水平井地震导向技术探索与应用——以四川盆地复杂地区页岩气井为例

欧居刚，王小兰，杨晓，邓小江，黄诚，李文佳

(1.中石油集团物探重点实验室—页岩气地球物理研究室，四川 成都 610213；2.东方地球物理勘探公司 西南物探研究院，四川 成都 610213)

0 引言

四川盆地页岩气资源丰富。截至2017年，四川盆地累计探明五峰组—龙马溪组页岩气地质储量9 210×108m3，建成了逾100×108m3产能规模；2018年实现了页岩气年产量90.25×108m3，中国已成为全球第三个实现页岩气规模开发的国家[1]。四川盆地最优质海相页岩普遍发育于五峰组—龙一段下部地层，是四川盆地页岩气开发的主要层系。越来越多的钻探实践表明，页岩气水平段最佳靶体的穿行质量是获得高产井，形成规模效益的关键。因此，页岩气井的地质导向显得尤为重要。目前的地质导向主要依靠测、录井曲线、构造图，建立水平井初始钻前地质模型，在实际导向中进行随钻修正。然而，微幅构造相对发育的地区，初始地质导向模型与实钻差异较大，为随钻导向带来了极大挑战。针对随钻导向遇到的问题，目前的解决办法是利用实时校正时深转换速度场，精编井附近构造图，及时获得更加逼近真实地腹形态的地质导向模型的方法，但是该方法存在模型精度不高、预测准确度不高的缺点。此外，地震导向钻井(seismic guided drilling，SGD)，即利用地面地震及钻井过程中不断获得的新数据，对井眼前方及周边的三维区域进行重新预测，也为实时钻井决策提供科学依据，但并未针对水平井实时钻井跟踪做进一步研究[2-4]。

本文以川南地区页岩气水平井地震跟踪为例，梳理地震资料在页岩气水平井钻进过程中的作用，提出了一套针对复杂构造区页岩气水平井地震导向技术的新思路：针对目标区块的全层位速度建模、各向异性叠前深度偏移、钻井过程中地震实时跟踪。实钻表明：面向开发和工程需求的页岩气微幅构造发育区水平井地震导向技术，可有效提高水平井的有效储层钻遇率。

1 地质导向钻井面临的问题

页岩气水平井地质导向钻井技术要求：入靶准确，水平段井筒平滑，靶体钻遇率高。实际上，志留系内部泥页岩缺乏明显标志层，地质导向依靠随钻伽马很难准确判定入靶点；由于随钻测定资料品质，仪器测定盲区影响等多种因素，一旦目的层微幅度构造发育，地层倾角变化快，微断裂发育，水平井钻进过程轨迹调整往往滞后，导致箱体钻遇率不高，甚至脱靶(图2)。地质家和钻井工程师希望能通过借助地震资料横向预测的优势，预警地下微幅度构造、地层倾角变化或者微断裂，帮助钻井导向提前制定轨迹调整方案，保障靶体钻遇率的同时确保水平井轨迹平滑，最终实现页岩气水平井高效开发。

图1 长宁、威远建产区典型评价井五峰组—龙一1亚段的小层划分综合柱状图Fig.1 Comprehensive histogram of sub-layer division among Wufeng Formation and Long-1 subsection of typical evaluation wells in Changning and Weiyuan

图2 X水平井地质导向工程图Fig.2 Geological steering engineering figure of X horizontal well

近年来，随着地震地质工程一体化的发展，多学科融合程度的深入，长宁—昭通、威远和涪陵地区，地震资料在水平井钻进过程中的随钻指导作用越来越明显，取得了比较好的效果。利用叠前时间偏移数据，通过精细时深转换能够很好地保障入靶准确[13-14]。叠前时间偏移理论假设绕射曲线是双曲线，从而在速度横向变化较大时会导致绕射不能完全归位到实际的成像点。因此叠前时间偏移剖面成像精度必然不高，在此基础上转换的深度域数据构造形态并不能完全真实反映地腹情况，特别是微幅构造和微断裂发育的位置。以此成果建立的地质导向初始模型与实际情况差异较大，在随钻过程中难以有效预判地层产状变化和指导轨迹调整，较难保障水平段井筒平滑和保障箱体钻遇率。

