隨鉆地震技術(shù)及其新進(jìn)展

周小慧,宋桂橋,張衛(wèi)華,倪 瑤,蔡杰雄

(1.中國(guó)石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院,江蘇南京211103;2.中國(guó)石油化工股份有限公司油田勘探事業(yè)部,北京100728)

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隨鉆地震技術(shù)及其新進(jìn)展

周小慧1,宋桂橋2,張衛(wèi)華1,倪 瑤1,蔡杰雄1

(1.中國(guó)石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院,江蘇南京211103;2.中國(guó)石油化工股份有限公司油田勘探事業(yè)部,北京100728)

根據(jù)采集方式的不同,隨鉆地震技術(shù)可分為鉆頭隨鉆地震和隨鉆VSP。鉆頭隨鉆地震采用鉆頭破巖時(shí)的振動(dòng)作為震源,能量較弱,信噪比低,在深井、高斜度井、水平井、大位移井、使用PDC鉆頭、鉆遇軟巖層等情況下震源信號(hào)不佳,近年來(lái)應(yīng)用逐漸減少。而在鉆頭上方安裝水力脈沖沖擊器使井底產(chǎn)生脈沖沖擊和瞬時(shí)負(fù)壓的方式,可增加震源信號(hào)的強(qiáng)度,提高隨鉆地震信號(hào)的信噪比。隨鉆VSP采用海面氣槍震源或地面可控震源、炸藥激發(fā),井下地震檢波器接收,泥漿脈沖遙測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳輸校驗(yàn)炮、初至波數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)更新隨鉆速度、壓力模型,提高成像精度。與常規(guī)電纜VSP相比,隨鉆VSP在鉆井過(guò)程的自然間隙,例如連接鉆桿的過(guò)程中進(jìn)行采集,不干擾鉆井過(guò)程,避免電纜VSP在水平井、高斜度井等的操作風(fēng)險(xiǎn),降低鉆井成本。目前,隨鉆VSP技術(shù)日趨成熟,可實(shí)現(xiàn)鉆頭前準(zhǔn)確的速度預(yù)測(cè)、地層壓力預(yù)測(cè)和精細(xì)構(gòu)造成像,從而預(yù)見(jiàn)性地指導(dǎo)鉆井過(guò)程。針對(duì)新探區(qū)、鉆前地層壓力預(yù)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)較大的地區(qū)、非常規(guī)油氣藏、常規(guī)電纜VSP部署風(fēng)險(xiǎn)大的地區(qū)、復(fù)雜油氣藏等在高精度構(gòu)造成像、準(zhǔn)確地層壓力預(yù)測(cè)等方面的需求,開(kāi)展隨鉆VSP技術(shù)應(yīng)用研究具有現(xiàn)實(shí)意義,可降低鉆井風(fēng)險(xiǎn)和成本,提高油氣勘探開(kāi)發(fā)效益。

隨鉆地震;隨鉆VSP;速度預(yù)測(cè);地層壓力預(yù)測(cè);精細(xì)構(gòu)造成像;井軌跡優(yōu)化

在地質(zhì)條件復(fù)雜地區(qū)開(kāi)展鉆井作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)和成本較大,需要更精確地了解鉆井區(qū)域的地下情況,常規(guī)地震技術(shù)無(wú)法滿足要求。隨鉆地震技術(shù)通過(guò)對(duì)鉆頭前方地層的深度、速度、壓力的準(zhǔn)確預(yù)測(cè),能更好地為鉆井軌跡的調(diào)整、套管位置及尺寸、鉆井液密度的選擇等鉆井工程服務(wù),在輔助鉆井決策中發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用,可有效地降低鉆井風(fēng)險(xiǎn),提高效率;同時(shí)也為油氣藏預(yù)測(cè)提供更加準(zhǔn)確的成像和精細(xì)的解釋資料,對(duì)于油氣藏勘探開(kāi)發(fā)具有非常重要的意義。

隨鉆地震技術(shù)是結(jié)合鉆井過(guò)程中實(shí)時(shí)更新的地層深度和速度等與鉆井相關(guān)的信息,更新速度、地質(zhì)模型,以實(shí)現(xiàn)鉆頭前的預(yù)測(cè),從而指導(dǎo)鉆井過(guò)程的一種技術(shù)。鉆探過(guò)程中的VSP數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與處理是推動(dòng)隨鉆地震技術(shù)發(fā)展最為核心的技術(shù)環(huán)節(jié),根據(jù)VSP數(shù)據(jù)的隨鉆采集方式,業(yè)界將隨鉆地震技術(shù)分為鉆頭隨鉆地震和隨鉆VSP技術(shù)兩大類(lèi)。

鉆頭隨鉆地震是利用鉆井過(guò)程中鉆頭破巖時(shí)的振動(dòng)作為震源,用地面地震檢波器組合接收信號(hào)進(jìn)行地震測(cè)量的井中地震技術(shù)[1]。由于其觀測(cè)系統(tǒng)幾何形式與常規(guī)VSP互逆并且基于互換原理,鉆頭隨鉆地震又被稱為隨鉆逆VSP。

