渤海油田裂縫性油藏地質(zhì)工程一體化井漏預(yù)警技術(shù)

張曉誠， 霍宏博,2， 林家昱， 劉海龍， 李 進(jìn)

（1. 中海石油（中國）有限公司天津分公司, 天津 300459；2. 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西南石油大學(xué)）, 四川成都 610500）

隨著渤海油田勘探開發(fā)的不斷深入，常規(guī)背斜、斷塊型油氣藏越來越少，裂縫性油氣藏逐步成為勘探開發(fā)的重點(diǎn)目標(biāo)。但裂縫性油氣藏的裂縫發(fā)育區(qū)在成為渤海油田油氣儲(chǔ)集空間的同時(shí)，因斷層、裂縫發(fā)育引起的鉆井液漏失等井下故障不斷增多，給鉆井作業(yè)帶來了極大的風(fēng)險(xiǎn)及挑戰(zhàn)。

井漏作為鉆井過程中的一個(gè)技術(shù)難題，不僅增大鉆井成本、延長鉆井工期，甚至有些復(fù)雜構(gòu)造區(qū)多次堵漏失敗后經(jīng)多次側(cè)鉆仍不能避開易漏層段，最終直接棄井。一般情況下，在鉆井液密度大于地層孔隙壓力的正壓差作用下，由于該區(qū)域地層承壓能力差，鉆井液沿著高滲透的通道流入地層中的孔、洞、縫等可溶空間，導(dǎo)致井漏等鉆井故障[1-4]。國內(nèi)外學(xué)者對油田多種井漏特征及原因進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的漏失模型、處理方法和堵漏技術(shù)措施等[5-8]，其中，譚忠健等人[9]對渤中34-9油田裂縫性地層的漏失機(jī)理進(jìn)行了研究，認(rèn)為該地層的漏失是地層弱面結(jié)構(gòu)發(fā)育、正壓差作用驅(qū)動(dòng)及井筒壓力-應(yīng)力-應(yīng)變再平衡的綜合結(jié)果，控制井底壓差是預(yù)防其井漏的有效措施之一。但總的來說，前人對井漏機(jī)理、類型等做了大量研究工作，卻缺乏對于如何預(yù)防、預(yù)警井漏風(fēng)險(xiǎn)的系統(tǒng)研究。

從渤海油田的漏失來看，有大斷層引起的井漏，也有縱向斷距不大、橫向延伸距離較短的小型斷裂或者裂縫發(fā)育區(qū)引起的漏失，因此需要提高斷層解釋精度，以更有針對性地提出井漏預(yù)防措施[10]。目前，利用三維地震資料可以有效識(shí)別大斷層，但對于小斷層、裂縫等構(gòu)造，往往不能產(chǎn)生明顯的同相軸錯(cuò)斷或者振幅、頻率、相位等異常響應(yīng)，因此利用常規(guī)斷層解釋方法識(shí)別小尺度斷裂和裂縫面臨著很大挑戰(zhàn)[11-15]。

基于上述分析，筆者提出了地質(zhì)工程一體化井漏預(yù)警技術(shù)思路，建立了基于地震屬性的多尺度裂縫空間分布模型，分別研究了隨鉆陀螺主動(dòng)測斜調(diào)整技術(shù)、高效造斜旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)和近鉆頭測量技術(shù)。在旅大 X 油田鉆前及鉆進(jìn)中應(yīng)用了渤海油田裂縫性油藏地質(zhì)工程一體化井漏預(yù)警技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鉆前風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測、鉆進(jìn)中調(diào)整動(dòng)態(tài)避鉆漏層，表明該技術(shù)可以保障鉆井作業(yè)安全，降低鉆井成本。

1 井漏預(yù)警技術(shù)思路

采用地質(zhì)工程一體化井漏預(yù)警技術(shù)，其基本思路是：根據(jù)鉆井、錄井、測井和地震數(shù)據(jù)等資料整理分析結(jié)果，鉆前階段進(jìn)行小斷裂及裂縫的精細(xì)刻畫及裂縫性火成巖相帶識(shí)別，為鉆井作業(yè)提供井漏風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測；鉆進(jìn)階段開展隨鉆井漏風(fēng)險(xiǎn)跟蹤，實(shí)時(shí)調(diào)整并反饋井漏風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測結(jié)果，進(jìn)一步優(yōu)化井眼軌道，并指導(dǎo)鉆井采取相應(yīng)的防漏措施；若發(fā)生井漏，開展井漏點(diǎn)斷裂、裂縫發(fā)育情況研究，為制定堵漏技術(shù)措施提供依據(jù)。

