基于自洽迭代算法的新型水平井隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)

劉 俊 邢 立

(①北京世恒達(dá)科技有限公司；②中國石油股份有限公司勘探生產(chǎn)分公司)

0 引 言

隨著非常規(guī)油氣勘探開發(fā)力度的加大，水平井鉆井地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)得到了飛速的發(fā)展[1-4]。水平井曲線對(duì)比是和其層界地質(zhì)模型分不開的，在地層等厚的假設(shè)條件下，軌跡上某點(diǎn)在層中的位置，可以通過該點(diǎn)曲線特征和標(biāo)準(zhǔn)井在該層曲線對(duì)比，估算出頂?shù)拙?，從而修正地質(zhì)層界模型，為預(yù)測地層傾角提供依據(jù)[5-8]。目前，國內(nèi)各導(dǎo)向服務(wù)公司基本上都是按照這種導(dǎo)向思路進(jìn)行地質(zhì)導(dǎo)向，幾款國外軟件如：Starstring、LogXD等也采用了這種技術(shù)[9-11]。對(duì)于大多數(shù)軟件，標(biāo)準(zhǔn)井曲線數(shù)據(jù)主要來自于鄰井或者導(dǎo)眼井。本文基于自洽迭代算法提出同層上行和下行曲線相互對(duì)比自匹配的方法，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化自對(duì)比地質(zhì)導(dǎo)向的效果。

1 基于自洽迭代算法的隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)

基于自洽迭代算法研發(fā)了“宙斯隨鉆地質(zhì)分析系統(tǒng)”，該系統(tǒng)通過鄰井的分層數(shù)據(jù)(或構(gòu)造層面數(shù)據(jù))，建立初始地質(zhì)(屬性)模型，并沿設(shè)計(jì)軌跡反演虛擬曲線，利用同層上行和下行曲線相互對(duì)比自匹配的方法，通過歷史穿層曲線建立標(biāo)準(zhǔn)曲線，并在隨鉆過程中不斷利用最新、最近的曲線數(shù)據(jù)與經(jīng)過真垂校正后相應(yīng)位置的曲線進(jìn)行自洽迭代實(shí)時(shí)更新，拾取最接近對(duì)比點(diǎn)的地層特征優(yōu)化地質(zhì)空間模型，開展設(shè)計(jì)-對(duì)比-調(diào)整-再設(shè)計(jì)循環(huán)迭代，直到實(shí)現(xiàn)整個(gè)井的完整導(dǎo)向(圖1)。該技術(shù)由于通過正鉆位置的曲線和已穿過相對(duì)應(yīng)地層曲線進(jìn)行形態(tài)、數(shù)值的迭代自對(duì)比，既避免了因鄰井距離遠(yuǎn)、地層不穩(wěn)定橫向變化而產(chǎn)生的對(duì)比誤差，也避免了儀器不同所帶來的對(duì)比誤差，可更為精準(zhǔn)地判斷出當(dāng)前軌跡所在地層的位置，這無疑是一種新的導(dǎo)向思路。如果井眼軌跡設(shè)計(jì)合理，地層傾角校正準(zhǔn)確，甚至可以取代導(dǎo)眼井，自對(duì)比完成全井的實(shí)時(shí)導(dǎo)向。

1.1 宙斯隨鉆地質(zhì)分析系統(tǒng)導(dǎo)向方式

該隨鉆地質(zhì)分析系統(tǒng)導(dǎo)向方式包括：鄰井為直井的水平井對(duì)比導(dǎo)向方式；以鄰井作標(biāo)準(zhǔn)井的層間對(duì)比方式；正鉆井歷史穿層段自對(duì)比方式。

圖1 宙斯隨鉆地質(zhì)分析系統(tǒng)技術(shù)流程

1.1.1 鄰井為直井的水平井對(duì)比導(dǎo)向方式

在勘探程度比較低的區(qū)域，一般是先打一口導(dǎo)眼井，通過對(duì)導(dǎo)眼井進(jìn)行解釋、分層、特征點(diǎn)標(biāo)定以及垂深校正后作為標(biāo)準(zhǔn)井，并以標(biāo)準(zhǔn)井的分層建立二維或三維地質(zhì)層面模型，在隨鉆過程中通過實(shí)時(shí)曲線與標(biāo)準(zhǔn)井進(jìn)行對(duì)比來估計(jì)鉆頭所在的層中位置，進(jìn)而實(shí)時(shí)修正地質(zhì)模型。圖2中左側(cè)是標(biāo)準(zhǔn)井，右側(cè)是正鉆井，在標(biāo)準(zhǔn)井中通過分層解釋和特征點(diǎn)的標(biāo)識(shí)，已知標(biāo)記點(diǎn)2高尖離2號(hào)層層頂界的距離為d，在圖3中把控制點(diǎn)和軌跡交點(diǎn)調(diào)整到離2號(hào)層層頂距離為d的位置，實(shí)現(xiàn)模型調(diào)整。

