地质导向软件发展现状、趋势及国产化建议

2020-02-18房超项德贵赵庆杨光陈朝伟蒋宏伟李牧

石油钻采工艺 2020年4期

房超项德贵赵庆杨光陈朝伟蒋宏伟李牧

中国石油集团工程技术研究院有限公司

随着我国非常规油气勘探步伐的加快，水平井的钻探逐渐成为主流。非常规油气藏具有储层非均质性强、甜点厚度薄等特征［1］，水平井能有效增加井眼轨迹在储层内钻进的长度，不但扩大了泄油气面积，而且便于后续储层改造，增加单井储层动用程度［2］。因此，控制钻井轨迹以提高钻井储层钻遇率对提高油气采收率具有重大的经济效益。

随钻地质导向技术是精细控制钻头定向钻进的前提条件。地质导向井下随钻测量工具能够采集地下钻井、地质参数信息，地面系统中地质导向软件对收到信息进行处理分析并指导下一步钻进。地质导向软件对轨迹控制起到“大脑”的决策作用，借助随钻数据，能够分析钻井轨迹与地层接触关系，掌握井眼轨迹与储层空间分布情况，实现水平井准确着陆和提高储层钻遇率。由此可见，地质导向软件是工程和地质人员作出钻进决策的重要帮手，是提高储层钻遇率以获取经济效益的关键工具。

1 国内外地质导向软件

1.1 国外地质导向软件

1992 年Schlumberger 公司首次提出地质导向概念并研制出了能够测量深浅电阻率、自然伽马的地质导向随钻测井工具［3］，随后Halliburton、Baker Hughes、Statoil 等公司相继研制出各自的地质导向工具及配套地质导向软件［4-6］。20 世纪90 年代末期，地质导向工具基本具备近钻头测量井斜、方位、方位性伽马和电阻率等功能，在数据支持下，地质导向软件可分辨当前钻进地层及断层裂缝发育情况，明确井轨迹与储层的空间关系，判断钻头行进与储层顶底界面关系［7-8］。进入21 世纪以来，测量工具实现了储层探边功能，探测数据分辨率和传输速率不断提高，地质导向软件可以实时定量判断与储层边界的距离。随着地质—工程一体化理念的深化应用，一体化的地质导向软件实现了三维储层建模及钻井可视化等功能，能够辅助导向工程师直观精确地控制钻头定向钻进［9-10］。近10 年，在测量深度和精度、传输速度、稳定性等条件保障下，地质导向软件具备了随钻高分辨率伽马、电阻率成像技术和三维地质导向模型实时更新等功能，大幅度提高了井轨迹控制水平和储层钻遇率［11-13］。

1.1.1 Schlumberger 公司Geosteering 软件

Petrel 平台Drilling 系统软件中的Geosteering子软件，能够与Schlumberger 研发的系列化测量工具配合，以建模-实时数据与导向交互-模型更新的方法实现地质导向。通过建立三维地质导向模型，综合分析随钻地球物理和地质数据，调整更新解释方案和地质模型，保证井轨迹始终处于储层内部。在整个过程中，地质导向工程师通过软件能够在三维空间显示地层界面、井轨迹、钻井目标，以及沿轨迹的测井曲线和反演出的三维图像等［11］。经过20 多年的发展，3 项核心技术已经形成：以井筒电阻率、伽马、密度成像为基础的地层倾角拾取技术，解决了地层视倾角真倾角难判别、井眼轨迹与地层切割关系难判断、地质导向模型预测误差大的问题；以多间距多频率电阻率曲线及方向性测量为基础的边界探测技术，探测距离达7 m，解决了构造和储层突变区地质导向出层风险大、潜入油水层过早造成水淹等问题；以超深探测方向性电磁测量为基础的随钻储层成像技术，成像距离达33 m，解决了勘探程度低区域构造、储层和流体界面不确定性大、地质模型精度低等问题。

