石油行業(yè)錄井技術(shù)發(fā)展中的問題和解決方法

陳朋飛

中法渤海地質(zhì)服務(wù)有限公司 天津 300450

眾所周知，錄井與鉆井是石油鉆探和井場工作中緊密聯(lián)系的兩個步驟，相互促進，共同發(fā)展。如果將鉆井看做是石油鉆探和井場工作的主體工程，那么錄井就是鉆井工作的“參謀”，在石油鉆探作業(yè)中具有發(fā)現(xiàn)油氣、實時監(jiān)測、提供鉆井信息服務(wù)的作用；是及時發(fā)現(xiàn)工程事故隱患，實現(xiàn)安全鉆井，保證鉆井任務(wù)順利完成的關(guān)鍵。時至今日，錄井技術(shù)得到了穩(wěn)步發(fā)展，穩(wěn)定性和精度進一步提高，信息化錄井技術(shù)在這樣的背景下已初具雛形，極大地提升了錄井技術(shù)水平和錄井工作效率。然而，受限于研發(fā)投入和評價體系等因素限制，現(xiàn)階段石油行業(yè)錄井技術(shù)發(fā)展中暴露出許多問題，既不利于錄井技術(shù)功能的發(fā)揮，也不利于錄井技術(shù)的長期發(fā)展。為此，有必要探究錄井技術(shù)發(fā)展中的問題并提出切實有效的解決方法。

1 石油行業(yè)錄井技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1.1 石油行業(yè)錄井技術(shù)現(xiàn)狀

鉆井過程中需要使用大量的測量系統(tǒng)和傳感器，以期對鉆井過程中產(chǎn)生的工程、地質(zhì)、井底圖像等重要數(shù)據(jù)進行分析，預測儲層特征，模擬鉆井作業(yè)，提高鉆井過程安全性?？梢?，鉆井作業(yè)的優(yōu)化在石油和天然氣行業(yè)中極為重要。實際作業(yè)中鉆井作業(yè)時經(jīng)常會遇到許多井下問題，例如卡鉆、管道故障、頁巖問題和井漏問題。這些問題會導致井身周圍的土壤張力中斷，進而打破井眼泥漿壓力、孔隙壓力與土壤壓力之間的平衡，最終釀成安全事故[1]。因此，必須給予應(yīng)有的重視。傳統(tǒng)的常規(guī)錄井包括深度測量、地質(zhì)描述以及氣測，輔以小項目如同位素、核磁、數(shù)字巖心等，共同為現(xiàn)場提供服務(wù)。在吸收國際先進錄井技術(shù)的基礎(chǔ)上，我國的錄井技術(shù)有了很大的進步，形成了具有中國特色的錄井系列。時至今日，我國錄井已從傳統(tǒng)的地質(zhì)錄井、綜合錄井發(fā)展成包括地化和定量熒光錄井等為代表的錄井新技術(shù)的三大錄井技術(shù)體系，以及小項目并行發(fā)展的態(tài)勢。同時，以三大錄井技術(shù)體系為基礎(chǔ)配合使用多種錄井軟件，通過對各項錄井資料的綜合分析，實現(xiàn)安全生產(chǎn)和對油氣水層的評價。

