水平井地质导向技术在周清庄油田薄油层中的应用

王 臣 张 春 王 强 程 琦 贾国龙 刁丽颖 曾济楚 高羽丰

(①中国石油大港油田分公司第五采油厂；②中国石油渤海钻探第一录井公司)

0 引 言

周清庄油田区域构造位于渤海湾盆地黄骅坳陷中区滨海断层下降盘，北、西为港西凸起，南至F井断层，东接滨海油田。本文主要研究位于周清庄油田南部、主力层系为沙三段的E井区致密砂岩储集层，油藏埋深2 800～3 120 m，储集层有效厚度仅为3～5 m，油藏构造情况非常复杂，构造幅度120 m，产状变化大。在水平井钻进过程中，难以准确预测钻头在储集层中的位置，极易出窗，降低了水平段钻遇率，严重影响水平井的最终产能。因此，开展了水平井地质导向技术研究，在分析该井区油藏地质特征过程中，结合录井曲线中的钻时、气测以及测井曲线中的自然伽马、电阻率等参数对周清庄地区沙三段储集层的标志层以及储集层内部进行精细划分，在纵向上建立储集层与标志层在岩性、电性上的响应特征模型，并以此模型指导水平井实际钻进，最终达到了提高储集层钻遇率的目的。

1 区域地质概况

1.1 地层特征

钻井揭示周清庄油田地层自上而下依次为：第四系平原组，新近系明化镇组、馆陶组，古近系东营组、沙河街组。新近系馆陶组和古近系东营组之间，古近系沙三段和中生界之间均为不整合接触。在沙河街组内部，划分为沙一段、沙三段，缺失沙二段地层，沙一下地层直接覆盖在沙三段地层之上。根据沉积旋回，沙三段可划分为沙三1、沙三2、沙三3共3个油层组。其中沙三1厚度在60 m左右，地层岩性以深灰色泥岩为主；沙三2厚度在140～180 m之间，除顶部发育少量浅灰色细砂岩以外，均以深灰色泥岩为主；沙三3油层组顶部为含油目的层，地层分布比较稳定，岩性以浅灰色、灰褐色细砂岩为主，夹深灰色泥岩，呈现出西南端薄向其他方向加厚的特点。综上所述，沙三1和沙三2油层组以泥岩为主，分布稳定，是该区良好的盖层，而沙三3油层组砂体是良好的储集层，沙三3油层组进一步可以划分为沙三31、沙三32、沙三33、沙三34四个小层。

1.2 构造特征

E井区北部靠近港西断层，南部为南大港构造带西北坡的一部分，构造整体上为一个北倾单斜。区块内部被北西、北东向断层切割分为F断块和E断块。其中F断块沙三3顶界高点埋深2 730 m，闭合幅度245 m，南部受控于岩性上倾尖灭，圈闭面积4.35 km2；E断块沙三3顶界高点埋深2 870 m，闭合幅度120 m，圈闭面积1.35 km2。

2 周清庄油田水平井实施难点

2.1 水平井入窗难

E区块为构造油藏，四周受断层遮挡，构造幅度大且地层产状变化无规律，现场人员无法定量分析设计点与邻井之间的高低关系，因此难以精确计算出水平井着陆深度，造成了水平井入窗难的情况[1]。

2.2 水平段钻遇率低

通过研究邻井钻遇储集层的情况，发现该储集层厚度较薄，仅为3～5 m，地层产状变化大，入窗后无法准确预测钻头在储集层中的位置，极易导致钻头出层而需要重新调整轨迹，连锁操作会导致水平井水平段不能达到设计长度，最终降低了水平井的产能。

3 地质导向技术

地质导向基本原理是在地质模型的基础上，结合录井、LWD等各项参数，提前预测地层产状变化，及时调整井眼轨迹，准确引导钻头在油气富集区域内穿行，其目的是增加储集层中“甜点”的水平段长度，实现单井产量效益的最大化[2-4]。

