石油行業(yè)錄井技術(shù)發(fā)展中的問(wèn)題和解決方法

陳朋飛

中法渤海地質(zhì)服務(wù)有限公司 天津 300450

眾所周知，錄井與鉆井是石油鉆探和井場(chǎng)工作中緊密聯(lián)系的兩個(gè)步驟，相互促進(jìn)，共同發(fā)展。如果將鉆井看做是石油鉆探和井場(chǎng)工作的主體工程，那么錄井就是鉆井工作的“參謀”，在石油鉆探作業(yè)中具有發(fā)現(xiàn)油氣、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、提供鉆井信息服務(wù)的作用；是及時(shí)發(fā)現(xiàn)工程事故隱患，實(shí)現(xiàn)安全鉆井，保證鉆井任務(wù)順利完成的關(guān)鍵。時(shí)至今日，錄井技術(shù)得到了穩(wěn)步發(fā)展，穩(wěn)定性和精度進(jìn)一步提高，信息化錄井技術(shù)在這樣的背景下已初具雛形，極大地提升了錄井技術(shù)水平和錄井工作效率。然而，受限于研發(fā)投入和評(píng)價(jià)體系等因素限制，現(xiàn)階段石油行業(yè)錄井技術(shù)發(fā)展中暴露出許多問(wèn)題，既不利于錄井技術(shù)功能的發(fā)揮，也不利于錄井技術(shù)的長(zhǎng)期發(fā)展。為此，有必要探究錄井技術(shù)發(fā)展中的問(wèn)題并提出切實(shí)有效的解決方法。

1 石油行業(yè)錄井技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

1.1 石油行業(yè)錄井技術(shù)現(xiàn)狀

鉆井過(guò)程中需要使用大量的測(cè)量系統(tǒng)和傳感器，以期對(duì)鉆井過(guò)程中產(chǎn)生的工程、地質(zhì)、井底圖像等重要數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)儲(chǔ)層特征，模擬鉆井作業(yè)，提高鉆井過(guò)程安全性。可見(jiàn)，鉆井作業(yè)的優(yōu)化在石油和天然氣行業(yè)中極為重要。實(shí)際作業(yè)中鉆井作業(yè)時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到許多井下問(wèn)題，例如卡鉆、管道故障、頁(yè)巖問(wèn)題和井漏問(wèn)題。這些問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致井身周?chē)耐寥缽埩χ袛啵M(jìn)而打破井眼泥漿壓力、孔隙壓力與土壤壓力之間的平衡，最終釀成安全事故[1]。因此，必須給予應(yīng)有的重視。傳統(tǒng)的常規(guī)錄井包括深度測(cè)量、地質(zhì)描述以及氣測(cè)，輔以小項(xiàng)目如同位素、核磁、數(shù)字巖心等，共同為現(xiàn)場(chǎng)提供服務(wù)。在吸收國(guó)際先進(jìn)錄井技術(shù)的基礎(chǔ)上，我國(guó)的錄井技術(shù)有了很大的進(jìn)步，形成了具有中國(guó)特色的錄井系列。時(shí)至今日，我國(guó)錄井已從傳統(tǒng)的地質(zhì)錄井、綜合錄井發(fā)展成包括地化和定量熒光錄井等為代表的錄井新技術(shù)的三大錄井技術(shù)體系，以及小項(xiàng)目并行發(fā)展的態(tài)勢(shì)。同時(shí)，以三大錄井技術(shù)體系為基礎(chǔ)配合使用多種錄井軟件，通過(guò)對(duì)各項(xiàng)錄井資料的綜合分析，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)和對(duì)油氣水層的評(píng)價(jià)。

1.2 石油行業(yè)錄井技術(shù)趨勢(shì)

