胥志雄 張 輝 尹國慶 徐 珂 王海應 王志民 劉新宇 董 仁 周建平

1.中國石油塔里木油田公司 2.中國石油塔里木油田公司勘探開發(fā)研究院 3.中國石油塔里木油田公司工程技術(shù)處

0 引言

庫車坳陷位于塔里木盆地北緣，勘探面積超2.6×104km2，目前天然氣探明儲量已超1×1012m3，建成天然氣產(chǎn)能規(guī)模約150×108m3/a，已成為國內(nèi)大型陸相超深碎屑巖天然氣生產(chǎn)基地[1-2]。目前該區(qū)鉆井最深已超過8 200 m，鉆完井工程不僅面臨強研磨裂縫性砂巖儲層，還需要應對兼具高陡強擠壓構(gòu)造、特殊巖體、復雜地質(zhì)力學屬性等因素疊加帶來的復雜工況，導致鉆井周期長，單井自然產(chǎn)能較低[3-5]，因此每口氣井的安全提速和有效提產(chǎn)是超深復雜天然氣效益勘探開發(fā)的關(guān)鍵。

目前對超深層巖石性質(zhì)和力學行為認識有限，且其巖石力學本構(gòu)關(guān)系可能與淺層有較大差異?？傮w而言，超深層地質(zhì)力學研究較石油工程實踐活動略有滯后，在地殼深部由于高溫、高壓和高應力作用，常常積累了高強度能量，導致超深層資源開采中重大災害性安全事故風險較高[6-8]。超深層由于壓實作用強烈，基質(zhì)孔隙度和滲流能力極低，天然裂縫是改善儲層品質(zhì)的關(guān)鍵，但其也加劇了超深油氣藏的復雜性，加之受強地應力各向異性的影響，儲層改造機理復雜，單井提產(chǎn)挑戰(zhàn)較大[9-11]。

由于常規(guī)油氣勘探開發(fā)中地質(zhì)研究與工程實施之間在技術(shù)上被“條塊化”分割，管理上屬于“接力式”并行[12]，因此對一些特殊地質(zhì)條件引起的井涌、井塌、井漏、高抗鉆及難壓裂等問題研究不夠深入，內(nèi)在地質(zhì)主控因素和地質(zhì)力學機理不清[5,13-14]，導致工程方案設計和施工優(yōu)化缺乏科學依據(jù)。在深層復雜地質(zhì)條件下油氣井鉆井中，地質(zhì)力學屬性是影響鉆井井軌道優(yōu)化[15-16]、可鉆性評估[17]、井壁穩(wěn)定性[18-19]、完井防砂控砂[20]和儲層改造[9,21]等方面的關(guān)鍵參數(shù)。因此地質(zhì)力學在地質(zhì)工程一體化中起橋梁作用，以確保地質(zhì)認識和工程技術(shù)無縫銜接，切實解決工程難題。以庫車坳陷克拉蘇構(gòu)造帶典型氣藏為例，剖析了以地質(zhì)力學為橋梁的超深井地質(zhì)工程一體化技術(shù)流程，闡述了其在庫車坳陷超深井安全鉆井和單井提產(chǎn)中的實踐效果，為中國西部復雜超深探區(qū)快速建井和效益開發(fā)提供了可借鑒的一體化關(guān)鍵技術(shù)。

1 地質(zhì)背景與提速提產(chǎn)難點

克拉蘇構(gòu)造帶所處的庫車坳陷北與南天山斷裂褶皺帶以逆沖斷層相接，南為塔北隆起（圖1），庫車坳陷地表地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)均非常復雜[22-23]，在強擠壓應力作用下沿深部滑脫層形成一系列褶皺、褶皺相關(guān)斷層及突發(fā)構(gòu)造。由此帶來諸多鉆完井工程問題：①山巒起伏地表給井點選址和地面工程帶來困難；②淺層的“屋脊狀”導致地層高陡（地層傾角局部高達70°）且斷裂發(fā)育，極易引起井壁失穩(wěn)造成鉆井復雜事故，另外淺部沉積的巨厚礫石層（最厚4 500 m），可鉆性差，是制約鉆井效率的最大難題之一；③塑性地層的泥巖、膏鹽、鹽巖互層交互，厚度變化大（數(shù)百米至4 000 m），鉆井過程中物理作用和化學作用造成井筒環(huán)境復雜，垮塌、漏失、溢流問題并存，鉆井難度大、安全風險高；④鹽下地層高度疊置，斷裂發(fā)育，井壁失穩(wěn)風險高，另一方面鹽下儲層埋深大（最深超8 200 m）帶來的“高溫度、高壓力、高應力”極端條件更加劇了井控安全風險和儲層改造的難度。

