地震屬性在水平井地質導向中的應用

吳寶玉,張樹東,陽大祥,胡夢曦,丁邦春

(中國石油集團測井有限公司西南分公司,重慶400021)

0 引 言

水平井地質導向技術是在充分利用隨鉆測量測井(MWD/LWD)和錄井資料的基礎上,結合地質、工程設計及時準確劃分已鉆地層和預測待鉆地層,適時調整井眼軌跡,使實鉆井眼軌跡準確鉆遇目的層并始終處于油層的最佳位置。傳統(tǒng)地質導向技術通常利用LWD數據并結合鄰井數據進行地層對比,建立地質導向模型,預測目標儲層深度并成功著陸[1-5]。對于水平段地層,通過對比隨鉆測井曲線和鄰井測井曲線的變化趨勢,調整地質導向模型可以判斷井眼軌跡所在儲層的位置,但這種判斷存在一定局限性,特別對于川東高陡構造復雜地層和川中古老巖溶縫洞非均質性強的地層,需要做好地震儲層預測工作。

四川油氣田區(qū)內2次甚至3次采集的三維地震資料逐年增加,區(qū)塊的井控程度也相對較高,這為充分挖掘地震資料信息提供了條件。地震屬性是一種描述和量化地震資料的特性,是原始地震資料中所包含全部信息的集合,包含地下豐富的沉積、巖性和儲層地質信息[6-8]。地震屬性技術能提取隱藏在地震資料中的有用信息,提高對儲層有利區(qū)預測的準確度,進而能正確指導地質導向鉆進,降低工程風險。為了彌補隨鉆測井資料的不足,把地震屬性技術引入到地質導向隨鉆工作中,充分利用測井資料在反映地層“四性”高縱向分辨率的特點和地震資料在儲層橫向預測高分辨率的優(yōu)勢,兩者相互校驗。

四川盆地川中震旦系地層儲層非均質性極強,縫洞型儲層與致密碳酸鹽巖基質相互交錯,且規(guī)模大小不一,分布規(guī)律難以把握,地震“曲率體”屬性可以描述地層的彎曲程度,進而可以表征地層所受的應力大小,因此可以用來預測受應力而形成的裂縫發(fā)育帶。川南龍馬溪頁巖氣地層的傾角較大且區(qū)域變化大,構造較復雜,發(fā)育斷層、微斷層、微幅構造、天然裂縫帶或破碎帶。地質導向鉆井經常出現惡性井漏和井眼垮塌等工程復雜情況,地震“螞蟻體”異常反映了地震數據的不連續(xù)性異常區(qū)域,指示可能的微斷層、斷裂系統(tǒng),當鉆遇異常反應較強的“螞蟻體”時,及時調整鉆井液密度或井眼軌跡,規(guī)避遇阻、遇卡、漏失等井下復雜事件。

本文通過實例介紹了地震“曲率體”和“螞蟻體”在隨鉆地質導向過程中預測裂縫(溶孔)、微斷層的過程,通過對地質情況的預判及時優(yōu)化調整井眼軌跡和鉆井參數,以期提高儲層鉆遇率,規(guī)避鉆井工程風險,實現水平井地質導向鉆井高效開發(fā)。

1 地震屬性概述及其在地質導向中作用

1.1 地震屬性分析技術概述

地震記錄信息的信號特征是巖石物理特性及其變異綜合產生的,地震屬性是指那些由疊前或疊后地震數據,經過數學變換而導出的有關地震波的幾何學、運動學、動力學和統(tǒng)計學特征。地震屬性包含了豐富的地質信息,隨著信息技術與計算機技術發(fā)展,地震屬性分析技術在地層巖性解釋、構造解釋、儲層評價等方面得到了廣泛應用,并且在油氣勘探開發(fā)中起著越來越重要的作用[9-11]。

利用各種數學方法從地震數據體中提取的各種地震屬性越來越多,可歸納為振幅、波形、頻率、衰減、相位、相關、能量、比率等8大類91種,目前已經發(fā)展到近200種地震屬性。

