闞洪閣, 薛 杰, 羅騰躍, 張 昆, 杜奎甫,朱 明, 俞天軍, 陳 剛

(1. 斯倫貝謝長和油田工程有限公司, 西安 710016; 2. 陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院, 西安 710075;3. 西南石油大學(xué) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 成都 610500; 4. 西南石油大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610500; 5. 中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430074;6. 斯倫貝謝中國公司, 北京 100015; 7. 延長石油集團(tuán)油氣勘探公司, 陜西 延安 716000)

0 引言

延113—延133井區(qū)位于鄂爾多斯盆地南部，延安市寶塔區(qū)以北，整體面積2 341 km2。二疊系山西組二段三亞段(山23)致密砂巖儲層水平井多級壓裂是井區(qū)主要開發(fā)方式。山23儲層是鄂爾多斯盆地的主力含氣層，從盆地北部的榆林、子洲氣田到盆地南部的延安氣田，山23都是各氣田的重點(diǎn)研究層位[1-2]，大部分研究集中于儲層特征和產(chǎn)能特征[3-5]。國內(nèi)外關(guān)于水平井地質(zhì)導(dǎo)向的研究側(cè)重于沉積旋回和先進(jìn)導(dǎo)向儀器的應(yīng)用[6-8]，對儲層上下圍巖及層間地層發(fā)育特征的研究較少，但鄂爾多斯盆地致密氣藏的開發(fā)普遍采用低成本策略，為了提高鉆井速度和降低地質(zhì)導(dǎo)向成本，普遍采用PDC鉆頭和無方向性的導(dǎo)向工具[9]，這對通過巖屑錄井進(jìn)行沉積旋回的分析和大規(guī)模應(yīng)用價(jià)格昂貴的方位電阻率及伽馬成像等先進(jìn)導(dǎo)向儀器帶來了極大的限制。該研究根據(jù)井區(qū)山23水平井開發(fā)和地質(zhì)導(dǎo)向?qū)嵺`，重點(diǎn)研究水平段鉆出儲層時(shí)，不同位置地層的發(fā)育特征和隨鉆伽馬、電阻率及錄井?dāng)?shù)據(jù)差異，在井區(qū)現(xiàn)有導(dǎo)向工具的基礎(chǔ)上，通過地質(zhì)認(rèn)識的加深指導(dǎo)和優(yōu)化山23水平井的地質(zhì)導(dǎo)向。

1 地質(zhì)背景

延113—延133井區(qū)位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡之上，構(gòu)造形態(tài)單一，總體上為一個(gè)傾角小于1 °的東北高西南低的平緩斜坡，如圖1所示。

圖1 井區(qū)位置及地層劃分Fig.1 Well block location and stratigraphy

井區(qū)在二疊紀(jì)山西期主要發(fā)育三角洲前緣沉積，根據(jù)沉積序列和巖性組合，自下而上分為山2和山1段，其中山2段主要發(fā)育煤系地層和三角洲前緣沉積。根據(jù)巖性變化和沉積旋回，山2段又劃分為山23、山22和山21這3個(gè)亞段，其中山23亞段水下分流河道砂體是井區(qū)主產(chǎn)氣層。山23砂體在井區(qū)內(nèi)分布廣泛，連通性好，厚度為1～19 m，平均7.5 m，儲層石英含量較高，主要發(fā)育中-粗粒石英砂巖和巖屑石英砂巖，巖屑砂巖較少。黏土礦物以伊利石和高嶺石為主，發(fā)育少量綠泥石?？紫额愋椭饕l(fā)育粒間溶蝕孔、粒內(nèi)溶蝕孔、晶間孔和微裂縫等，孔徑較小，主要為微米級孔隙[10]。山23儲層孔隙度主要為2%～8%，平均5%，滲透率為0.03～1.00 mD，平均0.2 mD，含氣飽和度為60%～80%，平均70%。山23氣藏埋深為2 800～3 200 m，實(shí)測靜壓為20～25 MPa，壓力系數(shù)0.8。延113—延133井區(qū)山23儲層發(fā)育典型的低孔、低滲、低壓致密砂巖氣藏。為了提高單井產(chǎn)量，增加氣藏控制面積，井區(qū)以水平井開發(fā)為主。局部的構(gòu)造隆起、砂體厚度和傾角的變化都對水平井地質(zhì)導(dǎo)向提出了極大的挑戰(zhàn)，沿水平段方向可能會鉆遇砂體上覆、下伏以及層間地層。

