利用地震數據反演改進復雜油藏鉆井工藝

郭永峰 金曉劍 唐長全 紀少君

摘要：廣東湛江W12—1北油田開發(fā)過程中遇到了鉆井中井壁易垮塌、易剝落的難題，易造成井壁坍塌、掩埋鉆井及儀器事故。為此，開展了系統研究工程，進行多學科、多角度的鉆井井壁穩(wěn)定性研究，即改進鉆井地質力學的基本理論研究、精細化處理地震剖面圖、巖心的古地磁應力測試、地層應力等勢面的計算機模擬，井下巖心浸泡進行穩(wěn)定周期預測等。研究結果在2005年該油田10口開發(fā)井的鉆井設計、工藝編制與鉆井實踐中應用后，獲得了預期的效果。

關鍵詞：地質力學；地應力；地震數據；反演；鉆井工藝；湛江W12—1北油田

中圖分類號：TE24文獻標識碼：A

前言

廣東湛江W12—1北油田，隸屬北部灣海域，是中國南方地區(qū)較著名的海上油田之一。其平均海水深度為40m，最早的勘探活動始于20世紀70年代，于20世紀80年代末進入開發(fā)的成熟期。該油田的主要特點之一是具有較復雜的油氣藏構造，其中包括2層含義：一是直接生產油氣的地層情況復雜；二是鉆井軌跡所穿過的地層狀態(tài)復雜，情況多變。這些地層的共同特點是斷層多、地層破碎、微裂縫發(fā)育，尤其是該油田的泥頁巖地層水敏性極強。多年來，W12—1北油田開發(fā)的鉆井作業(yè)較為困難。在2003年底的第一批8口井的鉆井中，因泥頁巖地層水化膨脹、地應力作用、鉆井軌跡設計合理性等多種原因，引發(fā)了10多起較嚴重的鉆井事故。由于油田鉆井作業(yè)事故率接近40％，使得該海域鉆井成為中國海洋石油總公司所屬油田內較典型的鉆井事故區(qū)域。2004年末至2005年初，湛江W12—1北油田進行了10口開發(fā)井的鉆井作業(yè)，在中海石油有限公司(湛江)鉆井部的精心組織下，將研究結論與各類專家多年來在這一地區(qū)的經驗結合起來，鉆井工作獲得了極大的成功，鉆井過程實現了“零”事故。由于研究規(guī)模較大，獲得成果較多，本文僅介紹其中部分研究，即利用油田近年的新鉆井、測井與錄井數據，進行油田原有地震數據的反演計算與精細處理，使之用于鉆井軌跡的優(yōu)化處理，獲得了較理想的效果。

1整體研究綜述

1.1尋找造成鉆井中地層坍塌的主要原因

(1)找出造成坍塌的主要地層。大量研究資料表明，W12—1北油田鉆井過程中的井壁失穩(wěn)，主要是位于地下垂直深度約1800—2100m處的W2段地層特殊性造成的，即W2段泥頁巖經泥漿浸泡后水化膨脹，可能是造成井壁失穩(wěn)的主要原因。

(2)推斷出泥頁巖地層中泥巖與砂巖的比例，該數值是預示地層可坍塌性的重要指標。

(3)揭示鉆頭臨界鉆入角的相關性。研究人員經過對相關資料的多元數據統計分析表明：鉆井中的井壁坍塌既與地層傾角有關，又與鉆頭與地層平面法線方向的夾角有關，從而引入泥頁巖地層臨界鉆入角的概念來進行研究。

