閻榮輝 田偉志 鮑永海 武 星 楊 森 沈柏坪

(①中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司工程技術(shù)管理部；②中國(guó)石油長(zhǎng)城鉆探工程有限公司錄井公司)

0 引 言

鄂爾多斯盆地上古生界發(fā)育大規(guī)模致密砂巖氣藏，致密砂巖氣資源十分豐富[1]。致密砂巖氣是一種儲(chǔ)集于特低孔-特低滲砂巖儲(chǔ)集層的非常規(guī)天然氣，常規(guī)技術(shù)開(kāi)采效果較差[2]?？碧介_(kāi)發(fā)實(shí)踐表明，水平井工藝能夠增大氣藏的泄氣面積，提高產(chǎn)氣量。盆地上古生界致密砂巖氣以水平井開(kāi)發(fā)為主，為了提高儲(chǔ)集層鉆遇率，普遍采用了地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)。前人針對(duì)如何提高鉆遇率做了不少研究，總結(jié)了沉積模型導(dǎo)向法、標(biāo)志層法、沉積旋回法[3]，這些方法主要應(yīng)用在兩個(gè)階段：一是前期資料分析和模型建立階段，通過(guò)三維地震資料、測(cè)錄井資料，建立三維地質(zhì)導(dǎo)向模型，精細(xì)刻畫(huà)砂體空間展布形態(tài)，對(duì)水平段導(dǎo)向有很好的預(yù)判和指導(dǎo)性[4]；二是施工階段，通過(guò)隨鉆自然伽馬判斷鉆頭的相對(duì)位置，指導(dǎo)鉆進(jìn)[5]。儲(chǔ)蓋巖石自然伽馬值差別較大時(shí)，隨鉆自然伽馬適用效果較好。對(duì)于目的層頂、底板均為泥巖的砂體，由于隨鉆自然伽馬對(duì)頂、底板泥巖響應(yīng)特征一致，基于隨鉆自然伽馬的地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)具有多解性和較大的不確定性，僅僅依靠隨鉆自然伽馬難以滿足致密砂巖儲(chǔ)集層地質(zhì)導(dǎo)向的需求。為此，本文通過(guò)元素錄井參數(shù)，建立不同小層的元素交會(huì)圖板，在水平段跟蹤過(guò)程中利用小層特征元素、元素組合及元素比值區(qū)分泥巖類型，進(jìn)而判斷鉆頭的相對(duì)位置及穿行狀態(tài)，為上古生界致密砂巖氣水平井地質(zhì)導(dǎo)向提供了一種新思路[6]。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

1.1 研究區(qū)構(gòu)造概況

鄂爾多斯盆地位于華北板塊西部，是一個(gè)穩(wěn)定沉降、多旋回克拉通盆地。盆地經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。在加里東期，南北構(gòu)造發(fā)生過(guò)俯沖、擠貼和再一次的拉張-擠壓；海西期，盆地繼承了加里東期的構(gòu)造格局，影響了晚古生代沉積盆地的發(fā)展、演化過(guò)程。經(jīng)過(guò)印支、燕山、喜山等構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，形成了現(xiàn)今伊盟隆起、西緣掩沖帶、天環(huán)坳陷、伊陜斜坡、渭北隆起和晉西撓褶帶6個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元[7]。研究區(qū)位于伊陜斜坡東部，伊陜斜坡整體為一大型寬緩西傾單斜，地層平緩，地層傾角小于1°，平均坡降約為10 m/km。斜坡以鼻狀構(gòu)造發(fā)育為特征，局部地區(qū)小型圈閉構(gòu)造發(fā)育(圖1)。

圖1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造單元分區(qū)

1.2 研究區(qū)沉積體系

晚古生代以來(lái)，盆地一直保持陸內(nèi)坳陷環(huán)境。盆地在晚古生代分為兩個(gè)發(fā)展階段：晚石炭世早期至早二疊世太原期，以海相沉積為主，盆地東部主要發(fā)育陸表海盆地；早二疊世山西期至晚二疊世石千峰期，以陸相沉積為主，包括山西期的海陸過(guò)渡相和石盒子期開(kāi)始的內(nèi)陸坳陷盆地[8]。

鄂爾多斯盆地上古生界受物源、沉積相帶影響，源儲(chǔ)配置關(guān)系相差較大，導(dǎo)致致密氣成藏區(qū)帶特征差異較大。研究區(qū)水平井開(kāi)發(fā)目的層系為下二疊統(tǒng)山西組山二段。山二段為沖積-三角洲-海岸體系，是一套辮狀河三角洲平原水上、水下分流河道、天然堤、決口扇、分流間灣、分流間灣沼澤、洪泛平原等微相組成的多個(gè)正韻律疊合碎屑巖地層(圖2)。山二段砂體是由多個(gè)水下分流河道、天然堤、決口扇單砂體在垂向上多期疊置、側(cè)向上遷移形成的復(fù)合砂體。由于單砂體橫向的接觸方式不同及局部泥質(zhì)沉積發(fā)育(圖3)，導(dǎo)致砂體的橫向非均質(zhì)性較差[9]。

