地質(zhì)工程一體化錄井綜合導向模式設(shè)計與應(yīng)用

宋 明 會

(中國石油長城鉆探工程有限公司錄井公司)

0 引 言

目前水平井已成為頁巖氣、頁巖油、致密氣等非常規(guī)油氣藏開發(fā)的重要手段，對提高儲層鉆遇率、安全快速鉆井提出了更高要求。從地質(zhì)角度分析，確保儲層鉆遇率是核心目的，為實現(xiàn)油氣井高效開發(fā)提供充分保障；從工程角度分析，實現(xiàn)快速、安全鉆井，“打快、打好”是核心目的。由于現(xiàn)場沒有將隨鉆定向、錄井、鉆井、定向井等數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一采集、存儲、共享[1-4]，受現(xiàn)場施工的鉆井、隨鉆定向、錄井等多專業(yè)間數(shù)據(jù)孤立、分析局限、溝通脫節(jié)等因素影響，地質(zhì)目的和工程目的往往不能同時兼顧，導致水平井儲層鉆遇率低、鉆井周期長、井筒事故多，影響了水平井實施效果。

為此，提出了“地質(zhì)儲層鉆遇率最大化、工程風險最小化、鉆井時效最優(yōu)化、支持決策最快化”為目標的地質(zhì)工程一體化錄井綜合導向模式。通過一體化模式的應(yīng)用，突出了多數(shù)據(jù)共享與綜合分析，各項專業(yè)緊密結(jié)合，實現(xiàn)井軌跡實施過程中地質(zhì)和工程目標的雙優(yōu)化。同時，與信息化技術(shù)的融合提高了遠程支持的作用，對當前鉆探行業(yè)作業(yè)模式與復雜水平井實施方面具有推動作用。

1 綜合導向模式設(shè)計理念

針對復雜油氣藏地質(zhì)條件導致坍塌與卡鉆等事故多、優(yōu)勢儲層鉆遇率低、鉆井施工慢等難點，以地質(zhì)為基礎(chǔ)，結(jié)合工程施工需求，構(gòu)建了由“地質(zhì)導向+隨鉆定向+鉆井風險評價+錄井技術(shù)+遠程信息化”組成的地質(zhì)工程一體化錄井綜合導向模式。該模式以“錄井技術(shù)應(yīng)用”為基礎(chǔ)，充分發(fā)揮錄井現(xiàn)場第一手資料價值與地質(zhì)方面的分析能力，以信息技術(shù)為載體，加強現(xiàn)場各專業(yè)數(shù)據(jù)的共享及現(xiàn)場與基地的溝通協(xié)作能力，提高服務(wù)質(zhì)量與生產(chǎn)效率。鉆井風險評價技術(shù)從井壁、井筒、鉆柱等方面開展工程風險實時評估與預判，保障施工安全；隨鉆定向技術(shù)通過獲取的定向數(shù)據(jù)，確定最佳工具面、優(yōu)化軌跡，確保高效鉆井[5]；地質(zhì)導向技術(shù)通過鉆前地質(zhì)建模、隨鉆動態(tài)分析與模型調(diào)整，引領(lǐng)鉆頭在目標層中鉆進。

地質(zhì)工程一體化錄井綜合導向形成了“定向服從導向，錄井服務(wù)導向”的工作流程，突出導向技術(shù)協(xié)作核心、信息傳達樞紐、一體化施工的作用。鉆前導向建模過程中，利用錄井、測井、地震、地質(zhì)等資料開展目標層分析，建立地質(zhì)導向模型并分析各層位和鉆井階段潛在的工程風險，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化鉆井軌跡。鉆井過程中，以信息化手段為紐帶實現(xiàn)專業(yè)數(shù)據(jù)共享與協(xié)作，在靜態(tài)地質(zhì)研究基礎(chǔ)上，結(jié)合動態(tài)多專業(yè)數(shù)據(jù)快速分析構(gòu)造變化、及時調(diào)整導向模型、優(yōu)化鉆井軌跡、更新區(qū)域地質(zhì)認識，引領(lǐng)鉆井施工在目標層中鉆進，形成區(qū)域與單井雙向結(jié)合的閉環(huán)式技術(shù)體系，提高優(yōu)勢儲層鉆遇率和確保高效鉆井。

