井筒信息一體化地層建模及地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)

邵才瑞,翟星雨,原野,張福明,張慶勛

(1.中國石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東青島266580;2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室-海洋礦產(chǎn)資源評價(jià)與探測技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室,山東青島266580;3.中石油測井重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國石油大學(xué)(華東)研究室,山東青島266580;4.深層油氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島266580)

0 引 言

隨著對薄層、隱蔽及非常規(guī)油氣層的開發(fā)需求,大斜度和定向井鉆井技術(shù)被廣泛應(yīng)用,水平井測井評價(jià)、隨鉆測井(Logging While Drilling,LWD)和地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)得到廣泛應(yīng)用[1-4]。斯倫貝謝、哈里伯頓、貝克休斯等公司在隨鉆測井技術(shù)方面位居領(lǐng)先地位[5]。方位隨鉆測井資料在確定地層產(chǎn)狀方面有著重要的作用[6-7],然而由于中國大多數(shù)隨鉆測井資料無方位自然伽馬及方位電阻率,因此,綜合利用測井、錄井和鉆井信息對鉆遇地層進(jìn)行評價(jià),成為彌補(bǔ)測井資料信息不足的有效手段。本文對綜合利用隨鉆測井、錄井和鉆井信息進(jìn)行實(shí)時(shí)地質(zhì)導(dǎo)向的關(guān)鍵方法技術(shù)進(jìn)行梳理,開發(fā)了井筒信息三維與二維一體可視化地質(zhì)導(dǎo)向軟件,給出了地層建模和地質(zhì)導(dǎo)向方法流程并進(jìn)行應(yīng)用檢驗(yàn)。

1 井筒信息及地層模型可視化技術(shù)

井筒信息包括井眼幾何軌跡,鉆遇地層的電纜,隨鉆測井、錄井、鉆井以及取心資料信息;地層模型包含鉆遇地層的空間構(gòu)造、產(chǎn)狀和屬性參數(shù)模型,其中構(gòu)造和產(chǎn)狀模型在地質(zhì)導(dǎo)向中至關(guān)重要。只有對這些信息進(jìn)行一體化顯示才能正確識別目的層并進(jìn)行地質(zhì)導(dǎo)向。

1.1 三維可視化技術(shù)

采用OpenGL[8-9]三維可視化技術(shù),沿井眼軌跡空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)直觀展示井筒信息和地層模型。對于取心、測井解釋結(jié)論等分層段井筒信息(巖心標(biāo)記,小層孔隙度、滲透率物性及流體飽和度信息)一般呈柱狀顯示,測井曲線一般沿最大位移剖面顯示。先導(dǎo)地質(zhì)模型圖元可分為斷層線、地層面和數(shù)據(jù)體3類。利用OpenGL三維可視化技術(shù)可對這些線、面、體三維地質(zhì)圖元進(jìn)行顯示,以表達(dá)地質(zhì)體的整體輪廓、地層之間的接觸關(guān)系。對于三維地質(zhì)體數(shù)據(jù),一般采用繪制地質(zhì)體外表面的鏤空畫法,提高繪圖效率;對于地質(zhì)體內(nèi)部情況,可采用切片方式展示[10]。

1.2 井筒信息二維綜合可視化繪圖技術(shù)

三維可視化技術(shù)為研究井眼軌跡、井筒信息、地層模型的三維空間關(guān)系提供了宏觀刻畫手段,但不便于精細(xì)觀察井筒信息的細(xì)節(jié)變化,難以用來精細(xì)評價(jià)地層性質(zhì)、更新地層模型、分析井眼軌跡與鉆遇地層的接觸關(guān)系。為此發(fā)明了按一定投影方位沿井眼軌跡水平和垂直位移對井眼軌跡、地層模型、測井、錄井、鉆井等井筒信息進(jìn)行二維綜合可視化繪圖方法[11],提供曲線類、填充類、成像類、錄井符號類等圖元的實(shí)時(shí)繪圖功能[12],為綜合利用井筒信息評價(jià)地層品質(zhì)和產(chǎn)狀提供軟件平臺[13-14]。

2 井筒信息一體化儲層評價(jià)方法

綜合利用隨鉆測井資料,結(jié)合巖屑錄井、氣測錄井、鉆時(shí)、鉆壓等信息,可以減少測井信息的不確定性,準(zhǔn)確判識油氣層,為定向鉆井提供地質(zhì)導(dǎo)向目標(biāo)。

