一體化、智能化時(shí)代的錄井技術(shù)發(fā)展方向探討

王志戰(zhàn)

(①頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；②中國石化石油工程技術(shù)研究院測錄井研究所)

0 引 言

錄井正處在全球科技創(chuàng)新空前密集活躍與油氣勘探新領(lǐng)域更深更廣更復(fù)雜的時(shí)代，也處在地質(zhì)工程一體化深度交融[1-2]與智能至上的時(shí)代，既迎來了新的發(fā)展機(jī)遇，也面臨巨大挑戰(zhàn)。公元前250年，秦蜀郡太守李冰帶領(lǐng)百姓鑿井汲鹵制鹽[3]，距今已有2270多年；1907年，中國第一口油井——延一井[4]鉆探成功，距今也有110多年。但時(shí)至今日，錄井仍然沒有擺脫手工撈取巖屑的初始狀態(tài)。在深層頁巖氣水平井、超深井、干熱巖等測井、測試難以測準(zhǔn)甚至不能施工的領(lǐng)域，錄井本應(yīng)大顯身手，卻極少甚至不能參與到相應(yīng)領(lǐng)域集團(tuán)公司級(jí)或國家級(jí)的重大項(xiàng)目(群)里。在低油價(jià)、石油工程以降本增效為目標(biāo)的寒冬期，已經(jīng)是低成本運(yùn)營的錄井行業(yè)本應(yīng)發(fā)揮更多或發(fā)揮更優(yōu)的支撐作用，但服務(wù)費(fèi)用也在被壓縮。這些現(xiàn)象的存在，說明錄井的技術(shù)含量還不夠高，解決復(fù)雜問題的能力還不夠強(qiáng)，行業(yè)被認(rèn)可度還不夠廣，需要發(fā)展和提升的空間還很大。

1 一體化時(shí)代錄井內(nèi)涵的變與不變

錄井的定位是“勘探開發(fā)的眼睛、鉆井安全的參謀、井場信息的中樞”。“勘探開發(fā)的眼睛”指的是找油找氣，對(duì)天然氣水合物及鈾、釷、地?zé)岬确怯蜌獾V產(chǎn)也是適用的；但錄井的業(yè)務(wù)已由為找能源礦產(chǎn)服務(wù)，拓展到為地下儲(chǔ)氣庫的建設(shè)服務(wù)。在石油工程一體化時(shí)代，錄井保障的已不僅僅是鉆井安全，還有鉆井提速提效；不僅要為鉆井提供參謀，還要為測井解釋、壓裂選層、壓后評(píng)估提供技術(shù)支撐；錄井要以采集高分辨率、高質(zhì)量、高精度的數(shù)據(jù)為第一要?jiǎng)?wù)，要能為測井?dāng)?shù)據(jù)提供校正，并在測井、測試難以施工的情況下進(jìn)行簡單替代。錄井作為井場信息的中樞，不僅是井場數(shù)據(jù)采集、集成與傳輸?shù)闹行?，更?yīng)該是大數(shù)據(jù)深度挖掘與綜合應(yīng)用的中心。

錄井業(yè)務(wù)的顯著特點(diǎn)是“直接、實(shí)時(shí)、地面”，采集對(duì)象主要是“巖屑、鉆井液及工程參數(shù)”?！爸苯印敝傅氖峭ㄟ^對(duì)樣品的測量直接獲取或在直接獲取的基礎(chǔ)上計(jì)算巖石成分、巖石物理、地球化學(xué)、地層流體等參數(shù)，且隨著巖屑(心)伽馬、伽馬能譜、聲波等錄井技術(shù)的發(fā)展，測井技術(shù)除了向隨鉆(LWD)延伸外，也在向地面延伸。錄井是在地面測量，所測樣品已經(jīng)脫離了原位地層，所以針對(duì)地層而言，錄井是間接的，測井反而是直接的?！皩?shí)時(shí)”是相對(duì)于電纜測井?dāng)?shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)、地層測試數(shù)據(jù)而言的，隨著近鉆頭隨鉆技術(shù)、鉆頭前視隨鉆技術(shù)的興起，井下隨鉆測井、隨鉆地層測試的實(shí)時(shí)性優(yōu)勢突出，錄井所擁有的“地面”“鉆井液參數(shù)”“鉆井工程參數(shù)”領(lǐng)域也在發(fā)生變化，鉆井專業(yè)已在地面分別實(shí)現(xiàn)了鉆井液性能[5]、鉆井工程多參數(shù)一體化、在線化、智能化測量。井下隨鉆取樣技術(shù)也由巖心、流體向巖屑延伸，巖屑采集也將不是錄井的專屬，且油基鉆屑處理后的含油性檢測與環(huán)保性評(píng)估[6]也不在錄井的業(yè)務(wù)范疇。由此可見，在一體化時(shí)代，錄井的業(yè)務(wù)邊界與顯著特點(diǎn)已變得模糊。