隨鉆VSP技術(shù)采用的是常規(guī)VSP的觀測(cè)系統(tǒng),它利用氣槍、炸藥、可控震源等海面/地面常規(guī)震源,利用集成于井下隨鉆工具上的地震波傳感器記錄VSP數(shù)據(jù)[2]。

1 隨鉆地震研究概況

1.1 國(guó)外研究概況

1.1.1 鉆頭隨鉆地震技術(shù)研究概況

國(guó)際上最初的隨鉆地震技術(shù)是鉆頭隨鉆地震,早在1936年,WEATHERBY[3]就提出了利用鉆頭信號(hào)作為震源的想法。1968年,CHAPUIS[4]開(kāi)始利用鉆頭的振動(dòng)信號(hào)作為震源,在井架附近的地面采集地震波信號(hào)。至20世紀(jì)90年代,隨鉆地震在國(guó)外取得了較大發(fā)展,多家油公司、地球物理服務(wù)公司開(kāi)展了鉆頭隨鉆地震技術(shù)的研究[5-7],意大利ENI公司和OGS公司利用PDC鉆頭的軸向震動(dòng)開(kāi)展隨鉆地震[8],采用安裝在井架上不同高度的檢波器組合來(lái)采集由鉆桿傳送上來(lái)的鉆頭振動(dòng)信號(hào),以改善參考信號(hào)或?qū)Ш叫盘?hào)的品質(zhì),更好地與地面檢波器數(shù)據(jù)相關(guān)[9]。VASSALLO等[10]將波場(chǎng)延拓算法應(yīng)用于隨鉆地震數(shù)據(jù),取得了較好的效果。沙特阿美公司與斯倫貝謝、Baker-Atlas Wireline在沙特阿拉伯Ghawar油田的4口井中采集了鉆頭隨鉆地震數(shù)據(jù),以獲取淺層的速度數(shù)據(jù),使得地表地震數(shù)據(jù)在鉆進(jìn)過(guò)程中提供了鉆頭前的準(zhǔn)確定位和成像,同時(shí)預(yù)測(cè)了淺層的鉆井風(fēng)險(xiǎn),例如漏失循環(huán)和卡鉆等[11]。

在鉆頭隨鉆地震系統(tǒng)研發(fā)和服務(wù)方面,意大利ENI-AGIP和OGS公司推出了SEISBIT系統(tǒng)[12-13],在隨鉆數(shù)據(jù)采集后自動(dòng)進(jìn)行預(yù)處理,預(yù)處理信息通過(guò)泥漿脈沖傳輸或通過(guò)調(diào)制解調(diào)器或衛(wèi)星傳送給處理中心。美國(guó)Western Atlas International公司開(kāi)發(fā)了TOMEXTM系統(tǒng)[14],采用鉆頭破巖時(shí)的振動(dòng)作為震源,克服了常規(guī)電纜VSP的局限,提供實(shí)時(shí)信息,輔助鉆進(jìn)決策。法國(guó)IFP(Institut Francais du Petrole)的TRAFORTM系統(tǒng),包括井中和地面數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng),在隨鉆過(guò)程中記錄井中和地下數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)通過(guò)鉆桿中的有線電纜進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)同步傳輸,于1991年在法國(guó)南部和挪威進(jìn)行了成功的試驗(yàn)[15]。斯倫貝謝公司研發(fā)的Drill Bit Seis在德國(guó)的Mulmshorn等地區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用,驗(yàn)證了隨鉆地震的適用性,并開(kāi)發(fā)了隨鉆地震服務(wù)系統(tǒng)。

鉆頭隨鉆系統(tǒng)在不同的地質(zhì)、鉆井條件下得到了不同程度的應(yīng)用,取得了一些成功的應(yīng)用實(shí)例。但是在有些條件下,例如使用PDC鉆頭鉆遇軟巖層、井深過(guò)大、井斜過(guò)大等使用效果不佳。

為了克服鉆頭隨鉆地震應(yīng)用中震源強(qiáng)度不足等問(wèn)題,研發(fā)了新型的鉆頭震源,例如Tempress科技公司開(kāi)發(fā)的水力脈沖鉆井系統(tǒng)[16],其原理是采用鉆井液脈沖,在鉆頭附近形成井底負(fù)壓脈沖，產(chǎn)生寬頻端地震信號(hào)。在實(shí)現(xiàn)欠平衡鉆井的同時(shí),鉆頭上部液柱保持平衡,從而穩(wěn)定井壁和提高鉆速。水力脈沖震源最大的優(yōu)勢(shì)在于可采用PDC鉆頭,在斜井、大位移井等情況下作為震源產(chǎn)生足夠能量,但是增加了井下施工的復(fù)雜性。

1.1.2 隨鉆VSP技術(shù)研究概況

為了突破鉆頭隨鉆地震技術(shù)的局限性,從20世紀(jì)90年代開(kāi)始,斯倫貝謝公司開(kāi)始研究隨鉆VSP技術(shù),隨后各大油公司、油服公司、研究機(jī)構(gòu)也開(kāi)展了隨鉆VSP采集及處理技術(shù)的研究[17-23]。目前業(yè)界有兩家服務(wù)商提供隨鉆VSP地震服務(wù),分別是斯倫貝謝公司的seismic VISIONTM和貝克休斯公司的Seismic TrakTM,但是這兩家公司都只提供服務(wù),不出售產(chǎn)品。