圖1 研究工區(qū)位置、構(gòu)造、巖性分布圖

以克拉蘇構(gòu)造帶西部的博孜3號構(gòu)造為例（圖1），南部受克深斷裂控制，北部受三級斷裂阿瓦4號構(gòu)造南斷裂、博孜15號構(gòu)造南斷裂和博孜17號構(gòu)造南斷裂控制。地層為正常層序，鹽上地層為西域組至古近系蘇維依組，發(fā)育巨厚礫石層，實鉆最大厚度達4 800 m，礫石層地層強度低、局部出現(xiàn)反轉(zhuǎn)型應力場，井壁崩落掉塊嚴重，可鉆性較差，為7～10級，屬于高抗鉆地層[24]，且由于成巖性不同[25]，淺層未成巖礫石地層鉆進中漏失嚴重，堵漏難度大。鹽上地層中，新近系吉迪克組至古近系蘇維依組高含泥質(zhì)，其中黏土礦物含量中蒙脫石占7.0%～10.3%，實驗分析認為水化作用強，實鉆顯示垮塌掉塊、卡鉆和鉆頭泥包現(xiàn)象嚴重。古近系庫姆格列木群為復合鹽層，巖性以鹽巖、石膏、白云巖和泥巖夾層為主，埋深最深達6 300 m，實際鉆井分析，地層蠕變性強[26-27]，且鹽間夾雜的白云巖、粉砂巖地層存在孔隙流體，易漏失，局部存在高壓鹽水，井控風險高。鹽下地層為裂縫性砂巖地層，局部夾雜粉砂質(zhì)泥巖和礫巖，實鉆顯示地層研磨性強，鉆進中漏失與遇阻同存，漏轉(zhuǎn)噴風險極高；且儲層致密，有效儲層平均孔隙度為6.92%，平均滲透率為0.267 mD，應力場與天然裂縫分布非均質(zhì)性強，壓裂方案參數(shù)優(yōu)化及壓裂施工難度大，改造增產(chǎn)效果有待進一步提高。

2 地質(zhì)工程一體化技術(shù)路線

經(jīng)過大量的深層巖石力學實驗、地質(zhì)力學建模研究和鉆完井工程實踐，提出地質(zhì)—地質(zhì)力學—工程一體化的研究與實踐技術(shù)路線，分為四步，如圖2所示。

圖2 超深井地質(zhì)工程一體化技術(shù)路線圖

第1步：建立鉆完井工程需求與復雜地質(zhì)因素之間的關(guān)聯(lián)性。分析超深井安全提速提產(chǎn)各工程環(huán)節(jié)的需求——①井控安全、②井壁穩(wěn)定、③井眼軌道優(yōu)選、④提速、⑤壓裂改造、⑥出砂防治；以及以上工程需求對應的復雜地質(zhì)因素——①復雜構(gòu)造、②高抗鉆地層、③高蠕變地層、④多弱面地層、⑤斷裂、⑥裂縫、⑦高壓、⑧復雜巖石力學、⑨高地應力；即明確可能帶來工程復雜和困難的地質(zhì)條件，以便開展針對性的地質(zhì)建模和地質(zhì)力學研究。

第2步：以巖石力學實驗、地質(zhì)構(gòu)造格架和井震聯(lián)合的地球物理信息為基礎，建立不同尺度和不同維度的地質(zhì)與地質(zhì)力學模型，結(jié)合鉆完井工程信息，評價各層系三維空間的鉆井品質(zhì)和油氣藏完井品質(zhì)。根據(jù)鉆完井品質(zhì)，在鉆前井位研究階段即考慮鉆井復雜少和完井有利于改造兩個方面，優(yōu)化井位和井眼軌道。