圖2 山二段沉積韻律模式

圖3 山二段砂體分布模式示意

2 基于元素參數(shù)的地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)

元素錄井從地球化學(xué)角度對(duì)巖石及地層加以認(rèn)識(shí)，從而為地層劃分提供了新方法。元素錄井所獲取的化學(xué)成分含量不僅能反映巖石的物質(zhì)組成，而且能指示其沉積環(huán)境[10]。地層發(fā)生變化必然是沉積環(huán)境變化引起元素分布異常所致。不同的沉積環(huán)境，其沉積物的巖石特征不同，元素含量也不相同；即使同一沉積環(huán)境，由于海平面(湖平面)的上下波動(dòng)或者物源的變化，也會(huì)引起相關(guān)元素的差異變化。元素錄井可以獲取巖石中34種元素的含量，地層信息十分豐富。通過(guò)對(duì)34種元素加以提取和歸納，可以尋找到指示不同地層的特征元素，從而完成地層對(duì)比、地層卡取的工作[11-12]。通過(guò)元素參數(shù)尋找地球化學(xué)標(biāo)志層，并對(duì)頂、底板泥巖、目的層進(jìn)行精細(xì)刻畫(huà)，建立地區(qū)元素標(biāo)準(zhǔn)剖面。利用儲(chǔ)集層與頂板及底板的元素參數(shù)差異性，建立地質(zhì)導(dǎo)向方法，實(shí)現(xiàn)鉆頭位置的及時(shí)判斷，為該地區(qū)的水平井著陸、水平段軌跡跟蹤提供指導(dǎo)。

2.1 元素標(biāo)準(zhǔn)剖面的建立

利用元素參數(shù)對(duì)地層剖面進(jìn)行精細(xì)刻畫(huà)，建立小層元素特征模型，旨在為水平段地層識(shí)別與判斷提供依據(jù)。針對(duì)不同地質(zhì)條件，采取不同方法對(duì)元素參數(shù)進(jìn)行整理，從而提取特征元素?，F(xiàn)場(chǎng)主要采用的方法有曲線法、交會(huì)法。這些方法的共同特點(diǎn)是提取能夠反映巖石含量變化的特征元素或者能夠反映沉積環(huán)境變化的元素比值，作為地層劃分和對(duì)比的依據(jù)。對(duì)于巖石成分變化明顯的層段，其主要元素含量會(huì)出現(xiàn)明顯的變化，曲線法具有直觀性、形象性；對(duì)于沉積環(huán)境有差異的沉積相，需要通過(guò)元素指數(shù)加以判斷；對(duì)于缺乏明顯電性標(biāo)志層的大套同巖性地層，可以通過(guò)元素的交會(huì)曲線或者交會(huì)圖板進(jìn)行小層精細(xì)劃分。

2.2 著陸段軌跡控制

根據(jù)地震資料、鄰井測(cè)錄井資料及元素參數(shù)建立該井的地質(zhì)導(dǎo)向模型。在造斜段施工過(guò)程中, 依據(jù)小層特征元素，采用逐層逼近法(圖4)，實(shí)時(shí)卡取小層，預(yù)測(cè)靶點(diǎn)垂深，并與設(shè)計(jì)靶點(diǎn)垂深進(jìn)行對(duì)比，逐層調(diào)整、優(yōu)化井眼軌跡，確保順利著陸?；谠貐?shù)的小層對(duì)比方法既能滿足儲(chǔ)集層著陸需要，提高一次入靶的成功率，又能滿足軌跡平滑度需求，避免軌跡大幅調(diào)整導(dǎo)致井眼狗腿度超標(biāo)，影響后續(xù)下套管、電測(cè)完井作業(yè)施工。

圖4 基于元素小層逐層逼近法著陸示意

2.3 水平段軌跡跟蹤

在水平段施工過(guò)程中，根據(jù)元素標(biāo)準(zhǔn)剖面中儲(chǔ)集層與頂板、底板元素參數(shù)特征，地質(zhì)導(dǎo)向工程師能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地判斷井眼軌跡位置，并識(shí)別軌跡是頂出還是底出，提前優(yōu)化、調(diào)整井眼軌跡，提高儲(chǔ)集層鉆遇率。