3.1 着陆前井眼轨迹控制

在着陆前钻进过程中，基于地质模型并参考设计井的邻井，识别出目的层的标志层，在实钻过程中，用设计井的垂深测井曲线形态与邻井对比，同时把实钻轨迹加到地震剖面与设计轨迹对比，当设计井钻至标志层以后，可预测出着陆垂深。其次，在钻头即将入窗之前，紧盯钻时、气测、岩屑、测井曲线等参数变化，直至入窗。入窗时出现的现象：首先钻时突变、气测值较之前的基值增大且持续时间长、岩屑出现砂岩(有油气显示)，电测曲线随即出现自然伽马值降低、电阻率上升等现象[5-8]。

3.2 入窗后井眼轨迹调整

判定入窗后，在工程狗腿度允许情况下，应把设计水平井轨迹尽快调整成与地层产状一致。如何准确预测地层产状是入窗后轨迹调整的关键所在，本文依据录井曲线中的钻时、气测以及测井曲线中的自然伽马、电阻率等参数，采用“蛙泳法”计算地层产状[9-12]。

通过图1可知沙三34砂组内包含油层和夹层。内部的夹层发育非常稳定，可以作为优化轨迹的标志层，因此可以通过井眼轨迹穿过夹层的同一界面，计算出反映地层产状的倾角θ，将这种方法称之为“蛙泳法”。设定夹层的厚度是发育稳定的，从图1可以发现井眼轨迹穿越同一界面的点为A点和D点，B点和C点，通过定向井轨迹可以计算出对应的垂深与水平位移。例如：B点与C点的水平位移差ΔL=L2-L1，垂深差ΔH=H2-H1,最终计算出地层产状倾角θ=arctan(ΔH/ΔL)。在该井区，由于沙三34储集层内部的夹层发育稳定，计算出的地层产状是准确的。同时，在水平井钻进过程中，由于夹层没有储存油气，也没有气测显示，这是区分油层和夹层最直接的方法。

图1 水平井井眼轨迹示意

3.3 顶底界出层的判断

油层与围岩的实钻特征差异明显，出层的标志首先是钻时变慢，其次是气测降低，岩屑由砂岩为主变成泥岩增多，自然伽马值增大，电阻率下降，最终结合本井与邻井出窗后的电阻率、自然伽马、气测对比、实钻轨迹在地震剖面中的位置、利用地层产状计算的目前轨迹在储集层垂向向上或向下钻进的厚度等，综合判断钻头顶出还是底出[13-15]。

4 应用情况

利用水平井地质导向技术，在周清庄油田E区块成功完钻3口水平井，均取得了较好的实钻效果。本文以其中的K井为例进行重点阐述，该井目的层系为沙三3亚段，设计井深为2 950 m，设计水平段长度为190 m。

4.1 水平井着陆前地层对比

E井区中A、B、C、D井设计目的层为同一套储集层沙三34，油层平均有效厚度4.1 m，沙三34砂组以上有3套地层，分别为沙三31、沙三32、沙三33，沉积厚度分别在5、6、12 m左右，发育稳定。通过录井岩屑、测井自然伽马及电阻率来看，该3套地层的砂岩岩性特征和电性特征明显，现场岩屑录井和电测资料对比性较好，可以作为水平井着陆前的3套标志层(图2)。

4.2 水平井入窗判定

模型中的标志层确立之后，在水平井K井实际钻进过程中，将钻遇的标志层与模型中的标志层进行分析对比(图2)，当水平井钻至离目的层最近的标志层沙三33底后，参考邻井沙三33底与沙三34顶之间的垂深差，预测入窗垂深，之后通过密切关注钻时、气测、岩屑显示来最终确认是否入窗。

该水平井沙三33底垂深为2 933.5 m(减去补心高深度)，参照邻井沙三33底与沙三34顶之间的垂深差2～3 m，判断该井入窗垂深为2 935.5～2 936.5 m。当钻至垂深2 936.5 m时，钻时由10 min/m加快至2 min/m，全烃从0.5%上升至7.2%,岩屑显示为油迹细砂岩，最终认为水平井着陆；之后，测井曲线中自然伽马值由109 API下降至75 API，电阻率由3 Ω·m 升至64 Ω·m(随钻伽马比钻头滞后约10 m，电阻率比钻头滞后约12 m)，通过测井曲线的岩性与物性响应特征进一步验证了水平井已入窗。

