井震信息融合指导钻井技术

路保平，袁多，吴超，侯绪田

（中国石化石油工程技术研究院，北京 100101）

0 引言

准确预测地层岩性、倾角、缝洞、断层等地质特征，快速描述钻井地质环境因素（岩石可钻性、钻速方程基础数据、岩石力学参数、地层压力等），对科学钻井设计与高效钻井施工有着十分重要的意义[1-2]。多年来众多学者与工程技术人员在地质特征和钻井地质环境因素的预测与描述方面开展了大量研究，提出了一些较为系统的理论与方法[3-8]，其中最常见的为钻井前基于地震资料与邻井地质、钻完井、测录井等资料的预测描述方法和钻井过程中基于实测的钻井、测录井等资料的预测描述方法。钻井实践证明由于地震速度建模过程中存在多解性[9]、地震速度与偏移成像剖面的误差以及邻井资料外推到设计井存在的误差，导致钻前描述预测精度偏低，制约了钻井设计的科学性与实用性；钻井施工过程中因仅能实现已钻地层而无法实现未钻地层的地质特征、钻井地质环境因素的预测与描述，对钻头下方待钻地层实施优化钻井的指导意义不足。为此斯伦贝谢公司研发了地震指导钻井（SGD）技术，利用随钻VSP（垂直地震剖面）仪器实时获取一维地震速度等数据为约束条件，进行井约束的层析地震速度建模与井周小范围内叠前地震资料的重新处理，实现钻头前待钻地层部分地质特征与孔隙压力的随钻修正预测[10]，大幅提高精度，并在指导墨西哥湾深海等地区的钻井施工中取得了较好的应用效果[11]，同时在国内某油田也进行了应用，优化了井眼轨迹控制，提高了碳酸盐岩储集层的钻遇率[12-13]。但该技术必须配备高端VSP 等价格昂贵的随钻仪器，且描述的钻井地质环境因素种类较少，在低油价的大环境下，国内外并没有广泛应用。

为了实现安全、优质、高效、低成本钻井的目的，本文综合考虑国内技术现状、井筒数据状况与技术需求，以指导待钻开地层优化钻井施工为核心目标，建立利用钻井过程中实测的常规测井与录井信息为约束条件的地震速度随钻更新技术，以其为基础重新对井周小范围内的地震资料进行深度偏移成像，实现钻头前方特定井段的地层特征与钻井地质环境因素的实时预测与描述，拓展地质特征预测与钻井地质环境因素描述的范围，提高预测描述精度，为钻井措施的实时优化提供较为全面的前视信息，形成井震信息融合指导钻井技术。

1 技术方法流程

井震信息融合指导钻井技术能较好实现全方位指导优化钻井施工，具体工作流程（见图1）为：①钻前阶段。以设计的井底位移为中心收集井周小范围内（一般为井底位移加3 000～5 000 m）的叠前共中心点地震道集数据与邻井地质、钻井与测录井资料。处理地震数据与邻井资料实现地层地质特征与钻井地质环境因素的初步预测与描述，分析可能出现的工程风险，据此进行钻井方案优化与钻井设计。②钻进阶段。实时获取已钻地层实测数据（主要包括常规测井与地质层位等井筒资料，有随钻测井与随钻地震数据更好），以其为约束条件，更新井周小范围地震速度模型，并对相关叠前地震数据进行重偏移成像处理，实现钻头前待钻地层的地质特征与钻井地质环境因素的精确预测与描述，预报钻头前可能出现的复杂问题。用预测描述的有关地层信息科学地指导套管鞋下入深度、钻头型号选择、钻进参数的优选与复杂情况预防等工艺措施的制定，必要时修改钻井工程设计，以达到安全、高效钻井的目的。考虑到钻井的时效性，要求地震速度模型的修正更新、地震资料的重新处理以及待钻地层地质特征的预测与钻井地质环境因素描述应在24 h左右完成，浅井井段及易钻地层时间可适当缩短，深井井段及难钻地层可适当延长。③完井评价阶段。完井后对实际钻井资料、地质录井资料、完井测试资料与预测的地质特征、钻井地质环境因素描述资料等进行分析评估，不断修正、优化技术方法。

图1 井震信息融合指导钻井技术总体技术流程

2 关键技术

井震信息融合指导钻井技术主要包括已钻井段地震速度更新、待钻地层地震速度预测、待钻地层地质特征预测与钻井地质环境因素描述3 项技术。

在参加这次哈佛管理课程之后，我认识到了这种现象的出现固然与公司的体系与氛围有关，但如果双方都有着足够的沟通意识和技巧，对此类问题会有极大的促进作用。

图2 为典型井数据分布结构图，井轨迹分成3 部分，红色实线表示缺少测井数据的浅层井段，蓝色实线表示已测且有常规测井数据的井段，黑色虚线表示待钻井段；相应可将地下划分为区域1、区域2 和区域3，其中区域1 和区域2 为已钻区域，区域3 为待钻区域。