2 地震导向技术

2.1 技术思路

为了提高水平井钻遇率，本文提出围绕各向异性叠前深度偏移技术，以钻井平台为中心的目标区块进行快速叠前深度偏移处理(图3)，以提高地震资料成像精度，真实反映地腹构造形态，从而对钻井风险进行预判、预估与预警等。针对具体地质目标和工程需求制定相应的流程，包括以下3个阶段:①利用时间域处理成果，建立初始时深转换速度场，得到初始深度预测成果进行井位设计，预估各个标志层深度，入靶前进行复核，若吻合则指导入靶，若不吻合，则更新时深转换速度场和提供入靶点深度预测。②综合分析时深转换速度与测井速度联合建立叠前深度偏移初始速度作为目标区块的背景速度，然后进行目标区块各向异性深偏快速处理，预判随钻过程中地层倾角变化，预警微断裂发育等。③利用最新的钻井信息进一步更新速度模型及各向异性参数，在新一轮深度域成果上指导工程钻井。

2.2 目标区地震导向指导地质模型构建

2.2.1 全层位时深转换速度场构建

水平井成功的重要一点就是如何精确入靶，在水平井入靶前资料相对较少，精确入靶将会面临较大的困难，构造简单的区域通过判断伽马指导入靶成功率比较高，但是在地腹构造相对复杂时成功率会大打折扣，因此，前期需要在叠前时间偏移处理速度场的基础上，综合钻井、叠加速度场、VSP速度、区域场等资料构建时深转换速度场[15]。建立精细可靠的时深转换速度场及构造图指导入靶。精细时深转换速度场构建包括三个部分：速度场构建、速度场校正和实钻验证。

1) 速度场构建。速度场构建是一个将离散的速度信息转换为空间网格的过程。结合川南地区的地震深度预测经验，主要采用以下5种方式：

第一：叠加速度场Dix公式法。该方法适用于地层平缓，速度横向变化不大的区域。

采用Dix公式将均方根速度场转换为层速度，再利用式(1)计算出平均速度，加上坐标以及时间，利用空间网格化建立平均速度场：

(1)

式中：hi和Δti分别为第i层的厚度和时差。

第二：层控速度场构建。该方法适用于地层构造复杂，倾角较大的地区。

图3 基于目标区块各向异性叠前深度偏移资料的水平段地震导向技术流程Fig.3 Horizontal seismic guidance technology flow based on anisotropic prestack depth migration data of target block

利用钻井速度控制层地质分层深度数据h0和相应的地震层位解释成果t0，根据式(1)求取各层层速度，再利用叠加速度场的横向变化趋势进行约束、插值、平滑，分层段进行空间网格化，建立层速度场。

第三：层控纵波时差速度场构建。该方法适用于地层构造复杂，倾角较大的地区。

利用式(1)，根据钻井纵波时差曲线，在与地震层位解释成果对应的地质分层约束下，加权平均得到各层段速度，再加入叠加速度场横向趋势约束进行插值平滑，分层段进行空间网格化，建立层速度场：

(2)

式中：Δti为钻井每层厚度的时差，tj为每个测井曲线采样点对应的瞬时纵波时差。

第四：偏移归位法速度构建。该方法适用于地层构造复杂，倾角较大的地区。

在Dix公式法基础上，考虑偏移等因素，利用偏移剖面解释成果求取倾角场，在此基础上对叠加速度场进行偏移，使得叠加速度与解释层位对应，建立平均速度场。

第五：模型层析法速度场构建。该方法适用于高陡复杂构造地区。

通过基于射线传播理论的层析成像，修改速度模型，拟合叠加速度，与已知叠加速度比较，迭代计算层速度和反射层，利用反射界面和时间模型求出反射层以上的平均速度，得到平均速度场。

2)速度场校正。速度场校正包括两个方面：一是与已知井点速度控制层深度吻合；二是远离控制点位置速度变化规律合理，不能出现畸变。

首先计算出已知井点速度控制层的平均速度或层速度；分析其合理性，剔除异常值；读取已建立的速度场井点处速度，获得井点处误差绝对值；利用克里金算法[16]将井点处误差插值生成误差场；最后速度场加上误差场得到校正后速度场。

3)实钻验证。钻井进入水平段入靶点前，以上覆地层深度实钻验证为准，符合则表明时深转换速度场构建准确，可进行持续跟踪分析，不符合则立即加入验证井上覆地层最新地质分层，重复上述构建方法更新速度场，及时调整目的层构造预测结果，确保准确入靶。为了提升速度模型的精度，建议在纵向上加密速度控制层，横向上结合上述多种资料分析层速度横向规律增加虚拟速度控制点。

2.2.2 地质约束速度模型构建

钻前利用时深法设计入靶点，随着测井信息的丰富，在钻进过程预测钻头的钻进轨迹就需要随钻叠前各向异性深度偏移成果。因此，目标区块各向异性叠前深度处理是钻井过程中地震实时跟踪导向流程中较为重要的环节。具体流程：①精确拾取深度层位；②采用层厚约束方法求取合理的井震误差；③各向异性层析成像求取精确的各向异性参数(速度、δ及ε等)(图4)。