2 一體化、智能化時(shí)代錄井技術(shù)重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域

在一體化、智能化并行的時(shí)代，錄井除了水平井定-錄-導(dǎo)一體化[7-8]、信息服務(wù)一體化[9]外，還有以下6個(gè)領(lǐng)域值得重點(diǎn)關(guān)注與集中力量進(jìn)行研發(fā)。

2.1 井場智能采樣機(jī)器人

錄井是移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室，提高錄井?dāng)?shù)據(jù)質(zhì)量，對(duì)標(biāo)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，是錄井的立身之本。巖屑是XRF/XRD、核磁共振、巖石熱解、罐頂氣輕輕、定量熒光等錄井?dāng)?shù)據(jù)的源頭，人工采樣、選樣勞動(dòng)強(qiáng)度大，人為因素多，真實(shí)性常常難以保證，經(jīng)過多家單位多年的研究，巖屑自動(dòng)取樣系統(tǒng)[10]始終沒能實(shí)現(xiàn)井場應(yīng)用?，F(xiàn)在餐飲、停車、衛(wèi)生等領(lǐng)域的作業(yè)機(jī)器人已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，為錄井采樣機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)提供了思路與可能，而且可以將成像、掃描、識(shí)別等系統(tǒng)[11]集成到機(jī)器人視覺上，實(shí)現(xiàn)巖屑的挑選、圖像的捕獲與傳輸。機(jī)器人取樣不僅包括巖屑，也包括鉆井液，這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)將是錄井的一場革命，使錄井徹底擺脫手工化階段，并可為在線錄井提供一種全新的、更為準(zhǔn)確的技術(shù)途徑。

2.2 “一趟錄”信息采集系統(tǒng)

鉆井已在非常規(guī)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了“一趟鉆”[12]，測井也正在研究“一趟測”，錄井也可以分別實(shí)現(xiàn)巖樣、鉆井液的“一趟錄”。當(dāng)前，巖心核磁共振運(yùn)動(dòng)掃描系統(tǒng)[13]、XRF在線掃描系統(tǒng)、伽馬在線掃描系統(tǒng)、巖屑聲波錄井系統(tǒng)、激光誘導(dǎo)在線錄井系統(tǒng)、圖像掃描系統(tǒng)等都正在研發(fā)或已實(shí)現(xiàn)研發(fā)。這些技術(shù)可以集成起來，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖心的“一趟錄”；在巖屑實(shí)現(xiàn)智能采集后，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)巖屑的“一趟錄”，從而大幅度提高錄井采集的連續(xù)性與系統(tǒng)性。鉆井液含氣性、含油性、離子成分、元素成分、性能參數(shù)的采集也可以集成起來實(shí)現(xiàn)“一趟錄”。

2.3 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的錄井采集處理解釋一體化系統(tǒng)

機(jī)器學(xué)習(xí)(Machine Learning)是人工智能的核心算法，是一個(gè)源于數(shù)據(jù)模型的訓(xùn)練過程，最終給出一個(gè)面向某種性能度量的決策，分為有監(jiān)督學(xué)習(xí)和無監(jiān)督學(xué)習(xí)。深度學(xué)習(xí)(Deep Learning) 是機(jī)器學(xué)習(xí)研究中的一個(gè)子類，是通過構(gòu)建具有很多隱層的機(jī)器學(xué)習(xí)模型和海量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，來學(xué)習(xí)更有用的特征，從而最終提升分類或預(yù)測的準(zhǔn)確性[14]。與錄井相關(guān)的應(yīng)用有巖相識(shí)別[15-16]、地質(zhì)導(dǎo)向[17]、工程預(yù)警[18]、流體識(shí)別[19]等。