图2 井震信息融合指导钻井技术数据结构示意图

为了提高待钻地层地震速度的预测精度，必须对已钻井段的地震速度进行修正更新。传统地震速度建模技术采用网格层析反演方法统一更新3 个区域的速度信息[14]，添加测井速度先验信息也多采用限制井轨迹处层析网格速度更新量的模式[15-17]，该类方法更适用于大范围三维地震速度建模，计算效率较低且对局部目标反演精度较低。为了在较短的规定时间内完成所钻井井周范围内的速度更新与精度提高，提出采用测录井信息与地震信息相结合的速度更新技术，更新计算简便高效。

该矿体为浸染(星点)状辉钼矿，矿体呈灰白色—浅肉红色—褐红色，地表出露长度为142 m，厚度1.72～2.86 m，产状310°∠69°。矿体规模不大，沿走向露头不好。矿石金属矿物主要有黄铁矿、褐铁矿、辉钼矿、钼华，蚀变主要为硅化。脉石矿物主要为二长花岗岩及碎裂石英岩。围岩为二长花岗岩，矿体与围岩界线不明显，沿矿体两侧围岩产生钾化、硅化蚀变。矿石钼品位0.038%～0.137%。

2.1 已钻井段地震速度更新

2.1.1 浅层地震速度修正更新技术

A 井测井井段涵盖较全，因此仅采用二开井段声波测井数据（未使用录井层位信息）重构获得如图4所示一维地震速度约束信息。按照随钻地震速度快速更新技术，以图4b 中所示速度为基础，运用构造约束插值并与原始地震速度融合（权重10%）得到已钻地层（二开以上）的新速度模型。

浅层一般不进行测井作业，在缺乏测井数据的情况下，采用录井层位与地震解释资料相结合的方法修正更新浅层地震速度。假设浅层区域内存在n 个地震解释层位，从上到下分别标记为1，2，…，n，可采用从上到下逐层方式更新一维速度。假设在一层内速度存在常数倍的误差且地震解释的层位时间位置等于真实层位的反射波旅行时，则区域1 内第M 层速度更新方程如下：

(2)规模化集约化效益明显。河北省在“矿产资源整合”、“露天矿山整治”等专项行动中关、停、取缔了一些高耗能、低产出，开采技术设备落后、污染重、规模小的矿山企业；关小促大、保优压劣促使矿业结构进一步优化，“三率”提高，矿山企业规模化集约化效益明显，这是河北省矿山企业健康发展、创新发展和绿色发展的开端。

速度的更新过程为递推过程，即首先以地表为起始，递推计算后续层位中的参数。通过上述步骤可获得更新后浅层区域内的一维速度，更新后的速度可使地震成像深度逼近层位的真实深度，从而为区域2 和区域3 的速度更新提供更为可靠的基础。

2.1.2 声波测井资料重构更新已测井井段的地震速度

融合的方式为：利用Gabor 变换将地震速度基准模型和地震速度插值模型分别转换到波数域，在波数域进行融合，然后利用Gabor 逆变换转换回空间域，最后得到已钻区域更加准确的地震速度模型。由于测井通常只在某一个深度范围内进行，这会造成没有测量的深度区域或者井分布很少的区域速度可靠性不高。常规傅里叶变换为全局变换，不能进行分段融合匹配处理。Gabor 变换是一种多尺度时频分析技术，能够得到时间信号的时频谱，在时频域进行融合匹配处理，可以更精确地对速度模型进行融合匹配，得到精度更高的地震速度模型。

2.1.3 地质构造约束建模技术

将前述方法获得的最新一维地震速度进行拼接融合，两种速度重叠区域以已测井区域的一维地震速度模型为准，拼接而成的曲线为更新的已钻区域一维地震速度模型，而后将其扩展至三维空间。已钻井段三维速度建模是一个空间插值问题，诸多插值算法均可直接应用，但不同插值算法得到的结果差异很大，经过反复试验，偏微分方程中的椭圆方程插值算法[18]精度最高。地质构造约束建模技术具体流程为：①从偏移剖面中提取地质构造特征，利用张量表示地质构造，便于应用到插值过程中；②采用偏微分方程中的椭圆方程实现构造约束插值；③对插值结果进行构造约束平滑，去除插值中可能引入的假象。

