大數(shù)據(jù)方法尋找順北碳酸鹽巖儲(chǔ)層開(kāi)采過(guò)程中井壁坍塌主控因素

陶杉 余星 宋海 廖亞民 常啟帆 樊晶晶

1. 中石化西北油田分公司石油工程技術(shù)研究院；2. 中國(guó)石化縫洞型油藏提高采收率重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3. 中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院；4. 北京力會(huì)瀾博能源技術(shù)有限公司

0 引言

順北油田位于塔里木盆地中西部，是中國(guó)石化在碳酸鹽巖海相石油勘探的新發(fā)現(xiàn)，油氣資源豐富。順北油氣田儲(chǔ)層平均深度7 300 m，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，埋藏深、巖石強(qiáng)度大、易漏失易坍塌［1］，開(kāi)采過(guò)程發(fā)生的井壁失穩(wěn)難題危及生產(chǎn)安全，關(guān)系經(jīng)濟(jì)效益。油氣開(kāi)采過(guò)程涉及鉆井、完井、開(kāi)采等諸多環(huán)節(jié)，影響儲(chǔ)層井壁坍塌因素眾多，主控因素不明確。

現(xiàn)有方法通常只考慮了某單一因素對(duì)井壁坍塌的影響，無(wú)法或很少分析實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中諸因素間的相互影響，無(wú)法為現(xiàn)場(chǎng)控制坍塌提供合理建議［2］。此外，順北碳酸鹽巖儲(chǔ)層埋藏深、灰?guī)r強(qiáng)度低，破碎性?xún)?chǔ)層特征明顯［3］，易發(fā)生坍塌、井徑擴(kuò)大等井下復(fù)雜情況，隨著油氣勘探向深層發(fā)展，深井取心難度大，且成功取心的樣品絕大部分來(lái)自穩(wěn)定地層，破碎性易坍塌儲(chǔ)層巖心數(shù)量有限，順北碳酸鹽巖儲(chǔ)層井壁坍塌主控因素尋找面臨巨大難題。

目前常用的主控因素尋找方法主要有實(shí)驗(yàn)法、數(shù)模法和數(shù)據(jù)法，或是兩種或者三種方法的結(jié)合。順北碳酸鹽巖儲(chǔ)層多實(shí)施裸眼完井，除地質(zhì)因素、鉆完井工藝等影響因素外，井壁還受到儲(chǔ)層井筒內(nèi)流體物理化學(xué)性質(zhì)的影響，影響因素眾多，數(shù)據(jù)復(fù)雜且海量。井壁穩(wěn)定主控因素尋找難以用實(shí)驗(yàn)法和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)合數(shù)模法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

大數(shù)據(jù)方法具有在獲取、存儲(chǔ)、管理、分析方面大大超出傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件工具能力范圍的數(shù)據(jù)集合，具有海量的數(shù)據(jù)規(guī)模、快速的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)、多樣的數(shù)據(jù)類(lèi)型和價(jià)值密度低四大特征，能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)集合進(jìn)行捕捉、管理和處理，有望為順北碳酸鹽巖儲(chǔ)層開(kāi)采過(guò)程中井壁坍塌主控因素的尋找提供解決辦法，其關(guān)鍵是數(shù)據(jù)的搜集整理和大數(shù)據(jù)處理方法的選擇。

王贊等［4］通過(guò)剖析側(cè)鉆老井的井史資料，結(jié)合每一項(xiàng)側(cè)鉆技術(shù)的實(shí)施難度，以經(jīng)濟(jì)性為原則，基于渤海油田應(yīng)用成功的側(cè)鉆技術(shù)建立了決策樹(shù)模型。但決策樹(shù)法存在高方差、不穩(wěn)定及結(jié)果不確定性的問(wèn)題。吳超等［5］運(yùn)用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立已鉆井地震屬性與測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)之間的分層映射關(guān)系模型，計(jì)算待鉆層段的孔隙壓力、坍塌壓力和破裂壓力。但小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的“黑箱性質(zhì)”，使得在利用其處理油田大樣本數(shù)據(jù)易導(dǎo)致應(yīng)用實(shí)例與預(yù)測(cè)模型的矛盾，且局部極小化問(wèn)題使得所得模型不能完全真實(shí)反映數(shù)據(jù)規(guī)律。