由于渤海油田鉆井中的井漏、卡鉆及井壁失穩(wěn)等井下故障大多和斷層發(fā)育有關(guān)，因此，設(shè)計(jì)井眼軌道時(shí)對于大型斷裂要提前采取避鉆或防漏堵漏等技術(shù)措施。另外，渤海油田已鉆井發(fā)生的井漏很多都與鉆遇隱蔽的小斷裂有關(guān)，因此精準(zhǔn)解釋小尺度斷裂可以預(yù)測井漏。

2 基于地震屬性的多尺度裂縫空間分布模型的建立

2.1 地震屬性前處理

地震屬性提取是指通過各種數(shù)學(xué)算法從地震數(shù)據(jù)中拾取隱藏在內(nèi)部的構(gòu)造、巖性、物性甚至含油氣性等信息。該方法的優(yōu)勢是可以獲得目的層在整個(gè)工區(qū)范圍內(nèi)的橫向變化特征；地震三維體屬性是指通過計(jì)算地震數(shù)據(jù)獲得的瞬時(shí)屬性、單道時(shí)窗屬性及多道時(shí)窗屬性，渤海油田創(chuàng)新性地采用三維屬性展示的方式，對構(gòu)造、斷裂等進(jìn)行全方位三維刻畫展示。

通常在屬性提取之前首先要進(jìn)行地震數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括信噪比分析、頻譜分析、平滑、濾波和斷裂增強(qiáng)處理等特殊性處理，處理后的地震數(shù)據(jù)斷層反射更加清晰，在此數(shù)據(jù)體基礎(chǔ)上計(jì)算的斷裂相關(guān)屬性更明顯，屬性中的微小異常體更能體現(xiàn)小尺度斷裂發(fā)育特征（見圖1）。

圖1 地震數(shù)據(jù)預(yù)處理流程Fig.1 Seismic data preprocessing

2.2 基于螞蟻體追蹤的裂縫識(shí)別技術(shù)

螞蟻體是最近幾年興起的一種智能識(shí)別復(fù)雜斷裂分布及天然裂縫發(fā)育程度的一種地震屬性，是斯倫貝謝公司研發(fā)的一種專利技術(shù)，之所以稱之為“螞蟻體”，是由于其靈感來源于螞蟻覓食時(shí)優(yōu)選最短路徑現(xiàn)象[16-17]：螞蟻在爬行過程中能夠分泌一種被同伴感知的信息素，信息素多次積累，使同伴覓食隨機(jī)選擇路徑時(shí)選擇某條路徑的概率增大，從而得到最優(yōu)覓食路徑。螞蟻體追蹤技術(shù)的基本原理，即在三維地震數(shù)據(jù)體中釋放多個(gè)種子點(diǎn)，結(jié)合螞蟻特殊的覓食方式，通過嚴(yán)格并行、選擇和信息素更新3個(gè)步驟，實(shí)現(xiàn)追蹤識(shí)別 目標(biāo)物。

一般來說，斷裂檢測屬性在斷裂帶處具有特殊性，呈現(xiàn)局部極大值或局部極小值，如斷裂帶在相干算法中表現(xiàn)為局部極小值。斷裂帶一般會(huì)延伸且具有一定規(guī)模，并與一些地質(zhì)規(guī)律相符合。應(yīng)用螞蟻體追蹤技術(shù)能夠在相干檢測的基礎(chǔ)上補(bǔ)充檢測斷層和裂縫等地質(zhì)異常發(fā)育帶，對于地質(zhì)體橫向不連續(xù)性刻畫也更清晰，因此可以利用該技術(shù)進(jìn)行裂縫預(yù)測和識(shí)別。

