井筒信息一體化地層建模及地質導向技術

邵才瑞,翟星雨,原野,張福明,張慶勛

(1.中國石油大學(華東)地球科學與技術學院,山東青島266580;2.青島海洋科學與技術國家實驗室-海洋礦產資源評價與探測技術功能實驗室,山東青島266580;3.中石油測井重點實驗室中國石油大學(華東)研究室,山東青島266580;4.深層油氣重點實驗室,山東青島266580)

0 引 言

隨著對薄層、隱蔽及非常規油氣層的開發需求,大斜度和定向井鉆井技術被廣泛應用,水平井測井評價、隨鉆測井(Logging While Drilling,LWD)和地質導向技術得到廣泛應用[1-4]。斯倫貝謝、哈里伯頓、貝克休斯等公司在隨鉆測井技術方面位居領先地位[5]。方位隨鉆測井資料在確定地層產狀方面有著重要的作用[6-7],然而由于中國大多數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行評價,成為彌補測井資料信息不足的有效手段。本文對綜合利用隨鉆測井、錄井和鉆井信息進行實時地質導向的關鍵方法技術進行梳理,開發了井筒信息三維與二維一體可視化地質導向軟件,給出了地層建模和地質導向方法流程并進行應用檢驗。

1 井筒信息及地層模型可視化技術

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造、產狀和屬性參數模型,其中構造和產狀模型在地質導向中至關重要。只有對這些信息進行一體化顯示才能正確識別目的層并進行地質導向。

1.1 三維可視化技術

采用OpenGL[8-9]三維可視化技術,沿井眼軌跡空間坐標數據直觀展示井筒信息和地層模型。對于取心、測井解釋結論等分層段井筒信息(巖心標記,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。先導地質模型圖元可分為斷層線、地層面和數據體3類。利用OpenGL三維可視化技術可對這些線、面、體三維地質圖元進行顯示,以表達地質體的整體輪廓、地層之間的接觸關系。對于三維地質體數據,一般采用繪制地質體外表面的鏤空畫法,提高繪圖效率;對于地質體內部情況,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

三維可視化技術為研究井眼軌跡、井筒信息、地層模型的三維空間關系提供了宏觀刻畫手段,但不便于精細觀察井筒信息的細節變化,難以用來精細評價地層性質、更新地層模型、分析井眼軌跡與鉆遇地層的接觸關系。為此發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時繪圖功能[12],為綜合利用井筒信息評價地層品質和產狀提供軟件平臺[13-14]。

2 井筒信息一體化儲層評價方法

綜合利用隨鉆測井資料,結合巖屑錄井、氣測錄井、鉆時、鉆壓等信息,可以減少測井信息的不確定性,準確判識油氣層,為定向鉆井提供地質導向目標。

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,也可以結合電阻率曲線,利用鄰井標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)利用鉆井工程參數輔助判定巖性。在疏松的地層,鉆時一般相對較短,鉆具振動幅度較低;而在硬度較高的地層,鉆時較長,鉆具震動幅度較大。因此,根據鉆時和鉆具振動幅度信息,可定性判斷地層軟硬或量化預測巖性[16]。

2.2 儲層物性及流體性質判定方法

2.2.1利用測井信息評價儲層參數

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結果,用統計模型估算儲層參數。

(1)泥質含量和物性。當沒有三孔隙度測井資料時,可使用隨鉆自然伽馬資料估算泥質含量,然后利用泥質含量與孔隙度之間的統計關系估算孔隙度。統計資料表明,孔隙度和泥質含量之間存在一定的相關關系,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為泥質含量,%;x、y、z為擬合系數,可由實驗分析資料統計得出。當有巖石物性分析資料時,可建立孔隙度、泥質含量和滲透率的統計模型或者利用Timuer經驗公式[6]來求解滲透率。

(2)骨架體積。利用泥質含量和孔隙度計算結果,根據體積模型求解

Vma=100-φ-VSH

(2)

式中,Vma為骨架體積組分比例,%。

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

2.2.2利用錄井、鉆井信息輔助評價儲層參數

(1)利用鉆速、鉆壓和扭矩信息評價物性。利用鉆速資料估算巖石單軸抗壓強度[18]進而估算孔隙度[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為井區經驗系數;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不同模型可計算出巖石破裂需要的功或能,從而定性評價物性[20]。例如,機械比能模型公式