斯倫貝謝公司是隨鉆地震技術(shù)的倡導(dǎo)者,1997年開(kāi)始研發(fā)隨鉆VSP技術(shù),至2003年推出Seismic VISION,但當(dāng)時(shí)只能提供實(shí)時(shí)的校驗(yàn)炮數(shù)據(jù)。至2010年通過(guò)方法改進(jìn),除了實(shí)時(shí)校驗(yàn)炮數(shù)據(jù)外,還能提供實(shí)時(shí)波形數(shù)據(jù),在同年被美國(guó)《E&P》評(píng)為世界油氣工程技術(shù)創(chuàng)新特別貢獻(xiàn)獎(jiǎng),《世界石油》評(píng)為最佳勘探技術(shù)。

貝克休斯公司的Seismic TrakTM與斯倫貝謝公司的seismic VISION類(lèi)似,它的改進(jìn)在于研發(fā)了Wired-Drillpipe遙測(cè)技術(shù),可實(shí)時(shí)傳輸全波場(chǎng)數(shù)據(jù)。但是受成本制約,該遙測(cè)系統(tǒng)目前尚未有應(yīng)用實(shí)例。2014年貝克休斯公司的Seismic TrakTM被美國(guó)《E&P》評(píng)為世界油氣工程技術(shù)創(chuàng)新特別貢獻(xiàn)獎(jiǎng)——鉆井作業(yè)獎(jiǎng)。

這兩家公司的隨鉆地震服務(wù)目前廣泛應(yīng)用于海上和陸上各類(lèi)復(fù)雜地區(qū)的勘探開(kāi)發(fā),例如墨西哥灣、北海、東南亞等地的深水、鹽下勘探中實(shí)施的,高斜度井、水平井、大位移井的隨鉆VSP采集[24-29],獲得了良好的應(yīng)用效果。隨鉆VSP技術(shù)已經(jīng)日趨成熟。

1.2 國(guó)內(nèi)研究概況

1.2.1 鉆頭隨鉆地震技術(shù)研究概況

國(guó)內(nèi)對(duì)隨鉆地震技術(shù)的研究和應(yīng)用起步較晚,至20世紀(jì)末期開(kāi)始研究鉆頭隨鉆地震技術(shù)[30-33],在2006年起開(kāi)展了國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目“隨鉆地震技術(shù)研究”,中石化勝利油田鉆井院、中國(guó)地震局地球物理研究所等單位以及中國(guó)石油大學(xué)、中國(guó)海洋大學(xué)等高?？蒲袡C(jī)構(gòu)開(kāi)展了聯(lián)合攻關(guān),在鉆頭隨鉆地震基礎(chǔ)方法理論、信號(hào)檢測(cè)、噪聲壓制、處理方法等方面取得了重要突破,在鉆頭隨鉆地震專(zhuān)用設(shè)備研發(fā)、隨鉆系統(tǒng)構(gòu)建、數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方面取得了重要進(jìn)展。

在鉆頭隨鉆地震信號(hào)檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理方面,楊微等[34]采用高靈敏度流動(dòng)數(shù)字地震儀開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),檢測(cè)隨鉆過(guò)程中的鉆頭震動(dòng)信號(hào);王鵬等[35]在Seismod地震波場(chǎng)模擬軟件和Matlab信號(hào)分析軟件的基礎(chǔ)上,建立了隨鉆地震數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái),研究隨鉆地震波場(chǎng)傳播規(guī)律,指導(dǎo)隨鉆數(shù)據(jù)處理;陸斌等[36]針對(duì)鉆頭隨鉆地震這類(lèi)連續(xù)隨機(jī)、低信噪比、多成分復(fù)雜信號(hào)的檢測(cè),引入相關(guān)域小波變換對(duì)隨鉆地震資料進(jìn)行預(yù)處理,采用獨(dú)立成分方法分析鉆柱頂端加速度傳感器記錄的參考信號(hào),對(duì)各種獨(dú)立成分特征進(jìn)行分析,通過(guò)相關(guān)處理,從地面記錄道中估算出了地滾波、鉆具折射波和直達(dá)波,提高了處理資料的信噪比[37];吳何珍等[38]研究了鉆頭隨鉆參考信號(hào)的處理,以強(qiáng)化鉆頭信號(hào);黃偉傳等[39-40]對(duì)勝利油田Fan158井隨鉆地震資料采用反褶積干涉處理,從強(qiáng)噪聲背景下提取鉆頭激發(fā)的有效信號(hào),提高了處理結(jié)果的分辨率和信噪比;他們還采用Kirchhoff和自相關(guān)偏移成像處理,隨鉆地震數(shù)據(jù)偏移成像結(jié)果與地面地震剖面波組特征對(duì)應(yīng)較好;徐冰等[41]針對(duì)國(guó)內(nèi)隨鉆地震數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究的需求,開(kāi)發(fā)了基于分層模式的隨鉆地震資料處理軟件系統(tǒng)SWD,該軟件在勝利油田的初步應(yīng)用顯示其能獲得高信噪比和高分辨率的隨鉆地震CDP疊加剖面,以此為基礎(chǔ)的初步鉆前預(yù)測(cè)取得了不錯(cuò)的效果。