鉆井施工過程中，錄井工程師負責工程數(shù)據(jù)、地質(zhì)數(shù)據(jù)的采集，并分析鉆遇地層的巖性、層位、油氣顯示等；風險分析工程師負責施工井鉆遇地層的工程風險分析，預判待鉆地層的井筒風險，為下步安全鉆井提供依據(jù)；定向工程師負責隨鉆定向數(shù)據(jù)的采集、鉆井軌跡的分析與調(diào)整；導向工程師負責分析目前鉆遇層位與導向模型的動態(tài)調(diào)整，分析下步軌跡調(diào)整方向，組織錄井工程師、定向工程師、風險分析工程師共同制定最優(yōu)的調(diào)整方案，向鉆井工程師下達軌跡調(diào)整指令(圖1)。在遇到重大問題時，各專業(yè)人員可通過信息保障手段與后方專家實時溝通，通過專家的遠程支持提高現(xiàn)場處理復雜問題的能力。導向工程師負責與油田決策方技術(shù)溝通，形成統(tǒng)一的決策后，負責組織分析決策信息，并形成調(diào)整指令傳達給鉆井方。通過以“導向”為核心的工作流程，在保障優(yōu)勢儲層鉆遇率的同時兼顧了工程實施的快速、安全和高效，確保“地質(zhì)甜點”和“工程甜點”目標的雙實現(xiàn)。

圖1 地質(zhì)工程一體化錄井綜合導向工作流程

2 綜合導向模式平臺功能

地質(zhì)工程一體化錄井綜合導向作業(yè)模式以地質(zhì)工程一體化錄井綜合導向平臺為工具開展技術(shù)分析與決策指揮，該平臺是一個集視頻、通信、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)應(yīng)用、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)共享為一體的協(xié)同工作與決策平臺，主要包括數(shù)據(jù)管理層和數(shù)據(jù)應(yīng)用層，實現(xiàn)了井場、基地、移動端之間信息資源的互聯(lián)互通，對井筒海量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理與共享，實現(xiàn)多專業(yè)信息搜索和分析應(yīng)用(圖2)。

圖2 地質(zhì)工程一體化錄井綜合導向平臺功能架構(gòu)

2.1 平臺數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理層包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲兩個系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由靜態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊和動態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊組成。在靜態(tài)數(shù)據(jù)采集方面，開發(fā)了多專業(yè)靜態(tài)數(shù)據(jù)采集一體化錄入模塊，包括鉆井、鉆井液、固井、錄井、隨鉆定向等專業(yè)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了一站式部署、一體化錄入和井場數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理等功能，避免重復工作，確保井場數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)唯一性；在動態(tài)數(shù)據(jù)采集方面，開發(fā)了數(shù)據(jù)匯集器，通過解析不同儀器操作系統(tǒng)，實現(xiàn)對多種綜合錄井儀、隨鉆儀的數(shù)據(jù)實時匯集，能夠?qū)⒉煌瑯藴式涌诘臄?shù)據(jù)以毫秒級的速率匯集到公共數(shù)據(jù)區(qū)，并進行數(shù)據(jù)項及數(shù)據(jù)單位的歸一化處理，為實時決策分析提供數(shù)據(jù)支持。

數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，以WITS和WITSML傳輸標準中描述的數(shù)據(jù)項建立的核心數(shù)據(jù)存儲模型，涵蓋了鉆井、錄井、隨鉆定向、鉆井液等專業(yè)所涉及的所有數(shù)據(jù)項。在核心數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，采用虛擬化技術(shù)，將應(yīng)用軟件數(shù)據(jù)模型與核心數(shù)據(jù)模型進行一一映射，使專業(yè)應(yīng)用軟件能夠無障礙地訪問核心數(shù)據(jù)庫，同時也便于軟件的快速集成，增強了平臺的開放性和兼容性。建立了適應(yīng)動態(tài)功能管理和授權(quán)機制的系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型，系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理模型由用戶、功能權(quán)限、井權(quán)限、自動升級、日志、組織機構(gòu)等表組成，滿足了多專業(yè)數(shù)據(jù)共享、軟件集成更新、多用戶組織機構(gòu)等需求。