隨著新型技術(shù)的引入，石油錄井行業(yè)從硬件設(shè)施到軟件系統(tǒng)，都取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，并且向著綜合性和信息化的方向發(fā)展。硬件設(shè)施方面，諸如CMS、PM、Geonext等綜合錄井儀在內(nèi)的多種國(guó)有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的錄井系統(tǒng)或設(shè)備的出現(xiàn)，為錄井行業(yè)的技術(shù)發(fā)展提供了必要的設(shè)施基礎(chǔ)。軟件系統(tǒng)方面，傳統(tǒng)的石油行業(yè)錄井系統(tǒng)所收集的錄井?dāng)?shù)據(jù)中只有 5% 的數(shù)據(jù)被有效利用，但隨著石油行業(yè)錄井軟件技術(shù)發(fā)展，這一比例急劇上升。在這樣的背景下，大數(shù)據(jù)處理技術(shù)能夠快速準(zhǔn)確地分析錄井?dāng)?shù)據(jù)，有助于解決復(fù)雜問(wèn)題。大數(shù)據(jù)技術(shù)通過(guò)錄井技術(shù)實(shí)時(shí)記錄海量數(shù)據(jù)，并從中發(fā)現(xiàn)、檢驗(yàn)、提取重要信息，有助于確定預(yù)期趨勢(shì)并幫助現(xiàn)場(chǎng)工程師預(yù)見(jiàn)潛在問(wèn)題。有數(shù)據(jù)顯示，最近5年內(nèi)石油錄井相關(guān)軟件的推出數(shù)量，遠(yuǎn)超5年前石油錄井相關(guān)軟件的推出數(shù)量[2]。不僅如此，光纖在非常規(guī)油藏錄井中的應(yīng)用范圍和普及率相對(duì)較低。究其原因，是因?yàn)殂@井中安裝光纖的成本相對(duì)較高。隨著技術(shù)的進(jìn)步非常規(guī)油氣藏通過(guò)永久安裝的分布式光纖傳感器（DOFS），可以?xún)?yōu)先處理 DAS 和 DTS 反向散射信號(hào)實(shí)現(xiàn)錄井。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這種技術(shù)可與微震監(jiān)測(cè)共同用于錄井開(kāi)發(fā)采油壓裂優(yōu)化。未來(lái)石油行業(yè)錄井技術(shù)將向著數(shù)字化和綜合化的方向發(fā)展。

2 石油行業(yè)錄井技術(shù)發(fā)展存在的問(wèn)題

2.1 對(duì)石油錄井技術(shù)研發(fā)投入不足

現(xiàn)階段，石油行業(yè)錄井技術(shù)最大的挑戰(zhàn)是人工主導(dǎo)參與井況異常判定和決策，該工作的質(zhì)量取決于錄井人員的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和相關(guān)領(lǐng)域知識(shí)儲(chǔ)備情況。為此，國(guó)外錄井行業(yè)開(kāi)發(fā)出基于物理的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，其中具有海量異常工況訓(xùn)練和規(guī)則問(wèn)題約束的 ML 模型，可以在鉆井任務(wù)中提供準(zhǔn)確和一致的預(yù)測(cè)，并且對(duì)錄井?dāng)?shù)據(jù)集中的并行問(wèn)題保持敏捷[3]。與國(guó)外錄井同行相比，我國(guó)錄井技術(shù)數(shù)十年如一日的關(guān)注實(shí)際生產(chǎn)，這就導(dǎo)致我國(guó)錄井技術(shù)的發(fā)展始終停留在物探、地質(zhì)等學(xué)科的實(shí)踐研究，缺乏創(chuàng)新意識(shí)和前瞻研究。我國(guó)的石油鉆探起步較晚，為了能在建設(shè)初期趕上世界領(lǐng)先水平，并滿(mǎn)足我國(guó)對(duì)石油的生產(chǎn)需求，早期的石油行業(yè)中“重生產(chǎn)、輕科研”、“拿來(lái)主義”成了常態(tài)現(xiàn)象。這種歷史遺留導(dǎo)致在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，我國(guó)石油行業(yè)更加看重井場(chǎng)的實(shí)踐工作而忽視與之相關(guān)的錄井工作，也就沒(méi)有對(duì)錄井技術(shù)進(jìn)行深入研究，沒(méi)有意識(shí)到錄井技術(shù)在提升井場(chǎng)效率、保證井場(chǎng)安全等方面的重要價(jià)值，導(dǎo)致了研發(fā)和投入不夠。