在鉆頭隨鉆地震技術(shù)的應(yīng)用方面,國(guó)內(nèi)采用牙輪鉆頭開(kāi)展隨鉆地震技術(shù)預(yù)測(cè)地層壓力及判斷油氣水層[42]、認(rèn)識(shí)鉆井地層環(huán)境因素[43]、對(duì)地層參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)[44]、確定套管下入深度[45]、預(yù)測(cè)異常高壓[46-47]等。

針對(duì)鉆頭隨鉆地震技術(shù)震源能量弱,信噪比低的問(wèn)題,國(guó)內(nèi)研發(fā)了新型鉆井工具,將水力脈沖鉆井技術(shù)和沖擊振動(dòng)鉆井技術(shù)結(jié)合,增強(qiáng)震源的沖擊力和強(qiáng)度,在提高了破巖效率的同時(shí),增加震源的能量,主要包括PDC鉆頭、水力脈沖沖擊器等。采用在鉆頭上部安裝的水力脈沖射流發(fā)生器,在井底產(chǎn)生脈沖沖擊和瞬時(shí)負(fù)壓,局部瞬時(shí)欠平衡,改變巖石受力狀態(tài)使巖石易破,提高破巖效率和機(jī)械鉆速,同時(shí)作為隨鉆地震的震源。例如中石化勝利油田鉆井院研發(fā)的機(jī)械阻斷式SLPMC型水力脈沖鉆井工具[48]、水力脈沖誘發(fā)井下振動(dòng)鉆具[49]、水力振蕩器[50];中石化江蘇石油工程有限公司鉆井處通過(guò)將PDC鉆頭安裝脈沖噴嘴或水力脈沖空化射流發(fā)生器等[51],將連續(xù)射流轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖射流,提高了破巖效果;大慶鉆探工程公司鉆井院的液力衡扭旋沖提速工具提高PDC鉆頭剪切巖層的效率[52];中國(guó)石油大學(xué)(華東)與中國(guó)石化華北工程公司研發(fā)的旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具[53]等,通過(guò)新型鉆井工具的研發(fā),進(jìn)一步拓展了PDC鉆頭隨鉆地震在軟到中硬地層、深井、大井斜、大位移井的使用范圍。

1.2.2 隨鉆VSP技術(shù)研究概況

在隨鉆VSP技術(shù)的研發(fā)方面,國(guó)內(nèi)還沒(méi)有開(kāi)展相應(yīng)的工作。在應(yīng)用方面,與國(guó)外油服公司合作,2014年中石油塔里木石油公司采用斯倫貝謝公司的seismic VISIONTM,首次在中國(guó)碳酸鹽巖縫洞體儲(chǔ)層勘探中開(kāi)展了隨鉆VSP地震勘探[54-55],實(shí)現(xiàn)了對(duì)碳酸鹽巖縫洞體的準(zhǔn)確定位。

2 鉆頭隨鉆地震

鉆頭隨鉆地震采用鉆頭破巖時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)作為井下震源,通過(guò)安裝在井架和鉆桿頂部的傳感器采集由鉆桿傳送上來(lái)的鉆頭振動(dòng)信號(hào),在地表埋置的檢波器采集經(jīng)地層傳播上來(lái)的鉆頭信號(hào)的直達(dá)波和反射波[14](圖1)。由鉆桿上采集到的信號(hào)通常稱為參考信號(hào)或?qū)Ш叫盘?hào),將參考信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)處理后與地面檢波器的信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)、時(shí)移以及各種去噪處理,可以得到隨鉆地震資料[2]。

鉆頭直達(dá)波可以獲得時(shí)深轉(zhuǎn)換信息,從而將時(shí)間域的地面地震剖面轉(zhuǎn)化到深度域,同時(shí)用于速度模型的實(shí)時(shí)更新。反射波波場(chǎng)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理可用于鉆頭前方地層深度預(yù)測(cè)與成像。當(dāng)與地面地震剖面聯(lián)合使用時(shí),可增加成像結(jié)果的可靠性,鉆頭隨鉆地震數(shù)據(jù)處理方法與常規(guī)VSP數(shù)據(jù)相同[1]。鉆頭隨鉆地震具有實(shí)時(shí)采集,不干擾鉆井作業(yè)的特點(diǎn),能夠降低鉆井成本。

圖1 鉆頭隨鉆地震采集原理

關(guān)于鉆頭隨鉆地震技術(shù)信號(hào)檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理、水力脈沖震擊器等新型震源等,前文已做了一些介紹,相關(guān)學(xué)者進(jìn)行過(guò)詳細(xì)的論述,本文對(duì)此不展開(kāi)論述,重點(diǎn)介紹隨鉆VSP技術(shù)。

3 隨鉆VSP技術(shù)

