歐居剛，王小蘭，楊曉，鄧小江，黃誠(chéng)，李文佳

(1.中石油集團(tuán)物探重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室—頁(yè)巖氣地球物理研究室，四川 成都 610213；2.東方地球物理勘探公司 西南物探研究院，四川 成都 610213)

0 引言

四川盆地頁(yè)巖氣資源豐富。截至2017年，四川盆地累計(jì)探明五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖氣地質(zhì)儲(chǔ)量9 210×108m3，建成了逾100×108m3產(chǎn)能規(guī)模；2018年實(shí)現(xiàn)了頁(yè)巖氣年產(chǎn)量90.25×108m3，中國(guó)已成為全球第三個(gè)實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣規(guī)模開發(fā)的國(guó)家[1]。四川盆地最優(yōu)質(zhì)海相頁(yè)巖普遍發(fā)育于五峰組—龍一段下部地層，是四川盆地頁(yè)巖氣開發(fā)的主要層系。越來(lái)越多的鉆探實(shí)踐表明，頁(yè)巖氣水平段最佳靶體的穿行質(zhì)量是獲得高產(chǎn)井，形成規(guī)模效益的關(guān)鍵。因此，頁(yè)巖氣井的地質(zhì)導(dǎo)向顯得尤為重要。目前的地質(zhì)導(dǎo)向主要依靠測(cè)、錄井曲線、構(gòu)造圖，建立水平井初始鉆前地質(zhì)模型，在實(shí)際導(dǎo)向中進(jìn)行隨鉆修正。然而，微幅構(gòu)造相對(duì)發(fā)育的地區(qū)，初始地質(zhì)導(dǎo)向模型與實(shí)鉆差異較大，為隨鉆導(dǎo)向帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)。針對(duì)隨鉆導(dǎo)向遇到的問(wèn)題，目前的解決辦法是利用實(shí)時(shí)校正時(shí)深轉(zhuǎn)換速度場(chǎng)，精編井附近構(gòu)造圖，及時(shí)獲得更加逼近真實(shí)地腹形態(tài)的地質(zhì)導(dǎo)向模型的方法，但是該方法存在模型精度不高、預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度不高的缺點(diǎn)。此外，地震導(dǎo)向鉆井(seismic guided drilling，SGD)，即利用地面地震及鉆井過(guò)程中不斷獲得的新數(shù)據(jù)，對(duì)井眼前方及周邊的三維區(qū)域進(jìn)行重新預(yù)測(cè)，也為實(shí)時(shí)鉆井決策提供科學(xué)依據(jù)，但并未針對(duì)水平井實(shí)時(shí)鉆井跟蹤做進(jìn)一步研究[2-4]。

本文以川南地區(qū)頁(yè)巖氣水平井地震跟蹤為例，梳理地震資料在頁(yè)巖氣水平井鉆進(jìn)過(guò)程中的作用，提出了一套針對(duì)復(fù)雜構(gòu)造區(qū)頁(yè)巖氣水平井地震導(dǎo)向技術(shù)的新思路：針對(duì)目標(biāo)區(qū)塊的全層位速度建模、各向異性疊前深度偏移、鉆井過(guò)程中地震實(shí)時(shí)跟蹤。實(shí)鉆表明：面向開發(fā)和工程需求的頁(yè)巖氣微幅構(gòu)造發(fā)育區(qū)水平井地震導(dǎo)向技術(shù)，可有效提高水平井的有效儲(chǔ)層鉆遇率。

1 地質(zhì)導(dǎo)向鉆井面臨的問(wèn)題

頁(yè)巖氣水平井地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)要求：入靶準(zhǔn)確，水平段井筒平滑，靶體鉆遇率高。實(shí)際上，志留系內(nèi)部泥頁(yè)巖缺乏明顯標(biāo)志層，地質(zhì)導(dǎo)向依靠隨鉆伽馬很難準(zhǔn)確判定入靶點(diǎn)；由于隨鉆測(cè)定資料品質(zhì)，儀器測(cè)定盲區(qū)影響等多種因素，一旦目的層微幅度構(gòu)造發(fā)育，地層傾角變化快，微斷裂發(fā)育，水平井鉆進(jìn)過(guò)程軌跡調(diào)整往往滯后，導(dǎo)致箱體鉆遇率不高，甚至脫靶(圖2)。地質(zhì)家和鉆井工程師希望能通過(guò)借助地震資料橫向預(yù)測(cè)的優(yōu)勢(shì)，預(yù)警地下微幅度構(gòu)造、地層傾角變化或者微斷裂，幫助鉆井導(dǎo)向提前制定軌跡調(diào)整方案，保障靶體鉆遇率的同時(shí)確保水平井軌跡平滑，最終實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣水平井高效開發(fā)。