2 地層發(fā)育特征

2.1 上覆地層

山23砂巖又叫北岔溝砂巖，首見于太原西山柳子溝上端北岔溝[11]，是山西組底部的標(biāo)志層，在延113—延133井區(qū)發(fā)育三角洲前緣水下分流河道沉積的石英砂巖和石英巖屑砂巖[4]，垂向上表現(xiàn)為下粗上細(xì)的正韻律特征。圖2所示為井區(qū)一口典型的山23砂體測井曲線和巖心特征。在砂體下部3 176.8 m發(fā)育灰白色中粗粒砂巖，泥質(zhì)含量較低，伽馬值較小，向上粒度變細(xì)，暗色礦物增多，巖性漸變?yōu)? 174. 2 m的灰色細(xì)砂巖。向上泥質(zhì)含量繼續(xù)升高，借助微電阻率掃描圖像，在砂體頂部可以觀察到亮暗相間的砂泥巖互層特征，單層砂巖厚度小于1.0 m，砂層間是厚度不等的泥巖，指示發(fā)育水下天然堤沉積。微電阻率掃描圖像上，相對高阻的砂巖呈高亮色，相對低阻的泥巖呈暗色，微電阻率成像測井的分辨率可以高達(dá)0.5 cm，遠(yuǎn)高于一般常規(guī)測井曲線30～60 cm縱向分辨率[12-13]，所以借助微電阻率掃描圖像可以觀察細(xì)微的巖性變化和沉積層理等特征。對這種厚度小于1.0 m的薄層，常規(guī)測井主要受縱向分辨率和圍巖的影響，曲線幅度變化較小，不能較好地反應(yīng)薄互層的巖性變化[14-15]。

井區(qū)通過對山23儲層大量微電阻率掃描成像數(shù)據(jù)的采集，發(fā)現(xiàn)在儲層上部砂泥巖薄互層特征明顯，在水平井地質(zhì)導(dǎo)向過程中，當(dāng)通過隨鉆測、錄井?dāng)?shù)據(jù)判斷鉆遇薄互層沉積，一般表明鉆頭已從山23砂體頂部鉆出儲層。

圖2 山23巖心和電性特征Fig.2 Shan23cores and logs characteristics

2.2 下伏地層

山23水下分流河道砂體底部一般發(fā)育河道沖刷面與下伏太原組泥巖接觸，北岔溝砂巖底部沖刷面是山西組和太原組的地層分界[16]。沖刷面構(gòu)造是高流態(tài)下石英碎屑等粗粒沉積對下伏泥巖細(xì)粒沉積沖刷形成的，界面兩側(cè)巖性變化明顯，沖刷面以上是山23砂巖下部的灰白色中粗粒石英砂巖，沖刷面以下是太原組黑色泥巖，如圖3所示。太原組在延113—延133井區(qū)共發(fā)育4次海侵，從下到上發(fā)育了廟溝、毛兒溝、斜道和東大窯4套灰?guī)r。最后一次海侵發(fā)育了東大窯灰?guī)r和北岔溝砂巖下伏的海相黑色泥巖。該套泥巖在井區(qū)南部發(fā)育穩(wěn)定，厚度為5～10 m。在井區(qū)以東的鄉(xiāng)寧剖面中發(fā)現(xiàn)了大量腕足類和放射蟲化石，指示了海相的沉積環(huán)境，同時(shí)該套泥巖有機(jī)質(zhì)含量較高，TOC為4.2%～15.0%，含氣性較好，是井區(qū)東側(cè)的大寧-吉縣地區(qū)的重點(diǎn)勘探開發(fā)層位，一批直井與水平井測試獲工業(yè)頁巖氣流[17-18]。相比于普通的泥頁巖，有機(jī)質(zhì)含量較高的頁巖氣甜點(diǎn)段的電測曲線具有 “三高兩低” 的特征，即高伽馬、高中子、高電阻率、低密度、低光電指數(shù)，并且常用聲波和電阻率曲線疊合的方法計(jì)算總有機(jī)碳含量[19]。