Geosteering 软件应用在全球水平井地质导向领域都取得了突出成果。例如，澳大利亚Exmouth 盆地油层薄，通过井筒电阻率、伽马、密度成像提高了水平井轨迹周边分辨率，细化了砂体展布，依靠地层倾角拾取技术判断了储层倾向，在此基础上作出井轨迹调整，实现了薄油藏经济开发［14］；阿拉斯加Nikaitchuq 油田砂泥岩薄互层发育，利用Geosteering软件进行井周三维地质模型建模，在储层探边技术的支持下，明确了储层规模和分布情况，保障了油气藏钻探效果［15］；意大利南部碳酸盐岩油气藏开发程度低、构造岩性复杂，凭借Geosteering 随钻储层成像技术，获取井周远距离数据，建立了三维构造油藏模型，并基于此作出轨迹调整决策，克服了构造岩性复杂等困难，避免了油气钻探失败［16］；中国川南地区页岩厚度薄、构造复杂、地层倾角变化大，实钻井轨迹易出层和脱靶，依靠Geosteering 软件分析随钻伽马数据，准确识别标志层和微构造，合理调整入靶前井斜角，确保井轨迹位于箱体内部，对现场27 口完钻井进行统计，优质页岩储层钻遇率达95.75%［17］。

1.1.2 Halliburton 公司RoxC 和Stratasteer 软件

Halliburton 公司针对其系列化测量及导向工具，最新研发了RoxC 地质导向软件［18］。RoxC 能够在钻前同时分析多口邻井数据，建立三维地质模型，划分标志层空间展布，准确判别轨迹与标志层交点。钻中利用井下Earthstar 工具探测的多种类型测井参数实时数据，快速计算并反演高分辨率的三维储层地质形态，准确构建井周69 m 范围内三维地质模型。在三维模型下，可展现360°井周的储层边界及油藏边界，借助方位电阻率成像，作出下一步地质导向方位决策。在精细的可视化三维储层模型下，通过3 个模块完成精准地质导向：Geostopping模块控制着陆点的选择；Geosteering 模块实时决策，保证最大化穿过储层；Geomapping 模块展示井眼周围储层及流体界限及位置。RoxC 还提供了钻后数据综合分析功能，优化地质模型，形成定向钻进参数模版。Stratasteer 软件与RoxC 软件相比，功能有所简化，操作更为便捷，基本具备钻前三维空间下井眼轨迹设计及优化，钻中分析多种类型随钻测井数据并进行地质导向，钻后数据分析优化地质模型等功能［19］。

Halliburton 地质导向软件在解决油藏二次开发及分辨油水边界等问题上应用效果较好。北海油田注水开发后，油藏分布预测难度大，借助RoxC 软件在实钻过程中进行地质油藏边界分析，准确识别了油藏分布及油水边界情况，及时做出井轨迹调整，在降低成本的前提下最大化钻穿油气藏［18］。

1.1.3 Baker Hugus 公司RNS 软件

RNS 软件是Baker Hugus 公司打造的专门与其测量、导向工具相配合，进行定向钻井服务的地质导向软件［20］。RNS 软件能够在钻前建立综合的三维地质模型，并能考虑到设计轨迹对于入井工具的可操作性。钻井过程中借助测量工具，可以快速、交互式反演井周三维储层模型，可控井周远程边界范围达33 m。通过实时更新数据来生成图像，实时计算距储层顶底边界的距离和视倾角，从而对钻头前方的地质模型进行模拟预测，改进定向钻进决策，使钻头能够最大程度在产层中钻进。

RNS 软件在地质导向过程中具备强大的实时数据反演功能，尤其在断层发育区能够根据井下工具造斜能力与两盘储层断距情况，综合进行井轨迹的修正。尼日利亚浅海古近系油藏勘探程度低，对构造认识不清，储层由分散浊积砂体和叠置水下河道砂体组成且被多条断层分割，受地震分辨率影响，储层识别和钻遇难度大。RNS 软件凭借实时数据，反演了断层两侧薄层砂体展布情况，结合工具造斜能力测算，进行井轨迹修正，保证了突发情况下实现储层钻遇率最大化［21］。