對地震屬性的分類方法也很多,常見的有根據波的運動學特征進行分類、根據儲層特征進行分類、還有根據時間、振幅、頻率、衰減等基本特性進行分類的方法。地震屬性分析目的就是試圖從大量的、豐富的三維地震數據中,拾取隱藏在這些數據中的有關地層巖性、儲層物性和流體信息,定性預測巖相、巖性和含油氣性。地震屬性分析技術已經成為地球物理學中的一門新興學科“地震屬性學”[12-13]。

1.2 曲率體、螞蟻體屬性地質意義及其地質導向中的作用

從解決地質導向實際問題的方面考慮,與之相關的地震屬性可分為構造解釋、儲層描述和流體識別等3大類。具體來說,應用于構造解釋的體屬性包括傾角及方位角屬性、相干屬性、玫瑰圖、曲率屬性等,這類屬性主要用于小斷層、古河道、溶蝕溝等地質現象和地質體的識別和檢測;儲層描述屬性是在精細構造描述的基礎上,進一步應用能量曲率、紋理屬性、譜峰值屬性和譜形狀屬性進行儲層描述,這類屬性主要用于預測縫洞型儲層分布范圍和發(fā)育程度;而流體識別則主要是利用頻譜屬性檢測流體,頻譜體屬性包括峰值屬性和譜形狀屬性2大類。峰值屬性包括峰值振幅、峰值頻率、峰值相位和高亮體,譜形狀屬性包括譜算數平均能量、有效帶寬、譜斜率和譜粗糙度。這類屬性主要用于預測油氣及儲層分布范圍[14-15]。本文主要介紹曲率體屬性和螞蟻體屬性在地質導向中應用。

地震曲率屬性是對地層形態(tài)的一種描述,根據地層的彎曲程度預測某些特殊的地質現象(如裂縫),當地層為背斜時,其法向矢量是發(fā)散的,其曲率為正;當地層為單斜或平層時,其法向矢量是互相平行的,則曲率為0;當地層為向斜時,其法向矢量是收斂的,則曲率為負。通常地震層位解釋完之后都需要平滑,所以在斷點周圍的層位類似于背斜或向斜構造,其曲率值不為0。一般曲率的絕對值越大,巖層所受到的應力越大,裂縫也就越發(fā)育,所以曲率屬性與裂縫之間的關系表征了地層所受應力的程度,進而可以用層位曲率的大小預測裂縫的發(fā)育情況,這也是利用曲率屬性進行裂縫預測的理論基礎。

川中盆地震旦系氣藏埋藏深度為5 000～6 000 m,儲層巖性為白云巖,典型的縫洞型儲層,區(qū)域上規(guī)模大小不一,分布規(guī)律難以把握。鉆井過程中經常出現放空漏失,鉆速突然增大;測井曲線特征為井徑和聲波時差增大,電阻率和密度降低,自然伽馬時有增大,地震剖面上大型溶洞主要為串珠狀反射特征,如何提高這類儲層鉆遇率是現場地質導向最大的挑戰(zhàn),利用曲率體屬性技術預測縫洞發(fā)育帶就可以很好地解決這一難題[16-17]。

圖1 蟻群覓食示意圖

螞蟻追蹤技術是一種模仿蟻群尋找食物的仿生算法,螞蟻算法模擬螞蟻的覓食原理如圖1所示。假設A點是巢穴,E點是食物源,HC代表障礙物。螞蟻由巢穴去覓食需先到達B點然后分別經H點或者是C點到達D點再到達食物源,B點到H點的距離是D且為B點到C點距離的2倍,螞蟻在覓食過程中會留下信息素,在初始t=0時刻,螞蟻會隨機選擇一條路徑覓食。按照統(tǒng)計的角度,在2條路徑上螞蟻的數量相等,經過一定時間在t=1時刻,由于路徑BHD的距離是路徑BCD距離的2倍,在路徑BCD上螞蟻往返的次數是路徑BHD上螞蟻往返次數的2倍,留下的信息素量也是2倍,之后選擇路徑BCD的螞蟻數量將是BHD上的2倍,隨著時間的推移,越來越多的螞蟻選擇路徑BCD覓食,從而達到最短時間覓食的目的。