第3步：根據(jù)鉆前井位與井軌道研究中的地質(zhì)與地質(zhì)力學信息，優(yōu)化鉆井工程設計。同時在隨鉆中根據(jù)實時鉆井與錄井信息重構(gòu)地質(zhì)力學模型，為鉆進提供實時風險預警，以應對鉆井過程中由于構(gòu)造、地層或地質(zhì)力學參數(shù)變化引起的工程響應。

第4步：完鉆后，首先根據(jù)井筒地質(zhì)、測井和工程信息建立一維地質(zhì)力學剖面，根據(jù)砂巖基質(zhì)、裂縫和地應力特征評價近井筒地層可壓裂性。然后利用遠探測聲波資料、井震聯(lián)合反演資料和三維地質(zhì)模型，構(gòu)造井周300 m尺度范圍三維地質(zhì)力學和可壓裂性模型[9]。最后利用上述綜合地質(zhì)與地質(zhì)力學信息優(yōu)化壓裂改造工程方案，實現(xiàn)超深油氣井安全提速提產(chǎn)。

3 超深層地質(zhì)工程一體化關(guān)鍵技術(shù)

3.1 復雜構(gòu)造三維地應力場建模技術(shù)

針對克拉蘇構(gòu)造帶鹽下疊瓦狀儲層交錯疊置發(fā)育的特征，本研究中采用逆向有限元法建立三維地應力場模型。首先通過建立全層系地質(zhì)幾何模型，在對點云數(shù)據(jù)抽稀、局部加密以及切割等預處理的基礎上，以建立滿足地應力模擬的連續(xù)、規(guī)則層面為目標，采用逆向有限元工程建模的思路，克服了連片地應力建模中逆斷層與重復地層建模的技術(shù)難題，準確地搭建了斷層與地層的復雜交切關(guān)系。其次，采用X—Y雙向差異迭代的方法，對部分起伏大、跨度大的長條連體背斜迭代掃描，進一步提高逆向有限元建模精度；通過有限元模型與地質(zhì)點云計算分析，調(diào)整局部單元的建模誤差。再次，通過在有限元模型中虛置幾何層面，靈活實現(xiàn)地應力模型網(wǎng)格細化與粗化，建立疊置推覆體地應力網(wǎng)格連片模型。最后，結(jié)合井點地應力大小、方向，確定模型的邊界載荷約束條件，實現(xiàn)大變形地質(zhì)體全層系地應力場建模。

3.2 異常高壓預測技術(shù)

采用壓實趨勢法預測砂泥巖地層的孔隙壓力[28]。建立正常的趨勢線方程是進行地層壓力預測的基礎，忽略非壓實等影響因素，認為偏離的部分是孔隙流體壓力異常造成，發(fā)生正向偏移，則為異常高壓響應，根據(jù)其偏離程度，準確預測孔隙壓力。

實際應用中，建立井震聯(lián)合反演的孔隙壓力預測方法，該方法通過井震聯(lián)合反演，得到預測井的波阻抗值，進而根據(jù)區(qū)域巖石物理關(guān)系，剝離出聲波曲線，采用壓實趨勢線法進行地層壓力預測，預測時，采用鄰井鄰區(qū)實測井的壓力數(shù)據(jù)或鉆井實際使用鉆井液密度進行校正，以提高預測精度。

3.3 井壁穩(wěn)定分析技術(shù)

前人研究認為[20]，當井眼與層理、斷裂等弱面的夾角為60°時，地層強度下降值最大，井壁失穩(wěn)概率增大。對于裂縫性地層而言，當鉆井液密度大于裂縫開啟壓力后，裂縫發(fā)生漏失，鉆井液對裂縫面支撐作用降低，裂縫面產(chǎn)生剪切破壞，引起掉塊卡鉆?，F(xiàn)場實鉆分析，裂縫面掉塊整體呈團塊狀，與井壁剝落呈條狀的掉塊顯著不同，可從掉塊形狀判斷是否裂縫等弱面發(fā)生掉塊。因此，對于裂縫性地層來說，防止發(fā)生漏失是減少井壁失穩(wěn)，降低鉆井復雜的關(guān)鍵。

