河道沉积环境下可视化精准导航钻井技术

2018-12-25王明方李永杰王佳琦

石油钻探技术 2018年6期

王卫，王明方，李永杰，王佳琦

(1.中国石化石油工程技术研究院，北京 100101；2.北京科学仪器装备协作服务中心，北京 100089)

河道沉积地层由于受河流冲刷沉积的影响，地层分布不均，砂泥岩地层交互变化频繁[1]，依据地震数据和基于地层对比法[2-3]确定的地层关系无法反映地层实际情况,难以精准预测砂体展布,无法有效指导钻井施工，造成钻井施工时钻头进入泥岩地层，水平段优质储层钻遇率低[4]。由于地震数据分辨率低，无法精确反映河道沉积地层变化；地层对比是通过井与井之间连线来实现，无法反映连线之外位置的地层信息，而待钻井往往不会沿连线方向钻井，这就造成待钻井轨迹方向地层的不确定性[5-6]。如果一口待钻水平井周围已经有多口已钻井，那么该井地层已有了部分的已知性。在多井小层对比的基础上，可以融合地震的层面数据和测井属性信息，反演出待钻井周围地层的构造、岩性和含气性，形成地层的三维可视化模型，并提取地层导航剖面模型，准确、直观地预测地层情况。笔者基于上述技术思路,提出了一种以多井测井细分层为垂向地层约束、以地震层面为横向约束的井周地层反演技术，构建了井周地层可视化模型，实现了待钻井附近地层的精细预测，构建了精细导航模型，支撑了钻井施工参数优选，提高了水平段优质储层钻遇率。

1 可视化精准导航钻井关键技术

地层对比法是首先建立2口井或多口井间的小层对比图，查看层位关系[7-8]，确定层位变化；然后利用层面连接方法建立二维地质剖面，形成导向地层模型。海相地层由于地层沉积稳定，利用该方法建立的地层模型具有一定的实际应用价值；但河道沉积地层岩性变化快，建立的地层模型显得过于粗糙，往往出现严重偏差。

为了克服以上不足，在上述多井对比的基础上，首先将待钻井周围的地层从360°方位上反演出来，形成地层构造模型；然后采用适当的区域插值算法将地层的岩性、含油性信息融合到地层构造模型中，真实反映出地层的变化，达到井周地层的精细预测。对井眼轨迹所穿越的全套地层进行建模，形成三维地层模型，称为井周地层三维反演技术(见图1)。

1.1 地层精细预测技术

1.1.1 精细地层分层

要进行井周地层建模，首先必须要有支撑建模的原始样本点数据。测井曲线反映地层的特性，地层不同，测井曲线的形态也不相同，即测井曲线特征值是地层分层的重要依据,因此，可以通过邻井的测井曲线分层来获取地层建模的样本点。具体来说，对测井曲线进行特征值识别，将各井的测井曲线按照特征值的差异划分成不同的地层，确定地层的上下界面和特征数据。为了准确指导钻井施工，原则上尽可能地细分地层，一般应将厚度0.50 m以上的地层全部划分出来，以确保反演后的地层模型将与实际地层更为接近。分层时应将对应的层位标识出名称，以便在三维模型上能够标识并显示出各地层。

图1 井周地层反演示意Fig.1 Inversion schematic diagram of wellbore periphery

1.1.2 确定地层界面三维空间控制点

建立三维空间模型时，地层界面的深度数据是不能直接用来定位空间位置的。这是因为，从测井曲线上获得的地层界面深度是井深，由于钻井施工的复杂性，任何井都不可能被钻成垂直的井，会有一定的倾斜度，因此，井深不能反映它在地层的实际位置，需要对井深进行垂深转换和水平位移计算，才能够用来确定其空间位置。为此，测井时需要测量井眼每一个井深位置的井斜角和方位角，利用井斜数据和方位数据，加上井位坐标数据，参考设定的三维坐标系，采用最小曲率法即可计算出地层的垂深和水平位移，形成层位控制点。

1.1.3 地层层面构造模型建立

钻井施工中，需要采集目标层位的位置和走向等信息并进行分析，控制井眼轨迹向目标层位钻进,而层面构造建模型是实现这一目标的主要手段。通过构造建模，确定地层界面的走向，为钻井人员提供地层延伸信息，以便于调整井眼轨迹。构造模型准确与否，对钻井施工具有重要的影响，而建模算法则是实现这一要求的关键因素，因此，需要优选符合河道沉积环境特点的建模算法。目前，构造建模算法主要有克里金法和距离反比法。靳国栋等人[9]的研究表明，克里金插值法需要依赖全部样本点数据的贡献来确定权重，对于连通性较好的地层插值效果更佳；距离反比插值法虽然依赖于全部样本点的贡献，但估测点邻近的样本点对估测点的贡献最为明显，更适合用于井与井间的连通性具有不确定性的河道沉积环境下的地层构造建模。因此，采用距离反比插值算法来实现构造建模。

1.1.4 属性建模与地层可视化

属性建模是将测井曲线的数值采用插值算法与构造建模的构造网格一一对应地填充到构造模型中，使构造模型不仅反映地层的走向，还反映地层位置的特性(如伽马值、含油饱和度等)，形成三维化的地层模型。井间属性信息插值采用克里金法[10]。