圖1 長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)建產(chǎn)區(qū)典型評(píng)價(jià)井五峰組—龍一1亞段的小層劃分綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of sub-layer division among Wufeng Formation and Long-1 subsection of typical evaluation wells in Changning and Weiyuan

圖2 X水平井地質(zhì)導(dǎo)向工程圖Fig.2 Geological steering engineering figure of X horizontal well

近年來(lái)，隨著地震地質(zhì)工程一體化的發(fā)展，多學(xué)科融合程度的深入，長(zhǎng)寧—昭通、威遠(yuǎn)和涪陵地區(qū)，地震資料在水平井鉆進(jìn)過(guò)程中的隨鉆指導(dǎo)作用越來(lái)越明顯，取得了比較好的效果。利用疊前時(shí)間偏移數(shù)據(jù)，通過(guò)精細(xì)時(shí)深轉(zhuǎn)換能夠很好地保障入靶準(zhǔn)確[13-14]。疊前時(shí)間偏移理論假設(shè)繞射曲線是雙曲線，從而在速度橫向變化較大時(shí)會(huì)導(dǎo)致繞射不能完全歸位到實(shí)際的成像點(diǎn)。因此疊前時(shí)間偏移剖面成像精度必然不高，在此基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)換的深度域數(shù)據(jù)構(gòu)造形態(tài)并不能完全真實(shí)反映地腹情況，特別是微幅構(gòu)造和微斷裂發(fā)育的位置。以此成果建立的地質(zhì)導(dǎo)向初始模型與實(shí)際情況差異較大，在隨鉆過(guò)程中難以有效預(yù)判地層產(chǎn)狀變化和指導(dǎo)軌跡調(diào)整，較難保障水平段井筒平滑和保障箱體鉆遇率。

2 地震導(dǎo)向技術(shù)

2.1 技術(shù)思路

為了提高水平井鉆遇率，本文提出圍繞各向異性疊前深度偏移技術(shù)，以鉆井平臺(tái)為中心的目標(biāo)區(qū)塊進(jìn)行快速疊前深度偏移處理(圖3)，以提高地震資料成像精度，真實(shí)反映地腹構(gòu)造形態(tài)，從而對(duì)鉆井風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)判、預(yù)估與預(yù)警等。針對(duì)具體地質(zhì)目標(biāo)和工程需求制定相應(yīng)的流程，包括以下3個(gè)階段:①利用時(shí)間域處理成果，建立初始時(shí)深轉(zhuǎn)換速度場(chǎng)，得到初始深度預(yù)測(cè)成果進(jìn)行井位設(shè)計(jì)，預(yù)估各個(gè)標(biāo)志層深度，入靶前進(jìn)行復(fù)核，若吻合則指導(dǎo)入靶，若不吻合，則更新時(shí)深轉(zhuǎn)換速度場(chǎng)和提供入靶點(diǎn)深度預(yù)測(cè)。②綜合分析時(shí)深轉(zhuǎn)換速度與測(cè)井速度聯(lián)合建立疊前深度偏移初始速度作為目標(biāo)區(qū)塊的背景速度，然后進(jìn)行目標(biāo)區(qū)塊各向異性深偏快速處理，預(yù)判隨鉆過(guò)程中地層傾角變化，預(yù)警微斷裂發(fā)育等。③利用最新的鉆井信息進(jìn)一步更新速度模型及各向異性參數(shù)，在新一輪深度域成果上指導(dǎo)工程鉆井。

