夏子街油田X50区块随钻地层边界探测工具应用

田亚铭,王贵文,李 彤,王怀武,王 飞

(1. 成都理工大学地球科学学院,四川成都 6100592;2.中国石油新疆油田公司风城油田作业区,新疆克拉玛依 834000; 3.斯伦贝谢科技服务(成都)有限公司,四川成都 610041)

随着全球能源需求的激增,石油公司越来越重视复杂油藏水平井的油层钻遇率。与传统的被动型地质导向技术相比,主动型地质导向技术在提高复杂油藏中水平井的储层钻遇率、刻画地层特征及钻井提速等方面效果更明显[1-3]。基于边界探测技术的随钻地层边界探测仪能够提供探测范围较大的随钻测量资料,在主动型地质导向技术中占重要地位,可以有效地降低复杂油层中水平井地质导向的风险。本文选取新疆油田复杂储层为研究对象,通过分析两口水平井轨迹控制过程,阐述基于边界探测技术的主动型地质导向技术在提高复杂油层水平井储层钻遇率和刻画地层特征方面的价值和意义,也可为类似复杂区块的地质导向工作提供借鉴。

1 油藏地质概况

夏子街油田位于准噶尔盆地西部隆起东北部、玛湖生烃凹陷的上倾方向,油源丰富,储层较为发育。X50井区位于夏子街油田东北部,该井区北部受两条断裂相交封闭,地层向南倾斜,地层倾角5°～10°,中部为构造鞍部,南部为断背斜[4]。研究区地层自下而上主要为二叠系的乌尔禾组(P2w)、三叠系的百口泉组(T1b)、克下组(T2k1)、克上组(T2k2)、白碱滩组(T3b),主要含油层系为三叠系克下组,油藏砂体发育,横向连续性较好,油层发育稳定且厚度较大,岩性以砂砾岩为主,上下围岩为泥岩。油层平均孔隙度2.5%,平均渗透率10.3×10-3μm2,为低孔低渗储层。

2 开发过程中存在问题

X50井区克下组油藏于2016年开始部署水平井开发,设计水平段长度900～1 000 m。第一口实施的水平井SP-2井受构造复杂、追层困难、泥岩进尺过多等因素影响,造成井眼垮塌而导致侧钻,侧钻前地质导向模型如图1所示。

图1 SP-2井老井眼地质导向模型

从地质方面和工程方面分析并总结SP-2井及其他待钻井存在的技术难点,主要有以下几个方面:

1)构造变化大以及储层厚度的不确定性。SP-2井部署在背斜的鞍部,水平段地层倾角的变化以及构造拐点位置的判断对于水平段轨迹控制非常重要。根据地震剖面预测,如图2所示,水平段倾角由着陆点A靶点附近的下倾5°变化到下倾8°、再变成水平、到末端时变为上倾3°,构造起伏大,但最初的剖面只能为倾角变化趋势判断提供参考,不能作为井斜精细控制的依据。结合SP-2井侧钻前井眼数据分析可知,受地层倾角不确定性影响,即使在水平段中段分析出轨迹由目的层顶部钻出目的层,也会存在因降斜不足导致轨迹迟迟无法回到目的层或者因降斜过多轨迹穿回目的层之后再次从底部穿出的情况。另外,受地震精度影响,对构造拐点位置的判断也存在较大的不确定性,实钻过程中也需要根据实时随钻测井曲线确认构造拐点位置。

图2 SP-2井水平段轨迹剖面

除了构造的影响,储层厚度的变化也增加了SP-2井地质导向的难度。在设计井区内,邻井较少,且水平段中段西侧没有邻井控制,储层发育情况存在较大不确定性。克下组S5油层厚度整体较薄,变化范围4～7 m,整体表现为东部厚、中部次之、两侧变薄的特征。

2)工程难度大。X50区块目的层岩性为砂砾岩,粒径大小不均,采用特殊选型的钻头,机械钻速可达5 m/h,上下围岩为泥岩,具有较强的水化分散特性,易导致井眼失稳,出现缩颈或者井壁垮塌,在泥岩中钻进时钻速极低,仅1 m/h,而保持轨迹在砂砾岩中钻进,不仅可以提高钻遇率,对钻井效率及井眼稳定也有很大影响。