螞蟻追蹤算法建立了一種突出斷層面特征的新型斷層解釋技術,使地質構造的細節(jié)盡全面的展示出來。隨鉆地質導向鉆前分析和實時鉆井過程中,應用該技術可以識別出難以辨認的小斷層和裂縫,以及描述小斷層、裂縫的特征,成功地規(guī)避隨鉆水平井鉆井過程中惡性井漏,據此,為地質導向鉆井工程風險的預判提供依據[18-20]。隨鉆地質導向螞蟻跟蹤主要技術流程及關鍵參數選擇如下。

(1)地震資料預處理。先利用疊后去噪技術對地震數據進行濾波,去除隨機噪音等干擾,從而提高原始數據的信噪比、增強數據有效反射的連續(xù)性,并突出裂縫的不連續(xù)性信息,進一步提高裂縫的預測精度。

(2)設置初始邊界范圍。指單個螞蟻在一次搜索中的空間半徑,影響著計算效率和螞蟻的分布密度,針對小斷裂和裂縫應選擇較小的值。值偏大會有網格化現象出現,偏小則螞蟻往往沿同相軸追,通常為突出小斷裂。

(3)設置追蹤軌跡偏離度。指單個螞蟻在搜索斷裂信息時,在路徑兩側掃描其余螞蟻路徑的范圍即搜索時在設定的角度內(一般在15°內),而不能超過這個范圍,最后追蹤出來的斷裂一個合理的趨勢面,而非折面,其值越大,則螞蟻體的密度越大。

(4)設置追蹤步長。該參數進一步設定單個螞蟻每隔多少體素搜索一次。值過大則搜索得更遠,但會降低分辨率,通常可設為3。

(5)設置非法步長與合法步長。非法步長指單個螞蟻在搜索到斷裂信息前,被允許走的無效步數,這些步數是沒有捕捉到斷裂信息的。合法步長指一個非法步長后所走的有效步數,通常與非法步長聯合起作用。非法步長越小,追蹤出來的螞蟻體越稀疏,合法步長越小,追蹤出來的斷裂越密集,連接起來得就越多。

(6)停止標準值。是指單個螞蟻在搜索整個三維空間經時,非法步數所占的百分比。微裂縫時宜用較小值,通常選用5%,一般不超過15%。

(7)產狀控制。生成初始螞蟻體后,根據相干體結果統(tǒng)計斷層走向、傾向和傾角等產狀參數信息,分析區(qū)域構造應力場特征,得到裂縫發(fā)育空間展布形態(tài),確定過濾原則。一般情況下,在上覆地層重力和壓力影響下,裂縫和小斷層主要在垂向上發(fā)育。

2 應用實例與效果分析

2.1 曲率體屬性在縫洞型儲層地質導向中的應用

X井位于川中地區(qū)高石梯區(qū)塊震旦燈影組,該區(qū)地質導向目標層段儲層受表生巖溶作用,主要儲集巖類型為含藻白云巖,儲集空間以溶蝕孔洞為主,儲層類型以裂縫孔洞型為主。地質靶體非均質性較強,縱向和橫向變化較大,縫洞成因及發(fā)育分布規(guī)律十分復雜,是典型的縫洞發(fā)育儲層,地質導向難度較大。

圖2是X井過井地震剖面圖(黃色的線是設計軌跡,紅色實線是實鉆軌跡,井深6 155 m)。圖3是X井過井曲率體剖面圖(圖3中紅色實線是實鉆軌跡)。從圖2看5 900 m井眼軌跡強附近地震資料振幅異常、同向軸錯斷,該區(qū)域是應力集中的部位,容易形成斷裂和裂縫。從圖3曲率屬性分析也指示5 900～6 100 m段縫洞發(fā)育。