2.2 平臺數(shù)據(jù)應(yīng)用

地質(zhì)工程一體化錄井綜合導向模式平臺的數(shù)據(jù)應(yīng)用層包括基礎(chǔ)應(yīng)用和專業(yè)應(yīng)用兩部分，其中核心的專業(yè)應(yīng)用功能主要包括協(xié)同應(yīng)用功能模塊和遠程決策支持功能模塊，可實現(xiàn)隨鉆地質(zhì)分析、工程評價、軌跡控制、方案優(yōu)化等功能，使管理者、專家和技術(shù)人員之間的交流更直觀、高效，并可實時遠程指導現(xiàn)場作業(yè)，提高井場作業(yè)管理效率和作業(yè)質(zhì)量，從而實現(xiàn)前后方一體化、甲乙方一體化，推進決策進度和效率，達到高效科學決策的目的。

協(xié)同應(yīng)用功能模塊主要是專業(yè)應(yīng)用分析模塊，包括二維導向、三維導向、單井分析、多井分析等多個分模塊，可實現(xiàn)地質(zhì)建模、隨鉆錄井評價、隨鉆跟蹤對比、實時導向分析、隨鉆風險評價、隨鉆軌跡優(yōu)化等功能，為錄井、定向、風險管控、導向等作業(yè)提供專業(yè)的地質(zhì)、工程分析工具，通過數(shù)據(jù)與成果共享搭建起多專業(yè)一體化、地質(zhì)工程一體化分析的橋梁， 提高了現(xiàn)場實時分析、決策的能力。

遠程決策支持功能模塊主要包括遠程指揮、導向指令、遠程協(xié)同、遠程監(jiān)控等功能模塊，通過實時傳輸建立現(xiàn)場與基地完全相同的鏡像數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)、成果雙向共享與互動，實現(xiàn)前后方一體化作業(yè)?；赝ㄟ^一體化應(yīng)用平臺的視頻、圖、表、數(shù)據(jù)，遠程感知現(xiàn)場工作狀態(tài)，運用地質(zhì)、工程應(yīng)用軟件，分析、預測、處理現(xiàn)場異常情況，進行遠程指揮與指令下達，提高決策和管理效率。

3 綜合導向模式平臺技術(shù)優(yōu)勢

地質(zhì)工程一體化錄井綜合導向施工過程中，在鉆前、鉆中各環(huán)節(jié)最終以實現(xiàn)地質(zhì)目標為基本原則，同時兼顧工程軌跡可行性、安全性，技術(shù)上互為補充，人員上彼此協(xié)作，在有效降低水平井施工風險，提高優(yōu)勢儲層鉆遇率的同時，達到“地質(zhì)甜點”和“工程甜點”目標的雙實現(xiàn)。

(1)“區(qū)域研究分析”與“施工方案設(shè)計”相結(jié)合優(yōu)化施工方案。在綜合地質(zhì)研究的基礎(chǔ)上，充分考慮施工難度、工程風險、鉆井技術(shù)能力等因素，有針對性地設(shè)計、優(yōu)化軌跡(造斜點選取、造斜率優(yōu)化)，建立符合地質(zhì)情況、鉆井施工條件的綜合性施工方案。

(2)“軌跡調(diào)整控制”與“構(gòu)造變化預測”相結(jié)合提高施工時效。充分應(yīng)用各專業(yè)動、靜態(tài)數(shù)據(jù)，超前預測、主動優(yōu)化，以余量操控、小幅微調(diào)、少定多轉(zhuǎn)為原則，確保軌跡圓滑，降低后續(xù)鉆井施工難度。

(3)“軌跡有效延伸”與“優(yōu)勢儲層追蹤”相結(jié)合提高優(yōu)勢儲層鉆遇率。以有效儲層長度最大化為原則，兼顧水平段延伸能力，在構(gòu)造復雜的情況下，以特色錄井技術(shù)為支撐，由“目標箱體”向“最佳巷道”轉(zhuǎn)變，提高優(yōu)勢儲層鉆遇率、確保單井產(chǎn)量最大化。