1.1.4 Rogii 公司StarSteer 软件

StarSteer 软件具备极强的兼容性，可与主流公司测量和导向工具进行匹配，开展地质导向工作［22］。软件主要分为建立参考井关系、地质导向、地图和网格显示等模块，通过建立实钻与参考井关系，进行二维井轨迹剖面建模，对比模拟曲线与实钻曲线耦合程度，修正地质模型，形成井数据测量与地质模型交互更新关系，从而指导定向井钻进。基于最新一代的程序开发技术，该软件革命性地提出地层“真厚度”理念，配合多通道MD/TVT 测井曲线显示功能，极大地提高了水平井地质导向储层钻遇率和钻井效率。

Starsteer 软件在昭通国家级页岩气示范区地质工程一体化建产开发过程中取得了较好的应用效果。受地震资料品质限制，页岩气储层甜点区构造形态不确定性高，同时实现工程和地质目标难度大。Starsteer 软件结合邻井资料，建立参考井和实钻井连井地层剖面，着陆前通过调整入靶位置降低工程难度，水平段通过对比GR 测井曲线进行轨迹优化，实现长水平段储层甜点钻遇率［23］。

1.1.5 Emerson 公司Paradigm Sysdrill 软件

Paradigm Sysdrill 软件中Geolog Geosteer 模块能够兼容多家公司测量及导向工具，实时对井轨迹和地质模型匹配情况进行监测和交互式修改［24］。在定向钻进过程中，Geolog Geosteer 模块与Paradigm Sysdrill 软件的其他模块协同作业：Geolog、SeisEarth和SKUA 模块提供钻前及钻中的建模支持，OpsLink 模块提供实时数据导入，Epos 模块辅助将各个模块进行串联。Geolog Geosteer 拥有集成化的岩石物理、地质、地球物理和钻井信息，配合其强大的随钻测井解释能力，即使是复杂井周环境，也能在储层中控制井眼轨迹合理钻进。

1.1.6 Scientific Drilling 公司的Sci-Steer 软件

Sci-steer 软件利用地震解释成果建立三维地质模型，通过可视化窗口决策储层钻进的最佳位置，从而降低风险。

1.2 国内地质导向软件

和国外相比，国内针对水平井地质导向钻井工具及相应配套软件的研究起步较晚，仍处于探索阶段。目前，国内水平井地质导向软件主要是通过建立三维地质框架下的二维地质模型，并对比模型下正演得到的模拟测井数据和随钻实测数据拟合率进行地质导向：当二者匹配较好，说明模型和轨迹的关系真实反映了地下实际情况，继续钻进即可。当两者拟合程度差，说明模型和地层真实情况不符，需要采取改变地层倾角、目的层厚度，考虑断层和夹层等方式，调整地质模型，并相应修正井眼轨迹后继续钻进，从而提高储层钻遇率。在三维地质精细建模和随钻测量数据沿轨迹三维地质特征成像及分析方面，国内目前与国外还有一定差距，难以作出定量化轨迹控制决策，尤其是面对非常规储层、薄储层及非均质储层，难以保证较高的储层钻遇率。

1.2.1 川庆钻探工程公司

川庆钻探工程公司开发出一套集地质、地球物理、钻井为一体的地质导向软件系统，拥有综合地质研究、三维地质建模、轨迹设计、随钻跟踪评价和远程传输的一体化地质导向技术，可实现钻前模型建立、随钻数据模型修正和三维可视化钻井等功能［25］。其中建模技术包括三维地质建模、测录井数据建模及地质导向建模；随钻跟踪解释评价技术包括数据同步采集与传输、实时轨迹跟踪、随钻曲线跟踪、跟踪预警以及随钻解释评价；一体化远程导向技术主要包括远程传输一体化地质导向平台和三维可视化。

