歐居剛，王小蘭，楊曉，鄧小江，黃誠，李文佳

(1.中石油集團物探重點實驗室—頁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

四川盆地頁巖氣資源豐富。截至2017年，四川盆地累計探明五峰組—龍馬溪組頁巖氣地質(zhì)儲量9 210×108m3，建成了逾100×108m3產(chǎn)能規(guī)模；2018年實現(xiàn)了頁巖氣年產(chǎn)量90.25×108m3，中國已成為全球第三個實現(xiàn)頁巖氣規(guī)模開發(fā)的國家[1]。四川盆地最優(yōu)質(zhì)海相頁巖普遍發(fā)育于五峰組—龍一段下部地層，是四川盆地頁巖氣開發(fā)的主要層系。越來越多的鉆探實踐表明，頁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、錄井曲線、構(gòu)造圖，建立水平井初始鉆前地質(zhì)模型，在實際導(dǎo)向中進行隨鉆修正。然而，微幅構(gòu)造相對發(fā)育的地區(qū)，初始地質(zhì)導(dǎo)向模型與實鉆差異較大，為隨鉆導(dǎo)向帶來了極大挑戰(zhàn)。針對隨鉆導(dǎo)向遇到的問題，目前的解決辦法是利用實時校正時深轉(zhuǎn)換速度場，精編井附近構(gòu)造圖，及時獲得更加逼近真實地腹形態(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)測準(zhǔn)確度不高的缺點。此外，地震導(dǎo)向鉆井(seismic guided drilling，SGD)，即利用地面地震及鉆井過程中不斷獲得的新數(shù)據(jù)，對井眼前方及周邊的三維區(qū)域進行重新預(yù)測，也為實時鉆井決策提供科學(xué)依據(jù)，但并未針對水平井實時鉆井跟蹤做進一步研究[2-4]。

本文以川南地區(qū)頁巖氣水平井地震跟蹤為例，梳理地震資料在頁巖氣水平井鉆進過程中的作用，提出了一套針對復(fù)雜構(gòu)造區(qū)頁巖氣水平井地震導(dǎo)向技術(shù)的新思路：針對目標(biāo)區(qū)塊的全層位速度建模、各向異性疊前深度偏移、鉆井過程中地震實時跟蹤。實鉆表明：面向開發(fā)和工程需求的頁巖氣微幅構(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層鉆遇率。

1 地質(zhì)導(dǎo)向鉆井面臨的問題

頁巖氣水平井地質(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。實際上，志留系內(nèi)部泥頁巖缺乏明顯標(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；由于隨鉆測定資料品質(zhì)，儀器測定盲區(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，水平井鉆進過程軌跡調(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借助地震資料橫向預(yù)測的優(yōu)勢，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確保水平井軌跡平滑，最終實現(xiàn)頁巖氣水平井高效開發(fā)。

圖1 長寧、威遠建產(chǎn)區(qū)典型評價井五峰組—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，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，長寧—昭通、威遠和涪陵地區(qū)，地震資料在水平井鉆進過程中的隨鉆指導(dǎo)作用越來越明顯，取得了比較好的效果。利用疊前時間偏移數(shù)據(jù)，通過精細時深轉(zhuǎn)換能夠很好地保障入靶準(zhǔn)確[13-14]。疊前時間偏移理論假設(shè)繞射曲線是雙曲線，從而在速度橫向變化較大時會導(dǎo)致繞射不能完全歸位到實際的成像點。因此疊前時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)向初始模型與實際情況差異較大，在隨鉆過程中難以有效預(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)，以鉆井平臺為中心的目標(biāo)區(qū)塊進行快速疊前深度偏移處理(圖3)，以提高地震資料成像精度，真實反映地腹構(gòu)造形態(tài)，從而對鉆井風(fēng)險進行預(yù)判、預(yù)估與預(yù)警等。針對具體地質(zhì)目標(biāo)和工程需求制定相應(yīng)的流程，包括以下3個階段:①利用時間域處理成果，建立初始時深轉(zhuǎn)換速度場，得到初始深度預(yù)測成果進行井位設(shè)計，預(yù)估各個標(biāo)志層深度，入靶前進行復(fù)核，若吻合則指導(dǎo)入靶，若不吻合，則更新時深轉(zhuǎn)換速度場和提供入靶點深度預(yù)測。②綜合分析時深轉(zhuǎn)換速度與測井速度聯(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，然后進行目標(biāo)區(qū)塊各向異性深偏快速處理，預(yù)判隨鉆過程中地層傾角變化，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 全層位時深轉(zhuǎn)換速度場構(gòu)建