2.2 現(xiàn)行錄井定性評(píng)價(jià)體系準(zhǔn)確度不高

一般來(lái)說(shuō)，現(xiàn)行錄井是通過(guò)應(yīng)用多種錄井系統(tǒng)和分析儀器，例如可收集分布式聲學(xué)傳感（DAS）、分布式溫度傳感 （DTS） 和分布式應(yīng)變傳感（DSS）等，采集隨鉆錄井 （LWD） 聲學(xué)圖像和加速度數(shù)據(jù)，繪制完整的錄井曲線。在此過(guò)程中，現(xiàn)行錄井多采取單項(xiàng)定性評(píng)價(jià)體系。例如，儲(chǔ)集層熱解氣相色譜評(píng)價(jià)、快速色譜評(píng)價(jià)、油層熒光顯微圖像特征評(píng)價(jià)等。這些評(píng)價(jià)方法或基于氣相色譜技術(shù)、或基于快速色譜儀、或基于熒光顯微鏡技術(shù)，在某一方面能夠表現(xiàn)出較為準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)和分析結(jié)果。然而，井下環(huán)境的復(fù)雜性，例如強(qiáng)烈的磨蝕性發(fā)展、超過(guò) 207MPa 的壓力、高于 200°C 的溫度、高于 15 G 的沖擊和振動(dòng)水平、返屑不足等等，都會(huì)對(duì)錄井設(shè)備的操作可靠性產(chǎn)生不利影響，進(jìn)而影響評(píng)價(jià)和分析結(jié)果。此外，錄井過(guò)程重點(diǎn)在于采集鉆井過(guò)程中的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況，解釋鉆井現(xiàn)場(chǎng)巖性用于確定含油、氣、水產(chǎn)狀；繪制錄井圖；矯正鉆井與電纜誤差；處理巖層圖形編輯；回收鉆井現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)等服務(wù)。然而，傳統(tǒng)的錄井定性評(píng)價(jià)體系，由于資料采集方式和表現(xiàn)形式不一樣，只有 5% 的數(shù)據(jù)用于模型訓(xùn)練、驗(yàn)證和測(cè)試[4]，因此，現(xiàn)行錄井定性評(píng)價(jià)體系準(zhǔn)確度不高。

3 石油行業(yè)錄井技術(shù)問(wèn)題的解決方法

3.1 加大對(duì)錄井技術(shù)的研發(fā)投入

由于鉆井技術(shù)的改進(jìn)，目前在數(shù)百米的巖石深度進(jìn)行石油和天然氣作業(yè)的勘探比以往任何時(shí)候都更加頻繁。其中，最典型的問(wèn)題是卡鉆、管道故障、頁(yè)巖問(wèn)題和井漏問(wèn)題等。這種情況下，采取更加科學(xué)、完善和準(zhǔn)確的錄井技術(shù)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)井下問(wèn)題或者預(yù)測(cè)可能存在的井下問(wèn)題，進(jìn)而提出應(yīng)急策略和方案，以此確保石油鉆探和井場(chǎng)工作的正常運(yùn)行，保障石油井下生產(chǎn)計(jì)劃的順利實(shí)施。

此外，數(shù)字化油田過(guò)程需要大量傳感器通過(guò)建模、監(jiān)控系統(tǒng)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)優(yōu)化和控制鉆井來(lái)收集數(shù)據(jù)。對(duì)許多特性進(jìn)行監(jiān)控，包括振動(dòng)、壓力、流體流速、溫度、密度等。通過(guò)管道建模和可視化評(píng)估實(shí)時(shí)性能，并記錄參數(shù)。例如，錄井利用安裝在鉆桿和設(shè)備上的傳感器收集大量數(shù)據(jù)，例如聲學(xué)傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器。這些復(fù)雜的傳感器用于捕獲、測(cè)量和收集各種各樣的井下鉆井作業(yè)、環(huán)境數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。其中，聲學(xué)傳感器具有更廣泛的功能，它的作用早已超出了僅檢測(cè)聲波的范圍，用于感測(cè)固體中機(jī)械振動(dòng)和表面聲波 （SAW） 的傳感設(shè)備越來(lái)越受歡迎，應(yīng)用越來(lái)越廣泛[5]。這些新的探索和嘗試，無(wú)疑需要來(lái)自頂層的全力支持，需要加大對(duì)錄井實(shí)際工作開(kāi)展中的資金投入力度，優(yōu)化錄井工藝的服務(wù)功能。然而，長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)的石油行業(yè)在研究和生產(chǎn)中，一直沒(méi)有形成對(duì)技術(shù)科研的正確認(rèn)知，對(duì)于技術(shù)科研和技術(shù)層面的研究始終落后于生產(chǎn)實(shí)踐成果研究。為此，需要加大對(duì)錄井技術(shù)的研發(fā)投入，例如，在公司甚至是母公司、集團(tuán)公司內(nèi)部成立錄井技術(shù)研究機(jī)構(gòu)等。這種研發(fā)機(jī)構(gòu)的設(shè)立，能夠促進(jìn)研究人員更好的投入到相關(guān)研究和實(shí)踐當(dāng)中，為推動(dòng)錄井技術(shù)的更新發(fā)展，提供必要的物質(zhì)環(huán)境和研究條件。同時(shí)，依托這些錄井研究機(jī)構(gòu)，還能夠滿(mǎn)足石油勘探的各種實(shí)際需求。