可見(jiàn)，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法在順北碳酸鹽巖儲(chǔ)層井壁坍塌主控因素研究過(guò)程中存在一定缺陷，為此，筆者針對(duì)順北碳酸鹽巖儲(chǔ)層開(kāi)采過(guò)程中井壁坍塌主控因素尋找，建立了一套全新的包括目標(biāo)函數(shù)建立、原始數(shù)據(jù)收集、影響參數(shù)分析、主控因素篩選和模型可信度驗(yàn)證在內(nèi)的大數(shù)據(jù)模型分析方法，以順北1條帶和5條帶17口井的儲(chǔ)層鉆開(kāi)、洗井、測(cè)試、酸化壓裂、試油生產(chǎn)等數(shù)據(jù)為對(duì)象，尋找順北碳酸鹽巖儲(chǔ)層井壁坍塌主控因素。

1 尋找開(kāi)采過(guò)程井壁坍塌主控因素過(guò)程

評(píng)價(jià)井壁坍塌的參數(shù)很多，如大鉤載荷、返出巖屑、井徑擴(kuò)大率等。大鉤載荷和返出巖屑是井壁坍塌的二次數(shù)據(jù)，不能直接反映井壁坍塌情況。井徑擴(kuò)大率是研究井壁坍塌后的最直觀的定量表征指標(biāo)。因此，采用井徑擴(kuò)大或者收縮的相對(duì)大小作為井壁穩(wěn)定評(píng)價(jià)指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)。

1.1 目標(biāo)函數(shù)建立

順北區(qū)塊多采用四級(jí)井身結(jié)構(gòu)，以?shī)W陶系一間房組和鷹山組為主要儲(chǔ)層，坍塌壓力較高，存在較大的卡鉆和垮塌風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，在實(shí)際數(shù)據(jù)記錄過(guò)程中，數(shù)據(jù)記錄全、格式規(guī)范，以井徑擴(kuò)大率作為井壁坍塌研究的目標(biāo)函數(shù)能夠較全面收集多種因素，保證井壁坍塌機(jī)理解析客觀。采用“剝繭尋根算法”尋找開(kāi)采過(guò)程中井壁坍塌的主控因素。圖1為“剝繭尋根算法”流程圖。

圖1 “剝繭尋根算法”流程圖Fig. 1 Flow chart of “cocoon stripping algorithm”

1.2 信息收集與整理

在實(shí)際收集資料的過(guò)程中遇到了同一井地質(zhì)資料、鉆完井、測(cè)井等資料豐富但記錄形式多樣，不同井資料格式差異、文數(shù)混合、數(shù)據(jù)缺失等諸多難點(diǎn)。針對(duì)這些難點(diǎn)，黃知娟認(rèn)為在實(shí)際收集數(shù)據(jù)的過(guò)程中要盡可能減少人為干預(yù)、擴(kuò)大收集數(shù)據(jù)渠道源頭以及將數(shù)據(jù)正確、完整地預(yù)處理［6］。為保持?jǐn)?shù)據(jù)的原始性，使用“環(huán)節(jié)法”，根據(jù)順北油田裸眼完井工藝流程，將整個(gè)完井過(guò)程劃分成了“鉆開(kāi)儲(chǔ)層、洗井、下油管、油管測(cè)試、酸化壓裂、試油生產(chǎn)”等6個(gè)環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)包括工程參數(shù)和流體性質(zhì)參數(shù)兩類(lèi)。將數(shù)據(jù)進(jìn)行“層維化”分類(lèi)，即每個(gè)工程環(huán)節(jié)作為層，參數(shù)具體數(shù)值作為維。