乙组神经阻滞起效平均时间为（10.2±1.7）min，甲组为（13.8±2.6）min，组间差异明显，有统计学意义（t=4.032，P=0.031＜0.05）。

2.1.4 多速度信息融合技术

在获得已钻区域插值更新地震速度模型后，需将其与原始基准地震速度模型融合形成最终已钻井段的地震速度模型。传统地震勘探建立的基准地震速度模型具有分辨率低的特点，将其与插值更新地震速度模型相融合可借助测录井中的高分辨率信息，改善地震速度模型的分辨率与精度。由于基准速度模型尺度大，范围广，在较大的范围内均具有一定的精度，而测井获得的速度在测量的井筒附近精度较高，随着离井距离的增加，其可靠性降低较快。设定融合的原则为越靠近井轨迹，插值更新地震速度模型在融合过程中的权重越大。

声波测井获得的地层速度信息分辨率较高，但这种高精度速度信息与地震速度存在尺度差异，为了更好地将其应用于地震资料的处理中，需要对声波测井数据进行低频分量重构。首先利用具有保边界特征的中值滤波来消除声波测井中的异常值并一定程度地降低声波测井速度的尺度，然后再利用高斯平滑方法，通过尺度因子调节测井速度的尺度，使其与地震尺度一致，从而完成已测井段地震速度的重构更新。

2.2 待钻地层地震速度预测

为了提高地震速度建模效率，待钻地层采用参数简化的快速随钻层析技术。与常规的层析偏移速度分析原理类似，该方法同样利用了成像道集的剩余曲率更新速度参数，但从两个方面提高了层析效率：①已钻井段的地震速度信息已通过前述方法获得（图2 中区域1 和区域2），这里只更新待钻地层的地震速度参数；常规层析技术更新整个区域的速度参数，随钻层析技术则针对待钻区域（见图3），通过该种方式可大幅减少模型参数的数量，提高效率；②钻前速度分 层描述，分层可与地震解释的层位一致，如果地震解释的某些层位太厚，则将其分成多个层位描述。

图3 常规层析技术和随钻层析技术差异示意图

地质特征包括地层产状、构造、岩性、流体等属性，钻井工作者最关注的地质特征包括层位、岩性、地层倾角、断裂带、不整合面、缝洞体等。利用更新后的待钻地层地震成像体数据，提取地震体的倾角方位角属性[20]，并以其为约束条件提取地震体的相干属性[21-22]，可较为准确地预测待钻地层倾角、判断断层与裂缝带的存在及其位置，利用常规地震解释方法可预测与修正待钻地层层位、岩性等地质特征，减少相关误差。

（2）式需要界面的真实深度参数，而该参数无法直接获取，为了消除该限制，建立另一个反射角度的射线慢度扰动和深度误差的关系：

在更新区域通过（2）式与（3）式之差建立层状介质假设的层析方程为：

用于评估儿童睡眠问题的工具很多，从简单的门诊问诊到复杂的多导睡眠监测，儿科医生可以需要根据不同的诊疗环境及儿童睡眠问题的特点针对性地进行选择。

A 井实践表明井震信息融合指导钻井技术在钻井实时优化指导方面作用明显，潜力巨大，具有广阔的应用前景。

（4）式为成像道集上单偏移距信息所构造的线性方程，由成像道集上不同偏移距（即不同反射射线角度的成像数据）信息可以构建一个线性方程组，即层析方程组。通过求解层析方程组可得到每一层的模型参数c0和c1。然后可采用下式对速度进行更新：

2.3 待钻地层地质特征预测与钻井地质环境因素描述

以某待更新层为例推导相应的层析方程。深度域共成像点道集层析速度反演中慢度扰动与深度误差的关系[19]如下：

根据原因制定组合干预措施,包括:①开展全院手卫生培训,强化手卫生意识。②走廊、床旁等地方增设手卫生设施。③科主任及护士长每周一晨会亲自演练七步洗手法,强调手卫生。④将手卫生依从率纳入到院感质控中单独立项。

他上去以后，我用语言重复了一遍他的行为，从开始爬不上床，到后来我跟他一起努力想办法成功上去，包括他开心的状态都描述出来了，希望这样培养他思考解决问题的意识，同时也是很好的语言输入。

随着正钻井的不断加深与地震速度模型的修正更新，对待钻地层的地质特征和钻井地质环境因素的预测与描述精度会显著提高。基于预测的地质特征、描述的钻井地质环境因素与预报的钻头前地层可能出现的风险，钻井技术人员可以有针对性地制定有关技术措施，优化钻井参数，调整钻井方案，避免或减少复杂故障，提高钻井效率、降低钻井成本。