在孔隙壓力、現(xiàn)今應力場、應力方位、巖石力學參數(shù)評價基礎上，引入天然裂縫的產(chǎn)狀信息，分析裂縫面受力狀態(tài)，一方面分析裂縫影響下的井壁坍塌壓力，得到鉆井液密度的下限值，另一方面，分析裂縫的臨界開啟壓力，即裂縫漏失臨界壓力，得到鉆井液密度的上限，從而確定裂縫性地層鉆井液安全密度窗口。為了盡可能防止裂縫弱面引起的井壁失穩(wěn)，設計合理的鉆井液密度是基礎，同時需要提高鉆井液的抑制性和封堵性。

3.4 可鉆性評估技術(shù)

巖石可鉆性是評價地層難鉆程度的客觀指標，是地質(zhì)分層和鉆頭選型的重要依據(jù)。通常，在可鉆性實驗測定基礎上，測量巖石強度參數(shù)，建立可鉆性與巖石強度參數(shù)的關(guān)系，而巖石力學參數(shù)的評估與地層縱波、橫波、密度有直接關(guān)系，從而建立可鉆性與巖石物理參數(shù)的關(guān)系，獲取可鉆性連續(xù)剖面[29]。

通過鉆速模擬模型，將鉆壓、鉆頭轉(zhuǎn)速、鉆頭尺寸及鉆頭磨損率結(jié)合起來，模擬與實際鉆速相吻合的最佳方案；根據(jù)實際鉆頭參數(shù)（切齒密度、刀翼數(shù)、切齒齒徑）與可鉆性等建立關(guān)系，結(jié)合鉆頭磨損率、地層研磨性，優(yōu)選出適合該區(qū)塊的最優(yōu)鉆頭，從而達到提高鉆進效率的目的。

3.5 危險與安全井眼軌道分析技術(shù)

鉆井過程中，由于井筒井斜、方位的變化，井周應力重新分配，導致井眼軌跡的穩(wěn)定性發(fā)生變化，出現(xiàn)危險和安全的鉆進方位，前人研究采取數(shù)值分析方法確定定向井安全和危險鉆井方位。

在定向井（大斜度井、水平井等）坐標轉(zhuǎn)換基礎上，開展定向井井壁應力模型求解，以摩爾—庫侖方程為基準，獲得定向井井壁穩(wěn)定性控制方程。當給定研究區(qū)塊和深度時，可以準確求取地應力和孔隙壓力，當給定一個水平井軌跡后，得到該軌跡點的最大主應力，且該最大主應力在井壁范圍內(nèi)存在一個最大值，該最大值表示該方位井壁最先破壞時的應力。通過比較每一個方位的最大值，可得到這些最大值中的最大值和最小值，那么，最安全的水平井眼方位與主應力最大值中的最小值相對應[15]，該方位處井壁穩(wěn)定性最好，所需鉆井液密度低，而最危險的水平井眼方位與主應力最大值中的最大值相對應，該方位處井壁穩(wěn)定性最差，所需鉆井液密度高。

3.6 可壓裂性預測技術(shù)

傳統(tǒng)方法認為，可壓裂性是頁巖儲層具有能夠被有效壓裂從而實現(xiàn)增產(chǎn)的性質(zhì)，頁巖儲層的可壓裂性與巖石的脆性和韌性相關(guān)，不同的可壓裂性頁巖在水力壓裂過程中形成不同的裂縫網(wǎng)絡，以此建立了可壓裂性預測模型。而克拉蘇構(gòu)造帶儲層為白堊系裂縫性砂巖儲層，復雜構(gòu)造導致應力場和裂縫分布極不均勻，采用上述可壓裂性計算模型對脆性和斷裂韌性相似的兩口井進行計算，二者值域相當，采用近乎一致的改造方式進行改造，單井無阻流量差異巨大，該模型無法準確表征復雜應力場、含裂縫儲層的真實壓裂難易程度。

筆者從克拉蘇儲層的特殊性出發(fā)，考慮巖石脆性、地應力、斷裂韌性和天然裂縫受力狀態(tài)，分析4個參數(shù)對地層壓裂難易程度的控制關(guān)系，建立新可壓裂性指數(shù)預測模型[9]，該模型能夠很好地表征其儲集層壓裂難易程度，且能夠?qū)Σ煌瑯?gòu)造位置的儲集層和不同儲集層深度上的壓裂難易特征敏感表征。用于氣井儲集層改造前井間和層間的壓裂難易程度的定量分析，以此優(yōu)化壓裂工程方案，為儲集層改造方式選擇，壓裂分級優(yōu)化，射孔位置確定，注入壓力選擇，泵注程序優(yōu)化等提供依據(jù)。

