为高SiO2、低Al2O3，泥岩段表现为高Al2O3、低SiO2。山22目的层之上有3#煤层和4#煤层2个元素标志层：3#煤层具有低SiO2、高SO3特征，元素总和70.53%～70.70%；4#煤层具有低SiO2、高SO3特征，元素总和70.88%～71.03%。目的层顶、底板均发育泥岩，顶板泥岩具有高∑Fe2O3、高K2O/CaO、低SiO2特征，底板泥岩具有低∑Fe2O3、低K2O/CaO、低SiO2特征。目的层为砂岩，具有高SiO2、低Al2O3特征。研究区山二段小层元素特征见表1。

3.2 着陆段井眼轨迹控制

S 59井在随钻着陆阶段，通过3#煤层、4#煤层、铁质泥岩的元素特征进行地层对比，及时调整井眼轨迹，保证顺利入靶。钻至井深2 365.00 m，SO3含量由0.01%升至2.44%，SiO2含量由77.83%降至43.65%，元素总和由98.49%降至70.55%，判定钻遇3#煤层，比设计轨迹垂深提前3 m。钻至井深2 426.00 m，SO3含量由0.03%升至2.47%，SiO2含量由84.32%降至43.66%，元素总和由99.92%降至70.88%，根据元素标准剖面判断钻遇4#煤层，比设计轨迹垂深提前5.33 m，此时导向师下达了增斜指令。钻至井深2 432.00 m，SiO2含量由69.32%降至55.95%，∑Fe2O3含量由3.43%升至22.29%，判定钻遇铁质泥岩，比设计提前4.60 m，导向师下达了增斜指令。钻至井深2 470.00 m，Al2O3含量由20.10%降至18.41%，SiO2含量由69.5%升至73.96%，砂质含量增多，判断进入目的砂层(图9、图10)。在实钻过程中，通过元素参数逐层进行小层卡取与对比，为着陆段井眼轨迹调整提供了重要参考。

3.3 水平段井眼轨迹控制

在S 59井水平段施工过程中，通过元素标准剖面顶、底板泥岩的元素成分特征，可以及时判断井眼轨迹出层情况，为导向师现场决策提供依据。

该井在钻至井深3 010.00 m时，Al2O3含量由11.84%上升为15.05%，SiO2含量由72.99%下降为65.80%，判断钻遇泥岩。K2O/CaO由0.31上升为1.25，根据元素标准剖面，判定钻遇底部泥岩，导向师下达增斜指令。在追层过程中，钻至井深3 068.00 m，∑Fe2O3含量逐渐增大，最高增至16.95%，明显小于顶板泥岩铁质含量，确定为底部泥岩，继续增斜追层。钻至井深3 145.00 m，SO3含量由0.01%上升为2.24%，元素总和由94.44%下降为54.08%，钻遇煤层。该煤层元素总和明显小于3#、4#煤层元素总和，故判断该煤层属于山23小层。钻至井深3 162.00 m，Al2O3含量由18.02%下降为15.43%，SiO2含量由76.82%上升为83.38%，判定钻遇砂岩，导向师放平轨迹。钻至井深3 568.00 m，SO3含量由0.02%上升为2.20%，元素总和由93.79%下降为49.71%，钻遇煤层，通过元素总和判定该煤层与井深3 145 m处煤层为同一时期煤层。钻头位置已经处于砂体底部，现场增斜钻进。钻至井深3 600.00 m，SO3含量由0.27%上升为2.12%，元素总和由92.58%下降为51.20%，钻遇煤层，通过元素总和判定该煤层与3 568 m处煤层为同一时期煤层。钻至井深4 010.00 m，Al2O3含量由13.50%上升为17.97%，SiO2含量由75.00%下降为68.54%，判断钻遇泥岩，K2O/CaO为1.89，根据元素标准剖面，判断钻遇底部泥岩。

该井水平段共钻遇3套煤层，其元素总和介于47.58%～54.08%，与3#、4#煤层元素特征不同，判断均属于山23小层(图11)。在S 59井水平段施工过程中，通过采用“元素参数地质导向方法”取得了良好效果，砂岩钻遇率达到90.26%。

图10 S 59井基于元素参数着陆段轨迹跟踪

4 结 论

通过对鄂尔多斯盆地上古生界山二段致密砂岩地质特征、元素特征及现场导向方法的深入研究，得出以下结论：

(1)通过元素参数，建立地区元素标准剖面，对研究区水平井着陆段小层对比、水平段轨迹追踪具有重要意义。

(2)元素参数能够解决随钻自然伽马在地质导向中的多解性难题，快速判断钻头在地层中的相对位置，为导向决策提供重要参考。

(3)通过元素标准剖面，在水平段轨迹跟踪过程中，地质导向师能够及时、准确地识别轨迹是顶出还是底出，快速调整井眼轨迹，提高储集层钻遇率。