由于現(xiàn)場(chǎng)提供井壁坍塌數(shù)據(jù)資料豐富、記錄多樣，需進(jìn)行數(shù)據(jù)化處理，完成數(shù)據(jù)漏值、錯(cuò)值及野值等數(shù)據(jù)的篩除與修正，保證后續(xù)建模、數(shù)據(jù)提取、計(jì)算的便捷性和統(tǒng)一性，保障數(shù)據(jù)分析的合理性及高效性。針對(duì)數(shù)據(jù)來(lái)源廣泛、因素重復(fù)、空間序列數(shù)據(jù)與時(shí)間序列數(shù)據(jù)共存、各因素收集到的原始數(shù)據(jù)存在異常值等難點(diǎn)，通過(guò)數(shù)據(jù)一致性檢查、數(shù)據(jù)異常值的“清洗”、數(shù)據(jù)歸一等完成數(shù)據(jù)化處理。整理順北1條帶和5條帶17口井的儲(chǔ)層鉆開(kāi)、洗井、測(cè)試、酸化壓裂、試油生產(chǎn)等作業(yè)環(huán)節(jié)的85萬(wàn)條原始數(shù)據(jù)，按照環(huán)節(jié)法，層維化完成數(shù)據(jù)處理。

1.3 建立數(shù)學(xué)模型并求解待定系數(shù)

建立不同因素與目標(biāo)參數(shù)井徑擴(kuò)大率之間影響關(guān)系數(shù)學(xué)表達(dá)式

式中，K為井徑擴(kuò)大率；X1，···，Xn，Y1，···，Yn，Z1，···，Zn分別表示儲(chǔ)層鉆開(kāi)、洗井、下油管、油管測(cè)試、酸化壓裂、試油生產(chǎn)等6個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)下的對(duì)目標(biāo)函數(shù)有影響的參數(shù)。

以井徑擴(kuò)大率為目標(biāo)的自變量有方位角、固相含量、漏斗黏度等39個(gè)參數(shù)。對(duì)收集后分組數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，分別賦予因變量數(shù)據(jù)和自變量數(shù)據(jù)。設(shè)定選定模型為一維線性函數(shù)模型，對(duì)高階高次函數(shù)進(jìn)行拉格朗日縮放到一維線性函數(shù)上。

根據(jù)式(1)，采用待定系數(shù)法，將不同影響因素具體數(shù)據(jù)代入方程中，即可求解方程系數(shù)。

1.4 優(yōu)化模型篩選主控因素

根據(jù)求解的方程系數(shù)，可建立各因素與目標(biāo)參數(shù)之間的模型關(guān)系。在優(yōu)化模型過(guò)程中，由于各因素?cái)?shù)據(jù)量級(jí)存在差異，導(dǎo)致系數(shù)存在一定的差異。常用的優(yōu)化模型方法有賦值法和削元法，賦值法是人為對(duì)參數(shù)進(jìn)行賦值，無(wú)法保證客觀性，因此使用削元法優(yōu)化模型。從數(shù)據(jù)整體來(lái)看，各因素對(duì)模型的貢獻(xiàn)程度是有區(qū)別的，部分?jǐn)?shù)據(jù)充當(dāng)模型的核心“筋骨框架”，另一部分?jǐn)?shù)據(jù)充當(dāng)點(diǎn)綴。為此，當(dāng)刪除的數(shù)據(jù)屬于核心數(shù)據(jù)時(shí)，模型在原有基礎(chǔ)上會(huì)發(fā)生較大的改變；當(dāng)刪除的數(shù)據(jù)屬于非核心數(shù)據(jù)時(shí)，模型在原有基礎(chǔ)上不會(huì)發(fā)生太大的變化。例如對(duì)單因素X1削元，若削去X1后，其他因素排序穩(wěn)定不變，則X1非主控因素；若削去X1后，其他因素排序發(fā)生變化，則X1為主控因素。最后找到，影響目標(biāo)參數(shù)的因素集合。

利用削元法，從39個(gè)因素中篩選出24個(gè)影響因素，對(duì)其進(jìn)行擬合，結(jié)果見(jiàn)式(2)。

由于繼續(xù)使用削元法數(shù)據(jù)量大且計(jì)算復(fù)雜，因此通過(guò)計(jì)算貢獻(xiàn)率的方法從影響因素中篩選主控因素。

2 結(jié)果與討論

從24個(gè)影響因素中根據(jù)貢獻(xiàn)度的大小以及貢獻(xiàn)度之和大于 90%，篩選出Φ600、鉆時(shí)、Φ300、鉆壓、Φ200、井口大地Y坐標(biāo)、Φ100、漏斗黏度、井口大地X坐標(biāo)、Φ6、鉆井泵壓、井斜角、固相含量共13個(gè)主控因素。