1.2 石油行業(yè)錄井技術(shù)趨勢

隨著新型技術(shù)的引入，石油錄井行業(yè)從硬件設(shè)施到軟件系統(tǒng)，都取得了長足的發(fā)展，并且向著綜合性和信息化的方向發(fā)展。硬件設(shè)施方面，諸如CMS、PM、Geonext等綜合錄井儀在內(nèi)的多種國有知識產(chǎn)權(quán)的錄井系統(tǒng)或設(shè)備的出現(xiàn)，為錄井行業(yè)的技術(shù)發(fā)展提供了必要的設(shè)施基礎(chǔ)。軟件系統(tǒng)方面，傳統(tǒng)的石油行業(yè)錄井系統(tǒng)所收集的錄井數(shù)據(jù)中只有 5% 的數(shù)據(jù)被有效利用，但隨著石油行業(yè)錄井軟件技術(shù)發(fā)展，這一比例急劇上升。在這樣的背景下，大數(shù)據(jù)處理技術(shù)能夠快速準確地分析錄井數(shù)據(jù)，有助于解決復雜問題。大數(shù)據(jù)技術(shù)通過錄井技術(shù)實時記錄海量數(shù)據(jù)，并從中發(fā)現(xiàn)、檢驗、提取重要信息，有助于確定預期趨勢并幫助現(xiàn)場工程師預見潛在問題。有數(shù)據(jù)顯示，最近5年內(nèi)石油錄井相關(guān)軟件的推出數(shù)量，遠超5年前石油錄井相關(guān)軟件的推出數(shù)量[2]。不僅如此，光纖在非常規(guī)油藏錄井中的應(yīng)用范圍和普及率相對較低。究其原因，是因為鉆井中安裝光纖的成本相對較高。隨著技術(shù)的進步非常規(guī)油氣藏通過永久安裝的分布式光纖傳感器（DOFS），可以優(yōu)先處理 DAS 和 DTS 反向散射信號實現(xiàn)錄井。從長遠來看，這種技術(shù)可與微震監(jiān)測共同用于錄井開發(fā)采油壓裂優(yōu)化。未來石油行業(yè)錄井技術(shù)將向著數(shù)字化和綜合化的方向發(fā)展。

2 石油行業(yè)錄井技術(shù)發(fā)展存在的問題

2.1 對石油錄井技術(shù)研發(fā)投入不足

現(xiàn)階段，石油行業(yè)錄井技術(shù)最大的挑戰(zhàn)是人工主導參與井況異常判定和決策，該工作的質(zhì)量取決于錄井人員的專業(yè)知識和相關(guān)領(lǐng)域知識儲備情況。為此，國外錄井行業(yè)開發(fā)出基于物理的機器學習技術(shù)，其中具有海量異常工況訓練和規(guī)則問題約束的 ML 模型，可以在鉆井任務(wù)中提供準確和一致的預測，并且對錄井數(shù)據(jù)集中的并行問題保持敏捷[3]。與國外錄井同行相比，我國錄井技術(shù)數(shù)十年如一日的關(guān)注實際生產(chǎn)，這就導致我國錄井技術(shù)的發(fā)展始終停留在物探、地質(zhì)等學科的實踐研究，缺乏創(chuàng)新意識和前瞻研究。我國的石油鉆探起步較晚，為了能在建設(shè)初期趕上世界領(lǐng)先水平，并滿足我國對石油的生產(chǎn)需求，早期的石油行業(yè)中“重生產(chǎn)、輕科研”、“拿來主義”成了常態(tài)現(xiàn)象。這種歷史遺留導致在很長一段時間內(nèi)，我國石油行業(yè)更加看重井場的實踐工作而忽視與之相關(guān)的錄井工作，也就沒有對錄井技術(shù)進行深入研究，沒有意識到錄井技術(shù)在提升井場效率、保證井場安全等方面的重要價值，導致了研發(fā)和投入不夠。

2.2 現(xiàn)行錄井定性評價體系準確度不高

一般來說，現(xiàn)行錄井是通過應(yīng)用多種錄井系統(tǒng)和分析儀器，例如可收集分布式聲學傳感（DAS）、分布式溫度傳感 （DTS） 和分布式應(yīng)變傳感（DSS）等，采集隨鉆錄井 （LWD） 聲學圖像和加速度數(shù)據(jù)，繪制完整的錄井曲線。在此過程中，現(xiàn)行錄井多采取單項定性評價體系。例如，儲集層熱解氣相色譜評價、快速色譜評價、油層熒光顯微圖像特征評價等。這些評價方法或基于氣相色譜技術(shù)、或基于快速色譜儀、或基于熒光顯微鏡技術(shù)，在某一方面能夠表現(xiàn)出較為準確的評價和分析結(jié)果。然而，井下環(huán)境的復雜性，例如強烈的磨蝕性發(fā)展、超過 207MPa 的壓力、高于 200°C 的溫度、高于 15 G 的沖擊和振動水平、返屑不足等等，都會對錄井設(shè)備的操作可靠性產(chǎn)生不利影響，進而影響評價和分析結(jié)果。此外，錄井過程重點在于采集鉆井過程中的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)情況，解釋鉆井現(xiàn)場巖性用于確定含油、氣、水產(chǎn)狀；繪制錄井圖；矯正鉆井與電纜誤差；處理巖層圖形編輯；回收鉆井現(xiàn)場數(shù)據(jù)等服務(wù)。然而，傳統(tǒng)的錄井定性評價體系，由于資料采集方式和表現(xiàn)形式不一樣，只有 5% 的數(shù)據(jù)用于模型訓練、驗證和測試[4]，因此，現(xiàn)行錄井定性評價體系準確度不高。

