非常规水平井地震导向关键参数分析及预测方法

郑建雄 朱斗星 袁立川 赵 佳 张 莹 宋利霞

(东方地球物理公司研究院，河北涿州 072751)

0 引言

非常规油气的勘探开发进展及资源潜力决定了未来能源市场的格局。页岩油气评价技术日趋成熟,致密油气的增量贡献日益突出。随着世界常规油气能源开发承受的压力日趋增大,各种非常规能源逐渐受到人们的重视,相应的开发技术也越来越成熟。目前页岩油气、致密油气等低效产层的开发主要通过水平井钻探实现，如何应用好地震资料是非常规天然气勘探开发研究的关键[1-3]。

在水平井钻进的过程中，需要开展精确的地震成像、精细的构造解释和成图、钻井符合率较高的地震属性储层预测及地质统计学反演等多个环节。这些环节总结起来即为水平井钻探提供靶体预估(精确地层埋深)、趋势预判(精确地层倾角)及风险预警(小断层、微幅构造)等信息[4-7]。然而，针对页岩和致密砂岩这两类非常规储层，确定这些环节中哪些是预测难点并起关键作用，需要针对水平井箱体的地质特征进行具体分析。地质特征不同，其水平井地震导向需解决的关键问题就会有所不同，把握各类非常规油气水平井地震导向的关键问题，并制定针对性的技术对策，不仅有助于提高导向效率，且有助于提高水平井的钻遇率。因此，随着非常规水平井的广泛应用，水平井地震导向关键参数分析及预测方法研究也越来越迫切[8-9]。

1 研究思路

水平井一般部署在地质“甜点”区，即涵盖优越的储层指标(TOC、含气量、孔隙度和储层厚度等)和优越的保存条件(构造、断裂等)两个方面，同时考虑到工程钻探、下套管和后期压裂等，也需要部署在工程“甜点”区，即埋深适中、地层平缓、裂缝发育的区域[10-12]。在这些地震地质静态部署依据下，水平井现场地震导向就需要深化这些数据依据的精度，如地质甜点精细落实、小断层或微幅构造及地层倾角精确预测等。

因此，本文结合页岩气、致密油储层地质特征，通过建立水平井导向地质模型，从入靶导向和钻进导向等环节详细分析地震导向的关键问题，即由于页岩分布广、箱体薄、成层性好，页岩气的地层埋深、地层倾角以及小断层和微幅构造精细预测是难点，也是导向的关键问题；而致密砂岩相对较厚，其地层埋深、地层倾角、小断层和微幅构造在地震导向中的精度要求相对较低，但砂体叠置关系复杂，横向变化快，是水平井出层的关键因素。结合目前物探技术方法，提出应用动态勘探理论制定针对性的技术方法来解决关键问题，即通过建立“动态速度”不断提高深度域地震数据精度，以解决页岩气地震导向关键问题；通过建立“动态属性”不断提高致密砂岩预测精度，以解决致密油地震导向关键问题。具体流程见图1。作为一种新的针对性技术，该方法在非常规领域水平井地震导向中的应用，可显著提高水平井箱体的钻遇率。

图1 研究思路

后文以滇黔川五峰—龙马溪组海相页岩气和松辽盆地泉四段致密油水平井地震导向为例，说明非常规水平井地震导向关键参数分析及预测方法。

2 页岩气水平井地震导向

2.1 储层特征

滇黔川五峰组—龙马溪组海相页岩分布范围广、沉积稳定(表1)。五峰组地层沉积较薄，厚度一般为2～13m。龙马溪组相对较厚，厚度一般为200～350m。龙马溪组纵向上可进一步分为两个岩性段，即龙马溪组一段(以下简称龙一段)和龙马溪组二段(以下简称龙二段)，其小层划分及厚度见表1。其中，优质页岩主要分布在龙一1亚段1号小层，厚度约1～4m[13-14]。

表1 五峰组—龙马溪组小层划分及厚度表

2.2 地震导向关键因素分析

根据页岩气储层特征，建立如图2所示水平井导向地质模型。目标箱体(优质储层)厚约4m，包括五峰组或龙一1亚段1号小层，上覆龙一1亚段2、3、4号小层，为次级优质储层，下伏宝塔组非储层。水平井轨迹钻遇构造幅度2m左右的微幅构造和垂直断距2m左右的小断层。