由于鉆頭隨鉆地震技術(shù)存在信噪比低等問(wèn)題,國(guó)際上大型的油服公司轉(zhuǎn)而研究隨鉆VSP技術(shù),研發(fā)相應(yīng)的隨鉆VSP地震采集工具,取得了成功并進(jìn)行了商業(yè)應(yīng)用。下面主要介紹隨鉆VSP的采集、處理及成像技術(shù)。

3.1 隨鉆VSP采集技術(shù)

隨鉆地震技術(shù)的關(guān)鍵在于隨鉆地震數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。利用實(shí)時(shí)采集的校驗(yàn)炮、波形數(shù)據(jù)對(duì)鉆前模型進(jìn)行更新,提供準(zhǔn)確的速度和地層壓力模型,從而指導(dǎo)鉆井過(guò)程。

3.1.1 采集原理及采集觀測(cè)系統(tǒng)

隨鉆VSP技術(shù)采用常規(guī)VSP的觀測(cè)系統(tǒng),在地面或海面進(jìn)行震源激發(fā),利用安裝在鉆柱中的隨鉆地震工具檢測(cè)初至波(綠色)以及鉆頭下的反射波(黃色),最終將采集的信號(hào)通過(guò)MWD遙測(cè)系統(tǒng)(紅色)傳輸至地表(圖2)[56]。為了降低噪聲和減少非生產(chǎn)時(shí)間,隨鉆地震利用鉆井過(guò)程的自然間隙(連接鉆桿)進(jìn)行采集,因?yàn)榇藭r(shí)泥漿循環(huán)暫停、鉆柱靜止不動(dòng),用井下的4C檢波器(地震檢波器和水聽(tīng)器)獲得準(zhǔn)確的校驗(yàn)炮時(shí)間/深度測(cè)量數(shù)據(jù),然后通過(guò)泥漿-脈沖遙測(cè)技術(shù)將校驗(yàn)炮、初至波數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至地表。全波場(chǎng)的數(shù)據(jù)暫存于隨鉆工具上的存儲(chǔ)器中,起鉆后從存儲(chǔ)器中拷出進(jìn)行常規(guī)VSP處理。

隨鉆VSP與常規(guī)電纜VSP相比,在采集上主要有4個(gè)特點(diǎn):①隨鉆工具(4C檢波器)安裝在鉆柱中,井下測(cè)量工具與地面沒(méi)有電纜相連。②在鉆井過(guò)程的自然間隙(連接鉆桿)采集,不干擾鉆井作業(yè)；而常規(guī)VSP需要通過(guò)電纜將檢波器安裝在井中,由于檢波器放入井中需要停鉆,因此成本很高,并存在操作上的風(fēng)險(xiǎn)。③采用遙測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù),可實(shí)現(xiàn)隨鉆VSP數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理。④由于沒(méi)有電纜連接,需要內(nèi)置高精度時(shí)鐘進(jìn)行測(cè)量時(shí)間校準(zhǔn)和同步(圖3)。

圖2 隨鉆VSP數(shù)據(jù)采集示意[56]

由于隨鉆VSP技術(shù)的上述特點(diǎn),可以有效地降低鉆井成本和風(fēng)險(xiǎn)。因此,在新常態(tài)形勢(shì)下,研究隨鉆VSP勘探技術(shù)具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義和發(fā)展前景。

3.1.2 隨鉆VSP采集裝備

隨鉆地震的震源與電纜校驗(yàn)炮或VSP采集所使用的一樣。在海上采用從鉆井平臺(tái)上懸掛的氣槍震源組合及其控制裝置(圖4a和圖4b)。當(dāng)井斜較大時(shí),氣槍布設(shè)在震源船上。采集系統(tǒng)包括一套地震檢波器,即隨鉆測(cè)井工具,包含多分量檢波器(X,Y,Z)和2個(gè)環(huán)形水下檢波器,可對(duì)井中地震數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄(圖4c和圖4d)。

圖3 常規(guī)電纜VSP技術(shù)(a)與隨鉆VSP技術(shù)(b)對(duì)比[57]

圖4 隨鉆VSP技術(shù)的一些關(guān)鍵裝備[25]a 容量1200in3的6個(gè)氣槍震源組合(1in≈2.54cm); b 調(diào)諧精度為0.5ms的海上自動(dòng)氣槍控制器; c 隨鉆聲波測(cè)井裝置; d 隨鉆地震裝置

3.2 隨鉆VSP處理與成像技術(shù)

隨鉆VSP技術(shù)與常規(guī)地震技術(shù)相比,主要有以下特點(diǎn):①關(guān)注井周?chē)木植康刭|(zhì)模型,鉆井目標(biāo)的數(shù)據(jù)量少。②與鉆井信息融合。將鉆井過(guò)程中測(cè)量的數(shù)據(jù),例如隨鉆測(cè)井LWD(Logging While Drilling)、校驗(yàn)炮和VSP等,和地面地震、鄰井?dāng)?shù)據(jù)及其它數(shù)據(jù)融合,用以約束局部地質(zhì)模型。③實(shí)時(shí)性?？焖僦苻D(zhuǎn)時(shí)間,目前隨鉆地震數(shù)據(jù)的處理和成像周轉(zhuǎn)期縮減至24小時(shí),可及時(shí)為鉆井決策提供依據(jù)。