软件初期版本在川东北地区水平井钻探中取得了较好的应用效果，为国产化地质导向软件应用起到了一定的推广意义。针对川东北地区构造起伏大、储层非均质强、国产测量仪器盲区长等问题，利用该软件分析地震和邻井测井数据，建立了先导地质模型，开展了随钻测井与邻井测井对比，确保了轨迹合理着陆，实现储层钻遇率85.02%［26］。

1.2.2 胜利油田

胜利油田钻井院开发了基于随钻自然伽马、电阻率和电磁波测井的实时解释和地质导向软件［27］。该软件在钻前水平井井眼轨道设计和井眼轨迹控制的基础上，增加了钻井现场实时数据资源共享和远程实时决策、LWD 曲线实时显示、导向测量参数随钻解释、待钻井眼轨道校正设计及三维可视化等多项功能。通过钻井现场数据实时回传、随钻数据解释、三维井轨迹显示、后续作业指令下达，实现地质导向作业。

利用该软件完成水平井地质导向作业近千口，其中薄油层水平井地质导向作业上百口，钻探最小有效油层厚度达0.8 m，为薄油层和油层顶部剩余油等复杂油气藏开发提供了技术支持［28］。

1.2.3 中国石油大学(华东)

中国石油大学(华东)初步实现了三维井眼轨迹可视化及随钻解释功能，帮助解释人员在三维空间实时对比设计轨迹与实钻轨迹差别，掌握沿井轨迹方向地层性质的变化，全方位考察井眼轨迹与地层的三维空间接触关系，指导定向钻进［29］。利用青海油田高43 区块高43-平3 水平井数据进行测试，测试结果与现场实钻结果对比符合率较好。

1.2.4 西部钻探工程公司

西部钻探工程公司初步开发了地质导向软件，满足三维井轨迹视图和地层视倾角调整等功能［30］。

1.2.5 西南石油大学

西南石油大学编写的水平井地质导向随钻解释软件由数据库管理、实时地层划分和实时地层对比等模块组成，能够在着陆前锁定标志层、着陆后实时地层对比更新地质模型，为地质导向提供指导依据［31-32］。

2 地质导向模块和算法

地质导向是地质和工程的结合，水平井不仅需要“工程中靶”，而且要保证“地质中靶”。已钻井钻、测、录井数据及区域地震数据相结合建立的三维地质模型是钻前初始井轨迹设计的基础，钻中着陆段标志层识别是顺利钻入储层的保证，水平段随钻数据解释和井周三维地质体重构是地质导向技术的核心。

2.1 钻前三维地质建模及轨迹设计

2.1.1 三维地质建模

三维地质建模起源于1993 年，现今主要分为线框表达模型、表面表达模型、实体表达模型以及混合表达模型，其中表面表达模型是当今主流［33］。为解决建模过程中井间数据不足问题，1989 年Mallet 教授提出了“离散光滑插值法”来增加模型准确性［34］，随后，样条插值法、反向距离插值法［35］、Kriging 插值法等方法［36］也被不断提出。在建模初期，普遍采用确定性建模方法来建立地质模型，但该方法忽略了储层的非均质性。H.Haldorsen 等［37］将地质统计学方法引入建模，在沉积岩石学、层序地层学和储层地质学等理论指导下进行储层地质模型预测，完成了确定性建模向随机性建模的转变。针对随钻测井和测量数据，开发了通过LM 算法优化的神经网络BP 算法［38-39］，该算法建立的三维地质模型能够更好地预测井轨迹的自然伽马和电阻率值［40］，对与实钻数据进行对比具有重要意义。