錄井現(xiàn)場采集人員習(xí)慣于傻瓜式操作，對(duì)儀器的采集參數(shù)設(shè)置與處理參數(shù)選取往往沒有太多經(jīng)驗(yàn)。另外，地層具有非均質(zhì)性，即便是同一深度、同一巖性的樣品，其參數(shù)也會(huì)有差異，所以建立機(jī)器學(xué)習(xí)錄井采集系統(tǒng)，能夠提高錄井采集的智能性、科學(xué)性、準(zhǔn)確性，從而提高錄井的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

錄井資料處理是錄井的薄弱環(huán)節(jié)，其中包括數(shù)據(jù)處理、曲線處理和圖像處理。數(shù)據(jù)處理包括深度校正、鉆井因素校正、鉆井液因素校正、樣品因素校正、儀器因素校正、環(huán)境因素校正、散失補(bǔ)償因素校正等；曲線處理包括時(shí)-深轉(zhuǎn)換、平滑處理、歸一化處理、校正處理、抽稀處理等；圖像處理包括模式識(shí)別、量化處理等。通過機(jī)器學(xué)習(xí)可以提取最真實(shí)、最有用、最準(zhǔn)確的信息，從而提高錄井資料的處理水平。

錄井智能解釋需要基于高質(zhì)量的數(shù)據(jù)與科學(xué)的解釋思路，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在錄井的巖性識(shí)別、油氣層解釋、地層壓力預(yù)監(jiān)測等領(lǐng)域早有研究，雖然訓(xùn)練效果良好，但實(shí)際應(yīng)用的效果往往不理想?；阡浘忉尩膹?fù)雜性，可以通過3個(gè)環(huán)節(jié)來提高智能解釋水平：一是提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，通過高精度的原始數(shù)據(jù)及科學(xué)處理后的資料進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)與實(shí)際應(yīng)用；二是賦以科學(xué)的解釋流程，通過分步解釋，提高最終的解釋評(píng)價(jià)精度與符合率；三是采用更為先進(jìn)的人工智能方法，在人工智能大爆發(fā)的時(shí)代，人工智能方法也是層出不窮。錄井解釋的內(nèi)容分為兩部分：一是參數(shù)求?。欢穷愋妥R(shí)別，包括巖性、流體、裂縫與斷層、工程異常、地層壓力等。

2.4 錄井巖石力學(xué)

巖石力學(xué)(Rock Mechanics)是石油工程的重要研究領(lǐng)域[20]，是鉆井設(shè)計(jì)、地層可鉆性評(píng)價(jià)、井壁穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及壓裂設(shè)計(jì)、地層可壓性評(píng)價(jià)的重要依據(jù)[21-25]。目前，巖石力學(xué)參數(shù)的求取方法主要有兩類：第一類是基于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的巖心測量，包括三軸應(yīng)力測量[26]、聲波測量[27-28]等，這類方法的精度較高，但及時(shí)性不強(qiáng)，采樣率低，對(duì)于頁巖等脆性較強(qiáng)、容易破碎的樣品難以完成三軸應(yīng)力測量；第二類是利用電纜聲波測井[29]、隨鉆聲波測井進(jìn)行求取[30]，這類方法的連續(xù)性較強(qiáng)，但電纜聲波測井的及時(shí)性不強(qiáng)，隨鉆聲波測井的價(jià)格昂貴，且不管哪種聲波測井都受井眼擴(kuò)大率、小尺寸井眼等井眼條件及高溫、高壓、高硫化氫等地層條件的影響。非常規(guī)油氣、干熱巖、超深井等重要的能源領(lǐng)域?qū)r石力學(xué)的需求尤為迫切。非常規(guī)油氣常常采取水平井的鉆井方式，幾乎不進(jìn)行鉆井取心和聲波測井；干熱巖井、超深井由于地溫較高，常常無法進(jìn)行聲波測井。因此，亟需創(chuàng)新發(fā)展巖石力學(xué)錄井技術(shù)，充分發(fā)揮錄井高分辨率、高采樣率、高采集精度、高實(shí)時(shí)性、低成本、低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)的“四高兩低” 技術(shù)優(yōu)勢[31]，拓展高端工程應(yīng)用服務(wù)領(lǐng)域。中國石化石油工程技術(shù)研究院正在通過巖屑元素、巖屑波速開展錄井巖石力學(xué)研究，并已取得階段性成果。按斯倫貝謝的分類，巖石力學(xué)參數(shù)分為巖石彈性參數(shù)(楊氏模量與泊松比)、巖石強(qiáng)度參數(shù)(抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度)、地應(yīng)力參數(shù)(上覆地應(yīng)力、最大/最小水平主應(yīng)力)、地層孔隙壓力四類。