SP-2井侧钻前井眼采用螺杆定向工具,只能通过滑动钻进调整井斜;定向过程中钻柱不旋转,贴靠在井底,钻头只在马达内部转子带动下旋转,在大斜度定向井和水平井的钻井过程中常常会导致钻头加压困难,调整井眼轨迹时容易形成台阶,使得井眼轨迹不平滑。由于钻柱不旋转,不利于携砂,易在井底形成岩屑床,增加了卡钻风险。螺杆定向测斜零(长)长达十几米,需要比较长的距离才能观测到定向效果。当水平段较长或者轨迹调整过大时,滑动定向困难,且定向人员较难把握井斜的增降趋势。若井斜无法满足地质需求,轨迹很难从泥岩中穿回到目的层内,无法实现地质目标。此外,为保障轨迹在储层中钻进,水平段调整较频繁,实际钻井过程中需要花费大量时间滑动定向。

3 边界探测工具及旋转导向方案

水平井实钻结果证实,常规随钻测井及其对应的被动型地质导向技术无法高效地应对研究区复杂的地质特征及构造变化。根据邻井电阻率特征及分析模拟显示,边界探测技术在水平段导向过程中可以较大程度地控制导向风险,结合推靠式旋转导向工具,能够提供近钻头伽马和井斜测量,保证轨迹平滑,遇到问题及时调整,提高了作业效率。

3.1 边界探测工具介绍及可行性分析

基于方位电磁波电阻率的边界探测技术主要来源于斯伦贝谢的随钻地层边界探测仪(PeriScope)、哈里伯顿的方位电阻率测井仪(ADR)和贝克休斯的深探测方位电阻率测井(AziTrak),以及中海油服的随钻地层边界探测工具(DWPR),测量原理基本相似,但是在工具结构、反演算法和输出结果等方面具有各自的特色和专利。本文以斯伦贝谢公司的PeriScope为例,简介工具结构、测量原理及反演结果。PeriScope工具包括常规的对称型电磁波发射-接收设置,提供电磁波电阻率测量;在工具两端有两个倾斜接收线圈,与工具呈45°夹角,可提供方向性测量数据;倾斜线圈提供的方向性测量数据受地层边界上下两套地层的电阻率差异控制,边界两侧地层电阻率差异越大,方向性信号越强,探测深度越大[5-7]。

边界探测工具提供的电阻率反演数据零长位于距离钻头约10 m的位置。在水平井钻井过程中,当轨迹穿越层界面时,常规感应电阻率曲线往往会出现极化现象,方向性曲线的形态特征取决于工具到地层边界的距离。从图3可以看出,当轨迹自2 Ω·m低阻地层靠近20 Ω·m地层时,方向性曲线开始慢慢抬升,穿层时候达到最高值;当轨迹由20 Ω·m地层靠近1 Ω·m地层时,方向性曲线开始出现下降;如果工具在探测范围内无明显电阻率变化,则方向性曲线表现为0。将方向性测量数据及常规电阻率测量数据通过软件处理,在每个测量点可以反演出轨迹到附近上下边界的距离,从而反演出边界的产状。

图3 边界探测工具穿层时方向性曲线及常规电阻率曲线响应

根据邻井X50井电阻率特征可知,研究区目的层电阻率约30～60 Ω·m,上覆和下伏泥岩电阻率约8～10 Ω·m。利用邻井X50井的电测曲线建立地质模型,模拟边界探测工具穿层时曲线及边界反演响应。如图4所示,对X50井的电阻率曲线差分等比例赋值,建立电阻率属性模型,其中红色代表目的层,上方及下方灰色代表了上下围岩。将轨迹投影到地质导向属性模型中,可以计算出沿轨迹每个深度点的电阻率特性及方向性电阻率曲线特征;利用计算得到的电阻率数值及靠近边界时方向性电阻率曲线的响应,可反演出探边工具对储层顶面和底面的可探测距离响应,从而得出以下结论:若储层电阻率特征与X50井类似,则探边工具对顶边界的探测距离为2.5 m,对底部边界的探测距离为2.7 m。