應(yīng)用螞蟻體追蹤技術(shù)識(shí)別斷層過程中，將類似螞蟻功能的算子放置于地震數(shù)據(jù)中，當(dāng)算子在地震數(shù)據(jù)中追蹤到滿足預(yù)設(shè)條件的斷裂痕跡時(shí)，會(huì)將其標(biāo)記并留下信息素，不滿足條件的斷裂痕跡不會(huì)被標(biāo)記或留下信息素；其他算子按照預(yù)設(shè)條件繼續(xù)追蹤標(biāo)記，直至完成斷裂構(gòu)造識(shí)別。多尺度裂縫三維空間分布模型的建立流程如圖2所示。

圖2 多尺度裂縫三維空間分布模型的建立流程Fig.2 Establishment of the three-dimensional spatial distribution model of multi-scale fractures

3 漏失地層軌跡跟蹤調(diào)整技術(shù)

根據(jù)地震屬性研究建立的多尺度裂縫三維空間分布模型，將井漏風(fēng)險(xiǎn)分為高、中和低等3級，采用“避開漏層，防止漏失，精準(zhǔn)堵漏，謹(jǐn)慎鉆進(jìn)”的指導(dǎo)方針，分別制定不同的防漏堵漏技術(shù)措施。對于鉆前預(yù)測的高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)，可采用漏層避鉆技術(shù)、加入隨鉆堵漏材料和儲(chǔ)備堵漏漿等；對于中風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)，能夠強(qiáng)行鉆過的地區(qū)可采用小參數(shù)鉆進(jìn)防止漏失，在鉆進(jìn)過程中向循環(huán)池加入1%PF-SEAL和PFSZDL，并間歇性補(bǔ)充堵漏材料，維持其含量穩(wěn)定，直至鉆穿斷層；低風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)采用小參數(shù)進(jìn)行鉆進(jìn)。對于漏層避鉆井段，需要重新設(shè)計(jì)井眼軌道，繞過高風(fēng)險(xiǎn)漏失層位[18-19]；鉆進(jìn)過程中跟蹤發(fā)現(xiàn)前方有漏失風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，可利用隨鉆陀螺測斜儀、近鉆頭測斜儀等工具實(shí)時(shí)主動(dòng)調(diào)整井眼軌跡，實(shí)現(xiàn)高風(fēng)險(xiǎn)漏失地層的避鉆。

3.1 隨鉆陀螺主動(dòng)測斜調(diào)整技術(shù)

海上油田勘探開發(fā)的特點(diǎn)決定了每個(gè)區(qū)域需要規(guī)劃相當(dāng)數(shù)量的井位。隨著調(diào)整井的開發(fā)和側(cè)鉆需求，井與井的間距很近，緊密靠近的套管在地磁場的作用下會(huì)導(dǎo)致傳統(tǒng)隨鉆測量儀器測得的方位不準(zhǔn)確，井眼軌跡出現(xiàn)偏差，后果嚴(yán)重的會(huì)引發(fā)井眼碰撞等井下故障。

隨鉆陀螺測斜儀將成熟的抗震陀螺和MWD磁性測量技術(shù)[20]結(jié)合在一起，隨鉆測量時(shí)間長達(dá)115 h，隨鉆測量過程中能夠抗磁干擾，準(zhǔn)確測得井斜角和方位角，所測井斜角和方位角的精度可達(dá)±0.1°，且不用像傳統(tǒng)電纜Keeper陀螺測斜儀在遇到危險(xiǎn)防碰點(diǎn)或復(fù)雜漏失風(fēng)險(xiǎn)地層時(shí)必須靜止等待電纜陀螺測斜儀下入，能夠降低井下鉆具壓差卡鉆、井壁坍塌風(fēng)險(xiǎn)，縮短鉆井周期。

3.2 高效造斜旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)

螞蟻體追蹤的裂縫識(shí)別技術(shù)可以預(yù)測井眼軌道是否經(jīng)過高風(fēng)險(xiǎn)漏失地層，并采取防碰繞障措施，此時(shí)對于鉆進(jìn)中的井而言，除了明確漏失層位、重新快速設(shè)計(jì)繞障井眼軌道外，對井下導(dǎo)向工具能否快速造斜避開高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)也非常重要。