2.1 巖性判定方法

(1)利用測井信息判定巖性。目前常見的隨鉆測井資料主要有自然伽馬和電阻率資料,對于砂泥巖地層可利用隨鉆自然伽馬測井曲線判定鉆遇地層巖性,也可以結(jié)合電阻率曲線,利用鄰井標(biāo)志層通過地層對比判定巖性[10]。

(2)利用錄井資料判定巖性。巖屑錄井可直觀提供巖性信息,此外利用元素錄井儀,可直接測量多種礦物成分,從而得到巖性和脆性礦物(石英+碳酸鹽巖)的含量[15]。

(3)利用鉆井工程參數(shù)輔助判定巖性。在疏松的地層,鉆時(shí)一般相對較短,鉆具振動(dòng)幅度較低;而在硬度較高的地層,鉆時(shí)較長,鉆具震動(dòng)幅度較大。因此,根據(jù)鉆時(shí)和鉆具振動(dòng)幅度信息,可定性判斷地層軟硬或量化預(yù)測巖性[16]。

2.2 儲層物性及流體性質(zhì)判定方法

2.2.1利用測井信息評價(jià)儲層參數(shù)

由于目前隨鉆測井資料一般只有自然伽馬和電阻率資料,而聲波、中子、密度三孔隙度測井資料相對較少。因此,只能參考鄰井同層電纜測井資料評價(jià)結(jié)果,用統(tǒng)計(jì)模型估算儲層參數(shù)。

(1)泥質(zhì)含量和物性。當(dāng)沒有三孔隙度測井資料時(shí),可使用隨鉆自然伽馬資料估算泥質(zhì)含量,然后利用泥質(zhì)含量與孔隙度之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系估算孔隙度。統(tǒng)計(jì)資料表明,孔隙度和泥質(zhì)含量之間存在一定的相關(guān)關(guān)系,常具有以下一般形式

φ=x(100-VSH)+y(100-VSH)2+z

(1)

式中,φ為孔隙度,%;VSH為泥質(zhì)含量,%;x、y、z為擬合系數(shù),可由實(shí)驗(yàn)分析資料統(tǒng)計(jì)得出。當(dāng)有巖石物性分析資料時(shí),可建立孔隙度、泥質(zhì)含量和滲透率的統(tǒng)計(jì)模型或者利用Timuer經(jīng)驗(yàn)公式[6]來求解滲透率。

(2)骨架體積。利用泥質(zhì)含量和孔隙度計(jì)算結(jié)果,根據(jù)體積模型求解

Vma=100-φ-VSH

(2)

式中,Vma為骨架體積組分比例,%。

(3)含水飽和度。可根據(jù)井斜和地層各向異性情況,對電阻率測井資料進(jìn)行井斜校正,然后根據(jù)已有地區(qū)巖電分析參數(shù),采用合適的模型進(jìn)行計(jì)算[17]。

2.2.2利用錄井、鉆井信息輔助評價(jià)儲層參數(shù)

(1)利用鉆速、鉆壓和扭矩信息評價(jià)物性。利用鉆速資料估算巖石單軸抗壓強(qiáng)度[18]進(jìn)而估算孔隙度[19],對于砂泥巖地層也可直接利用鉆速資料估算地層孔隙度

(3)

式中,Kg為井區(qū)經(jīng)驗(yàn)系數(shù);ROP為儲層鉆速,m/h;ROPm為泥巖層鉆速,m/h。

利用鉆壓和扭矩根據(jù)不同模型可計(jì)算出巖石破裂需要的功或能,從而定性評價(jià)物性[20]。例如,機(jī)械比能模型公式

(4)

式中,Em為機(jī)械比能,MPa;W為鉆壓,kN;M為扭矩,kN·m;db為鉆頭直徑,m;n為轉(zhuǎn)速,r/min。通常機(jī)械比能越大儲層物性越差,反之物性越好,可根據(jù)計(jì)算機(jī)械比能進(jìn)行分級定性評價(jià)物性。

(2)利用氣測錄井資料評價(jià)含氣性。根據(jù)氣測錄井測得的天然氣含量與成分,結(jié)合熒光錄井含油氣信息定性判識油氣層,定量估算頁巖儲層含水、含氣飽和度。例如,計(jì)算頁巖氣儲層的飽和度

Sg=1-(Cb/Ct)1/j

(5)

式中,Sg為頁巖氣儲層飽和度,%;Cb為烴背景值,%;Ct為儲層異常值,%;j為氣測含烴飽和度指數(shù),一般為3～7。

由于常規(guī)錄井巖屑常遭受鉆井液污染,無法準(zhǔn)確劃分含油氣級別;而地化錄井一定程度上減少了鉆井液污染,判識含油氣信息具有相對較高準(zhǔn)確性。