由于地層突變或者局部微幅構(gòu)造等地質(zhì)因素影響，水平段軌跡需要進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以便提高優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層鉆遇率。當(dāng)鉆至A點(diǎn)時(shí)，元素值出現(xiàn)異常變化，現(xiàn)場(chǎng)人員按照元素錄井技術(shù)規(guī)范要求加密采集元素?cái)?shù)據(jù)，通過(guò)元素特征參數(shù)判定進(jìn)入頂板泥巖。地質(zhì)導(dǎo)向人員可以快速計(jì)算井眼軌跡與地層的角度差，在保證井眼軌跡平滑的前提條件下，快速向下調(diào)整軌跡。當(dāng)鉆至C點(diǎn)時(shí)，元素參數(shù)表現(xiàn)出底板泥巖特征，導(dǎo)向人員可以快速向上調(diào)整軌跡(圖5)。

圖5 水平段軌跡調(diào)整示意

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 山二段元素標(biāo)準(zhǔn)剖面

研究區(qū)屬于三角洲平原-三角洲前緣沉積環(huán)境，洪泛平原沼澤發(fā)育，形成了多套區(qū)域穩(wěn)定的煤系地層，其中：山二段發(fā)育三套煤層，山21頂部發(fā)育3#煤層，是區(qū)分山一段與山二段的主要標(biāo)志層；山22頂部發(fā)育4#煤層，是區(qū)分山21和山22的主要標(biāo)志層；5#煤層位于山23內(nèi)部。本研究區(qū)水平井的主要開(kāi)發(fā)層系為山22砂巖，其主要成分為巖屑石英砂巖，巖屑砂巖次之，目的層頂、底板均發(fā)育深灰色泥巖(圖6、圖7)。

在實(shí)際應(yīng)用中，一般將元素分為兩大類。一是陸源碎屑成分SiO2、Al2O3、∑Fe2O3、K2O。其中SiO2、Al2O3、∑Fe2O3、K2O均為高值，巖屑呈泥質(zhì)特征；SiO2為高值，Al2O3、∑Fe2O3、K2O為低值，巖屑呈砂質(zhì)特征。二是表征碳酸鹽巖骨架成分的CaO、MgO。其中CaO為高值、MgO為低值，巖屑呈灰質(zhì)特征；CaO、MgO均為高值，巖屑呈云質(zhì)特征。通過(guò)衍生參數(shù)K2O/CaO，可以定性反映巖屑中泥質(zhì)與灰質(zhì)的相對(duì)含量。煤層由無(wú)機(jī)組分與有機(jī)組分組成，煤層的元素總和通常小于70%，通過(guò)元素總和與SO3成分可以識(shí)別煤層。在研究區(qū)，通過(guò)對(duì)山西組巖屑進(jìn)行元素分析，建立了山二段元素特征剖面(圖8)。

山西組地層主要為碎屑巖沉積，元素成分整體表現(xiàn)為高Al2O3、高SiO2和低MgO、低CaO。

圖6 鄂爾多斯盆地東部XX井山22段儲(chǔ)集層礦物組分

圖7 XX井山22段儲(chǔ)集層巖石薄片資料

圖8 研究區(qū)山二段元素標(biāo)準(zhǔn)剖面

由于地層主要由砂泥巖組成，在剖面上Al2O3、SiO2呈現(xiàn)出此消彼漲的特征。砂巖段表現(xiàn)為高SiO2、低Al2O3，泥巖段表現(xiàn)為高Al2O3、低SiO2。山22目的層之上有3#煤層和4#煤層2個(gè)元素標(biāo)志層：3#煤層具有低SiO2、高SO3特征，元素總和70.53%～70.70%；4#煤層具有低SiO2、高SO3特征，元素總和70.88%～71.03%。目的層頂、底板均發(fā)育泥巖，頂板泥巖具有高∑Fe2O3、高K2O/CaO、低SiO2特征，底板泥巖具有低∑Fe2O3、低K2O/CaO、低SiO2特征。目的層為砂巖，具有高SiO2、低Al2O3特征。研究區(qū)山二段小層元素特征見(jiàn)表1。