2.2 目標(biāo)區(qū)地震導(dǎo)向指導(dǎo)地質(zhì)模型構(gòu)建

2.2.1 全層位時(shí)深轉(zhuǎn)換速度場(chǎng)構(gòu)建

水平井成功的重要一點(diǎn)就是如何精確入靶，在水平井入靶前資料相對(duì)較少，精確入靶將會(huì)面臨較大的困難，構(gòu)造簡(jiǎn)單的區(qū)域通過(guò)判斷伽馬指導(dǎo)入靶成功率比較高，但是在地腹構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜時(shí)成功率會(huì)大打折扣，因此，前期需要在疊前時(shí)間偏移處理速度場(chǎng)的基礎(chǔ)上，綜合鉆井、疊加速度場(chǎng)、VSP速度、區(qū)域場(chǎng)等資料構(gòu)建時(shí)深轉(zhuǎn)換速度場(chǎng)[15]。建立精細(xì)可靠的時(shí)深轉(zhuǎn)換速度場(chǎng)及構(gòu)造圖指導(dǎo)入靶。精細(xì)時(shí)深轉(zhuǎn)換速度場(chǎng)構(gòu)建包括三個(gè)部分：速度場(chǎng)構(gòu)建、速度場(chǎng)校正和實(shí)鉆驗(yàn)證。

1) 速度場(chǎng)構(gòu)建。速度場(chǎng)構(gòu)建是一個(gè)將離散的速度信息轉(zhuǎn)換為空間網(wǎng)格的過(guò)程。結(jié)合川南地區(qū)的地震深度預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)，主要采用以下5種方式：

第一：疊加速度場(chǎng)Dix公式法。該方法適用于地層平緩，速度橫向變化不大的區(qū)域。

采用Dix公式將均方根速度場(chǎng)轉(zhuǎn)換為層速度，再利用式(1)計(jì)算出平均速度，加上坐標(biāo)以及時(shí)間，利用空間網(wǎng)格化建立平均速度場(chǎng)：

(1)

式中：hi和Δti分別為第i層的厚度和時(shí)差。

第二：層控速度場(chǎng)構(gòu)建。該方法適用于地層構(gòu)造復(fù)雜，傾角較大的地區(qū)。

圖3 基于目標(biāo)區(qū)塊各向異性疊前深度偏移資料的水平段地震導(dǎo)向技術(shù)流程Fig.3 Horizontal seismic guidance technology flow based on anisotropic prestack depth migration data of target block

利用鉆井速度控制層地質(zhì)分層深度數(shù)據(jù)h0和相應(yīng)的地震層位解釋成果t0，根據(jù)式(1)求取各層層速度，再利用疊加速度場(chǎng)的橫向變化趨勢(shì)進(jìn)行約束、插值、平滑，分層段進(jìn)行空間網(wǎng)格化，建立層速度場(chǎng)。

第三：層控縱波時(shí)差速度場(chǎng)構(gòu)建。該方法適用于地層構(gòu)造復(fù)雜，傾角較大的地區(qū)。

利用式(1)，根據(jù)鉆井縱波時(shí)差曲線，在與地震層位解釋成果對(duì)應(yīng)的地質(zhì)分層約束下，加權(quán)平均得到各層段速度，再加入疊加速度場(chǎng)橫向趨勢(shì)約束進(jìn)行插值平滑，分層段進(jìn)行空間網(wǎng)格化，建立層速度場(chǎng)：

(2)

式中：Δti為鉆井每層厚度的時(shí)差，tj為每個(gè)測(cè)井曲線采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)縱波時(shí)差。

第四：偏移歸位法速度構(gòu)建。該方法適用于地層構(gòu)造復(fù)雜，傾角較大的地區(qū)。

在Dix公式法基礎(chǔ)上，考慮偏移等因素，利用偏移剖面解釋成果求取傾角場(chǎng)，在此基礎(chǔ)上對(duì)疊加速度場(chǎng)進(jìn)行偏移，使得疊加速度與解釋層位對(duì)應(yīng)，建立平均速度場(chǎng)。

第五：模型層析法速度場(chǎng)構(gòu)建。該方法適用于高陡復(fù)雜構(gòu)造地區(qū)。

通過(guò)基于射線傳播理論的層析成像，修改速度模型，擬合疊加速度，與已知疊加速度比較，迭代計(jì)算層速度和反射層，利用反射界面和時(shí)間模型求出反射層以上的平均速度，得到平均速度場(chǎng)。

2)速度場(chǎng)校正。速度場(chǎng)校正包括兩個(gè)方面：一是與已知井點(diǎn)速度控制層深度吻合；二是遠(yuǎn)離控制點(diǎn)位置速度變化規(guī)律合理，不能出現(xiàn)畸變。