3 井筒信息一體化地層模型的確定與導(dǎo)向方法

3.1 根據(jù)井眼軌跡與井筒信息的空間關(guān)系確定地層產(chǎn)狀

由于先導(dǎo)地層模型的不確定性,設(shè)計(jì)的井眼軌跡及靶點(diǎn)往往與實(shí)際地層情況不符。借助三維及二維井筒信息可視化技術(shù),可以從不同視角觀察分析沿井眼軌跡鉆遇地層的性質(zhì)、定性判定與實(shí)際地層界面的接觸關(guān)系,并根據(jù)井眼軌跡與地層界面的幾何接觸關(guān)系估算地層厚度和地層傾角,確定地層產(chǎn)狀[10]。

3.2 利用測井正演和方位測井資料判定地層界面及產(chǎn)狀

對于軸對稱自然伽馬和電阻率測井資料,利用已有地層模型和井眼軌跡,對測井響應(yīng)進(jìn)行正演,并與實(shí)測曲線對比是確定地層界面的有效方法之一。由于電阻率測井比自然伽馬測井更易受到上下圍巖的影響,因此,通過電阻率正演模擬來確定地層界面[21]的方法在薄互層及低電阻率地層中不利于正確識別地層界面[22-23]。為此發(fā)明了一種自然伽馬測井快速正演解析算法[24-25],克服了難以利用蒙托卡羅方法進(jìn)行實(shí)時(shí)正演的困難。利用方位隨鉆測井資料可以確定井軸上沿和下沿與地層界面的相交位置,從而確定沿井軸方向地層界面的深度差,結(jié)合井斜角和井徑可以算出地層傾角[26];此外,還可利用方位測井成像資料來識別地層邊界,進(jìn)而計(jì)算地層產(chǎn)狀[27]。

3.3 模型確定及地質(zhì)導(dǎo)向方法

3.3.1綜合測井、錄井、鉆井信息確定異常地層模型

雖然基于井筒信息可視化技術(shù),根據(jù)隨鉆實(shí)測和正演測井資料沿井眼軌跡的空間變化特征可判定地層產(chǎn)狀,但由于目前常見測井資料為軸對稱探測資料,無法判定鉆遇地層的上下邊界。因此,當(dāng)存在異常構(gòu)造或地層時(shí),用相同的測井資料可能得出不同的地層模型結(jié)果,具有多解性。例如圖1和圖2為A井利用相同隨鉆自然伽馬和電阻率測井資料,根據(jù)井眼軌跡得出的2種不同地層模型,但僅利用測井資料難以對圖1和圖2中的地層模型作出客觀的判別和取舍。圖1和圖2中右上角為按水平位移顯示的測井曲線,左下角為按垂深顯示的測井曲線,右下角為地層模型、井眼軌跡和測深標(biāo)記。

圖1 A井地層模型Ⅰ

當(dāng)鉆遇斷層和裂縫地層時(shí),鉆錄井信息會(huì)有異常顯示。在明顯斷層處,一般鉆時(shí)會(huì)突然降低或鉆具放空,巖屑錄井會(huì)有地層巖性重復(fù)或缺失特征,甚至有構(gòu)造巖或亮晶方解石、石英等纖維狀晶體以及黃鐵礦等自生礦物,有的巖屑或巖心上出現(xiàn)擦痕面等。當(dāng)鉆遇孔洞縫地層時(shí),會(huì)出現(xiàn)鉆時(shí)變短與鉆壓突然降低、大鉤負(fù)荷突然增大、鉆具放空、井漏等現(xiàn)象,有的井則具有氣侵、井涌、井噴等征兆。鉆遇高壓地層時(shí),鉆速會(huì)明顯增大、鉆時(shí)減少,鉆井液出現(xiàn)明顯增量,巖屑錄井顆粒密度降低、氣測錄井大幅度上升等現(xiàn)象。

圖2 A井地層模型Ⅱ

根據(jù)A井鉆井日報(bào),在斜深3 542.44 m附近鉆井時(shí),鉆壓降低,巖屑異常。綜合分析鉆時(shí)、鉆壓資料,判斷存在斷層,認(rèn)為圖2為正確地層模型。因此,綜合利用鉆井、錄井多種井筒信息就能提高對斷層或異常地層的判識能力,減少多解性。