(4)

式中,Em為機械比能,MPa;W為鉆壓,kN;M為扭矩,kN·m;db為鉆頭直徑,m;n為轉速,r/min。通常機械比能越大儲層物性越差,反之物性越好,可根據計算機械比能進行分級定性評價物性。

(2)利用氣測錄井資料評價含氣性。根據氣測錄井測得的天然氣含量與成分,結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,一般為3～7。

由于常規錄井巖屑常遭受鉆井液污染,無法準確劃分含油氣級別;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確性。

3 井筒信息一體化地層模型的確定與導向方法

3.1 根據井眼軌跡與井筒信息的空間關系確定地層產狀

由于先導地層模型的不確定性,設計的井眼軌跡及靶點往往與實際地層情況不符。借助三維及二維井筒信息可視化技術,可以從不同視角觀察分析沿井眼軌跡鉆遇地層的性質、定性判定與實際地層界面的接觸關系,并根據井眼軌跡與地層界面的幾何接觸關系估算地層厚度和地層傾角,確定地層產狀[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,對測井響應進行正演,并與實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行實時正演的困難。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,進而計算地層產狀[27]。

3.3 模型確定及地質導向方法

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,根據隨鉆實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,當存在異常構造或地層時,用相同的測井資料可能得出不同的地層模型結果,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、井眼軌跡和測深標記。

圖1 A井地層模型Ⅰ

當鉆遇斷層和裂縫地層時,鉆錄井信息會有異常顯示。在明顯斷層處,一般鉆時會突然降低或鉆具放空,巖屑錄井會有地層巖性重復或缺失特征,甚至有構造巖或亮晶方解石、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擦痕面等。當鉆遇孔洞縫地層時,會出現鉆時變短與鉆壓突然降低、大鉤負荷突然增大、鉆具放空、井漏等現象,有的井則具有氣侵、井涌、井噴等征兆。鉆遇高壓地層時,鉆速會明顯增大、鉆時減少,鉆井液出現明顯增量,巖屑錄井顆粒密度降低、氣測錄井大幅度上升等現象。

圖2 A井地層模型Ⅱ

根據A井鉆井日報,在斜深3 542.44 m附近鉆井時,鉆壓降低,巖屑異常。綜合分析鉆時、鉆壓資料,判斷存在斷層,認為圖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導向方法

3.3.2測井、錄井、鉆井信息一體化地質導向方法

具有自主知識產權的“井筒信息一體化二維地層評價與地質導向平臺(BIGS_2DFE)”軟件利用多Socket接口技術,可實時接收來自不同端口的隨鉆測井、錄井數據,借助地質導向可視化軟件平臺[14],采用圖3所示方法流程,綜合隨鉆測井、錄井和鉆井資料,根據前述儲層參數、地層產狀和異常地層模型判定方法,通過綜合評價,可增加對實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 應用實例

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

圖5 B井綜合評價地層模型

圖4、圖5為綜合利用測井、錄井、鉆井信息進行水平井地層評價與建模的實例。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,紅色為實鉆井眼軌跡、藍色為設計井眼軌跡、標記深度為實鉆測深。

圖4為B井根據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。設計井眼軌跡H靶點垂深1 524.1 m,距離井口水平位移400 m。根據實際測井、錄井、鉆井信息判定實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處達到H靶點,此處電阻率值變低、氣測值變小、自然伽馬值與聲波時差值平穩,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、鉆時增大,表明鉆遇5號層段砂質頁巖。

根據上述對鉆遇地層界面的綜合分析,判定實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;與初始設計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,實際鉆遇地層模型和初始設計地層模型會存在較大差異,單獨利用測井、鉆井或者錄井資料都難以對鉆遇地層得出準確的判斷,只有綜合利用井筒信息才能細致刻畫地層模型。

5 結 論

(1)應用實例表明,在無方位隨鉆測井資料技術條件下,極大限度地綜合利用井筒信息對地層進行評價,可減少對地層模型判定的不確定性、提高建模精度,從而達到優化井眼軌跡、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是綜合利用測井、錄井、鉆井井筒信息進行地層建模及地質導向的技術基礎。

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