中海石油有限公司聯(lián)合中海油服設(shè)計(jì)研制了高性能的導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)和鉆具力學(xué)組合[21-22]，導(dǎo)向合力由19.6 kN提高至34.3 kN，穩(wěn)定器長度由4.136 m縮短至2.325 m，柔性短節(jié)長度由3.031 m增長至4.788 m。通過進(jìn)行一系列改進(jìn)，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的造斜能力提高了30%～50%；實(shí)現(xiàn)了短曲率半徑的定向井設(shè)計(jì)，造斜率大于14°/30m；縮短了水平井靶前位移，不僅有助于高風(fēng)險(xiǎn)漏失地層繞障，而且可以提前進(jìn)入油氣儲(chǔ)層，在相同井深條件下獲得更長的水平段，提高了開發(fā)效率，同時(shí)保障了鉆井安全。

3.3 近鉆頭測量技術(shù)

隨鉆近鉆頭測量工具由近鉆頭測量短節(jié)、數(shù)據(jù)遙傳短節(jié)和馬達(dá)等組成（見圖3），其中近鉆頭測量短節(jié)可以測量井斜角、方位伽馬和鉆頭轉(zhuǎn)速等參數(shù)，井斜測點(diǎn)距鉆頭0.50 m，伽馬測點(diǎn)距鉆頭0.40 m，通過無線通訊將測量結(jié)果發(fā)送給數(shù)據(jù)遙傳短節(jié)。

圖3 隨鉆近鉆頭測量工具的結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of the near-bit measuring instrument while drilling

近鉆頭井斜測量技術(shù)能適應(yīng)鉆頭快速旋轉(zhuǎn)工況的近鉆頭井斜測量，測點(diǎn)距離鉆頭僅0.50 m，且近鉆頭方位伽馬測量技術(shù)及井下短距無線跨傳技術(shù)能夠更好地實(shí)現(xiàn)近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向功能，準(zhǔn)確及時(shí)獲取地質(zhì)信息，更好地實(shí)現(xiàn)馬達(dá)作業(yè)模式下井眼軌跡控制，精準(zhǔn)調(diào)整井眼軌跡，確保避開漏失高風(fēng)險(xiǎn)地層。

4 應(yīng)用效果評價(jià)

地質(zhì)工程一體化井漏預(yù)警技術(shù)在旅大X油田鉆前及鉆進(jìn)中進(jìn)行了應(yīng)用。鉆前主要采用螞蟻體追蹤裂縫識(shí)別技術(shù)，識(shí)別斷層與裂縫；鉆進(jìn)過程中應(yīng)用隨鉆陀螺測斜技術(shù)、高造斜旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)及近鉆頭測量技術(shù)等，實(shí)時(shí)調(diào)整井眼軌跡，并反饋井漏風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測結(jié)果，保障漏失地層安全高效作業(yè)。

旅大X油田區(qū)域上位于渤海遼東灣海域，油田構(gòu)造位于遼東走滑構(gòu)造帶的南段、郯廬走滑斷裂東支的轉(zhuǎn)折端，是走滑斷層及其派生斷層共同控制形成的復(fù)雜斷塊及斷背斜，主要目的層位為東營組。A井周邊鄰井曾多次發(fā)生失返性漏失，為預(yù)防A井發(fā)生類似井下故障，通過對渤海油田多個(gè)區(qū)塊的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、參數(shù)調(diào)試、屬性提取、效果對比和屬性融合，重點(diǎn)研究了螞蟻體追蹤裂縫識(shí)別技術(shù)，選取研究區(qū)中小尺度斷裂的敏感地震屬性進(jìn)行鉆前井漏預(yù)警分析。研究結(jié)果表明，地震資料經(jīng)過預(yù)處理（濾波+斷裂增強(qiáng)），地震剖面上的斷裂反射特征更清晰，在此數(shù)據(jù)體基礎(chǔ)上計(jì)算的斷裂相關(guān)屬性更明顯。