图4 SP-2井边界探测工具可行性分析

传统常规的电阻率探测测量工具对应的边界探测深度仅有0.8 m左右,如图5所示,在地质导向过程中,若轨迹与地层夹角2.5°,使用传统常规电阻率工具发现轨迹靠近顶部时,调整轨迹的空间为0.8 m/sin2.5°=18.3 m;若要避开顶部边界,需要以接近9.0°(即2.5°×30 m/(18.3 m-10.0 m)=9.0°)的狗腿度调整轨迹,考虑到后期完井作业要求,水平轨迹狗腿度调整9.0°具有极大的风险及不可操作性。当使用探边工具时,边界电阻率反演在轨迹距离顶部2.5 m即有显示响应,调整轨迹空间为57 m,狗腿度仅需调整约1.6°就可以避开顶部泥岩,既保证了轨迹的平滑,又避免了钻入低钻速泥岩中,从而保证钻遇率,优化了钻井效率。

图5 传统电阻率工具与边界探测工具轨迹调整狗腿度计算

3.2 旋转导向系统

SP-2井侧钻前老井眼采用螺杆定向钻进,在水平段轨迹调整过程中需要花费大量时间进行滑动定向,严重影响作业效率。由于井斜测量零长较长,井斜控制难度大,致使轨迹多次顶出和底出进入泥岩。针对X50区块的地质及工程难点,地质导向决策团队决定采用旋转导向工具优化实时轨迹的调整。

斯伦贝谢的旋转导向系统主要包括推靠式、指向性以及复合式三种。推靠式旋转导向使用推靠块直接作用于井壁,适合软硬适中的地层,最大造斜率约6.0°/30 m;指向式旋转导向是指在钻具连续转动的同时,将钻头指向所需方位进行定向钻进的导向方式,最大造斜率约8.0°/30 m;复合式旋转导向兼具推靠式和指向式的特点,能提供更高的狗腿度。三种旋转导向系统都带有近钻头伽马和井斜测量,这些测点距钻头最近处仅有2.0 m(对于不同尺寸的工具,此数据略有不同),既方便了定向井工程师控制轨迹,又为地质导向师实施实时地质导向服务提供可靠依据,将井轨迹钻至最佳储层,保证较高钻遇率,提高单井产能。针对X50水平段的构造特征以及工程要求(水平段狗腿度不大于4.0°/30 m),优先选择推靠式旋转导向系统[8](图6)。

图6 推靠式旋转导向系统示意

与螺杆相比,推靠式旋转导向系统全程旋转的特性不仅解决了钻压施加与工具面控制的问题,也提高了井筒清洁效率,改善了井壁质量,大大提升了钻井效率,节省了作业经费,并可为后续固井、完井工作打下良好基础。

4 应用实例

2017年至2019年,夏子街油田X50区块使用边界探测和旋转导向组合已完钻10口井,水平段总进尺7 166 m,平均机械钻速约7.2 m/h。

SP-2侧钻井眼采用边界探测工具结合旋转导向工具,完钻地质导向模型如图7所示,当该井钻至井深1 905 m(井斜81.0°)入层后,下入边界探测及旋转导向工具;随钻地质导向过程中,利用边界探测工具提供的边界信息及时调整轨迹,取得以下成果,水平段完成进尺846 m,储层钻遇率达100%;水平段前半段地层倾角由7.0°～8.0°下倾变化为约11.0°下倾,中部由8.0°下倾缓慢变为水平,再变为上倾,尾部地层约7.0°上倾;探边工具最远探测距离可达3 m,结合构造预测及时调整轨迹,有效避开了轨迹上方和下方的低阻泥岩,保证了储层钻遇率和钻井效率。本井水平段工期9 d,平均机械钻速约10 m/h,较螺杆钻进井眼提高了近2倍,通过旋转导向近钻头井斜测量也能随时调整轨迹,将狗腿度控制在3.0°之内,保证了井眼轨迹的光滑,圆满高效地完成水平段钻进任务。

图7 SP-2侧钻井眼边界探测反演模型

5 结论

1)夏子街油田X50井区构造复杂,地层倾角多变,水平段轨迹调整风险较大,使用边界探测工具可以根据轨迹与储层的边界距离进行预判调整,配合旋转导向工具可以有效控制井斜,避免轨迹钻入泥岩,确保了储层钻遇率,也保证了轨迹的平滑和井眼的稳定性,缩短了钻井周期,实现工程地质一体化的目的。

2)实钻过程中,利用边界信息可以将轨迹控制在油层上部,使钻井轨迹沿剩余油潜力大的部位钻进,提高采收率。

3)边界探测电阻率反演资料的解释对于地质油藏模型的更新、全面理解地下储层形态以及后续井位部署具有重要作用。