隨著時(shí)代的發(fā)展和技術(shù)的迭代，近幾年國(guó)際國(guó)內(nèi)大廠相繼推出顛覆認(rèn)知的AI產(chǎn)品，如chatGPT、文心一龍等，開(kāi)啟了人工智能的新篇章，顛覆了人類(lèi)的認(rèn)知和理解范疇。這為未來(lái)人工智能在錄井作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的應(yīng)用深度，留下了許多的可能和豐富的想象空間，探究機(jī)器學(xué)習(xí)、投喂數(shù)據(jù)訓(xùn)練，勢(shì)必更依賴(lài)公司加大錄井技術(shù)的投入和支持，為錄井技術(shù)實(shí)際作用的充分發(fā)揮提供可靠地保障。

3.2 錄井評(píng)價(jià)體系從定性向智能化轉(zhuǎn)變

現(xiàn)行的常規(guī)錄井評(píng)價(jià)體系，大部分還是基于泥漿攜帶的鉆屑來(lái)分析和化驗(yàn)，得出結(jié)論，用于指導(dǎo)后期的作業(yè)和開(kāi)采，它有一個(gè)循環(huán)等待返屑時(shí)間，以及根據(jù)測(cè)遲到時(shí)間判定實(shí)際對(duì)應(yīng)關(guān)系的歸位問(wèn)題，該工作極度依賴(lài)泥漿性能、取樣手法和人工經(jīng)驗(yàn)，并且無(wú)法及時(shí)判定井下的實(shí)時(shí)地質(zhì)情況和工程情況，給鉆井作業(yè)帶來(lái)了大量的不可知性和安全風(fēng)險(xiǎn)。為此，在保有現(xiàn)有錄井手段外，探究工具應(yīng)向井下和機(jī)器學(xué)習(xí)延伸。

隨著 MWD 和隨鉆錄井 （LWD） 工具的進(jìn)步，錄井可以通過(guò)分析時(shí)域傳感器測(cè)量值的平均值、均方根值和峰值量化鉆頭所經(jīng)歷的振動(dòng)。通常，鉆頭在鉆井過(guò)程中會(huì)發(fā)生四種不同類(lèi)型的振動(dòng)：橫向振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)振動(dòng)和軸向振動(dòng)。鉆頭振動(dòng)數(shù)據(jù)可用于估算巖石地質(zhì)力學(xué)特性，例如單軸抗壓強(qiáng)度 （UCS）、抗拉強(qiáng)度（BTS）、施密特回彈數(shù) （SRN） 和巖石密度等。此外，在過(guò)去幾年中，不同機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)在錄井中的應(yīng)用引起了人們的關(guān)注，顯示出很大的潛力，可以提供有關(guān)不同巖性和巖石強(qiáng)度以及斷層存在的信息以及巖石的地質(zhì)力學(xué)特性，例如楊氏模量和泊松比。因此，石油錄井的綜合評(píng)價(jià)體系可以使用監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)法，將其中一組輸入特征，例如，行程時(shí)間 （UT）、機(jī)械鉆速（ROP）、每分鐘轉(zhuǎn)數(shù) （RPM）、振動(dòng) （VIBR）（x，方向）、沖擊（x，方向）、伽馬射線（GR）和從聲學(xué)圖像日志解釋的輸出，例如裂縫強(qiáng)度，用于鉆井訓(xùn)練、測(cè)試和驗(yàn)證。此外，還可使用分類(lèi)和回歸方法來(lái)預(yù)測(cè)裂縫強(qiáng)度[6]。