4.3 储集层内标志层顶底界面识别

水平井K井入窗后，应尽快识别出储集层内部的油层顶、夹层、油层底。当钻头穿越标志层同一界面的两个点时，即可采用“蛙泳法”确定地层产状，之后在工程狗腿度允许情况下，把正钻水平井轨迹尽快调整成与地层产状一致，使得井眼轨迹尽量在有效储集层段内穿行。由此可见，储集层内部油层顶、夹层、油层底的识别变得尤为重要。

图2 A井-K井地层对比

通过统计该井区邻井的各项录井、测井参数(表1)，发现区分油层顶、夹层、油层底最有效的方法就是依据全烃值的差异。

表1 E区块录井、测井参数统计

4.4 水平井入窗后轨迹调整

在轨迹调整前，需要了解该区块的构造，可为水平井入窗时的井斜角控制提供参考。入窗前如果井斜控制不合理，很可能造成水平段的损失，甚至找不到储集层。如图3所示，在K井入窗前，通过各项资料分析认为，该井的地层产状倾角θ在8°左右，井斜角控制在82°左右探寻储集层，最终K井入窗时井斜角82°，垂深2 936.5 m(减去补心高深度),全烃值为12%。当钻头钻进至B点垂深2 941.8 m(减去补心高深度)时，水平位移384 m，全烃几乎降为0，依据井震结合、储集层内标志层识别等方法，认为井眼轨迹稍大于地层产状倾角θ，B点不是出窗点，而是油层顶与夹层的临界点，从而把井斜角从82°增大到84°；当钻头钻进至C点垂深2 943.5 m(减去补心高深度)时，水平位移398 m，全烃值从0增加到8%～12%，故认为钻头重新回到了油层顶的甜点段，该C点是油层顶与夹层的又一临界点。计算得到B点与C点垂深差为1.7 m，水平位移差值为14 m，运用“蛙泳法”计算地层产状倾角θ为7°，随即将井眼轨迹井斜控制在83°左右，直至钻头钻进至末端点斜深3 355 m完钻，最终在储集层厚度仅为3～5 m的情况下，成功钻遇198.7 m水平甜点段。

图3 实钻水平井K井井眼轨迹示意

4.5 应用效果

水平井地质导向技术在周清庄油田薄油层中的研究应用，成功解决了该区域水平井井眼轨迹极易出窗的难题。该方法在周清庄油田E区块3口井应用后，水平井储集层钻遇率从70%提升至99%，该3口水平井投产后，合计产油126 t/d，产气5 061 m3/d。目前累计增产原油3.2×104t，累计增产天然气7.8×104m3，获得了较好产能效果，实现了该未动用储量区的效益开发，也为大港油田低渗油田高效动用提供了宝贵的开发经验。

5 结 论

周清庄油田存在地层产状陡、砂体薄、油层埋藏深等特征，导致水平井在油层钻进过程中，极易造成井眼轨迹出层，开展水平井地质导向技术研究，成功解决了这一难题，并取得了如下认识。

(1)充分了解区域地质构造特征、储集层特征，并进行钻前精细构建地质模型，是保障水平井在薄油层中成功实施的基础。

(2)密切关注各个标志层钻时、气测等录井参数，以及自然伽马、电阻率等测井参数，对水平井入窗判断具有重大意义。

(3)精细划分目的层内部标志层，明确油层顶、夹层、油层底的录井、测井响应特征，可为确定钻头在储集层中的位置提供重要依据。

(4)在水平井实施过程中采用“蛙泳法”计算确定地层产状动态倾角，及时调整井眼轨迹，是水平井钻遇较长水平段、提高有效储集层钻遇率的关键技术。