其一，在妥协中相安无事。办理接收事宜比较稳妥的当属教育部。4月24日，蔡元培总长开始派人接收学部事务，“欲将学部旧司官一体解散，从新组织，以示振作”。蔡总长善于统筹兼顾，注重双方平衡，其用人导向是“除酌留学部旧人外，尚在各处网络知名人士”。5月初，蔡元培为化解坊间蜚语，特地就用人情况发表演讲，大意是“外间所谓全用南来之人，实系误会等语”。总之，在教育部的组建及人员接收过程中，新旧人员参用大体得当，且方法措施比较稳妥，没有发生大的风潮。

钻井地质环境因素是指对安全高效钻井有直接影响的地质因素，主要包括岩石可钻性、地层压力（孔隙压力、破裂压力、坍塌压力）、岩石力学参数、地层潜在危险因素及钻井模型中的基础数据等，利用修正后待钻地层的较高精度地震速度模型与钻井环境地质因素的具体描述计算方法[23-29]，可以实现待钻地层钻井地质环境因素的快速描述。

3 现场应用

2019 年以来在塔里木盆地、松辽盆地与四川盆地等地区7 口井进行了现场应用，地震速度模型修正更新、地震资料重新处理、待钻地层地质特征预测与钻井地质环境因素描述等全过程均可控制在20 h 内，实时指导钻井效果良好。

松辽盆地龙凤山气田A 井为三开结构定向井，设计井深4 920 m，二开井深500 m，三开井深2 969 m，在三开井段3 350 m 处进行造斜钻井。实钻过程中该井在二开井段2 500 m 及2 770 m 两处发生漏失，累计漏失量达139 m3，但在钻井地质设计中无漏失预警提示。鉴于同工区三开井段存在大量漏失及井壁失稳的案例，设计提示三开井段存在漏失与井壁失稳风险。为提高钻井效率，保证钻井安全，决定在三开井段采用井震信息融合指导钻井技术。

3.1 待钻地层的速度模型修正与关键地质层位预测

研究人员逐步揭示环偶极子产生机理，指出环偶极子是由电极子及磁极子之间相互作用破坏近场电环境平衡而产生的，非对称电流能增强环偶极子强度，是产生高Q值的原因[25，28]。可依据单元结构建立基于耦合LC电路的物理模型进行定量分析。为了定量分析环偶极矩强度，根据体积电流密度分布，利用多极散射理论得到多极子的散射强度，如电偶极矩、磁偶极矩和环偶极矩。该方法已成功应用于微波、太赫兹和光学波段环偶极矩的计算，计算公式为：

图4 声波测井数据重构

以新速度模型为基础，运用待钻地层地震速度预 测技术得到钻头前待钻地层的速度模型（见图5、图6），经过深度偏移处理后形成了如图7 所示全新的地震剖面。与老剖面相比，已钻地层修正后的地震剖面在 2 480～2 600 m 显示出更为清晰的断层面，与实钻井漏点对应良好；同时可以看到地层横向变化明显，部分断面位置变化明显，关键层位纵向深度也有相应调整。

图5 修正前后地震成像速度模型

图6 修正前后沿钻井轨迹一维地震速度模型与速度差

图7 修正前后井周地震成像剖面

利用新地震数据提取的相干属性剖面（见图8）显示待钻地层中无明显裂缝带存在。完钻井资料证实老剖面解释的标志层位与实钻层位误差（91 m）较大，新修正剖面解释标志层与实钻深度更为吻合（见图7），误差（23 m）大大减小，新剖面的保真度有了显著提高。跟踪待钻地层钻进状况显示无裂缝性漏失发生，证明无明显裂缝带存在的新工程地质认识具有较高可信度。

3.2 地层压力系统随钻修正预测与钻井液密度优化

A 井钻井设计中，钻前预测三开井段地层孔隙压力当量密度为0.95～1.10 g/cm3，设计钻井液密度为1.15～1.24 g/cm3。根据地层有效应力原理和井壁稳定力学方法，三开井段重点修正了地层孔隙压力、坍塌压力、破裂压力预测结果（见图9）。由图可见本井段孔隙压力系数为1.02～1.12，破裂压力系数为1.65～1.83，预测坍塌压力波动幅度较大，易塌泥岩段（测深3 720～3 950 m 与4 310～4 600 m）坍塌压力系数为1.18～1.38，估算漏失当量密度不低于1.41 g/cm3，同时参考无明显裂缝带存在的认识，判断发生大量漏失的潜在风险相对较小。在全面考虑提速、控制井塌和 井漏等风险因素后，确定将本井三开井段钻井液密度提升到1.24～1.34 g/cm3。实钻采用聚胺高效抑制型钻井液体系，基本未发生地层漏失与井壁失稳（符合判断预测），顺利钻完三开地层后完钻。