隨鉆VSP處理與常規(guī)VSP處理技術(shù)類(lèi)似,二者區(qū)別在于隨鉆VSP技術(shù)需要隨鉆校驗(yàn)炮、初至波的實(shí)時(shí)傳輸,從而對(duì)模型的實(shí)時(shí)更新,以及快速處理以實(shí)現(xiàn)快速的周轉(zhuǎn)時(shí)間,輔助鉆井決策。

在成像方面,采用反射層析成像進(jìn)行局部各向異性速度更新。通過(guò)大規(guī)模并行運(yùn)算進(jìn)行快速重新偏移,得到更新后構(gòu)造深度成像。最新的數(shù)據(jù)快速處理技術(shù)是利用高斯包偏移技術(shù)(Gaussian Packet Migration),可進(jìn)一步縮短現(xiàn)場(chǎng)處理時(shí)間。通常經(jīng)過(guò)4～6次的隨鉆更新,可得到對(duì)鉆井有指導(dǎo)價(jià)值的隨鉆地震成像結(jié)果。

隨鉆VSP的關(guān)鍵技術(shù)主要有局部區(qū)域的疊前深度偏移成像及角度道集輸出技術(shù)、基于角度道集的層析速度反演與建模技術(shù)、基于角度道集的各向異性參數(shù)層析反演與建模技術(shù)、基于巖石物理模型的壓力預(yù)測(cè)技術(shù)等。

隨鉆VSP技術(shù)盡管有自己的特點(diǎn),但是它與一般的疊前深度偏移成像建模技術(shù)并沒(méi)有本質(zhì)差異。不過(guò),由于實(shí)時(shí)性的要求,隨鉆VSP技術(shù)對(duì)建模的自動(dòng)化程度要求很高，需要一些快速的偏移算法。

4 隨鉆VSP技術(shù)應(yīng)用效果

隨鉆VSP技術(shù)采用鉆井過(guò)程中實(shí)時(shí)采集的隨鉆測(cè)井、校驗(yàn)炮、VSP等,對(duì)鉆前地質(zhì)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)更新,減少鉆井目標(biāo)(例如下套管點(diǎn)、斷層和目標(biāo)油藏)位置的不確定性,可以獲得更合理的鉆井軌跡設(shè)計(jì),從而指導(dǎo)鉆井過(guò)程,改善井軌跡,降低鉆井風(fēng)險(xiǎn)。

4.1 優(yōu)化鉆井軌跡及套管點(diǎn)的選擇,指導(dǎo)鉆井過(guò)程

斯倫貝謝公司在墨西哥灣的C井鉆井過(guò)程中對(duì)隨鉆地震流程進(jìn)行了試驗(yàn)[58]。在鉆井過(guò)程中泥線以下全程采集隨鉆測(cè)井、校驗(yàn)炮、電纜數(shù)據(jù)以補(bǔ)充鄰井?dāng)?shù)據(jù)的不足,用以更新速度模型。采用更新的速度模型對(duì)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行重新成像(圖5)。實(shí)現(xiàn)了對(duì)斷層的準(zhǔn)確成像,降低斷層位置的不確定性。下套管位置誤差在±50ft(約15m,1ft≈0.3048m)范圍內(nèi)。最終下套管的位置在計(jì)劃下套管深度以上近1500ft(457m)處。

圖5 隨鉆地震前后對(duì)斷層成像的解釋對(duì)比(紅線代表解釋的斷層)[58]a 初始模型深度成像; b 隨鉆VSP最終成像

4.2 鉆前地層壓力預(yù)測(cè),降低鉆井風(fēng)險(xiǎn)

地層壓力直接影響鉆井和完井。通過(guò)隨鉆地震在鉆井位置對(duì)地層壓力進(jìn)行準(zhǔn)確的鉆前預(yù)測(cè),以幫助指導(dǎo)鉆井設(shè)計(jì),降低鉆井風(fēng)險(xiǎn)。ESMERSOY等[59]對(duì)墨西哥灣Green Canyon地區(qū)開(kāi)展隨鉆地震實(shí)驗(yàn),綜合利用地震資料和從正鉆井獲得的實(shí)時(shí)信息,降低鉆前地層壓力的不確定性。在鉆井過(guò)程中基于標(biāo)定局部地層的隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù),依據(jù)巖石物理變換做出調(diào)整。此外,通過(guò)綜合利用隨鉆校驗(yàn)炮信息和地表地震數(shù)據(jù),提高了鉆前的速度預(yù)測(cè)精度(圖6)。

圖6 隨鉆地震速度反演與實(shí)際測(cè)量速度對(duì)比(1ft≈0.3048m)[59]a 地震數(shù)據(jù)的常規(guī)速度(黑線); b 鉆至8000ft采用LWD校驗(yàn)炮或中間電纜測(cè)量的速度(紅線); c 隨鉆地震預(yù)測(cè)的至15000ft的速度(藍(lán)線); d 實(shí)測(cè)的8000～15000ft的速度(紅虛線),新測(cè)量的數(shù)據(jù)與更新的速度預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)(藍(lán)線)吻合更好,證明隨鉆地震技術(shù)的有效性