(4)“軌跡形態(tài)質(zhì)量”與“井筒風險評價”相結(jié)合確保安全鉆井。在滿足地質(zhì)目標同時，依托井筒風險工程錄井評價技術(shù)開展井眼清潔、地層壓力、鉆柱受力、參數(shù)優(yōu)化等工程分析，預測潛在的卡鉆、井涌、井漏等早期風險，提示鉆井隊及早采取措施，避免工程事故的發(fā)生。

(5)“現(xiàn)場動態(tài)施工”與“多方聯(lián)動支持決策”相結(jié)合提高管理效率。通過建立一體化遠程應(yīng)用平臺，促進不同地點、不同時間、不同專業(yè)人員間更緊密地開展工作，實現(xiàn)“信息共享，協(xié)同決策”，提高工作效率與施工連續(xù)性。

4 應(yīng)用效果

地質(zhì)工程一體化錄井綜合導向模式已在遼河、長慶、川渝頁巖氣等油氣區(qū)進行應(yīng)用，在提高鉆井速度和儲層鉆遇率等方面發(fā)揮了重要作用，為水平井高產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。在川渝頁巖氣地區(qū)，解決了地層傾角變化大、優(yōu)勢儲層薄、微構(gòu)造發(fā)育、井壁失穩(wěn)等影響鉆井施工和目標層鉆遇率的難題，實現(xiàn)精準地質(zhì)導向新突破。與常規(guī)施工方式對比，機械鉆速平均提高了20%，有效儲層鉆遇率平均提高了5%，成為確保川渝頁巖氣水平井高效鉆進和開發(fā)效果的關(guān)鍵技術(shù)之一。

以川渝頁巖氣田YS 137H1-1井應(yīng)用為例，該井是一口淺層頁巖氣水平井，水平段目標層為龍一11小層+龍一12-1單層，優(yōu)勢儲層厚度3.5 m左右。鉆前建模分析發(fā)現(xiàn)，該井地質(zhì)構(gòu)造方面可能存在斷層，將影響目標層的追蹤，并導致優(yōu)勢儲層鉆遇率降低；鉆井工程方面，該井627～1 308 m井段在30°～60°的造斜段存在井眼垮塌、沉砂的風險。針對上述難題，在之后的鉆進過程中，開展摩阻扭矩監(jiān)測、水力學隨鉆監(jiān)測、巖屑返出量監(jiān)測等工程分析，結(jié)合巖屑的巖性、掉塊等地質(zhì)分析，通過優(yōu)化機械鉆速確保及時排除井筒環(huán)空巖屑，控制環(huán)空巖屑濃度小于7%，確保鉆進過程無阻卡復雜情況發(fā)生。鉆至井深分別為1 818 m、2 310 m和2 370 m時，通過錄井元素數(shù)據(jù)分析判斷鉆遇斷層，計算出斷距分別約為10.00 m、5.00 m和2.00 m，地質(zhì)導向工程師、隨鉆定向工程師與鉆井工程師通過地質(zhì)工程一體化錄井綜合導向平臺進行成果共享與分析，地質(zhì)導向師根據(jù)儲層變化確定軌跡控制目標，隨鉆工程師考慮不同軌跡調(diào)整策略下的軌跡控制方案，減少高摩阻高扭矩、鉆壓傳遞困難等復雜情況，確保了鉆穿斷層后對目標層的追蹤。該井設(shè)計水平段長1 100 m，實鉆水平段長1 140 m，鉆井累計純鉆時間14 d， 優(yōu)勢儲層鉆遇率達到94.6%，較采用常規(guī)施工方式的相鄰同等水平段長度的水平井，鉆井純鉆時間縮短了5 d，優(yōu)勢儲層鉆遇率提高了5.1%。

5 結(jié)束語

地質(zhì)工程一體化錄井綜合導向模式以信息化技術(shù)為依托，實現(xiàn)多專業(yè)信息共享與協(xié)作、前后方協(xié)作，建立了以地質(zhì)導向為核心的一體化工作模式，發(fā)揮了多項技術(shù)融合的特點，整體考慮各個環(huán)節(jié)的地質(zhì)與工程影響因素，深入優(yōu)化施工方案、削減施工風險，確保水平井儲層鉆遇率和安全高效鉆井，為錄井地質(zhì)導向的發(fā)展和復雜水平井的順利實施提供借鑒和參考。