3.7 人工與天然縫交互模擬技術(shù)

對于天然裂縫性低孔低滲儲層，天然裂縫的存在會影響水力壓裂縫的擴展，尤其以天然裂縫走向與現(xiàn)今水平最大主應力方向的夾角（入射角）、天然裂縫膠結(jié)程度、裂縫面受力狀態(tài)等影響較大，同時天然裂縫與人工裂縫的穿割關(guān)系受二者之間的逼近角度[30]、水平主應力差、區(qū)域巖石力學、施工參數(shù)等控制，不同的穿割關(guān)系對壓裂縫網(wǎng)分布特征和產(chǎn)能有直接關(guān)系。

以井筒一維巖石力學、應力場和天然裂縫力學特征研究為基礎，建立近井筒三維巖石力學、應力場和天然裂縫預測模型。開展人工裂縫與天然裂縫交互作用模擬時，根據(jù)野外露頭、取心和測井情況，設置天然裂縫的充填程度、膠結(jié)程度、延伸范圍及射孔層段、壓裂液性能等參數(shù)，通過模擬不同遠場主應力比、入射角，以產(chǎn)能最大化為原則，考慮裂縫擴展機理和施工參數(shù)規(guī)模，模擬計算生成復雜縫網(wǎng)模型，并采用先進的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)，實現(xiàn)壓裂后復雜縫網(wǎng)模型精細表征。從模擬特征看，地應力差值越小，入射角越小，水力裂縫越容易沿天然裂縫延伸，形成較單一縫網(wǎng)，反之水力裂縫更趨于直接穿過天然裂縫，沿著最大水平主應力方向擴展，形成網(wǎng)狀縫。天然裂縫的膠結(jié)強度比較低時，水力裂縫更易于沿著天然裂縫擴展，而當水力裂縫遭遇高膠結(jié)強度的天然裂縫時，水力裂縫更容易直接穿過天然裂縫。根據(jù)實際模擬結(jié)果，優(yōu)化設計最優(yōu)的施工參數(shù)，達到最優(yōu)產(chǎn)能的效果。

4 地質(zhì)工程一體化實施實例

以前文所述博孜3構(gòu)造為例，詳細闡述以鉆井安全提速和完井改造提產(chǎn)為目標的地質(zhì)工程一體化實施過程。

4.1 井點優(yōu)選與井型井軌道優(yōu)化

整個庫車坳陷在強烈擠壓的宏觀背景和構(gòu)造之間復雜的相互擠壓作用下，加之巖性互層發(fā)育導致不同構(gòu)造之間、同一構(gòu)造內(nèi)部儲層非均質(zhì)性大大增強。特別是地質(zhì)邊界條件對構(gòu)造內(nèi)地應力和天然裂縫的分布有極為重要的控制。圖3為基于哈弗耐模式[31]的儲層非均質(zhì)性示意圖，可以看出，構(gòu)造內(nèi)部地應力場和裂縫分布在梯度變化的地質(zhì)邊界作用下非均質(zhì)性非常明顯，形成了差異顯著的應力集中區(qū)和應力空白區(qū)，進而發(fā)育高角度裂縫帶、低角度裂縫帶和裂縫空白帶，并且這種強烈構(gòu)造擠壓條件下地質(zhì)邊界條件對地質(zhì)力學參數(shù)（地應力、天然裂縫等）的控制程度甚至強于局部褶皺構(gòu)造。

圖3 基于哈弗耐模式的儲層非均質(zhì)性示意圖

在這種復雜條件下，大斜度井展現(xiàn)了其獨特優(yōu)勢。一方面，極強的非均質(zhì)導致直井很難準確地進入分布零散的甜點區(qū)，井位部署難度大；另一方面，庫車坳陷普遍發(fā)育高角度裂縫，致使直井即使進入裂縫甜點，也往往會與諸多裂縫“擦肩而過”，可能造成失利。然而，大斜度井能夠突破這兩個局限，它能夠最大可能地穿過更多、更大范圍的有利部位，也能鉆遇很多的天然裂縫，不但降低了井位部署的難度，還能增加實現(xiàn)地質(zhì)目的的把握，是博孜3構(gòu)造實現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的優(yōu)勢井型。