3 石油行業(yè)錄井技術(shù)問題的解決方法

3.1 加大對錄井技術(shù)的研發(fā)投入

由于鉆井技術(shù)的改進，目前在數(shù)百米的巖石深度進行石油和天然氣作業(yè)的勘探比以往任何時候都更加頻繁。其中，最典型的問題是卡鉆、管道故障、頁巖問題和井漏問題等。這種情況下，采取更加科學、完善和準確的錄井技術(shù)，能夠及時發(fā)現(xiàn)井下問題或者預測可能存在的井下問題，進而提出應(yīng)急策略和方案，以此確保石油鉆探和井場工作的正常運行，保障石油井下生產(chǎn)計劃的順利實施。

此外，數(shù)字化油田過程需要大量傳感器通過建模、監(jiān)控系統(tǒng)、實時數(shù)據(jù)優(yōu)化和控制鉆井來收集數(shù)據(jù)。對許多特性進行監(jiān)控，包括振動、壓力、流體流速、溫度、密度等。通過管道建模和可視化評估實時性能，并記錄參數(shù)。例如，錄井利用安裝在鉆桿和設(shè)備上的傳感器收集大量數(shù)據(jù)，例如聲學傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器。這些復雜的傳感器用于捕獲、測量和收集各種各樣的井下鉆井作業(yè)、環(huán)境數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)。其中，聲學傳感器具有更廣泛的功能，它的作用早已超出了僅檢測聲波的范圍，用于感測固體中機械振動和表面聲波 （SAW） 的傳感設(shè)備越來越受歡迎，應(yīng)用越來越廣泛[5]。這些新的探索和嘗試，無疑需要來自頂層的全力支持，需要加大對錄井實際工作開展中的資金投入力度，優(yōu)化錄井工藝的服務(wù)功能。然而，長期以來，我國的石油行業(yè)在研究和生產(chǎn)中，一直沒有形成對技術(shù)科研的正確認知，對于技術(shù)科研和技術(shù)層面的研究始終落后于生產(chǎn)實踐成果研究。為此，需要加大對錄井技術(shù)的研發(fā)投入，例如，在公司甚至是母公司、集團公司內(nèi)部成立錄井技術(shù)研究機構(gòu)等。這種研發(fā)機構(gòu)的設(shè)立，能夠促進研究人員更好的投入到相關(guān)研究和實踐當中，為推動錄井技術(shù)的更新發(fā)展，提供必要的物質(zhì)環(huán)境和研究條件。同時，依托這些錄井研究機構(gòu)，還能夠滿足石油勘探的各種實際需求。

隨著時代的發(fā)展和技術(shù)的迭代，近幾年國際國內(nèi)大廠相繼推出顛覆認知的AI產(chǎn)品，如chatGPT、文心一龍等，開啟了人工智能的新篇章，顛覆了人類的認知和理解范疇。這為未來人工智能在錄井作業(yè)現(xiàn)場中的應(yīng)用深度，留下了許多的可能和豐富的想象空間，探究機器學習、投喂數(shù)據(jù)訓練，勢必更依賴公司加大錄井技術(shù)的投入和支持，為錄井技術(shù)實際作用的充分發(fā)揮提供可靠地保障。

3.2 錄井評價體系從定性向智能化轉(zhuǎn)變

現(xiàn)行的常規(guī)錄井評價體系，大部分還是基于泥漿攜帶的鉆屑來分析和化驗，得出結(jié)論，用于指導后期的作業(yè)和開采，它有一個循環(huán)等待返屑時間，以及根據(jù)測遲到時間判定實際對應(yīng)關(guān)系的歸位問題，該工作極度依賴泥漿性能、取樣手法和人工經(jīng)驗，并且無法及時判定井下的實時地質(zhì)情況和工程情況，給鉆井作業(yè)帶來了大量的不可知性和安全風險。為此，在保有現(xiàn)有錄井手段外，探究工具應(yīng)向井下和機器學習延伸。