2.1.2 井轨迹设计

井轨迹设计应在满足勘探开发部署、钻井及采油技术等要求的基础上，尽量选用形状简单、易于施工的轨道形状，以实现安全、优质、快速、低耗钻井。为实现以上目标，轨迹设计主要基于直线模型、斜面模型和柱面模型3 种数学模型，其中斜面模型应用较广，其主要算法有圆弧法、最小曲率法和弦步法，最小曲率法凭借计算步骤少、公式简洁等特点成为最常用的算法［41］。随着轨迹设计智能化的发展，形成了模式搜索、SQP 算法、遗传算法等先进的算法［42］。轨迹设计时，要充分考虑井轨迹与地层、钻完井工具等因素的约束与限制，提高轨迹设计合理性［17,43］。

2.2 钻中着陆段标志层识别

选取储层上部具备特殊识别特征地层作为标志层，利用先前地震、测井建模成果，初步锁定标志层位置。钻进过程中，以上部地层厚度、地层组合邻井对比等方法预估距标志层深度，以小波变换和小波多分辨率分析对随钻测井数据进行处理［35］，采用随机森林算法、灰色关联分析法等方法建立测井数据与岩性的对应关系，快速解释岩性。在准确判别岩性的基础上，以层序地层学理念为指导，利用极值方差自动分层方法［27］，完成层位智能划分。引入中值滤波法和有序元素最佳匹配法［31］，验证地层划分的可靠性，消除岩性尖灭、构造突变造成地层重复所带来的影响。对已划分地层，基于CBR(Casebased Reasoning)理论，结合标志层特征，进行人工智能区域标志层识别。进入标志层前，利用稳斜探顶法和快速增斜法来控制井眼轨迹实现准确着陆［31］。

2.3 钻中水平段模型修正及轨迹调整

模型修正和轨迹调整的核心是保证井轨迹始终处于储层中，其关键在于对真实地质情况的充分认识，对钻头进入目的层时地层倾向、倾角和厚度的正确判断，对目的层顶底界面及其与钻头之间距离的精准判别。目前，地质模型的修正主要可分为两类，一类是通过随钻多源数据探测，建立井轨迹周边真实的三维地质情况来修正地质模型；另一类是在先导模型的基础上，模拟井轨迹测井曲线，将模拟曲线与随钻测井曲线进行比对，在过井轨迹剖面模型上进行校正。两类方法都是在模型迭代修正后，对井轨迹作出调整。

2.3.1 三维可视化的实时模型更新

为了全面发挥随钻数据的作用，可以利用信息融合方法将随钻测井、随钻测量和随钻地震数据整合，提高修正三维模型可信度。融合方法主要分为随机型、最小二乘型和智能型3 大类，随机模型融合主要有D-S 证据理论、Bayes 推理、加权平均法和递归算子等方法，具有直观、易理解、计算量小等优点；最小二乘模型融合主要有Kalman 滤波、最优理论、极大似然估计和加权平均等方法，具有信息损失比较少的优势；智能型融合包括神经网络法、模糊逻辑法、粗糙集理论、聚类分析法、支持向量机、小波分析理论、人工智能和遗传算法等方法，其优点是对象先验信息的要求较低或零要求［36］。

在三维模型更新过程中，形成了地层倾角判断、方向性测量和储层探边3 项井轨迹周边地质特征分析的关键技术：(1)通过电阻率、密度和伽马成像判断轨迹与地层交切关系，推断地层倾角；(2)对方位伽马、电阻率数据进行成像处理或利用模糊数学、神经网络等数学方法分析，判别储层“甜点”层界面；(3)依靠定向电磁测量(EM)工具获得超深方位电磁数据，借助“探层测距”物理及数学模型进行成像处理，形成储层探边技术，同时在充分挖掘随钻数据和井轨迹周边分析先进技术支持下，形成三维可视化储层模型修正方法。

2.3.2 基于模拟曲线与实钻曲线对比的模型更新

将地质模型、井轨迹、数值模拟和随钻数据相结合，在先导地质模型下，利用邻井实钻数据模拟本井沿轨迹测井参数曲线，将模拟曲线与随钻曲线进行对比，根据符合率作出地层倾向、倾角、断层调整，更新地质模型［23］。