首先計(jì)算出已知井點(diǎn)速度控制層的平均速度或?qū)铀俣?；分析其合理性，剔除異常值；讀取已建立的速度場(chǎng)井點(diǎn)處速度，獲得井點(diǎn)處誤差絕對(duì)值；利用克里金算法[16]將井點(diǎn)處誤差插值生成誤差場(chǎng)；最后速度場(chǎng)加上誤差場(chǎng)得到校正后速度場(chǎng)。

3)實(shí)鉆驗(yàn)證。鉆井進(jìn)入水平段入靶點(diǎn)前，以上覆地層深度實(shí)鉆驗(yàn)證為準(zhǔn)，符合則表明時(shí)深轉(zhuǎn)換速度場(chǎng)構(gòu)建準(zhǔn)確，可進(jìn)行持續(xù)跟蹤分析，不符合則立即加入驗(yàn)證井上覆地層最新地質(zhì)分層，重復(fù)上述構(gòu)建方法更新速度場(chǎng)，及時(shí)調(diào)整目的層構(gòu)造預(yù)測(cè)結(jié)果，確保準(zhǔn)確入靶。為了提升速度模型的精度，建議在縱向上加密速度控制層，橫向上結(jié)合上述多種資料分析層速度橫向規(guī)律增加虛擬速度控制點(diǎn)。

2.2.2 地質(zhì)約束速度模型構(gòu)建

鉆前利用時(shí)深法設(shè)計(jì)入靶點(diǎn)，隨著測(cè)井信息的豐富，在鉆進(jìn)過(guò)程預(yù)測(cè)鉆頭的鉆進(jìn)軌跡就需要隨鉆疊前各向異性深度偏移成果。因此，目標(biāo)區(qū)塊各向異性疊前深度處理是鉆井過(guò)程中地震實(shí)時(shí)跟蹤導(dǎo)向流程中較為重要的環(huán)節(jié)。具體流程：①精確拾取深度層位；②采用層厚約束方法求取合理的井震誤差；③各向異性層析成像求取精確的各向異性參數(shù)(速度、δ及ε等)(圖4)。

合理求取井震誤差是隨鉆處理的關(guān)鍵，不合理或者錯(cuò)誤的井震誤差難以反演得到準(zhǔn)確的各向異性參數(shù)，因此，建立一套合理求取井震誤差的流程極為重要[17]。在目標(biāo)區(qū)內(nèi)鉆井資料較少時(shí)，只能通過(guò)已知的井震誤差插值來(lái)解決其他位置的深度誤差，而常規(guī)方法沒有考慮地層厚度變化對(duì)井震誤差的影響(區(qū)內(nèi)單井情況下井震誤差為-80 m，圖5)，必將導(dǎo)致各向異性參數(shù)誤差較大甚至可能產(chǎn)生異常極值。不考慮地層厚度變化趨勢(shì)的影響會(huì)導(dǎo)致偏移的成果與實(shí)鉆井軌跡相差較大，難以反映地層產(chǎn)狀的真實(shí)情況。因此，必須考慮實(shí)際的鉆井厚度橫向變化與地震橫向厚度變化的相關(guān)性，利用地層厚度變化趨勢(shì)約束各向異性參數(shù)的橫向變化。

圖4 鉆井過(guò)程實(shí)時(shí)跟蹤疊前深度快速處理流程Fig.4 Fast processing flow chart of real time tracking prestack depth in drilling process

圖5 地層厚度約束井震誤差平面對(duì)比(區(qū)內(nèi)單井)Fig.5 Comparison of well-seismic error constrained by layer thickness(single well)

具體操作步驟如下：首先通過(guò)

(3)

計(jì)算出已鉆井點(diǎn)位置處的相鄰兩層的井震閉合差與本層厚度的比例表示該層的閉合差約束系數(shù)。式中：Si為井點(diǎn)處第i層的閉合差約束系數(shù)，Mi為第i層的井震閉合差，Mi-1為第i-1層的井震閉合差，Di為第i層的地震數(shù)據(jù)的地層厚度。

然后，插值得到全區(qū)該層的閉合差約束系數(shù)面Ssurf，i，再通過(guò)

Msurf，i=Ssurf，i×Dsurf，i+Msurf，i-1

(4)