隨著 MWD 和隨鉆錄井 （LWD） 工具的進步，錄井可以通過分析時域傳感器測量值的平均值、均方根值和峰值量化鉆頭所經(jīng)歷的振動。通常，鉆頭在鉆井過程中會發(fā)生四種不同類型的振動：橫向振動、扭轉(zhuǎn)振動、旋轉(zhuǎn)振動和軸向振動。鉆頭振動數(shù)據(jù)可用于估算巖石地質(zhì)力學特性，例如單軸抗壓強度 （UCS）、抗拉強度（BTS）、施密特回彈數(shù) （SRN） 和巖石密度等。此外，在過去幾年中，不同機器學習技術(shù)在錄井中的應(yīng)用引起了人們的關(guān)注，顯示出很大的潛力，可以提供有關(guān)不同巖性和巖石強度以及斷層存在的信息以及巖石的地質(zhì)力學特性，例如楊氏模量和泊松比。因此，石油錄井的綜合評價體系可以使用監(jiān)督機器學習法，將其中一組輸入特征，例如，行程時間 （UT）、機械鉆速（ROP）、每分鐘轉(zhuǎn)數(shù) （RPM）、振動 （VIBR）（x，方向）、沖擊（x，方向）、伽馬射線（GR）和從聲學圖像日志解釋的輸出，例如裂縫強度，用于鉆井訓練、測試和驗證。此外，還可使用分類和回歸方法來預測裂縫強度[6]。

例如，在地質(zhì)條件差的地方部署高壓深井，卡鉆是很常見的問題?；旧希ㄣ@主要分為三種類型：因機械因素而卡鉆，因差速器粘附卡鉆，因管道故障卡鉆。針對上述問題，在錄井中實施以大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的定量綜合評價體系，有助于預測分析以找到檢測井下問題的最佳方法，將有助于現(xiàn)場在整個作業(yè)過程中識別趨勢和預測事件，以快速響應(yīng)干擾并提高運營效率。

人工智能的機器學習還可以用以巖屑歸位和提高剖面符合率。通過大量的返屑和工程、氣測參數(shù)的機器學習，結(jié)合井下的震動和熱成像技術(shù)，便可以達到自動歸位深度和調(diào)整遲到時間的目的。

地質(zhì)錄井過程中可發(fā)現(xiàn)許多油氣顯示層，但并非每個油氣顯示層都具備工業(yè)價值。因此必須對顯示層進行綜合評價，為完井決策及試油層位優(yōu)選提供可靠依據(jù)。影響油氣層評價的主要因素有三項：a.油氣豐度；b.油氣性質(zhì)；c.儲集層物性。只有各項參數(shù)達到一定標準且各項參數(shù)配伍適當時，油氣顯示層才能達到工業(yè)油氣層價值。因此，油氣層評價的重點在于對油氣豐度油氣性質(zhì)儲集層物性及其配伍進行評價。

使用基于大數(shù)據(jù)技術(shù)為基礎(chǔ)的錄井技術(shù)，需將重點放在分析現(xiàn)有數(shù)據(jù)從而準確預測未來事件發(fā)展趨勢。

該過程可以分為五個步驟：

（1）使用傳感器收集井下鉆井數(shù)據(jù)；

（2）數(shù)據(jù)的提取、處理、加載、清理和存儲，以及其他數(shù)據(jù)收集預處理程序；

（3）對獲取的數(shù)據(jù)進行額外的計算、分析和數(shù)據(jù)挖掘；

（4）利用大數(shù)據(jù)技術(shù)智能建模預測未來井下問題；

（5）利用風險預測窗口實現(xiàn)早期安全預警和基于關(guān)聯(lián)關(guān)系的井下問題識別。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文從石油行業(yè)錄井技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢出發(fā)，指出現(xiàn)階段石油行業(yè)錄井技術(shù)發(fā)展存在的問題，并針對問題提出切實科學的解決方法。本文研究結(jié)果顯示，石油行業(yè)錄井技術(shù)是現(xiàn)代石油鉆探中十分關(guān)鍵的部分，其發(fā)展與石油鉆探工作效率和安全水平有著直接關(guān)系。為此，要在持續(xù)加大對石油行業(yè)錄井技術(shù)研發(fā)投入的同時，還要積極引入新的技術(shù)，實現(xiàn)石油行業(yè)錄井技術(shù)創(chuàng)新。