2.4.1 巖石彈性參數(shù)

錄井求取楊氏模量、泊松比的方法可分為三種：一是基于巖屑(心)聲波技術(shù)，通過縱波、橫波時(shí)差按“SY/T 6937-2013 多極子陣列聲波測井資料處理與解釋規(guī)范”5.2中的模型進(jìn)行計(jì)算；二是基于XRD礦物錄井，因?yàn)槊糠N礦物的楊氏模量、泊松比、密度、縱波波速、橫波波速都是其固有的特性[32]，所以可以在礦物測量的基礎(chǔ)上求取巖石骨架的彈性參數(shù)；三是基于元素分析，通過多元回歸的方法計(jì)算楊氏模量與泊松比。

2.4.2 巖石強(qiáng)度參數(shù)

有了楊氏模量及泥質(zhì)含量，便可按相應(yīng)的模型計(jì)算巖石的抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度。泥質(zhì)含量可以通過XRF/XRD錄井技術(shù)直接求取。

2.4.3 地應(yīng)力參數(shù)

錄井求取地應(yīng)力的方法有兩種：第一種是基于地層壓力關(guān)系模型，地層上覆壓力(靜巖壓力)是地層壓力模型中常用的參數(shù)，在伊頓法模型中也包含了垂直有效應(yīng)力(上覆壓力-孔隙壓力)的求取方法。通過破裂壓力與孔隙壓力也可以求取最小水平有效應(yīng)力，由此便可求取最大水平有效應(yīng)力；第二種是基于巖屑聲波技術(shù)，采用“SY/T 6937-2013多極子陣列聲波測井資料處理與解釋規(guī)范” 中5.8的方法進(jìn)行計(jì)算。

2.4.4 地層孔隙壓力

地層孔隙壓力隨鉆預(yù)監(jiān)測是綜合錄井系統(tǒng)中的一個(gè)標(biāo)配模塊，其應(yīng)用效果取決于錄井人員的經(jīng)驗(yàn)與水平，目前勝利錄井已實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立定額，配置了壓力評(píng)價(jià)工程師崗位，并由中國石化石油工程技術(shù)研究院發(fā)起，在集團(tuán)公司層面培訓(xùn)了首批隨鉆地層壓力評(píng)價(jià)工程師。目前，地層孔隙壓力預(yù)監(jiān)測理論與方法已經(jīng)取得了系列進(jìn)展[33-35]，但仍需在碳酸鹽巖地層、深層頁巖、裂縫型地層方面持續(xù)攻關(guān)。

2.5 “超-微-弱”高分辨率高精度錄井識(shí)別評(píng)價(jià)系統(tǒng)