1.2解決井壁坍塌的方法

(1)運用地震數據反演方法，尋找不同井段泥巖的泥砂比例，確定易坍塌地層所在位置，以便鉆井設計與制定工藝時進行相應處理。

(2)運用對井眼中巖屑的實驗室浸泡實驗方法，利用實際鉆井得到的鉆屑和塌塊，對泥頁巖地層泥漿浸泡周期進行預測，以便調整鉆井過程時間表。

(3)運用理論計算方法，計算鉆頭進入易坍塌地層的最大進入角，即臨界鉆入角，優(yōu)化鉆井設計軌跡。

1.3復雜油氣藏鉆井軌跡與鉆井工藝設計

(1)參與鉆井設計。利用研究結論，找出易坍塌井段，優(yōu)化鉆井軌跡，確保鉆頭進入易坍塌地層的進入角均在臨界值之內。

(2)參與鉆井工藝制定。運用研究結論，調整鉆井作業(yè)程序，保證鉆井中裸眼井段被泥漿浸泡的時間在預測引起坍塌的時間范圍內。

，

(3)參與鉆井作業(yè)。根據研究結論指導作業(yè)過程，保證鉆井過程的安全與高效。

2地震數據反演與預測泥巖含量

2.1地震剖面數據精細化反演與解決鉆井中井壁坍塌

(1)獲得更精確的地震數據成果圖。當鉆頭進入易垮塌地層，其井斜角應在某一角度之內；但較準確確定鉆頭何時進入該地層，需要準確地“卡層”，即得知進入及鉆出易塌地層的垂直深度與“斜深”；原來用于地震勘探后，地質學家從中判斷油田位置的地震剖面圖，已經不能滿足這一需要。

(2)可以較準確地預測易垮塌地層的泥頁巖位置及相關的泥巖含量。這需要運用大型計算機及數據處理方法對地震剖面圖進行重新處理，以期得到更精細的解釋。

2.2普通地震剖面圖不能滿足鉆井井壁穩(wěn)定要求

目前一般用于石油勘察與開發(fā)的地震剖面圖，對于預防鉆井中的井壁坍塌來說，精度不夠，即目前的地震剖面圖的顯示精度不能滿足鉆井中井壁穩(wěn)定的需要。具體對湛江W12—1北油田來說，1994、1996年先后在海上使用物探勘察船，進行了大規(guī)模地震數據采集，后來將采集到的數據拿到澳大利亞進行處理，處理的目的層段是砂巖，處理后的地震數據剖面的精度約為25～50m，而鉆井用的地層設計數據精度一般都應在15m以內。實際上，目前國內多數油田，包括陸上油田或海上油田，在鉆井設計時，很少考慮用地震剖面圖來做鉆井軌跡精確設計的參考，或作為確定地層斷層的位置或地層走向依據，其主要原因也是由于地震剖面圖精度不夠。

原來的地震數據圖，繪制目的為尋找油氣，描述以砂巖為主。而利用地震數據圖進行鉆井作業(yè)中的防止井壁坍塌作用，要求地震數據圖應以描述泥頁巖為主，并能定量地描述各地層中(包括砂泥巖)所含的泥巖成分。

2.3將普通地震剖面圖處理成鉆井專用地震解釋成果圖

(1)基本原則。利用現代計算方法，以W12—1北油田近年開發(fā)井的鉆井過程錄井、取心、測試、測井、生產井開發(fā)等數據作為邊界條件，對原有地震剖面數據進行加密與修正的精細化處理。

(2)基本方法。選擇子波分析方法，利用相關處理方式，包括去噪、濾波、常相位校正、AVO分析、道積分等進行處理，有選擇地進行波阻抗反演，疊前深度偏移等方法處理。

(3)具體實現方法。對W12—1北油田地層的2個層位(即W1段、W2段)進行斷層拾取、斷層斷片處理、時間切片，同時進行柵狀圖對比、層位斷層解釋。

(4)在上述分析的基礎上，制作W2段地層上部泥頁巖的分布圖、厚度圖。通過對地震數據的精細化處理，分析W2段地層上部泥頁巖的詳細情況，特別是給出將要進行鉆井的軌跡穿過的斷層、泥頁巖厚度等，進而給出未來鉆井過程中應該注意的事項。

2.4鉆井設計中應用地震剖面圖

(1)利用精細反演處理的地震剖面圖，確定斷層位置，使鉆井軌跡繞開，或盡量使鉆頭從裂縫面的正面穿過斷層。①W12—1北油田的W2段是斷層發(fā)育的層段，其硬脆性泥頁巖層理也較為發(fā)育，鉆井過程中的垮塌物，或稱掉塊的體積較大，常規(guī)循環(huán)無法帶出井，極易在扶正器等與井壁環(huán)空卡死鉆具；②利用各種地震數據精細處理方法，對包括