圖3 下伏地層發(fā)育特征Fig.3 Underlying formation characteristics

圖3中測井曲線顯示井區(qū)山23儲層下伏海相泥巖與山23泥巖有明顯的電性差異，呈現(xiàn)出高中子、高聲波、高電阻率和低密度的特征，在山23水平井地質(zhì)導(dǎo)向中，鉆遇該套泥巖，表明鉆頭已從底部鉆穿砂體。

2.3 層間夾層

層間夾層分為泥質(zhì)夾層、鈣質(zhì)夾層和粒度、結(jié)構(gòu)等改變造成物性變化的物性夾層[20]，其中泥質(zhì)夾層是三角洲前緣砂體的主要夾層類型，夾層巖性為泥巖和粉砂質(zhì)泥巖，一般為兩期水下分流河道之間的水動(dòng)力條件較弱沉積環(huán)境下形成。井區(qū)山23儲層伽馬曲線多呈光滑鐘形和箱型，平均單井鉆遇泥質(zhì)夾層少于1層。部分井鉆遇泥質(zhì)夾層，厚度1～2 m，巖性主要為黑色泥巖和灰黑色粉砂質(zhì)泥巖，電測數(shù)據(jù)一般具有高伽馬、高中子、高光電指數(shù)和低電阻率的特征。井區(qū)山23砂體中多次鉆遇一套具有放射性異常的層間夾層，如圖4所示，該類夾層伽馬值較高，顯示泥巖特征，但中子、密度、光電指數(shù)和電阻率等曲線仍然顯示山23砂巖特征。伽馬能譜測井?dāng)?shù)據(jù)顯示，夾層中釷含量較高，巖心物性分析數(shù)據(jù)與上下砂巖無明顯異常。鄂爾多斯盆地北部的榆林氣田山23儲層鉆遇高伽馬砂巖，伽馬值120～200 API，鉀、鈾含量正常，但釷含量較高。榆林氣田通過巖心觀察發(fā)現(xiàn)玻屑、火山灰塵和火山巖屑成分較高，并認(rèn)為放射性異常主要與同沉積火山事件有關(guān)[21]。延113—延133井區(qū)山23高伽馬夾層特征與榆林氣田發(fā)現(xiàn)的高伽馬砂巖特征相似，該類高伽馬砂巖夾層在井區(qū)多口井中發(fā)現(xiàn)，厚度0.5～1.0 m，直定向井中伽馬曲線呈尖峰狀，而其他曲線無明顯異常。

井區(qū)通過微電阻率圖像數(shù)據(jù)的采集發(fā)現(xiàn)，在放射性異常的井段發(fā)育厚度較薄的低電阻率條帶，單層厚度僅有數(shù)毫米到數(shù)厘米，遠(yuǎn)低于常規(guī)測井曲線的縱向分辨率，該條帶由于含有火山物質(zhì)，伽馬曲線顯示放射性異常明顯，但錄井巖屑仍以石英砂巖為主。

圖4 高伽馬夾層發(fā)育特征Fig.4 High gamma sand stripes

3 地質(zhì)導(dǎo)向

延113—延133井區(qū)地質(zhì)導(dǎo)向主要采用成本較低、無方向性的隨鉆伽馬和電阻率測井技術(shù)，并結(jié)合錄井和二維地震資料，綜合指導(dǎo)水平井地質(zhì)導(dǎo)向。通過對山23砂體上、下圍巖和層間地層發(fā)育特征的深入研究，判斷鉆頭和砂體的相對位置，并及時(shí)調(diào)整軌跡，實(shí)現(xiàn)水平段砂巖鉆遇率的最大化。