對(duì)于鉆井決策,例如鉆井液密度和下套管點(diǎn)的選擇,必須將鉆前的速度預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)換成鉆前的地層壓力預(yù)測(cè)。通常依據(jù)巖石物理特征建立一個(gè)速度-地層壓力變換模型,將地層速度變換成地層壓力。

從鉆前模型預(yù)測(cè)的地層壓力(黑色曲線)和隨鉆地震得到的地層壓力(藍(lán)色曲線)與實(shí)測(cè)的地層壓力(紅點(diǎn))對(duì)比,隨鉆地震預(yù)測(cè)的地層壓力(藍(lán)色曲線)和實(shí)測(cè)的地層壓力(紅點(diǎn))吻合的非常好,隨鉆地震更好地對(duì)鉆前地層壓力進(jìn)行了預(yù)測(cè)(圖7),而鉆前預(yù)測(cè)低估了實(shí)際地層壓力和所需的鉆井液密度。

4.3 準(zhǔn)確構(gòu)造成像,精細(xì)解釋油藏

中石油塔里木石油公司和斯倫貝謝公司合作,應(yīng)用隨鉆地震技術(shù)指導(dǎo)鉆井,在塔里木盆地準(zhǔn)確地鉆遇深層碳酸鹽巖縫洞體[54]。首先采用已有的地表地震、鄰井?dāng)?shù)據(jù)和地質(zhì)數(shù)據(jù)建立一個(gè)準(zhǔn)確的初始地球模型;然后在鉆井的過(guò)程中,采用地表地震數(shù)據(jù)和鉆井中采集的信息實(shí)時(shí)更新地下成像,提供更準(zhǔn)確的3D成像,并及時(shí)指導(dǎo)鉆井決策,例如井軌跡調(diào)整等。采用實(shí)時(shí)的測(cè)井和校驗(yàn)炮在24h內(nèi)對(duì)初始模型精細(xì)更新。這是隨鉆地震技術(shù)首次在中國(guó)碳酸鹽巖縫洞體儲(chǔ)層勘探中的應(yīng)用。采用的關(guān)鍵技術(shù)有初始速度建模、剝層法和全局更新、閉合差分析和模型精細(xì)調(diào)整、模型更新和成像。隨鉆地震的成像效果明顯改善,縫洞體的聚焦效果更好。

圖7 從鉆前模型預(yù)測(cè)的地層壓力(黑色曲線)和隨鉆地震得到的地層壓力(藍(lán)色曲線)與實(shí)測(cè)的地層壓力(紅點(diǎn))對(duì)比(1psi≈6.895kPa)[59]

隨鉆地震成像中,火成巖和地層成像更合理,更好地揭示了上覆火成巖地層的影響。另外實(shí)現(xiàn)了對(duì)深層碳酸鹽巖縫洞體的準(zhǔn)確定位(圖8)。如果按鉆前成像鉆井,縫洞體偏移150m,按更新后的成像結(jié)果,調(diào)整鉆井軌跡,在鉆井過(guò)程中出現(xiàn)了3次鉆井中斷,出現(xiàn)大量鉆井液漏失和溢流,證實(shí)鉆遇深層碳酸鹽巖縫洞體。

圖8 鉆前成像和隨鉆地震成像效果對(duì)比[54]

5 隨鉆地震技術(shù)需求及發(fā)展思考

鉆頭隨鉆地震技術(shù)可以在鉆前進(jìn)行準(zhǔn)確的速度、壓力預(yù)測(cè),但是在井深較大、高斜度井、水平井、鉆遇軟巖層時(shí)使用PDC鉆頭的應(yīng)用效果不佳。新型鉆頭、鉆具的研發(fā),例如水力脈沖沖擊器、水力脈沖空化射流發(fā)生器等,拓展了鉆頭隨鉆地震在軟地層、斜井、水平井、深井及采用PDC鉆頭等條件下的應(yīng)用范圍,新型鉆頭也可作為震源產(chǎn)生足夠能量。國(guó)內(nèi)目前主要還是開(kāi)展鉆頭隨鉆地震技術(shù)的研究,研究的主要方向在于研發(fā)能激發(fā)低頻、寬頻的鉆頭震源、提高鉆頭激發(fā)能量、提高信噪比的采集方法及去噪處理技術(shù)等。在信號(hào)的傳輸方面,泥漿脈沖遙測(cè)系統(tǒng)傳輸速度較慢,需要研發(fā)快速的傳輸系統(tǒng),例如通過(guò)配備從地下至地面的有線通訊系統(tǒng)來(lái)實(shí)時(shí)獲取參考信號(hào),以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸。

隨鉆VSP技術(shù)的適用范圍廣,對(duì)于裸眼井、套管井、軟地層、硬地層,淺水、深水環(huán)境,大位移井、高斜度井、水平井的應(yīng)用效果明顯。隨鉆地震技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆頭前準(zhǔn)確的速度預(yù)測(cè),從而進(jìn)行高精度的構(gòu)造成像和準(zhǔn)確的地層壓力預(yù)測(cè),為鉆井工程服務(wù),在降低鉆井時(shí)間和成本、提高鉆井安全、降低深度不確定性、優(yōu)化井軌跡、降低下套管次數(shù)、減少側(cè)鉆井和導(dǎo)向鉆井等方面發(fā)揮了重要作用。