图2 页岩水平井地震导向地质模型示意图

从入靶导向和钻进导向分析页岩水平井地震导向的关键环节。由于箱体薄、成层性好，对于地层埋深、地层倾角、小断层和微幅构造等的预测精度需求高。

在入靶导向时，地层埋深预测不准会出现两种情况：若箱体预测偏浅，提前造斜容易延长靶前距而缩短水平段长度；若箱体预测偏深，滞后造斜很容易出层，同样会损失水平段距离。

在水平钻进时，地层倾角变化、微幅构造和小断层等很容易引起水平井出层，损失水平段距离。

以地层倾角偏离1°、箱体厚度4m为例，根据正弦三角函数，当斜边长度为23m时，1°角所对应的直角边长度为4m，即水平井最多向前钻约23m就会出层，而钻完23m的水平段对于钻井工程是很快的。

此外，断距或构造幅度超过箱体厚度一半时，比如箱体厚为4m时，小断层断距大于2m或微幅构造幅度大于2m也容易导致水平井出层。

因此，解决页岩气水平井地震导向的关键是建立精细的深度域构造模型，落实地层埋深、地层倾角和微幅构造等参数，并精确识别小断层。

2.3 技术对策

2.3.1 动态速度方法

目前基于物探技术建立的速度场精度越来越高，一般精确的速度场(如层控变速建场等)转化的构造图绝对误差能控制在10m以内[15-17]。但就页岩气储层来说，这样的精度不能满足导向需求。因此，在初始速度的基础上，应用实钻水平井的时深信息对其进行实时校正，通过“动态速度”使地震地层形态向真实地层形态逼近，以此提高地层埋深、地层倾角以及微幅构造等的预测精度。

顾名思义，动态速度指的是动态变化的速度，在水平井导向中表示应用水平井实时钻探的时深信息对初始速度(静态速度)进行实时校正后的速度，可提高目的层速度估计精度。其工作原理及流程见图3，具体描述如下。

图3 动态速度工作原理流程图(左)和剖面示意图(右)

在初始速度的基础上，以导眼井作为标准井，计算标志层1到箱体底面之间的距离d1，应用下式求取标志层1处对应的箱体底面的垂深(从地震基准面开始)

TVD箱体=TVD标志层+d导眼井

(1)

式中：TVD标志层表示标志层处的垂深；d导眼井表示导眼井标志层到箱体底面的距离。

应用式(1)所得TVD箱体和对应的时间校正初始速度，得到一个较准确的速度场。同样，针对标志层2，…，N，均可以计算对应的校正值，得到速度场2，…，速度场N。原则上，校正点越多，计算的速度越精确。

2.3.2 小断层预测方法

一般认为地震同相轴错断不明显，借助地震属性可识别的断层为小(尺度)断层。相对于小(尺度)断层，中大(尺度)断层即为地震同相轴错断明显、人工解释可识别的断层。目前，基于叠前/叠后地震数据的蚂蚁体属性对于小断层识别效果较好。基于叠后地震数据的蚂蚁体属性主要利用相干、曲率、方差等地震属性体进行蚂蚁运算，对中、大尺度断层预测效果较好[18]；基于叠前地震数据的蚂蚁体属性是近几年发展起来的一项新技术，主要利用方向各向异性等OVT域地震属性体进行蚂蚁运算，识别小尺度断层精度较高，同时对中、大尺度断层的预测效果亦很好[19-23]。

蚂蚁体有主动和被动两种常用算法：被动方式追踪的结果信噪比较高，断层连续性较好，但只能观察到相对大一点的断层；主动方式的蚂蚁计算结果中异常较多，连续性较差，有些被动方式可追踪到的断层，主动方式反而不清楚[24-25]。

因此，为了兼顾大断裂和小一些的异常，需要通过调整蚂蚁追踪参数，即可采用主动方式参数，自定义调整初始边界的大小。初始边界定义的是每只“蚂蚁”的控制半径，值越小，“蚂蚁”越多，结果越精细。一般认为，蚂蚁追踪的大断层与人工解释断层吻合或与相干属性趋势符合，其结果才是比较合理追踪结果，对小断层识别的可信度才高。

图4为某区五峰组底面基于方差属性的蚂蚁体平面与人工解释断层叠合图及(特征值)相干平面图。可以看出，蚂蚁平面图预测的大断层与人工解释断层或相干属性趋势一致，且其刻画的小断层也更清晰。

图4 五峰组底面基于方差属性的蚂蚁平面属性与人工解释断层叠合图(左)和五峰组底面特征值相干属性平面图(右)