圖3 井筒信息一體化地層模型確定及地質(zhì)導(dǎo)向方法

3.3.2測井、錄井、鉆井信息一體化地質(zhì)導(dǎo)向方法

具有自主知識產(chǎn)權(quán)的“井筒信息一體化二維地層評價(jià)與地質(zhì)導(dǎo)向平臺(BIGS_2DFE)”軟件利用多Socket接口技術(shù),可實(shí)時(shí)接收來自不同端口的隨鉆測井、錄井?dāng)?shù)據(jù),借助地質(zhì)導(dǎo)向可視化軟件平臺[14],采用圖3所示方法流程,綜合隨鉆測井、錄井和鉆井資料,根據(jù)前述儲層參數(shù)、地層產(chǎn)狀和異常地層模型判定方法,通過綜合評價(jià),可增加對實(shí)鉆地層的判識和建模精度,減少多解性,提高目的層鉆遇率。

4 應(yīng)用實(shí)例

圖4 B井初始地層模型*非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

圖5 B井綜合評價(jià)地層模型

圖4、圖5為綜合利用測井、錄井、鉆井信息進(jìn)行水平井地層評價(jià)與建模的實(shí)例。圖4、圖5中右上角和左下角為分別沿水平和垂直位移顯示的測井、錄井、鉆井信息,右下角為地層模型和井眼軌跡,紅色為實(shí)鉆井眼軌跡、藍(lán)色為設(shè)計(jì)井眼軌跡、標(biāo)記深度為實(shí)鉆測深。

圖4為B井根據(jù)鄰井資料得出的初始地層模型,目的層為泥頁巖,頂界距地面垂直深度(垂深)1 520.7 m、底界垂深1 536.7 m、層厚16 m、微上傾。設(shè)計(jì)井眼軌跡H靶點(diǎn)垂深1 524.1 m,距離井口水平位移400 m。根據(jù)實(shí)際測井、錄井、鉆井信息判定實(shí)際地層與初始模型差別較大。

如圖5所示,在垂深1 475.2 m、水平位移215.4 m至垂深1 481 m、水平位移222 m井段,自然伽馬值升高、鉆時(shí)T震蕩增大、巖屑錄井顯示泥巖,表明鉆遇泥巖(圖5中2號層段);自垂深1 481 m、水平位移222 m至垂深1 489.2 m、水平位移240 m處,自然伽馬值降低、巖屑錄井有砂巖顯示、氣測錄井幅度變大、電阻率值升高,表明鉆遇含氣砂巖(圖5中3號層段);在垂深1 489.2 m、水平位移240 m后鉆時(shí)T降低,自然伽馬值升高,深、中探測電阻率(Rt,Ri)以及氣測總烴(TGAS)值明顯變大,巖屑錄井為頁巖,表明鉆進(jìn)含氣頁巖目的層(圖5中4號層段)頂界;在垂深1 524 m、水平位移400 m處達(dá)到H靶點(diǎn),此處電阻率值變低、氣測值變小、自然伽馬值與聲波時(shí)差值平穩(wěn),表明接近4號層段頁巖底界;在水平位移549.2～619.0 m、垂深1 523.2～1 522.1 m井段自然伽馬值明顯降低、電阻率值略有下降、鉆時(shí)增大,表明鉆遇5號層段砂質(zhì)頁巖。

根據(jù)上述對鉆遇地層界面的綜合分析,判定實(shí)際目的層頂界距離地面垂深1 491.6 m、底界垂深1 524 m、層厚32.4 m;與初始設(shè)計(jì)模型相比目的層頂界垂深上移29.1 m,底界垂深上移12.7 m。對該井綜合分析可看出,實(shí)際鉆遇地層模型和初始設(shè)計(jì)地層模型會(huì)存在較大差異,單獨(dú)利用測井、鉆井或者錄井資料都難以對鉆遇地層得出準(zhǔn)確的判斷,只有綜合利用井筒信息才能細(xì)致刻畫地層模型。

5 結(jié) 論

(1)應(yīng)用實(shí)例表明,在無方位隨鉆測井資料技術(shù)條件下,極大限度地綜合利用井筒信息對地層進(jìn)行評價(jià),可減少對地層模型判定的不確定性、提高建模精度,從而達(dá)到優(yōu)化井眼軌跡、提高鉆遇率目的。

(2)三維可視化建模和二維綜合可視化繪圖技術(shù)是綜合利用測井、錄井、鉆井井筒信息進(jìn)行地層建模及地質(zhì)導(dǎo)向的技術(shù)基礎(chǔ)。

(3)利用測井、錄井、鉆井信息的地層響應(yīng)特征,對鉆遇地層定性分析和定量計(jì)算以及正演模擬,是精細(xì)刻畫地層模型、減少不確定性的方法依據(jù)。