合理求取井震误差是随钻处理的关键，不合理或者错误的井震误差难以反演得到准确的各向异性参数，因此，建立一套合理求取井震误差的流程极为重要[17]。在目标区内钻井资料较少时，只能通过已知的井震误差插值来解决其他位置的深度误差，而常规方法没有考虑地层厚度变化对井震误差的影响(区内单井情况下井震误差为-80 m，图5)，必将导致各向异性参数误差较大甚至可能产生异常极值。不考虑地层厚度变化趋势的影响会导致偏移的成果与实钻井轨迹相差较大，难以反映地层产状的真实情况。因此，必须考虑实际的钻井厚度横向变化与地震横向厚度变化的相关性，利用地层厚度变化趋势约束各向异性参数的横向变化。

图4 钻井过程实时跟踪叠前深度快速处理流程Fig.4 Fast processing flow chart of real time tracking prestack depth in drilling process

图5 地层厚度约束井震误差平面对比(区内单井)Fig.5 Comparison of well-seismic error constrained by layer thickness(single well)

具体操作步骤如下：首先通过

(3)

计算出已钻井点位置处的相邻两层的井震闭合差与本层厚度的比例表示该层的闭合差约束系数。式中：Si为井点处第i层的闭合差约束系数，Mi为第i层的井震闭合差，Mi-1为第i-1层的井震闭合差，Di为第i层的地震数据的地层厚度。

然后，插值得到全区该层的闭合差约束系数面Ssurf，i，再通过

Msurf，i=Ssurf，i×Dsurf，i+Msurf，i-1

(4)

计算该层最终的井震闭合差面。式中：Ssurf，i为井点处第i层的闭合差比例系数，由Si插值得到；Msurf，i为第i层的井震闭合差；Msurf，i-1为第i-1层的井震闭合差；Dsurf，i为第i层的地层厚度。

最后，通过层析反演得到更为准确的各向异性参数及偏移剖面并指导工程钻井(图6)。

a—常规各向异性叠前深度偏移剖面;b—层厚约束各向异性叠前深度偏移剖面a—regular anisotropic prestack depth migration profile;b—anisotropic prestack depth migration profile constrained by layer thickness图6 层厚约束各向异性叠前深度偏移前后对比Fig.6 Comparison between regular and constrained anisotropy depth migration

3 应用实例

图7所示为泸州地区X井沿设计井轨迹基于叠前时间偏移剖面时深转换得到的深度剖面。

入靶前，利用邻井资料构建时深转换速度场，得到深度数据(波形)并叠后裂缝预测数据(彩色)，预估各标志层、入靶点深度，并对直井段风险进行预警。图8为该井实施过程中，入靶前实钻发现上覆地层速度控制层深度与地震预测深度不符，迅速更新速度场后，保证控制层深度吻合。图9显示利用更新速度场后的深度剖面预测的入靶点深度与实钻结果吻合。

随着水平井段钻井深度的增加，实钻地质模型与地震剖面预测地层倾角发生差异(图10)。迅速进行目标地区各向异性深偏处理，得到与实钻成果吻合的结果(图11)，进而有效指导水平段下一步调整。该井靶体钻遇率高达95.7%。

图7 泸州地区X设计井轨迹深度剖面叠合裂缝预测成果Fig.7 Fractures prediction overlay depth profile of X design well trajectory in Luzhou area

图8 入靶前井轨迹深度剖面叠合裂缝预测成果Fig.8 Fractures prediction overlay depth profile of X well before entering the target

图9 更新速度场后深度剖面叠合裂缝预测成果Fig.9 Fractures prediction overlay depth profile of X well after updating velocity field

a—工程图;b—实钻轨迹与地震剖面叠合图a—drilling engineering;b—overlapping diagram of real drilling trajectory and seismic profile图10 水平段钻进过程中实钻与地震预测地层倾角不符Fig.10 The formation dip mistie between actual drilling and the seismic prediction during drilling

a—工程图;b—实钻轨迹与地震剖面叠合图a—drilling engineering;b—overlapping diagram of real drilling trajectory and seismic profile图11 各向异性叠前深度偏移叠合蚂蚁体剖面Fig.11 Fractures prediction overlay the ant body profile of X well after anisotropic depth migration

4 结论

1) 本方法适用于小区块(<200 km2)的水平井井位追踪各向异性叠前深偏快速处理，能够在兼顾高效的同时，保障微幅构造成像准确，在钻井钻进过程中遇到复杂情况时及时提供指导。

2) 针对构造背景相对简单、微幅度构造发育的区域，比如威远、泸州地区的三维地震资料，本文所述方法适用性较好，并且在实际生产中已取得较好效果。针对构造复杂的区域地震随钻指导水平段钻进还需进一步研究。