結合測井資料和地震預測成果,現場地質導向工程師決定在5 888 m處將井斜由89.3°降斜至84.5°鉆探前方縫洞發(fā)育區(qū)。實鉆至6 113 m時,發(fā)現鉆具放空,氣測全烴值由1%增至3%,錄井顯示井漏(漏失6 092 m3鉆井液)。同時從隨鉆電阻率測井曲線看,5 924 m和5 990 m電阻率“刺刀狀” 明顯降低,綜合反映鉆遇地層縫洞發(fā)育。最終該井儲層鉆遇率92.1%,日產氣101.5×104m3,創(chuàng)造了川中燈影組地層日產萬方氣高產記錄。

圖2 X井過井地震剖面圖

圖3 X井過井曲率體剖面圖

2.2 螞蟻體屬性在頁巖氣地質導向中的應用

Y井位于滇黔北昭通國家級頁巖氣示范區(qū),目的層為下志留統(tǒng)龍馬溪組。工區(qū)內構造變形強度大,儲層地質條件復雜,斷層、微斷層、天然裂縫等發(fā)育,地層非均質性很強,鉆井過程中井壁穩(wěn)定難度大,部分層位或井段經常出現惡性漏失,工程風險大。

利用螞蟻體技術能夠清晰準確地展示出裂縫(斷層)分布形態(tài)和延伸長度,以及裂隙發(fā)育帶的影響范圍,使地質導向人員能全面、直觀地了解當前鉆遇的地層情況。

圖4是Y井過井地震剖面圖,圖5是Y井過井螞蟻體剖面圖(圖5中紅色實線是實鉆軌跡)。

圖4中自2 800 m進入靶體后,受地震采集精度的影響,在常規(guī)地震剖面看地震波同向軸波形振幅幾乎無變化,裂縫(斷層)發(fā)育不明顯,但從圖5通過螞蟻體剖面發(fā)現在2 820 m井眼軌跡存在螞蟻體異常響應強烈的接近中等尺度裂縫帶或破碎帶,容易形成先漏失后垮塌復雜情況,為避免鉆遇漏失垮塌井段以確保安全鉆井,此時現場地質導向工程師決定將調整井斜由82°降至80°鉆進,并適當調整鉆井液。同樣在3 100 m處,從圖5看3 100 m附近螞蟻體異常(指示可能的天然裂縫帶或破碎帶)較發(fā)育,為避免鉆遇復雜地層井段,將井斜由84°降至82°鉆進,同時對鉆井液做適當調整。

由于該井在實際地質導向過程中,現場地質導向工程師能結合實鉆資料和地震資料預測成果,及時調整井眼軌跡避免鉆遇異常反應的螞蟻體區(qū)域,在鉆進過程中沒有發(fā)生遇阻、遇卡、漏失等井下復雜事件,十分順利。最終該井總進尺1 983 m,純鉆時間244.7 h,井眼軌跡平滑(水平段最大狗腿度1.1°/30 m),后續(xù)固井施工也十分順利(下套管僅用28.6 h),創(chuàng)造了該區(qū)塊單趟鉆進尺最長的新記錄,是該區(qū)地質效果和工程質量最優(yōu)的1口井。

圖4 Y井過井地震剖面圖

圖5 Y井過井螞蟻體剖面圖

3 結 論

(1)隨鉆測井地質導向技術是一門綜合學科,應充分利用好鄰井測井、錄井、地震和鉆井資料。地震資料能較好地展示地質體在宏觀上的分布規(guī)律,而隨鉆測井資料則是微觀上的反映,兩者應有機結合、互相驗證,確保對地質目標有正確認識,指導鉆頭在優(yōu)質儲層中穿行。

(2)對于川中震旦系以孔洞、裂縫為主的碳酸鹽巖儲層,非均質性強,物性橫向變化較大,地震數據曲率屬性能有效預測縫洞發(fā)育規(guī)律和分布特征,能準確預測儲層發(fā)育有利區(qū)帶,其研究結果可以為地質導向提供參考依據。

(3)現場應用證實地震屬性提取技術尤其是螞蟻追蹤技術的應用,能有效地識別斷層和裂縫帶,進而規(guī)避惡性鉆井漏失風險,為鉆井風險的預判提供了依據,確保在高質量地實現地質目標的同時整體上提高地質導向鉆井和開發(fā)的效益。