3 软件国产化建议

目前，国外钻井-地质软件呈现出平台化、科技化、一体化等特征，已实现了平台软件对地质导向软件的直接支持，且地质导向软件开发的特色技术能够保证井轨迹控制的准确性。国内地质导向软件还面临着如下亟待解决的问题。

3.1 提高平台集成化和开放化水平

搭建开放式构架与集成化平台，创造一体化环境。软件外部从数据管理与转换、模型曲线的正反演模拟、图形加载与绘制，到与地质模块、地球物理模块、钻井模块等实现功能上的集成，并为软件使用的协同工作方提供入口，为国内外软件或程序提供通用接口，促进成果共享。内部以内聚性和耦合性为原则，进行组件式开发，主平台根据需求组织系统结构，支持各模块与外接软件共享数据和运算成果，实现能效的集成，将地质导向业务实现数字化。

3.2 获取实时多源数据

地质导向软件搭载WITSML 等井场实时数据传输功能，实现数据接口和信息交换模式标准化，保障软件与油田公司实时数据传输。为软件远程进行实时数据模型更新、地质导向决策分析、地质导向命令下达提供多源数据支持。

3.3 增加科学化模型

通过对模型和解释方法探索，攻克国外已经具备的先进导向控制技术，如以井筒电阻率、伽马、密度成像为基础的地层倾角拾取技术，以电阻率曲线及方向性测量数据为基础的边界探测技术，以方向性电磁测量数据为基础的随钻储层成像技术。

3.4 三维可视化表达

探索实现地球物理以及钻井地质数据支持的区域三维可视化建模，随钻数据支持的精细化井轨迹周边三维可视化建模。通过静态、动态建模相结合，建立三维可视化场景，辅助科研人员对轨迹优化作出直观判断。

4 软件发展趋势分析

综合以上国内外软件发展应用现状以及地质导向主要模块、算法研究情况，认为地质导向软件的发展趋势有以下几方面。

4.1 多源信息高速处理

随着探测工具的快速发展，探测数据类型和采集精度不断提高，这对地质导向软件的数据处理、整合、反演和解释能力都提出了新的挑战。在处理数据时，需要发展更科学的数据组织和管理模式，提高数据库查询和统计效率；探索更科学的算法模型，增强实时处理能力和多种类型数据的整合能力；优化完善多源大数据的应用形式，对获得信息进行更准确、高效的表达。

4.2 地质-钻完井工程一体化

地质理论能够较为系统地应用于静态地质模型，但动态地质模型仍缺少地质认识作为基础。利用随钻数据进行模型更新的过程中，依然以岩性和孔渗发育程度识别为主，不具备根据岩性反映岩相时空分布、孔渗反映储层三维展布相应模块和算法支持。由于地球物理数据多解性较强，缺乏理论指导导致模型缺乏合理性。在随钻模型更新模块下，针对三大岩类，增加构造地质学、层序地层学、沉积岩石学及储层地质学分析方法为基础的模型和算法，有助于提高精细储层动态模型预测的准确性。地质模型更新后，井轨迹修正与井壁稳定性分析相结合，有助于提高水平井钻井安全性，轨迹修正与井下工具造斜能力、套管强度、套管下入阻力校核是减少钻完井复杂的保障，配合钻头与地层岩石力学分析模型，有助于不同地层中井轨迹控制与优化。

4.3 机器学习、人工智能实时辅助决策

人工智能已经成为科技发展、技术进步的新动能，地质导向软件中人工智能的应用必将极大地提高决策效率与质量。利用已有的钻完井数据，筛选出地质导向需要的关键数据，根据地质导向场景分类后进行神经网络训练，搭建智能决策平台，形成人工智能判断方法。在标志层识别、随钻与实测曲线分段对比、地质模型更新等需要经验判断操作中，由软件自动给出决策建议，之后人为对结果进行修正，将大幅度提高地质导向的决策时间和判断准确性。