3.1 鉆遇上覆地層

當(dāng)水平井軌跡向上接近砂體頂部時(shí)，由于山23砂體一般呈正韻律，錄井巖屑顯示巖性逐漸變差，隨鉆伽馬升高，隨鉆電阻率逐漸降低。當(dāng)鉆遇砂體上部薄互層時(shí)，隨鉆伽馬和電阻率對巖性的顯示可能出現(xiàn)不一致，這主要由于伽馬測井的探測深度為20～40 cm[22]，而隨鉆電阻率的探測深度一般為1～2 m[23]。隨鉆伽馬更明顯的指示互層中的砂泥巖變化，而電阻率由于探測深度較大，曲線的變化幅度較小。在水平井地質(zhì)導(dǎo)向中，當(dāng)根據(jù)隨鉆測、錄井?dāng)?shù)據(jù)，判斷鉆遇了薄互層的地層特征，一般說明已從砂體頂部鉆出儲層，應(yīng)及時(shí)降斜調(diào)整井軌跡，盡快回到砂體中。

井區(qū)YBXX3井位于河道帶中部，根據(jù)鄰井情況，該區(qū)域儲層發(fā)育情況較好，預(yù)測山23砂體厚度8～12 m，地層向西下傾0.5 °，如圖5所示。該井著陸階段進(jìn)入山23砂體垂深6 m，并保持89.5 °井斜向西北方向鉆進(jìn)，水平段鉆進(jìn)過程中，從MD3 360 m(A段)開始，錄井?dāng)?shù)據(jù)顯示石英含量減少，暗色礦物含量增加，隨鉆伽馬值逐漸升高，在MD3 400 m處鉆遇泥巖，當(dāng)鉆至MD3 455～3 495 m(B段)，隨鉆伽馬上下波動(dòng)鋸齒化特征明顯，但隨鉆電阻率變化幅度較小，判斷已鉆至山23儲層上覆砂泥巖互層沉積。決定降斜至86 °向下探砂，并于MD3 590 m處再次進(jìn)入山23砂體，后以88 °～89 °井斜一直保持在砂體中鉆進(jìn)。該井局部地層下傾角度增大，使水平井從砂體頂部鉆出儲層。通過對鉆遇地層發(fā)育特征的分析，及時(shí)調(diào)整軌跡回到砂體中，保證了水平段的鉆遇率。

圖5 YBXX3井山23水平井地質(zhì)導(dǎo)向Fig.5 YBXX3 well Shan23 horizontal well geosteering

3.2 鉆遇下伏地層

區(qū)別于山23砂體頂部的巖性漸變特征，砂體底部沖刷面上下巖性差異明顯，當(dāng)鉆頭從砂體底部出層，鉆遇下伏地層時(shí)，隨鉆測、錄數(shù)據(jù)在垂向上顯示巖性突變，巖屑錄井由灰白色石英砂巖突變?yōu)楹谏鄮r。通過對井區(qū)直定向井山23砂體下伏太原組海相黑色泥巖和山23段泥巖自然伽馬和電阻率的統(tǒng)計(jì)，下伏太原組泥巖和山23泥巖的自然伽馬分布范圍相同，主要為130～150 API，但電阻率差異明顯，下伏太原組泥巖的電阻率主要分布在200～300 Ω·m，而山23泥巖電阻率較低，主要為100～200 Ω·m。在水平段地質(zhì)導(dǎo)向中，若鉆遇地層巖性由砂巖突變?yōu)槟鄮r，且泥巖段電阻率較高，結(jié)合地質(zhì)分析判斷鉆遇下伏太原組泥巖，說明井軌跡已從砂體底部鉆出儲層，此時(shí)應(yīng)及時(shí)增井斜，使井軌跡盡快回到儲層中。

井區(qū) YBXX5井位于河道帶邊部，同井場直井鉆遇山23砂體厚度11 m，預(yù)測該區(qū)域山23砂體厚度為10～14 m，該井由河道帶邊部向砂體增厚的河道帶中部鉆進(jìn)。如圖6所示，當(dāng)該井垂深進(jìn)入山23砂體7 m，鉆至MD3 275 m(A段)，返出巖屑突變?yōu)楹谏鄮r，隨鉆伽馬值由20～30 API上升為130～150 API，隨鉆電阻率由700～900 Ω·m下降至230～290 Ω·m，判斷鉆頭已從底部鉆穿砂體，鉆至下伏太原組泥巖，迅速以92 °增斜并于MD3 350 m回到山23砂體中。該井由于山23砂體的實(shí)際厚度遠(yuǎn)小于預(yù)測厚度，地質(zhì)導(dǎo)向中鉆頭從底部出層，通過對鉆遇地層特征的分析，判斷鉆遇下伏太原組泥巖并迅速增斜，在泥巖段鉆進(jìn)75 m后再次返回砂巖儲層。