在相干體基礎(chǔ)上計(jì)算的異常螞蟻體，既保留了斷層縱向的延續(xù)性，又與地震剖面同相軸的錯(cuò)斷及扭動(dòng)等具有較高的吻合度（見圖4），該方法對于識(shí)別斷層與裂縫等有一定優(yōu)勢。

圖4 螞蟻體屬性與相干屬性對比Fig.4 Comparison of ant body attributes and coherent attributes

借助以上多種屬性優(yōu)化后的中小尺度裂縫刻畫技術(shù)，鉆進(jìn)過程中根據(jù)多種屬性優(yōu)化分析結(jié)果、平剖面三維立體分析斷面形態(tài)及斷層的展布范圍進(jìn)行井漏風(fēng)險(xiǎn)隨鉆跟蹤，可以實(shí)時(shí)調(diào)整并反饋井漏風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測結(jié)果，快速?zèng)Q策井漏風(fēng)險(xiǎn)地層應(yīng)對措施。

旅大X油田A井鉆前及鉆進(jìn)過程中，多次發(fā)現(xiàn)多條斷層位于井眼軌道上，其中F2斷層位于1 680 ms左右、垂深2 040 m處，造斜走向北東東方向，判定為高風(fēng)險(xiǎn)斷層，決定采用漏層避鉆技術(shù)，多次將井眼軌道與地震屬性斷層刻畫成果結(jié)合，反復(fù)投剖校驗(yàn)，優(yōu)化井眼軌道，采用高造斜旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)及近鉆頭測量短節(jié)在垂深2 040 m處開始造斜，通過調(diào)整井眼軌跡避鉆漏層，造斜率達(dá)到14.9°/30m，順利繞過該斷層，成功避免了鉆遇該斷層的漏失，現(xiàn)場一趟鉆鉆至目的層位，實(shí)現(xiàn)了鉆前預(yù)警、鉆進(jìn)中裂縫識(shí)別與井漏跟蹤和隨鉆井眼軌跡實(shí)時(shí)調(diào)整，充分保障了鉆井安全。

雖然基于地震屬性的多尺度裂縫三維空間分布模型在一定程度上可以預(yù)測斷層及微裂縫，但是目前無法精細(xì)刻畫裂縫形態(tài)及大小，因此對于井漏以后的堵漏材料優(yōu)選及堵漏顆粒粒徑的選擇尚無法給予明確的指導(dǎo)。研究區(qū)地層主要為砂泥巖的碎屑巖地層，應(yīng)用該方法具有較好效果，對于碳酸鹽巖地層中的溶蝕孔洞縫的預(yù)測和刻畫及火成巖地層中的火山通道識(shí)別等同樣具有較好的效果。

5 結(jié) 論

1）鉆前或者隨鉆過程中，通過地震資料預(yù)處理、地震屬性參數(shù)優(yōu)化、屬性優(yōu)選融合，以及平面、剖面結(jié)合，形成了螞蟻體裂縫追蹤識(shí)別技術(shù)。通過地震剖面排查可能產(chǎn)生的假斷層的綜合方法，實(shí)現(xiàn)了中小尺度斷層的精細(xì)刻畫，為安全高效鉆井作業(yè)提供了技術(shù)保障。

2）通過地震屬性優(yōu)選及多屬性融合，精細(xì)刻畫中小尺度裂縫，建立了多尺度裂縫三維空間分布模型，進(jìn)行鉆前及鉆進(jìn)中井漏風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，將井漏風(fēng)險(xiǎn)分為高、中、低等3級，提出了“避開漏層，防止漏失，精準(zhǔn)堵漏，謹(jǐn)慎鉆進(jìn)”的指導(dǎo)方針，并分別制定了不同的防漏堵漏措施。

3）將隨鉆陀螺測斜技術(shù)、高效造斜導(dǎo)向技術(shù)和近鉆頭測量技術(shù)相結(jié)合實(shí)時(shí)調(diào)整井眼軌跡，實(shí)現(xiàn)了鉆前風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測和鉆進(jìn)中動(dòng)態(tài)避鉆漏層，保障了鉆井安全，降低了鉆井成本。

4）地質(zhì)工程一體化井漏預(yù)警技術(shù)，為渤海油田井漏預(yù)測及處理提供了技術(shù)支持。