图8 修正前后井周相干数据

图9 修正后待钻地层压力系统

完钻资料证实，本井段3 430 m 处破裂压力系数实测值1.67，4 850 m 处实测地层孔隙压力系数1.13，修正预测精度均超过 90%；泥岩段平均井径扩大率为8.70%，与邻井井径扩大率20.94%相比减小12.24%。

3.3 岩石可钻性的随钻预测与钻头参数优化

采用修正地震速度模型建立了三开井段待钻地层的岩石可钻性级值剖面（见图10），结合成像结果和邻井实钻情况，预测3 790 m 以浅地层为玄武岩及安山岩，可钻性级值为5.3～8.7，3 790 m 以深地层为砂砾岩和泥岩互层，可钻性级值为5.2～7.2。根据可钻性级值选择KPM1642ART 与M1655FGA 型钻头，优化推荐钻进参数为钻压80～100 kN，转速50 r/min，排量28～30 L/s，泵压17.5 MPa。实钻证明钻头应用及参数 优化取得较好的提速效果，三开平均机械钻速 4.96 m/h，较之邻井的4.09 m/h 提高21.3%。

图10 三开井段待钻地层的岩石可钻性级值预测剖面

其中

(2)高程控制测量：利用水准点2S01、2S02为起算点，采用拓普康自动安平水准仪按附合水准方法测量A、B、C点高程，并作为土方现状地面高程起算点。

4 结论与建议

井震信息融合指导钻井技术主要包括已钻井段地震速度更新、待钻地层地震速度预测、待钻地层地质特征预测与钻井地质环境因素描述3 项技术。

对缺乏测井数据的浅地层，采用录井层位与地震解释资料相结合修正更新地震速度，可使地震成像深度逼近层位的真实深度；对具有测井数据的已钻地层，需对声波测井数据进行低频分量重构，同时用高斯平滑方法可将测井速度尺度与地震尺度调节一致。

韦俊贤表示，今年年底前康师傅将帮助康巴诺尔地区建立类似的蔬菜基地29.5万亩，将带动更多农民脱贫，康师傅也将为消费者提供更多绿色无公害的优质蔬菜。据悉，康师傅将以康巴诺尔蔬菜基地为样板，逐步建造更多产品原料种植基地，为当地农民提供从培训种植、采摘加工到企业收购的一站式服务。在精准扶贫的同时，也让企业供应链前移，进一步增强对原材料的把控能力。

已钻井段三维速度建模采用偏微分方程中的椭圆方程插值算法可获得较好的精度；获得已钻区域插值更新地震速度模型后，利用Gabor 变换与逆变换融合形成的已钻开井段最终地震速度模型精度较高。

待钻井段利用成像道集的剩余曲率更新速度参数，采用参数简化的快速随钻层析方法可提高地震速度建模效率。

以修正后地震成像体与速度模型为基础，对待钻地层的地质特征和钻井地质环境因素进行实时预测与描述，可显著提高精度。

现场应用证实，井震信息融合指导钻井技术可实现钻头前待钻层段地层特征与钻井地质环境因素的实时描述、预测，及时预报钻头前可能出现的复杂问题，同时缩短资料的处理周期，大幅提高了时效性与预测精度，可为钻井方案的优化、施工措施的调整提供科学依据。

符号注释：

cM——第M 层的速度更新系数，无因次；c0——层析反演单层背景模型参数，s/m；c1——层析反演单层扰动模型参数，无因次；i——地层编号；l1,i，l2,i——反射角θ1、θ2对应的反射射线在第i 层位内的射线长度，m；m——地层慢度，s/m；M——地震速度更新层号；n——浅层区域内地震解释层位数；Tseis,M——第M 层地震解释层位的时间，s；vcurr,M——第M 层未更新的井轨迹平均速度，m/s；vupd,i——第i 层更新后的井轨迹平均速度，m/s；z——地层深度，m；ztrue——地层真实深度，m；zmig,1，zmig,2——反射角θ1、θ2对应的成像深度，m；αi，αM——第 i 层、第 M 层地层倾角，（°）； Δm——地层慢度扰动，s/m；θ1，θ2——反射角度，（°）；φ——反射点处地层倾角，（°）。