2.1 井徑擴(kuò)大率大數(shù)據(jù)模型可信度分析

針對(duì)在數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證過(guò)程中，由于在部分試驗(yàn)方法中缺乏適用的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，不能比較直觀、簡(jiǎn)單進(jìn)行結(jié)果的有效性評(píng)定的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)單主控因素的作用可信度評(píng)價(jià)使用T檢驗(yàn)，對(duì)目標(biāo)變量模型的可信度評(píng)價(jià)使用F檢測(cè)，兩者配合使用確保結(jié)果的有效性［7］。

T檢驗(yàn)值越小，該因素提供的信息越準(zhǔn)確。檢驗(yàn)結(jié)果表明，這13個(gè)因素的T檢驗(yàn)值均在0～45之間，數(shù)值較小，使用該數(shù)據(jù)會(huì)提高模型的準(zhǔn)確性。對(duì)目標(biāo)變量模型進(jìn)行F檢驗(yàn)，檢驗(yàn)值越大，模型準(zhǔn)確度越高。井徑擴(kuò)大率的F檢驗(yàn)值為193.03，大于95，屬于F檢驗(yàn)值較大的情況，認(rèn)為各因素與目標(biāo)因素的顯著性明顯，模型具有準(zhǔn)確性。因此，模型可行。

2.2 井壁坍塌主控因素合理性分析

分析井壁坍塌主控因素的方法有數(shù)據(jù)對(duì)比法、經(jīng)驗(yàn)推測(cè)法、數(shù)學(xué)計(jì)算法等方法。數(shù)據(jù)對(duì)比法實(shí)驗(yàn)流程及數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，結(jié)果不夠直觀；經(jīng)驗(yàn)推測(cè)法準(zhǔn)確性主要依靠人工經(jīng)驗(yàn)，存在主觀偏差。利用數(shù)學(xué)方法對(duì)不同因素進(jìn)行權(quán)重分析的數(shù)學(xué)計(jì)算法數(shù)據(jù)全面，適用于研究順北油田儲(chǔ)層井壁坍塌。通過(guò)計(jì)算各系數(shù)的貢獻(xiàn)率來(lái)分析主控因素貢獻(xiàn)率。

以井徑擴(kuò)大率為目標(biāo)函數(shù)，Φ600相關(guān)系數(shù)貢獻(xiàn)率最高，達(dá)到16.57%，表明是主導(dǎo)因素；鉆進(jìn)目的層鉆時(shí)、Φ300、鉆進(jìn)目的層鉆壓均達(dá)到10%以上，表明這3種因素影響都較大。其余因素相關(guān)系數(shù)貢獻(xiàn)率稍低，存在影響不可忽略。

(1)Φ600/Φ300表示高剪切速率下的流體流變性能，該值越大，流體流動(dòng)性減弱，對(duì)井壁沖刷力變?nèi)?，且固相越容易黏附井壁，有利于井壁穩(wěn)定。

(2)對(duì)于順北碳酸鹽巖儲(chǔ)層，鉆時(shí)越大，表示地層壓實(shí)強(qiáng)度越弱或井底負(fù)壓差越大，越容易坍塌掉塊，不利于井壁穩(wěn)定。

(3)Φ200/Φ100表示中等剪切速率下的流體流變性能，該值越大，流體流動(dòng)性越弱，對(duì)井壁沖刷力變?nèi)?，有利于井壁穩(wěn)定。

(4)鉆壓表示鉆具自重與鉆具受到流體浮力的差值，該值增大，表示浮力減小，反映了流體密度變小，對(duì)井壁支撐力度減弱，不利于井壁穩(wěn)定。

(5)Y坐標(biāo)/X坐標(biāo)表示井口位置，利用其完成的井徑擴(kuò)大率預(yù)測(cè)趨勢(shì)圖表明，該值越大，越偏向東北方向，井壁越不穩(wěn)定。

(6)漏斗黏度是黏度的綜合表現(xiàn)，該值越大，流動(dòng)阻力增大，對(duì)井壁沖刷力越小，有利于井壁穩(wěn)定。

(7)Φ6表示低剪切速率下的流體流變性能，該值越大，流體結(jié)構(gòu)力越強(qiáng)，流動(dòng)越弱，對(duì)井壁沖刷力變?nèi)酰瑢?duì)井壁穩(wěn)定性越有利。