“超”(Ultra)指的是超深、超高溫、超高壓，對(duì)于“三超”油氣井、干熱巖井等測井、測試難以測準(zhǔn)或難以實(shí)施作業(yè)的井，錄井亟需研發(fā)高分辨率、高精度的新技術(shù)、新模型、新方法，并提供校準(zhǔn)或進(jìn)行替代?！拔ⅰ?Micro)指的是微觀，孔隙尺度到了納米級(jí)的致密儲(chǔ)集層[36]，錄井準(zhǔn)確評(píng)價(jià)儲(chǔ)集層物性、識(shí)別流體性質(zhì)的難度急劇增大，高分辨率核磁共振、小型化二維核磁共振[37]、激光掃描共聚焦[38]、QemScan[39]等錄井技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并進(jìn)行了研發(fā)或引進(jìn)?！叭酢?Faint)指的是弱油氣顯示，是通過氣測、巖屑等常規(guī)錄井手段及基于巖屑的分析化驗(yàn)手段難以發(fā)現(xiàn)和識(shí)別的油氣。弱顯示條件分為鉆井條件、地層條件、鉆井條件與地層條件疊加三類。其中，鉆井條件包括井筒高正壓差(鉆井液密度超過設(shè)計(jì)要求的附加值)、PDC鉆頭、熒光(聚磺、混油、油基)鉆井液體系等，地層條件包括低氣油比油層、超深層、水淹層等。錄井作為勘探開發(fā)的“眼睛”，要始終保持“視力”清晰。中國石化石油工程技術(shù)研究院已建立起聚磺、混油、油基三種體系鉆井液含油量/率、原油密度的一維、二維核磁共振解釋模型[37-40]，且精度高，應(yīng)用效果好，并通過兩個(gè)集團(tuán)公司科技部項(xiàng)目的支持，初步實(shí)現(xiàn)了在線測量。

2.6 井下智能錄井技術(shù)

錄井一直立足于地面，是否往井下發(fā)展、往井下發(fā)展測錄什么、發(fā)展到井下是否還屬于錄井，這些問題直接挑戰(zhàn)錄井人對(duì)行業(yè)的認(rèn)知。在一體化時(shí)代，專業(yè)界限已經(jīng)模糊，可以不糾結(jié)于屬于哪個(gè)專業(yè)，關(guān)鍵是能解決什么問題，投入產(chǎn)出比是否經(jīng)濟(jì)可行。往井下發(fā)展，錄井的檢測對(duì)象只能是鉆井液和巖屑，因?yàn)闇y地層就是隨鉆測井(LWD)。井下錄井測鉆井液的需求及意義主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是早期精準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)溢流，這是工程最為關(guān)切和亟需的；二是及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)油氣顯示，避免長距離長時(shí)間上返及溫、壓降低造成的油氣擴(kuò)散和逸散，也有助于提高地質(zhì)導(dǎo)向的實(shí)時(shí)性。井下錄井測量巖屑的意義是可以降低巖屑混雜，從而提高測量的實(shí)時(shí)性與深度的準(zhǔn)確性。所以，錄井往井下發(fā)展確有必要性，要一并實(shí)現(xiàn)智能探測與解釋。

3 結(jié)束語

(1)源頭數(shù)據(jù)質(zhì)量是錄井技術(shù)發(fā)展的重中之重，是錄井的立身之本，在任何一個(gè)階段都不容輕視。在“三超”井不斷增多的時(shí)期，錄井更要提高專業(yè)自信與數(shù)據(jù)質(zhì)量。

(2)在一體化時(shí)代，專業(yè)邊界已有所模糊，各專業(yè)相互滲透，錄井不能固守傳統(tǒng)的定位與專業(yè)邊界，要以需求為導(dǎo)向，以創(chuàng)新為統(tǒng)領(lǐng)，不斷拓展技術(shù)發(fā)展空間，持續(xù)提升參謀支撐力度和解決復(fù)雜難題的能力。

(3)在智能化時(shí)代，錄井要抓住作為井場數(shù)據(jù)中心的優(yōu)勢，與時(shí)俱進(jìn)，提高樣品采集與信息采集、處理、解釋的先進(jìn)性與智能性。

(4)如能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，“一趟錄”信息采集系統(tǒng)、基于機(jī)器學(xué)習(xí)的錄井采集處理解釋一體化系統(tǒng)、“超-微-弱”高分辨率與高精度錄井識(shí)別評(píng)價(jià)系統(tǒng)將改寫錄井的技術(shù)現(xiàn)狀；錄井巖石力學(xué)、井場智能采樣機(jī)器人、井下智能錄井則將成為錄井的顛覆性技術(shù)。