圖2 實(shí)時(shí)曲線與標(biāo)準(zhǔn)井對(duì)比

圖3 模型調(diào)整

1.1.2 以鄰井作標(biāo)準(zhǔn)井的層間對(duì)比方式

利用正鉆井附近的水平井曾穿越目標(biāo)層段的曲線數(shù)據(jù)，經(jīng)過傾角校正和對(duì)比篩選后作為參考曲線，指導(dǎo)正鉆井的鉆進(jìn)，用來和標(biāo)準(zhǔn)井對(duì)比相互驗(yàn)證。該隨鉆地質(zhì)分析系統(tǒng)有一套完整的水平井鄰井輔助對(duì)比方法，具有標(biāo)準(zhǔn)井重新構(gòu)建功能，可以利用不同水平井的相同層段，對(duì)比選擇后進(jìn)行層層組合而成新的標(biāo)準(zhǔn)井。圖4左側(cè)為原標(biāo)準(zhǔn)井，右側(cè)為各鄰井包括水平井重新組合而成的新標(biāo)準(zhǔn)井，可以看出對(duì)比層段離正鉆層段越近，曲線擬合程度越高，可對(duì)比性越強(qiáng)。

1.1.3 正鉆井歷史穿層段自對(duì)比方式

正鉆井自對(duì)比，依據(jù)歷史穿層段所提供的曲線數(shù)據(jù)信息，通過真垂校正，所提供的對(duì)比信息更具有客觀性，更能說明正鉆地層的垂直變化。

在該隨鉆地質(zhì)分析系統(tǒng)中，提供兩種自對(duì)比方式：第一種，靜態(tài)自對(duì)比方式，取一段正鉆井歷史穿層曲線，真垂校正后作為標(biāo)準(zhǔn)曲線；第二種，動(dòng)態(tài)自對(duì)比方式，用來指導(dǎo)鉆井的標(biāo)準(zhǔn)曲線根據(jù)隨鉆過程中最近點(diǎn)的地質(zhì)特征不斷更新。經(jīng)過真垂校正的層間曲線，在隨鉆過程中不斷自洽迭代替換相同深度的標(biāo)準(zhǔn)曲線的數(shù)據(jù)，從而形成新的標(biāo)準(zhǔn)曲線，可用來指導(dǎo)鉆井的標(biāo)準(zhǔn)曲線永遠(yuǎn)是離正鉆位置最近、最新的可對(duì)比數(shù)據(jù)。圖5右側(cè)第2圖道是鄰井的標(biāo)準(zhǔn)井曲線，第3圖道是正鉆井歷史穿層曲線，第4圖道是不斷自更新的標(biāo)準(zhǔn)曲線；圖5左側(cè)水平柱顯示三條曲線分別是實(shí)鉆曲線(紅)、歷史穿層曲線沿軌跡反演出的曲線(藍(lán))、不斷自更新參考曲線沿軌跡反演出的曲線(綠)。

1.2 宙斯隨鉆地質(zhì)分析系統(tǒng)地層傾角計(jì)算方法

實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的真垂校正，關(guān)鍵取決于地層傾角是否準(zhǔn)確，宙斯隨鉆地質(zhì)分析系統(tǒng)提供三種方式對(duì)地層傾角進(jìn)行計(jì)算。

1.2.1 沿軌跡反演曲線和實(shí)鉆曲線對(duì)比估算

利用標(biāo)準(zhǔn)井的地參曲線沿軌跡形成屬性剖面，并得到沿軌跡的虛擬曲線。利用關(guān)鍵點(diǎn)調(diào)整模型，軌跡在模型中穿進(jìn)的位置不同，虛擬曲線的形態(tài)就會(huì)不同。虛擬曲線和實(shí)鉆曲線的對(duì)比擬合度決定了模型形態(tài)是否合理，進(jìn)而通過模型計(jì)算地層傾角。如圖6水平柱上藍(lán)色曲線，就是利用標(biāo)準(zhǔn)鄰井曲線反演出的沿軌跡虛擬曲線。

圖4 鄰井?dāng)M合標(biāo)準(zhǔn)井

圖5 正鉆井歷史穿層段自對(duì)比

1.2.2 上行和下行穿層曲線對(duì)比確定地層傾角

鉆井軌跡在同一層鉆進(jìn)，上行曲線和下行曲線是具有可比性的。通過控制點(diǎn)調(diào)整模型，使上行曲線和下行曲線吻合，這時(shí)得到的地質(zhì)模型是相對(duì)客觀準(zhǔn)確的，據(jù)此計(jì)算出來的地層傾角應(yīng)該也是客觀的、準(zhǔn)確的。圖7中兩條垂直紅線之間，鉆井軌跡在3號(hào)層之間，呈現(xiàn)上行中有下行的特點(diǎn)。在垂直對(duì)比柱上表現(xiàn)為，圖中右側(cè)第1圖道，紅色曲線是上行曲線，藍(lán)色曲線是下行曲線，上行曲線和下行曲線調(diào)整是否吻合，將決定軌跡在層中的位置是否正確。