(8)鉆井泵壓越大，排量越大，井壁沖刷力越大，越不利于井壁穩(wěn)定。

(9)井斜角越大，越不利于井壁穩(wěn)定。

(10)固相含量越大，流體密度越大，對(duì)井壁支撐力度越強(qiáng)，越有利于井壁穩(wěn)定；高固相含量導(dǎo)致泥餅質(zhì)量變差，失水量變大，引起含泥地層水化分散加劇，越易引起坍塌掉塊，越不利于井壁穩(wěn)定。

鉆進(jìn)目的層鉆壓、井口大地Y坐標(biāo)、井口大地X坐標(biāo)、井斜角、固相含量共5個(gè)因素符合傳統(tǒng)井壁穩(wěn)定力學(xué)化學(xué)模型，與劉志遠(yuǎn)［8］和翟曉鵬［9］等研究結(jié)果一致。鉆井液的Φ600、Φ300、Φ200、Φ100、Φ6、鉆井泵壓、漏斗黏度、鉆進(jìn)目的層鉆時(shí)共8個(gè)因素是前人沒(méi)有發(fā)現(xiàn)的從理化方面影響井壁穩(wěn)定的主控因素。

2.3 預(yù)測(cè)開(kāi)采井井壁坍塌程度的合理性分析

井壁坍塌往往是由于流體機(jī)械工程的作用，而在開(kāi)采、酸化、試采過(guò)程中壓力變化、流體性質(zhì)等依舊會(huì)對(duì)井壁產(chǎn)生作用。因此，鉆井過(guò)程中所建立的模型對(duì)于預(yù)測(cè)開(kāi)采井壁坍塌程度是適用的。

SHB1-4H井放噴期間井口返出大塊巖屑，堵塞油嘴，導(dǎo)致關(guān)井整改放噴流程。關(guān)井期間巖屑下沉，堵塞油管與井筒，造成處理井筒二次完井作業(yè)。

利用前期獲得的結(jié)果，預(yù)測(cè)SHB1-4H井生產(chǎn)過(guò)程中井壁坍塌程度。利用前面所建立的模型，在鉆完井資料基礎(chǔ)上，建立了測(cè)井前相關(guān)參數(shù)與井徑擴(kuò)大率對(duì)應(yīng)關(guān)系。代入開(kāi)采、酸化、試采過(guò)程中的壓力參數(shù)、流體參數(shù)等，對(duì)井徑擴(kuò)大率進(jìn)行預(yù)測(cè)。結(jié)合模型計(jì)算的井徑擴(kuò)大率由完鉆時(shí)的3%增加至3.22%。

由于試采過(guò)程中原油由地層流向井口時(shí)，溫度降低，黏度增加，造成結(jié)蠟現(xiàn)象，為了盡量接近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，使用不同倍數(shù)原油黏度對(duì)井徑擴(kuò)大率進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)原始原油黏度增大到8倍原油黏度時(shí)，井徑擴(kuò)大率由?0.09%增加至1.71%。計(jì)算結(jié)果表明，在試采過(guò)程中，原油黏度增大會(huì)導(dǎo)致井壁穩(wěn)定性變差，也就是生產(chǎn)過(guò)程中壓差大，會(huì)降低原油流動(dòng)性，造成井壁坍塌，表明主控模型可以成功預(yù)測(cè)開(kāi)采井井壁坍塌程度。

3 結(jié)論

(1)針對(duì)順北碳酸鹽巖深部?jī)?chǔ)層取心難、所取巖心代表性不足等難題，在確保數(shù)據(jù)的多元完整性、時(shí)效性和連續(xù)性的前提下，利用基于剝繭尋根的大數(shù)據(jù)方法，可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)生產(chǎn)井井壁坍塌的問(wèn)題。

(2)針對(duì)井壁坍塌問(wèn)題，應(yīng)該采用更多的預(yù)測(cè)目標(biāo)，增加預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。這需要考慮井徑擴(kuò)大率、漏失量、漏失速度等多個(gè)目標(biāo)。

(3)剝繭尋根算法為分析井壁坍塌主控因素提供了一種手段。但分析需要較多現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，如何用較少數(shù)據(jù)尋找主控因素是未來(lái)的研究方向。