3.2 著陸段井眼軌跡控制

S 59井在隨鉆著陸階段，通過(guò)3#煤層、4#煤層、鐵質(zhì)泥巖的元素特征進(jìn)行地層對(duì)比，及時(shí)調(diào)整井眼軌跡，保證順利入靶。鉆至井深2 365.00 m，SO3含量由0.01%升至2.44%，SiO2含量由77.83%降至43.65%，元素總和由98.49%降至70.55%，判定鉆遇3#煤層，比設(shè)計(jì)軌跡垂深提前3 m。鉆至井深2 426.00 m，SO3含量由0.03%升至2.47%，SiO2含量由84.32%降至43.66%，元素總和由99.92%降至70.88%，根據(jù)元素標(biāo)準(zhǔn)剖面判斷鉆遇4#煤層，比設(shè)計(jì)軌跡垂深提前5.33 m，此時(shí)導(dǎo)向師下達(dá)了增斜指令。鉆至井深2 432.00 m，SiO2含量由69.32%降至55.95%，∑Fe2O3含量由3.43%升至22.29%，判定鉆遇鐵質(zhì)泥巖，比設(shè)計(jì)提前4.60 m，導(dǎo)向師下達(dá)了增斜指令。鉆至井深2 470.00 m，Al2O3含量由20.10%降至18.41%，SiO2含量由69.5%升至73.96%，砂質(zhì)含量增多，判斷進(jìn)入目的砂層(圖9、圖10)。在實(shí)鉆過(guò)程中，通過(guò)元素參數(shù)逐層進(jìn)行小層卡取與對(duì)比，為著陸段井眼軌跡調(diào)整提供了重要參考。

3.3 水平段井眼軌跡控制

在S 59井水平段施工過(guò)程中，通過(guò)元素標(biāo)準(zhǔn)剖面頂、底板泥巖的元素成分特征，可以及時(shí)判斷井眼軌跡出層情況，為導(dǎo)向師現(xiàn)場(chǎng)決策提供依據(jù)。

該井在鉆至井深3 010.00 m時(shí)，Al2O3含量由11.84%上升為15.05%，SiO2含量由72.99%下降為65.80%，判斷鉆遇泥巖。K2O/CaO由0.31上升為1.25，根據(jù)元素標(biāo)準(zhǔn)剖面，判定鉆遇底部泥巖，導(dǎo)向師下達(dá)增斜指令。在追層過(guò)程中，鉆至井深3 068.00 m，∑Fe2O3含量逐漸增大，最高增至16.95%，明顯小于頂板泥巖鐵質(zhì)含量，確定為底部泥巖，繼續(xù)增斜追層。鉆至井深3 145.00 m，SO3含量由0.01%上升為2.24%，元素總和由94.44%下降為54.08%，鉆遇煤層。該煤層元素總和明顯小于3#、4#煤層元素總和，故判斷該煤層屬于山23小層。鉆至井深3 162.00 m，Al2O3含量由18.02%下降為15.43%，SiO2含量由76.82%上升為83.38%，判定鉆遇砂巖，導(dǎo)向師放平軌跡。鉆至井深3 568.00 m，SO3含量由0.02%上升為2.20%，元素總和由93.79%下降為49.71%，鉆遇煤層，通過(guò)元素總和判定該煤層與井深3 145 m處煤層為同一時(shí)期煤層。鉆頭位置已經(jīng)處于砂體底部，現(xiàn)場(chǎng)增斜鉆進(jìn)。鉆至井深3 600.00 m，SO3含量由0.27%上升為2.12%，元素總和由92.58%下降為51.20%，鉆遇煤層，通過(guò)元素總和判定該煤層與3 568 m處煤層為同一時(shí)期煤層。鉆至井深4 010.00 m，Al2O3含量由13.50%上升為17.97%，SiO2含量由75.00%下降為68.54%，判斷鉆遇泥巖，K2O/CaO為1.89，根據(jù)元素標(biāo)準(zhǔn)剖面，判斷鉆遇底部泥巖。

該井水平段共鉆遇3套煤層，其元素總和介于47.58%～54.08%，與3#、4#煤層元素特征不同，判斷均屬于山23小層(圖11)。在S 59井水平段施工過(guò)程中，通過(guò)采用“元素參數(shù)地質(zhì)導(dǎo)向方法”取得了良好效果，砂巖鉆遇率達(dá)到90.26%。

圖10 S 59井基于元素參數(shù)著陸段軌跡跟蹤

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)鄂爾多斯盆地上古生界山二段致密砂巖地質(zhì)特征、元素特征及現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)向方法的深入研究，得出以下結(jié)論：

(1)通過(guò)元素參數(shù)，建立地區(qū)元素標(biāo)準(zhǔn)剖面，對(duì)研究區(qū)水平井著陸段小層對(duì)比、水平段軌跡追蹤具有重要意義。

(2)元素參數(shù)能夠解決隨鉆自然伽馬在地質(zhì)導(dǎo)向中的多解性難題，快速判斷鉆頭在地層中的相對(duì)位置，為導(dǎo)向決策提供重要參考。

(3)通過(guò)元素標(biāo)準(zhǔn)剖面，在水平段軌跡跟蹤過(guò)程中，地質(zhì)導(dǎo)向師能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地識(shí)別軌跡是頂出還是底出，快速調(diào)整井眼軌跡，提高儲(chǔ)集層鉆遇率。