采用前文所述方法，建立博孜3構(gòu)造的全層系的三維應力場模型（圖4-a），模型縱向分辨率2～5 m，并預測了天然裂縫及其活動性（本文中采用裂縫面剪應力與正應力比值表示）分布（圖4-b），冷色為活動性差的裂縫，暖色為活動性好的裂縫。

圖4 博孜3斷塊三維應力場與井軌道優(yōu)化圖

由圖4可知，博孜3構(gòu)造平面上不同部位天然裂縫及其活動性存在較強的非均質(zhì)性，構(gòu)造北西—南東方向天然裂縫欠發(fā)育且活動性較弱，構(gòu)造西部存在活動性較強的裂縫發(fā)育帶，是井點優(yōu)選的優(yōu)勢區(qū)域。另外，將天然裂縫與應力在縱向上疊合顯示（圖4-c），圖中顏色為最小水平主應力大小，藍色為低值，紅色為高值。根據(jù)前文所述，選取天然裂縫發(fā)育且活動性好的區(qū)域和應力低值區(qū)域作為井位部署的優(yōu)勢區(qū)域，同時根據(jù)高角度的天然裂縫發(fā)育的特征，鉆探大斜度井能夠穿越更多活動性好的天然裂縫。根據(jù)這一認識，設計了博孜3-1X、3-2X、3-3X三口大斜度井，同時兼顧井壁穩(wěn)定性，優(yōu)化其軌道方位為北西—南東方向。

4.2 鉆井安全提速參數(shù)優(yōu)化

重點論證井身結(jié)構(gòu)、鉆井液安全密度窗口、鉆頭型號選擇等參數(shù)。

4.2.1 三壓力剖面與井身結(jié)構(gòu)和鉆井液密度優(yōu)化

采用前文所述壓力預測方法，并以此為基礎，建立全井筒的孔隙壓力、坍塌壓力和漏失壓力（下稱三壓力）剖面，如圖5所示，明確三壓力縱向分布特征，結(jié)合地質(zhì)對高壓鹽水深度、軟泥巖深度、鹽巖位置等預測，以工程易于實施為基礎，明確必封點位置及套管層次，并且確定每一開次合理的鉆井液密度。

圖5 三壓力預測與井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化圖

如二開的庫車組上部具有弱水化、中等分散、成巖性差等地質(zhì)特征，設計的鉆井液體系需具備提高抑制性、封堵性的性能；庫車組中下部具有中等水化、強分散、應力作用顯現(xiàn)、易剝落坍塌等地質(zhì)特征，設計的鉆井液體系需密度大小合適且具備提高抑制性、封堵性與泥餅質(zhì)量的性能；三開的吉迪克組、蘇維依組具有強水化、強分散、易坍塌等地質(zhì)特征，設計的鉆井液體系需具備提高抑制性及防塌性、維持低濾失的性能。

4.2.2 可鉆性分析與鉆頭選擇

以地質(zhì)工程一體化研究為基礎，分區(qū)、分層段建立鉆頭參數(shù)（切齒數(shù)、刀翼數(shù)、切齒齒徑）與礫巖層機械特性及可鉆性關(guān)系，綜合考慮礫巖研磨能力優(yōu)選更合適地層的鉆頭參數(shù)。在研發(fā)設計三斜面齒PDC鉆頭基礎上，深化巖性和鉆頭工作狀態(tài)認識，通過優(yōu)化切削齒心部平面設計、鉆頭布齒和保徑設計等[32-34]，研發(fā)設計高抗擊多棱齒PDC鉆頭，并在礫巖層準成巖段、成巖段進行試驗（圖6），結(jié)果顯示，單只鉆頭平均進尺高，鉆速快。通過持續(xù)的研發(fā)、試驗評價、優(yōu)化改進、再試驗的流程優(yōu)選鉆頭參數(shù)。同時為降低震動、提高鉆井工具壽命，在礫石層分巖性（未成巖、準成巖、成巖）井段針對性選用減震器、垂直鉆井工具等提速工具，采用高鉆壓、高轉(zhuǎn)速、高泵壓、大排量、大扭矩等措施強化原則，進一步提高機械鉆速。