2.4 应用效果

2.4.1 动态速度应用效果

图5是滇黔川某区块页岩气上倾水平井，目标箱体为五峰组和龙一1亚段1号小层，厚度很小，仅约3m，沉积稳定，成层性好。

在入靶导向时，水平井钻遇第一个标志层——石牛栏组底(S1s)，实钻垂深为1001.02m，导眼井中S1s到箱体底面(O3w)的距离是285.18m。根据式(1)计算水平井标志层S1s处对应箱体底面(O3w)的校正值是1359.18m，据此校正初始平均速度场后，预测箱体顶面(龙一1亚段1号小层顶面)垂深为1221.00m，比后期实钻垂深度1231.02m浅9.98m。在水平井钻遇第二个标志层——龙二段底(S1l2)时，利用第一个标志层的控制点和第二个标志层的控制点采用同样的方法校正速度场，此时预测箱体顶面深度为1229.00m，比实际浅2.02m。当钻遇标志层龙一2亚段底面(S1l1-2)时，利用校正后的平均速度场预测的箱体顶面误差仅约1m(表2入靶导向)，有力保障了水平井的顺利入靶，减少了水平段损失。

表2 滇黔川某区块水平井1地震导向速度场校正参数表

在钻进导向时，当水平井钻遇箱体顶面、底面或其他标志层时(表2钻井导向)，这些地层界面同样可以作为控制点进行速度场校正，校正后转化的深度域地震剖面能精确预测钻头附近地层趋势，从而保障了水平井的钻进。此上倾井最终钻遇率达95%。

图6是川南地区某页岩气水平井所在地震剖面。可见箱体在地震上表现为强波峰振幅反射，且位于上半波峰。在初始速度(静态速度)转化的深度域剖面(图6上)中，钻遇箱体的轨迹在波谷反射上，两者所示地层不匹配，且水平井轨迹与地震同向轴的趋势一致性也不高。因此，应用此深度域数据进行地震导向，误差较大，没有指导意义。而在通过动态速度校正的深度域剖面(图6下)上，实钻水平井轨迹与地震剖面同向轴趋势一致性很高，且两者所示地层的匹配度也高，有利于对水平井进行导向，具有较强的现实指导意义。

2.4.2 (微)小断层应用效果

在图5中，水平井水平段钻遇3处小断层(图中f1、f2、f3)，由于断距较小，在地震剖面中不能直接识别。利用基于各向异性的蚂蚁体属性预测结果见图7。可见预测结果与钻井结果吻合，属性平面预测的小断层辨识度高，位置准确，在导向过程中有很好的指导性，缩短了水平井在小断层处的出层距离，提高了钻遇率。

图5 滇黔川某区块过水平井1轨迹的深度域地震剖面

图6 川南地区水平井初始速度场转化的深度域地震剖面(上)和动态速度校正后转化的深度域地震剖面(下)

图7 滇黔川某区块龙马溪组底面地震蚂蚁体属性平面图

3 致密砂岩水平井地震导向

3.1 储层地质特征

松辽盆地扶余油层致密油资源潜力大,产油层为下白垩统泉头组四段，泉四段可分为4个砂组：Ⅰ砂组为三角洲前缘亚相，发育水下分流河道砂体，多期叠加水下分流河道沉积，平均厚度约12m；Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ砂组为三角洲平原亚相，发育分流河道砂体，分流河道叠置，平均厚度约20m。总体来看，扶余油层致密砂岩储层相对较厚，砂体叠置，各砂体平均厚度约16m[26]。

3.2 地震导向关键因素分析

根据致密油储层特征，建立水平井钻探导向地质模型(图8)。模型中扶余油层某砂组地层厚度约为23m，平均砂岩厚度为16m，且砂体叠置，钻遇垂直断距约8m的小断层。

图8 扶余油层致密砂岩水平井钻探导向地质模型

在入靶导向时，由于致密砂体厚，地层埋深、地层倾角以及微幅构造的预测精度需求相对页岩低得多(优质页岩厚度约4m)，因而精确的静态速度误差即可满足导向需求。

在水平钻进时，一方面对于容易引起水平井出层的小断层或微幅构造，当断距或构造幅度小于8m时，相对于砂体厚度，其出层概率较低；当断距或构造幅度大于8m时，在地震剖面或属性剖面上容易识别，因此，小断层或微幅构造对水平井钻探的影响较小。另一方面，水平井钻探方向主要根据泉四段顶面(T2)强反射轴的地层趋势确定。但由于砂体叠置，水平井在叠置区很容易出层，所以，钻探趋势(倾角)不能完全按照T2强反射轴的地层趋势确定，需根据砂体之间的接触关系随时调整水平井轨迹，才能保证较高的水平井钻遇率。