圖6 用標(biāo)準(zhǔn)鄰井曲線反演出的沿軌跡虛擬曲線

圖7 上行和下行穿層曲線對(duì)比確定地層傾角

1.2.3 隨鉆曲線自對(duì)比精確計(jì)算地層傾角

在地層發(fā)育穩(wěn)定勘探開發(fā)程度比較低且鄰井較少的區(qū)域，使用水平井隨鉆曲線自對(duì)比技術(shù)是比較合適的，尤其適合于水平段地層上傾的水平井。在水平井軌跡前半段，從上到下取得各層段的曲線分層信息和層間曲線特征，便于在水平井段對(duì)比應(yīng)用。圖8垂直綠線之間為正鉆井歷史穿層段，穿層后GR曲線特征為圖9中第2圖道，第1圖道是鄰井標(biāo)準(zhǔn)曲線，其曲線特征還是有差異的，第3圖道為完鉆且自更新后2號(hào)層曲線特征。利用隨鉆曲線自洽迭代自對(duì)比方法可以精確計(jì)算地層傾角。

圖8 正鉆井歷史穿層段(綠線之間)

圖9 隨鉆曲線自對(duì)比精確計(jì)算地層傾角

2 應(yīng)用實(shí)例

四川頁巖氣某水平井，設(shè)計(jì)井深6 339 m，扭方位平臺(tái)水平井，目標(biāo)層位為志留系龍馬溪組，龍1段1-2小層總厚度6.38 m，地層厚度發(fā)育穩(wěn)定，地震資料上無斷層描述，預(yù)測地層傾角上傾3°左右，1號(hào)層中部伽馬值較高，是較好的控制標(biāo)志層段。設(shè)計(jì)靶點(diǎn)兩個(gè)：A靶點(diǎn)井深4 331.09 m，垂深4 122 m；B靶點(diǎn)井深6 339 m，垂深4 074 m。該井水平段長1 788 m(實(shí)鉆1 682 m)，周邊鄰井能提供對(duì)比的只有一口井,如圖10所示，相距5 km左右，且過斷層。建模分層6個(gè)，分別為龍-2、1-4、1-3、1-2、 1-1、五峰組，總厚度107 m，并對(duì)其中1～2號(hào)小層曲線波形特征點(diǎn)予以標(biāo)識(shí)(圖11)。在隨鉆過程中發(fā)現(xiàn)，雖然標(biāo)準(zhǔn)井的曲線特征在區(qū)域上有一定代表性，可以用來指導(dǎo)鉆井地質(zhì)導(dǎo)向，但和正鉆井穿層段比較后發(fā)現(xiàn)，在細(xì)節(jié)上二者依然有略微差別，正是這些細(xì)節(jié)，使我們對(duì)軌跡的控制更為精準(zhǔn)。圖12是整個(gè)井地質(zhì)導(dǎo)向圖，在導(dǎo)向過程中，通過多參數(shù)虛擬反演曲線，相互驗(yàn)證、相互對(duì)比、從粗到細(xì)，每次井斜數(shù)據(jù)和隨鉆GR數(shù)據(jù)采集，均通過系統(tǒng)迭代對(duì)比對(duì)鉆頭所在位置進(jìn)行較準(zhǔn)確判斷。

圖10 平臺(tái)水平井與鄰井標(biāo)準(zhǔn)井構(gòu)造

圖11 小層波形特征

圖12 水平井地質(zhì)導(dǎo)向圖

3 結(jié)束語

基于自洽迭代算法的水平井隨鉆曲線自對(duì)比技術(shù)，是水平井隨鉆導(dǎo)向的一個(gè)新思路。從認(rèn)知-預(yù)測-調(diào)整-再認(rèn)知，宙斯隨鉆地質(zhì)分析系統(tǒng)能夠提供多地質(zhì)參數(shù)曲線建模，反演多模擬曲線，通過多參數(shù)來準(zhǔn)確分析軌跡在地層中的位置，對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)曲線的自我更新，使標(biāo)準(zhǔn)曲線更準(zhǔn)確、更客觀反映就近地層巖電特征，實(shí)現(xiàn)了一套完整的導(dǎo)向流程。目前，該系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)曲線的真垂校正，還只能在等厚模型前提下進(jìn)行，非等厚地層模型的傾角計(jì)算方法還有待進(jìn)一步研究。