圖6 可鉆性與鉆頭優(yōu)化圖

4.2.3 地質(zhì)力學模型隨鉆重構(gòu)與二次壓力預測

利用上部已鉆開地層的測井、VSP資料對地震數(shù)據(jù)進行重新標定，開展波阻抗反演，獲取下部未鉆開地層的波阻抗數(shù)據(jù)，重構(gòu)未鉆開地層的巖石物理模型，以已鉆開地層的鉆井工程數(shù)據(jù)為刻度，實現(xiàn)地層壓力二次預測。以此為基礎，預測未鉆開地層巖石力學、地應力數(shù)據(jù)，修正坍塌壓力、漏失壓力以及鹽巖蠕變模型，提出安全鉆井液密度窗口和鉆井液性能優(yōu)化建議。通過實時調(diào)整鉆井液密度，有效降低井控風險，提高機械鉆速，優(yōu)化下套管位置，避免井下事故的持續(xù)發(fā)生。

利用博孜3-2X井目的層以上測井資料對區(qū)域速度場進行校正，結(jié)合博孜3區(qū)塊試采引起的氣藏壓力下降幅度，預測其目的層鉆井液密度窗口由1.92～2.05 g/cm3調(diào)整在1.87～1.95 g/cm3之間，窗口寬度由0.13 g/cm3縮小為0.08 g/cm3，該井采用1.87 g/cm3的鉆井液密度揭開目的層，未發(fā)生影響鉆井安全和速度的復雜事件，實現(xiàn)順利完鉆。

4.3 完井改造參數(shù)優(yōu)化

4.3.1 單井完井地質(zhì)力學綜合評價

通過在克拉蘇構(gòu)造帶近百余井地質(zhì)力學參數(shù)對壓裂改造效果影響分析，提煉出與儲層完井品質(zhì)相關(guān)的5個參數(shù)，分別是最小水平主應力相對值（Sh）、最大水平主應力方向與天然裂縫走向夾角（θ）、裂縫發(fā)育線密度（DF）、天然裂縫剪應力與有效正應力比（τ/σne）、強應力占儲層段應力比值（K），將儲層品質(zhì)分為4類，并分別提出了對應的地質(zhì)力學改造建議（表1）。

表1 裂縫性儲層完井品質(zhì)分類方案及提產(chǎn)對策表

為強化地質(zhì)工程一體化在單井有效提產(chǎn)中的支撐作用，建立了完井地質(zhì)工程一體化標準成果圖件（圖7），該圖中包含地質(zhì)信息（地質(zhì)分層、取心情況）、測井解釋信息（孔隙度、滲透率、飽和度、裂縫解釋等）、地質(zhì)力學、鉆完井工程等信息。地質(zhì)力學信息中，包含與完井改造密切相關(guān)的地應力、巖石脆性、水平應力差、可壓裂性、裂縫走向與應力方向夾角以及裂縫力學特性等。

圖7 博孜3-2X完井地質(zhì)工程一體化評價成果圖

實際使用時，根據(jù)測井信息和可壓裂性選取合適的改造層段，然后根據(jù)可壓裂性指數(shù)確定射孔層段，依據(jù)應力與裂縫夾角，初步確定改造方式，依據(jù)應力縱向分層特征優(yōu)化分段分級方案，最后根據(jù)應力值的大小和天然裂縫臨界開啟壓力值，確定施工壓力和施工排量。同時，在試油方案制訂時，還需要考慮縱向上距離水層的位置，優(yōu)化施工規(guī)模。根據(jù)上述原則，選取了博孜3-2X井6 119～6 154 m和6 249～6 268 m兩段作為儲層改造段，并根據(jù)可壓裂性優(yōu)化了射孔層段，結(jié)合表1儲層完井品質(zhì)分類標準，博孜3-2X井兩段應歸為二類儲層，需要進行加砂壓裂改造。