因此，精确预测河道砂分布、厘清河道砂体叠置关系是致密油水平井地震导向的关键。

图9是松辽盆地泉四段扶余油层两口水平井反演剖面。目的层的砂体较厚(平均约16m)，入靶难度较低，但在砂体叠置区均有出层现象。1#水平井在水平段有3处出层区域，根据伽马测井(GR)地质统计学反演剖面(图9上)，这3处出层区均位于砂体叠置处。2#水平井在水平段有1处出层区域，根据阻抗地质统计学反演结果(图9下)，该出层区也在砂体叠置区。因此，厘清楚砂体叠置关系可降低出层风险，提高水平井的钻遇率。

图9 过1#水平井的GR地质统计学反演剖面(上)和过2#水平井的阻抗地质统计学反演剖面(下)

3.3 技术对策

动态属性在水平井地震导向中可提高目标区储层反演精度，应用实时钻探水平井信息为反演提供数据基础，从而不断提高地质统计学反演的精度，提高目标区储层预测精度。

目前，直接预测扶余油层河道砂地震属性较困难，所以主要应用地质统计学反演进行砂体预测[27]。然而，由于扶余油层单砂体较厚，砂体多期叠置，横向变化快，在实际钻井中，地震统计学反演由于样本点数不足而使预测精度达不到地震导向需求。因此，应用实时钻探的水平井信息参与反演并提供较多的样本点，即“动态属性”预测，是提高反演精度的主要手段。

然而，在水平钻进导向中，实时钻探的水平段信息在常规反演中一般很难被利用或利用时效性差，这是需要解决的关键问题。为此制定了以下技术思路(图10)：在构造网格模型的基础上，把实时钻探的水平井信息、导眼井信息等粗化到构造网格模型(图11)中，开展地质统计学反演，得到实时反演属性体，从而提高河道砂预测精度及砂体叠置关系的辨识度，从而指导水平井钻进。

图10 动态属性指导水平井钻井流程

图11 构造网格模型

3.4 应用效果分析

应用动态属性对松辽盆地泉四段扶余油层致密油水平井开展地震导向。图12所示是2#水平井针对扶余油层Ⅱ砂组钻探的水平井反演剖面、岩性图和动态属性剖面。可见在没有用水平井实时钻探信息的GR地质统计学反演剖面(图12左上)上，水平井设计轨迹钻遇一大套砂体，砂体叠置关系不清楚。在实际钻探过程中，应用水平井实时钻探的GR曲线粗化到构造网格模型，参与统计学反演，得到“动态属性”剖面(图12左下)。由图可见，水平井在测深2700m处钻遇砂体叠置区，即设计的水平井轨迹其实穿越了两个砂体的叠置区。因此，在出层时及时增斜，向下一个砂体钻探，保证了尽快入层。最终此井的完钻井深为3540m，水平段长1070m，其中砂岩层厚度995m，砂岩钻遇率约93%。

图12 过2#水平井的GR地质统计学反演剖面(左上)，岩性柱状图(右)及动态属性剖面(左下)

4 结论

(1)海相页岩分布广、箱体薄、成层性好，因此精细预测其地层埋深、倾角及小断层和微幅构造比较困难，是钻井导向的关键问题。其地震导向的技术对策主要包括两方面：一是通过水平井实时时深信息建立“动态速度”，不断提高深度域地震数据精度，使深度域地震数据不断逼近真实地层情况，提高地层埋深、地层倾角以及微幅构造等预测精度；二是通过基于叠前/叠后地震数据的蚂蚁体属性预测(微)小断层，使大断裂清晰可见，小尺寸异常也能显现出来，且断裂走向与相干属性趋势一致，提高地震导向中实钻(微)小断层的符合率。

(2)致密砂岩箱体相对页岩箱体较厚，其地层埋深、地层倾角、小断层和微幅构造在地震导向中的精度要求相对较低，但砂体叠置关系复杂，横向变化快，是导致水平井出层的主要因素。所以，准确预测河道砂的分布是水平井导向的难点和关键。其地震导向的技术方法主要是应用动态地震勘探理论，通过应用实时钻探的水平井测井信息，在构造网格模型的基础上实现动态属性预测，以提高河道砂预测精度及砂体叠置关系辨识度，及时有效指导水平井钻进过程。