W2段地層的斷層分布情況，進行更為精確的描述，特別是找出前些年地震資料處理中漏掉的小斷層，用以向新鉆井的軌跡設計提供新斷層資料，以確保鉆井中鉆具的安全通過性能。

(2)利用精細反演處理的地震剖面圖，易坍塌地層中砂泥巖的泥巖含量，較精確地預測出該地層井壁坍塌的大致時間，在鉆井設計中給出穿過該地層的裸眼鉆進時間。①較準確預測W12—1北油田的W2段以上的泥巖或砂泥巖的地層情況，對保證鉆井時的井壁穩(wěn)定有重要意義；②由于W2段泥頁巖在海床以下2000m以內的地層，研究人員利用近年來進行各種常規(guī)油田生產活動所取得的測井作業(yè)的聲波和密度資料，經過反演，所取得關于泥頁巖或砂泥巖的深度與巖性誤差會比較小；③研究人員將近年測井數據中反演后取得W2段的深度與巖性資料，作為精細化處理地震數據的邊界條件，即利用新的邊界數據信息，反演早年實際地震勘探中采集的數據地震，以提高地震數據成像精度；④具體實施方法為用鄰道時差圖，鄰道振幅差值圖，沿層振幅圖，邊棱檢測圖，傾角圖，層方位角圖等，對斷層、構造以及泥砂巖的泥巖成分進行全方位細致解釋；過程中也加進了切片法，包括由切片組成的柵狀圖及椅式切片等。

(3)形成新的斷層與砂泥巖混層比例地震成果圖，其中后者為對泥巖與砂巖的混層進行精細處理，得到各個井段的泥巖含量及確切垂深位置，并將相關精細處理后的地震數據成果圖，直接用于新鉆井的鉆井軌跡與工藝設計。近年來國內石油界已經將此方法應用于油藏解釋方面，但用于鉆井設計與工藝制定方面較為少見。研究人員在國內首次進行用于鉆井設計與工藝制定的地震數據反演處理，處理后的地震剖面圖精度已經達到12.5m，并給出了各個地層深度下的地層砂巖與泥巖成分的組成，這些成果已經成為湛江W12—1北油田的10口井鉆井軌跡設計的重要依據。

3鉆井實踐

在上述W12－1北油田鉆井前期研究基礎上，研究人員進行了10口新鉆井的定向井軌跡與工藝設計。

(1)應用鉆井前期研究成果，在定向井的軌跡設計中，遵循的基本原則為當該井眼穿過泥頁巖地層，即易坍塌地層時，其井斜角不超過38.5，在其他文章中討論。

(2)應用鉆井前期研究成果，在定向井的工藝設計中，所遵循的基本原則為當該井進行裸眼段鉆井時，其井壁浸泡時間一般不應超過5.5d，其原理在其他文章討論。

(3)選定限制裸眼井段浸泡時間的井段，由前述地震數據的精細化反演處理結果給出。由地震數據反演處理所給出的地層中泥巖的含量，則給予界定井壁浸泡時間一個重要的參考。一般說來，泥巖含量小于65％，則浸泡時間應在5.5d之內；而泥巖含量高于65％，則浸泡時間應控制在4.5d之內。

4研究啟示

(1)多學科、多專業(yè)交叉進行油田開發(fā)中出現問題的聯合攻關，或稱為各學科綜合研究，是現代石油工業(yè)的技術發(fā)展趨勢之一。

(2)綜合研究的結果，常常可以導致新研究方法的產生。

(3)此類研究需要一個組織嚴密的團隊；一些過去很少發(fā)生聯系的專業(yè)人員，如鉆井工程師與物探工程師，在此類研究中，也要互相配合，緊密協作。

(4)將物探資料精細化處理用于鉆井前期研究，或稱用于鉆井軌跡優(yōu)化與工藝設計，是美國一家石油服務公司于1998年首先提出并實施的，中國石油工程師于2004年首次用于國內油田開發(fā)，這說明中國的石油開發(fā)技術雖然與國際先進水平相比有差距，但不是很大。

本文寫作及研究過程中，中海石油有限公司(中國)湛江分公司周野、黃凱文、田藝等多位專家給予了具體指導，并提供了他們長期積累的相關數據資料，在此表示衷心感謝。

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