計(jì)算該層最終的井震閉合差面。式中：Ssurf，i為井點(diǎn)處第i層的閉合差比例系數(shù)，由Si插值得到；Msurf，i為第i層的井震閉合差；Msurf，i-1為第i-1層的井震閉合差；Dsurf，i為第i層的地層厚度。

最后，通過(guò)層析反演得到更為準(zhǔn)確的各向異性參數(shù)及偏移剖面并指導(dǎo)工程鉆井(圖6)。

a—常規(guī)各向異性疊前深度偏移剖面;b—層厚約束各向異性疊前深度偏移剖面a—regular anisotropic prestack depth migration profile;b—anisotropic prestack depth migration profile constrained by layer thickness圖6 層厚約束各向異性疊前深度偏移前后對(duì)比Fig.6 Comparison between regular and constrained anisotropy depth migration

3 應(yīng)用實(shí)例

圖7所示為瀘州地區(qū)X井沿設(shè)計(jì)井軌跡基于疊前時(shí)間偏移剖面時(shí)深轉(zhuǎn)換得到的深度剖面。

入靶前，利用鄰井資料構(gòu)建時(shí)深轉(zhuǎn)換速度場(chǎng)，得到深度數(shù)據(jù)(波形)并疊后裂縫預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)(彩色)，預(yù)估各標(biāo)志層、入靶點(diǎn)深度，并對(duì)直井段風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警。圖8為該井實(shí)施過(guò)程中，入靶前實(shí)鉆發(fā)現(xiàn)上覆地層速度控制層深度與地震預(yù)測(cè)深度不符，迅速更新速度場(chǎng)后，保證控制層深度吻合。圖9顯示利用更新速度場(chǎng)后的深度剖面預(yù)測(cè)的入靶點(diǎn)深度與實(shí)鉆結(jié)果吻合。

隨著水平井段鉆井深度的增加，實(shí)鉆地質(zhì)模型與地震剖面預(yù)測(cè)地層傾角發(fā)生差異(圖10)。迅速進(jìn)行目標(biāo)地區(qū)各向異性深偏處理，得到與實(shí)鉆成果吻合的結(jié)果(圖11)，進(jìn)而有效指導(dǎo)水平段下一步調(diào)整。該井靶體鉆遇率高達(dá)95.7%。

圖7 瀘州地區(qū)X設(shè)計(jì)井軌跡深度剖面疊合裂縫預(yù)測(cè)成果Fig.7 Fractures prediction overlay depth profile of X design well trajectory in Luzhou area

圖8 入靶前井軌跡深度剖面疊合裂縫預(yù)測(cè)成果Fig.8 Fractures prediction overlay depth profile of X well before entering the target

圖9 更新速度場(chǎng)后深度剖面疊合裂縫預(yù)測(cè)成果Fig.9 Fractures prediction overlay depth profile of X well after updating velocity field

a—工程圖;b—實(shí)鉆軌跡與地震剖面疊合圖a—drilling engineering;b—overlapping diagram of real drilling trajectory and seismic profile圖10 水平段鉆進(jìn)過(guò)程中實(shí)鉆與地震預(yù)測(cè)地層傾角不符Fig.10 The formation dip mistie between actual drilling and the seismic prediction during drilling

a—工程圖;b—實(shí)鉆軌跡與地震剖面疊合圖a—drilling engineering;b—overlapping diagram of real drilling trajectory and seismic profile圖11 各向異性疊前深度偏移疊合螞蟻體剖面Fig.11 Fractures prediction overlay the ant body profile of X well after anisotropic depth migration

4 結(jié)論

1) 本方法適用于小區(qū)塊(<200 km2)的水平井井位追蹤各向異性疊前深偏快速處理，能夠在兼顧高效的同時(shí)，保障微幅構(gòu)造成像準(zhǔn)確，在鉆井鉆進(jìn)過(guò)程中遇到復(fù)雜情況時(shí)及時(shí)提供指導(dǎo)。

2) 針對(duì)構(gòu)造背景相對(duì)簡(jiǎn)單、微幅度構(gòu)造發(fā)育的區(qū)域，比如威遠(yuǎn)、瀘州地區(qū)的三維地震資料，本文所述方法適用性較好，并且在實(shí)際生產(chǎn)中已取得較好效果。針對(duì)構(gòu)造復(fù)雜的區(qū)域地震隨鉆指導(dǎo)水平段鉆進(jìn)還需進(jìn)一步研究。