为了更清晰地展示地层的岩性、自然伽马和含油(气)性分布，将岩性、含油性等信息通过颜色、岩性符号等标识显示在三维模型中，不同颜色代表自然伽马值(或含气量)大小(红色代表伽马值小，蓝色代表伽马值大，黄色为中间值；含气量则相反)。经过岩性和自然伽马值填充的地层模型能够更加直观地展现地层的特性，从而实现地层的可视化(见图2)。

图2 某井周地层三维属性建模结果Fig.2 3D attribute modeling results in wellbore peripheral stratum

1.2 地层层面地震约束校正技术

测井层位建模在井位较少时，横向控制较弱；当具有地震数据时，可用地震数据解释的层位数据约束层面延展性，以保障层面可信度。由于各井的层位数据与地震解释层位的差异不相同，因此不同井的地震解释层位的校正量不同。笔者采用趋势面算法将地震层位校正到测井层位，校正步骤如下：

图3 趋势面法井震拟合原理示意Fig.3 Schematic diagram of well seismic fitting principle by trend surface method

2) 建立研究区块的地震误差模型。根据步骤1)计算得出的研究区内所有ΔHi，建立层位趋势面，完成误差模型的建立。

1.3 钻井可视化导航技术

油气田采用水平井开发时，水平段在油气层中穿行的长度越大，将来可能开采出来的油气产量越高，经济效益也越高；钻井施工时，钻至水平段设计长度的时间越短，施工成本越低，因此，需要在满足钻井设计要求的前提下尽快钻至目的位置。为了实现这一目的，可以利用地质设计的水平段方位角θ(见图4(a))，采用三维模型的切片技术沿垂直方向切取三维模型剖面。如果地质设计的方位角是变化的，可以采用最小二乘法计算直线斜率，进而计算出切分三维模型的方位角θ。

三维模型的剖面直观展示了地层的位置、深度、岩性、自然伽马分布情况、地层倾角、走向及延伸距离(见图4(c))。

基于井位坐标、随钻测量的井斜角和方位角数据计算出当前井眼轨迹，并绘制在该剖面上，这样当前轨迹就与剖面建立了位置关系，钻井施工人员(如地质导向人员和定向人员)就能够直观地观察二者的关系，依据剖面确定钻进倾角，指导钻井施工。地层的三维化显示，不但可以为三维空间上分析地层特性提供支持，也可以为二维平面上导航钻井提供信息支持。

图4 可视化钻井地层模型Fig.4 Formation model of visual drilling

2 现场试验

JPH-X井是杭锦旗区块的一口水平井,水平段所在地层为河道沉积地层，由于受河流冲刷沉积的影响，地层分布不均，砂体变化频繁。该井3 861.00～3 955.00 m井段在钻进时进入了泥岩地层，无法钻出，为此进行了填井和侧钻施工。

为了掌握地层砂体分布特征，采集了JPH-X井周围14口井的地质和测井数据，包括井位坐标、井眼轨迹、自然伽马和声波时差等数据，并对所穿过的P2s、H3、H2、H1和T地层细分为29个小层；以上地层按照20.00 m×20.00 m进行网格化处理，利用距离反比插值法构建了三维地层构造模型，利用克里金插值法将自然伽马数据插值在空间网格中，形成属性数据体。沿钻井设计轨道方位166°对构造模型进行垂向切分，形成可视化地层模型(见图5)。

图5 JPH-X井实钻井眼轨迹Fig.5 Actual hole trajectory of the Well JPH-X

2.1 模型验证

将该井二开2 500.00～4 218.00 m井段数据沿井眼轨迹叠加到切面上(见图5中间窗口红色轨迹)，可以看出，井深3 800.00 m附近自然伽马值开始增大，显示泥质含量增大，井深3 840.00 m处自然伽马值已表现为泥岩特征，表明钻头已完全进入泥岩地层中；这与模型指示出的泥岩所在位置完全一致。以上分析表明，围绕该井进行的多井约束反演构建的三维地层模型能够直观、精细和准确地反映该井周围地层构造和岩性分布。

2.2 侧钻深度位置选取

三维地层模型剖面与二开井眼轨迹叠加结果表明，井深3 642.00 m以浅地层稳定，自然伽马值也较低，与录井数据联合分析后确定为砂岩地层；而在该深度之后，地层剖面显示地层泥质含量开始增大，自然伽马值也开始变大，确定为非优质储层。因此，选定该深度位置为侧钻点，作为三开井段的起始深度位置。

2.3 地质导向侧钻

该井随后的钻井施工显示自然伽马曲线的变化情况与三维地层模型剖面的岩性变化规律基本一致，因此，始终依据该剖面图确定钻进倾角，指导钻井作业，用时 4 d完成了3 642.00～4 218.00 m井段的钻进施工，侧钻水平段长576.00 m，砂岩钻遇率100%。三开钻井施工结果进一步验证了三维模型的准确性，也说明多井反演技术能够更准确地反映地层真实特征。