3.3 鉆遇層間夾層

山23砂體中發(fā)育泥質(zhì)夾層和高伽馬砂巖夾層，厚度均較薄。當(dāng)鉆遇層間泥質(zhì)夾層時(shí)，巖屑錄井顯示灰黑色、黑色粉砂質(zhì)泥巖和泥巖，隨鉆伽馬值120～140 API，隨鉆電阻率的大小與泥質(zhì)夾層的厚度相關(guān)，由于隨鉆電阻率的探測深度為1～2 m，如果泥質(zhì)夾層的厚度較小，電阻率受夾層上下砂巖的影響較大，一般高于厚層泥巖地層電阻率。當(dāng)根據(jù)隨鉆測、錄井?dāng)?shù)據(jù)和地質(zhì)分析判斷鉆遇泥巖夾層時(shí)，可以根據(jù)當(dāng)時(shí)的井斜和預(yù)測地層傾角，采取微調(diào)的方式，快速鉆穿夾層。 層間高伽馬砂巖夾層的錄井巖屑以灰白色石英砂巖為主，隨鉆伽馬較高，隨鉆電阻率與山23砂巖段電阻率相似。當(dāng)鉆遇該類夾層時(shí)，可以不調(diào)整井軌跡繼續(xù)鉆進(jìn)。

圖6 YBXX5井山23水平井地質(zhì)導(dǎo)向Fig.6 YBXX5 well Shan23 horizontal well geosteering

圖6中YBXX5井鉆至MD3 772～3 793 m和MD3 928～3 961 m井段時(shí)，返出巖屑以暗色礦物為主，隨鉆伽馬曲線升高，隨鉆電阻率略低于砂巖段電阻率，判斷鉆遇厚度較薄的泥質(zhì)夾層。當(dāng)該井鉆至MD4 070～4 110 m(B段)，隨鉆伽馬由30 API增至120 API，隨鉆電阻率800～1 000 Ω·m，錄井巖屑以灰白色石英砂巖為主，判斷鉆遇高伽馬砂巖夾層并繼續(xù)穩(wěn)斜鉆進(jìn)，該井完鉆水平段長度1 018 m，實(shí)現(xiàn)砂巖鉆遇率88%。

截止2020年，井區(qū)共完鉆山23水平井近百口，水平段砂巖平均鉆遇率大于85%。針對山23砂體上、下圍巖和層間夾層發(fā)育特征的研究，為水平井地質(zhì)導(dǎo)向提供了堅(jiān)實(shí)的地質(zhì)基礎(chǔ)，采用較低成本隨鉆工具的同時(shí)，保證了鉆遇率，實(shí)現(xiàn)了氣田的高效低成本開發(fā)。

4 結(jié)論

1)山23砂體上覆地層普遍發(fā)育水下天然堤砂泥巖薄互層沉積；下伏太原組泥巖有機(jī)質(zhì)含量較高，呈現(xiàn)高中子、高聲波、高電阻率和低密度的特征，與山23泥巖有明顯電性差異；砂體層間發(fā)育少量泥質(zhì)夾層和高伽馬砂巖夾層。

2)在山23水平井導(dǎo)向中，當(dāng)鉆遇地層巖性逐漸變差并鉆遇薄互層時(shí)，表明鉆頭已從頂部出層，應(yīng)及時(shí)降斜；當(dāng)鉆遇地層巖性由砂巖突變?yōu)槟鄮r，且泥巖電阻率200～300 Ω·m時(shí)，指示從底部出層，應(yīng)及時(shí)增斜；當(dāng)鉆遇泥質(zhì)夾層和高伽馬砂巖夾層時(shí)可以微調(diào)或不調(diào)整，繼續(xù)穩(wěn)斜鉆進(jìn)。