例如，在地質(zhì)條件差的地方部署高壓深井，卡鉆是很常見(jiàn)的問(wèn)題。基本上，卡鉆主要分為三種類(lèi)型：因機(jī)械因素而卡鉆，因差速器粘附卡鉆，因管道故障卡鉆。針對(duì)上述問(wèn)題，在錄井中實(shí)施以大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的定量綜合評(píng)價(jià)體系，有助于預(yù)測(cè)分析以找到檢測(cè)井下問(wèn)題的最佳方法，將有助于現(xiàn)場(chǎng)在整個(gè)作業(yè)過(guò)程中識(shí)別趨勢(shì)和預(yù)測(cè)事件，以快速響應(yīng)干擾并提高運(yùn)營(yíng)效率。

人工智能的機(jī)器學(xué)習(xí)還可以用以巖屑?xì)w位和提高剖面符合率。通過(guò)大量的返屑和工程、氣測(cè)參數(shù)的機(jī)器學(xué)習(xí)，結(jié)合井下的震動(dòng)和熱成像技術(shù)，便可以達(dá)到自動(dòng)歸位深度和調(diào)整遲到時(shí)間的目的。

地質(zhì)錄井過(guò)程中可發(fā)現(xiàn)許多油氣顯示層，但并非每個(gè)油氣顯示層都具備工業(yè)價(jià)值。因此必須對(duì)顯示層進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，為完井決策及試油層位優(yōu)選提供可靠依據(jù)。影響油氣層評(píng)價(jià)的主要因素有三項(xiàng)：a.油氣豐度；b.油氣性質(zhì)；c.儲(chǔ)集層物性。只有各項(xiàng)參數(shù)達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)且各項(xiàng)參數(shù)配伍適當(dāng)時(shí)，油氣顯示層才能達(dá)到工業(yè)油氣層價(jià)值。因此，油氣層評(píng)價(jià)的重點(diǎn)在于對(duì)油氣豐度油氣性質(zhì)儲(chǔ)集層物性及其配伍進(jìn)行評(píng)價(jià)。

使用基于大數(shù)據(jù)技術(shù)為基礎(chǔ)的錄井技術(shù)，需將重點(diǎn)放在分析現(xiàn)有數(shù)據(jù)從而準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未來(lái)事件發(fā)展趨勢(shì)。

該過(guò)程可以分為五個(gè)步驟：

（1）使用傳感器收集井下鉆井?dāng)?shù)據(jù)；

（2）數(shù)據(jù)的提取、處理、加載、清理和存儲(chǔ)，以及其他數(shù)據(jù)收集預(yù)處理程序；

（3）對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行額外的計(jì)算、分析和數(shù)據(jù)挖掘；

（4）利用大數(shù)據(jù)技術(shù)智能建模預(yù)測(cè)未來(lái)井下問(wèn)題；

（5）利用風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)窗口實(shí)現(xiàn)早期安全預(yù)警和基于關(guān)聯(lián)關(guān)系的井下問(wèn)題識(shí)別。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文從石油行業(yè)錄井技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)出發(fā)，指出現(xiàn)階段石油行業(yè)錄井技術(shù)發(fā)展存在的問(wèn)題，并針對(duì)問(wèn)題提出切實(shí)科學(xué)的解決方法。本文研究結(jié)果顯示，石油行業(yè)錄井技術(shù)是現(xiàn)代石油鉆探中十分關(guān)鍵的部分，其發(fā)展與石油鉆探工作效率和安全水平有著直接關(guān)系。為此，要在持續(xù)加大對(duì)石油行業(yè)錄井技術(shù)研發(fā)投入的同時(shí)，還要積極引入新的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)石油行業(yè)錄井技術(shù)創(chuàng)新。