4.3.2 壓裂縫網(wǎng)模擬

對博孜3-2X井壓裂縫網(wǎng)模擬如圖8所示，圖中粉色實線為預測的天然裂縫分布，黑色虛線為模擬的人工裂縫，左上角為井筒拾取的天然裂縫走向與現(xiàn)今水平最大主應力方向的關(guān)系。結(jié)果顯示，由于天然裂縫活動性好，大部分人工裂縫沿天然裂縫延伸，并將天然裂縫繼續(xù)撕裂，產(chǎn)生沿伸距離更長的裂縫，與其他裂縫交織，繼續(xù)延伸，最終形成復雜的橢圓團狀縫網(wǎng)系統(tǒng)。另外，考慮本井上下兩段層間應力差較高，約為10 MPa，擬采用分段壓裂的改造方式，兩段地層的液體、砂量和施工壓力則根據(jù)上述壓裂縫網(wǎng)模擬后能到達的最優(yōu)產(chǎn)能為依據(jù)確定。

圖8 天然裂縫與人工裂縫交互模擬結(jié)果圖

通過上述從井位、井型、井軌道、鉆井參數(shù)、完井改造參數(shù)等全過程的關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化應用，博孜3構(gòu)造上的3口大斜度井較直井鉆井復雜減少70%，尤其在復合鹽巖地層，幾乎沒有發(fā)生鉆井復雜，井壁穩(wěn)定性顯著優(yōu)于直井，鉆井周期平均縮短30%。鉆后成像測井顯示，大斜度井鉆遇的天然裂縫高出直井2～3倍，改造后單井無阻流量是直井的3～10倍。

5 結(jié)論

1）系統(tǒng)梳理了塔里木盆地庫車坳陷復雜構(gòu)造背景下，地質(zhì)工程一體化實施的必要性和實施方案，地質(zhì)工程一體化有效協(xié)調(diào)了地質(zhì)研究與工程實施之間的協(xié)同工作，將“地質(zhì)研究服務工程”與“工程實現(xiàn)地質(zhì)目的”有機統(tǒng)一，使得鉆前的工程方案設計更具科學性，隨鉆中工程參數(shù)調(diào)整更具定量化依據(jù)。

2）系統(tǒng)總結(jié)了超深復雜構(gòu)造背景下地質(zhì)工程一體化實施的關(guān)鍵技術(shù)，以地質(zhì)研究為基礎，以地質(zhì)力學為橋梁，包含復雜構(gòu)造全地層全信息的三維地質(zhì)力學建模、多套壓力系統(tǒng)的準確預測、復雜地層井壁穩(wěn)定性分析、井軌道優(yōu)化、巖石可鉆性、天然裂縫及其活動性、可壓裂性評價、天然裂縫與人工縫網(wǎng)交互模擬等，上述囊括了油氣田地質(zhì)力學幾乎所有內(nèi)容，通過技術(shù)的實施，有效支撐地質(zhì)工程一體化在鉆井安全提速和改造提產(chǎn)應用。

3）以克拉蘇構(gòu)造帶西部的博孜3構(gòu)造為例，說明了地質(zhì)工程一體化實施主要步驟，且部署的3口井在鉆井復雜減少、周期縮短及完井改造后單井提產(chǎn)方面都顯著優(yōu)于未考慮地質(zhì)工程一體化的前期部署的直井，闡明基于地質(zhì)力學的地質(zhì)工程一體化的可行性及優(yōu)越性。證實地質(zhì)工程一體化的工作理念和關(guān)鍵技術(shù)不僅適用于塔里木盆地超深層油氣鉆探工程，對中國西部其他含油氣盆地超深復雜油氣勘探開發(fā)也有好的借鑒意義。

4）當前面向鉆井提速和完井提產(chǎn)的地質(zhì)工程一體化實施過程中，還存在軟件獨立化、信息“孤島”化、人員分散化等突出問題，且對于中國西部地區(qū)復雜構(gòu)造來說，作為地質(zhì)工程一體化實施基礎的三維地質(zhì)力學參數(shù)建模技術(shù)仍然存在缺陷，復雜構(gòu)造疊置區(qū)斷裂交切關(guān)系的處理等仍然需要持續(xù)攻關(guān)以提高建模精度。地質(zhì)工程一體化的工作組織、軟件平臺、技術(shù)突破仍是今后一個時期需要強化的關(guān)鍵方向。