隨鉆VSP技術(shù)具有較強(qiáng)的解決鉆井問(wèn)題的能力和顯著的應(yīng)用效果,結(jié)合我國(guó)在提高地層壓力預(yù)測(cè)精度、復(fù)雜水平井軌跡優(yōu)化,復(fù)雜構(gòu)造精細(xì)成像等方面的需求,建議在如下領(lǐng)域開(kāi)展隨鉆VSP技術(shù)的應(yīng)用研究:

1) 新探區(qū)、高風(fēng)險(xiǎn)探井、頁(yè)巖氣的壓力預(yù)測(cè)。對(duì)初探井、高風(fēng)險(xiǎn)探井、頁(yè)巖油氣等開(kāi)展隨鉆地震技術(shù)的應(yīng)用研究,提高壓力預(yù)測(cè)精度,降低鉆井成本和風(fēng)險(xiǎn),預(yù)防井噴、井漏,保護(hù)油氣層。

2) 井軌跡的優(yōu)化。通過(guò)開(kāi)展隨鉆地震技術(shù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)井軌跡設(shè)計(jì),提高鉆探精度和效率,提升油氣勘探開(kāi)發(fā)水平。

3) 復(fù)雜油氣藏(鹽下、高陡構(gòu)造帶、復(fù)雜斷裂發(fā)育帶)的精細(xì)成像。以提高對(duì)復(fù)雜地質(zhì)目標(biāo)的成像能力,準(zhǔn)確識(shí)別地質(zhì)構(gòu)造,提高油氣藏描述精度,提高鉆井成功率,減少側(cè)鉆井的數(shù)量,降低勘探開(kāi)發(fā)成本。

4) 對(duì)于高斜度井、水平井、大位移井等常規(guī)電纜VSP部署風(fēng)險(xiǎn)大的井,開(kāi)展隨鉆地震的應(yīng)用,提高VSP數(shù)據(jù)采集的成功率。

在隨鉆VSP技術(shù)的研發(fā)方面,建議在國(guó)內(nèi)加快開(kāi)展隨鉆VSP技術(shù)的研究。在發(fā)展趨勢(shì)上,建議地震與工程結(jié)合,開(kāi)展隨鉆VSP技術(shù)、裝備的研發(fā)。針對(duì)隨鉆VSP目前只能實(shí)時(shí)傳輸初至的問(wèn)題,研發(fā)提高傳輸速率的技術(shù),以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸。

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(編輯：朱文杰)

Current research progress of seismic while drilling technology

ZHOU Xiaohui1,SONG Guiqiao2,ZHANG Weihua1,NI Yao1,CAI Jiexiong1

(1.SinopecGeophysicalResearchInstitute,Nanjing,211103,China;2.ExplorationandProductionSegmentSinopecCorp.,Beijing100728,China)

Seismic while drilling (SWD) can be divided into two categories,which are drill-bit SWD and vertical seismic profiling (VSP) while drilling respectively in terms of acquisition geometry.Drill-bit SWD takes drill-bit vibrations as source,which leads to low source energy and low SNR.Its application effects are unsatisfactory in deep,high deviated,horizontal,or extended-reach wells and wells drilling with polycrystalline diamond compact (PDC) drill-bit or encountering soft formations,which results in less application in recent years.Downhole impulse percussion and instantaneous negative pressure generated by the hydraulic impulse impactor installed above the drill bit can enhance the intensity of source signal and therefore the SNR of SWD data is improved.VSP while drilling takes air gun in the sea or surface vibroseis or dynamite in land as source.Some downhole geophones and hydrophones record and a high speed mud pulse telemetry system transmits seismic data,checkshots and first arrivals in real time in order to update interval velocity model and pressure model,improving imaging accuracy.Compared with conventional wireline VSP,VSP while drilling are conducted during natural pauses of drilling process.For instance,data acquisition is carried out during pipe connection times without interfering with drilling process,which avoids operational risks,reduces nonproductive time and drilling costs.VSP while drilling becomes mature internationally,and can accurately predict velocity,pore pressure and elaborately image structures before drill-bit and guides drilling process such as drilling trajectory optimization,casing point location determination,mud weight optimization,etc.Aiming at the requirement of high precision structural imaging and accurate pore pressure prediction for new exploration areas,unconventional reservoirs,complex reservoirs and areas with high risk of pore pressure prediction and VSP operation etc.,we suggest conducting VSP while drilling in above areas in order to reduce drilling risk,costs and improve benefit of oil and gas exploration and development.

seismic while drilling,VSP while drilling,velocity prediction,pore pressure prediction,accurate structural imaging,well trajectory optimization

2016-02-19;改回日期：2016-06-08。

周小慧(1986—),女,碩士,主要從石油地質(zhì)綜合研究及情報(bào)調(diào)研工作。

P631

A

1000-1441(2016)06-0913-11

10.3969/j.issn.1000-1441.2016.06.017