水平井成功的重要一點就是如何精確入靶，在水平井入靶前資料相對較少，精確入靶將會面臨較大的困難，構(gòu)造簡單的區(qū)域通過判斷伽馬指導(dǎo)入靶成功率比較高，但是在地腹構(gòu)造相對復(fù)雜時成功率會大打折扣，因此，前期需要在疊前時間偏移處理速度場的基礎(chǔ)上，綜合鉆井、疊加速度場、VSP速度、區(qū)域場等資料構(gòu)建時深轉(zhuǎn)換速度場[15]。建立精細可靠的時深轉(zhuǎn)換速度場及構(gòu)造圖指導(dǎo)入靶。精細時深轉(zhuǎn)換速度場構(gòu)建包括三個部分：速度場構(gòu)建、速度場校正和實鉆驗證。

1) 速度場構(gòu)建。速度場構(gòu)建是一個將離散的速度信息轉(zhuǎn)換為空間網(wǎng)格的過程。結(jié)合川南地區(qū)的地震深度預(yù)測經(jīng)驗，主要采用以下5種方式：

第一：疊加速度場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轉(zhuǎn)換為層速度，再利用式(1)計算出平均速度，加上坐標(biāo)以及時間，利用空間網(wǎng)格化建立平均速度場：

(1)

式中：hi和Δti分別為第i層的厚度和時差。

第二：層控速度場構(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，再利用疊加速度場的橫向變化趨勢進行約束、插值、平滑，分層段進行空間網(wǎng)格化，建立層速度場。

第三：層控縱波時差速度場構(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)鉆井縱波時差曲線，在與地震層位解釋成果對應(yīng)的地質(zhì)分層約束下，加權(quán)平均得到各層段速度，再加入疊加速度場橫向趨勢約束進行插值平滑，分層段進行空間網(wǎng)格化，建立層速度場：

(2)

式中：Δti為鉆井每層厚度的時差，tj為每個測井曲線采樣點對應(yīng)的瞬時縱波時差。

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，在此基礎(chǔ)上對疊加速度場進行偏移，使得疊加速度與解釋層位對應(yīng)，建立平均速度場。

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

通過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，迭代計算層速度和反射層，利用反射界面和時間模型求出反射層以上的平均速度，得到平均速度場。

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

首先計算出已知井點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井點處速度，獲得井點處誤差絕對值；利用克里金算法[16]將井點處誤差插值生成誤差場；最后速度場加上誤差場得到校正后速度場。

3)實鉆驗證。鉆井進入水平段入靶點前，以上覆地層深度實鉆驗證為準(zhǔn)，符合則表明時深轉(zhuǎn)換速度場構(gòu)建準(zhǔn)確，可進行持續(xù)跟蹤分析，不符合則立即加入驗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，及時調(diào)整目的層構(gòu)造預(yù)測結(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。

2.2.2 地質(zhì)約束速度模型構(gòu)建

鉆前利用時深法設(shè)計入靶點，隨著測井信息的豐富，在鉆進過程預(yù)測鉆頭的鉆進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程中地震實時跟蹤導(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，只能通過已知的井震誤差插值來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的影響會導(dǎo)致偏移的成果與實鉆井軌跡相差較大，難以反映地層產(chǎn)狀的真實情況。因此，必須考慮實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約束各向異性參數(shù)的橫向變化。

圖4 鉆井過程實時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

(3)

計算出已鉆井點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

Msurf，i=Ssurf，i×Dsurf，i+Msurf，i-1

(4)

計算該層最終的井震閉合差面。式中：Ssurf，i為井點處第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比Fig.6 Comparison between regular and constrained anisotropy depth migration

3 應(yīng)用實例

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

入靶前，利用鄰井資料構(gòu)建時深轉(zhuǎn)換速度場，得到深度數(shù)據(jù)(波形)并疊后裂縫預(yù)測數(shù)據(jù)(彩色)，預(yù)估各標(biāo)志層、入靶點深度，并對直井段風(fēng)險進行預(yù)警。圖8為該井實施過程中，入靶前實鉆發(fā)現(xiàn)上覆地層速度控制層深度與地震預(yù)測深度不符，迅速更新速度場后，保證控制層深度吻合。圖9顯示利用更新速度場后的深度剖面預(yù)測的入靶點深度與實鉆結(jié)果吻合。

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

圖7 瀘州地區(qū)X設(shè)計井軌跡深度剖面疊合裂縫預(yù)測成果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)測成果Fig.8 Fractures prediction overlay depth profile of X well before entering the target

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

a—工程圖;b—實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 水平段鉆進過程中實鉆與地震預(yù)測地層傾角不符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，保障微幅構(gòu)造成像準(zhǔn)確，在鉆井鉆進過程中遇到復(fù)雜情況時及時提供指導(dǎo)。

2) 針對構(gòu)造背景相對簡單、微幅度構(gòu)造發(fā)育的區(qū)域，比如威遠、瀘州地區(qū)的三維地震資料，本文所述方法適用性較好，并且在實際生產(chǎn)中已取得較好效果。針對構(gòu)造復(fù)雜的區(qū)域地震隨鉆指導(dǎo)水平段鉆進還需進一步研究。