基于地震動態地質建模的地面防治水定向井優化

陸自清 ，高耀全 ，郭 媛

（1.煤炭科學研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；3.中國石化西北油田分公司塔河采油二廠，新疆 輪臺 841604）

目前，地面靶向水害治理中的鉆探工程設計與施工，基本流程是綜合地質與物探AutoCAD 圖紙，對隱伏構造位置、范圍作出初步判斷，利用鄰井、導眼井鉆遇地層，在二維剖面上開展定向井設計與導向作業。雖然這一系列方法在地面靶向水害防治中已經取得了較好的效果，但仍存在地質目標產狀描述困難導致定向井靶向設計不準確，地質構造展布不均勻與地質導向動態調整不足使得鉆遇率低等問題。為解決水害治理鉆探工程實施中的這一系列痛點，減少“大水漫灌式”注漿工程造成的資源浪費與環境壓力，提高地面靶向治理的單井效益，下一階段靶向治理中鉆探工程重點研究三維目標地質體定量表達，優化定向井設計與施工，實現精準注漿治理[1-2]。

煤礦采區三維地震，特別是高密度地震推廣范圍和應用領域不斷擴大，在井田勘探領域取得了長足的發展，有效提高了勘探精度，基本解決了區域性的地質構造問題[3]。而在鉆探、采掘等地質工程領域，地震成果則被壓縮到有限的二維AutoCAD 圖紙上，供工程設計與施工人員參考。因此，三維地震成果的二維化應用有悖于地質體三維展布的基本規律，數據中蘊含的地質規律得不到充分利用，數據應用現狀與工程實踐的實際需求脫節。為挖掘利用有效信息，拓展三維地震在工程領域的應用潛力，強化地質、物探、鉆探等多學科交叉融合，部分油氣行業專家學者總結歸納了地質工程一體化理念，即以地震數據為中心，將測井、鉆井工程等通過地質建模的方式進行融合，首先建立融合多專業認識的三維地質模型，對目標區域進行可視化雕刻實現井軌道優化設計，然后在隨鉆過程中實時追蹤地層變化，更新模型的構造與屬性，調整關鍵靶點參數，確保鉆頭在地質體中持續鉆進[4-6]。王衛等[7]應用地震反演技術提升了應用于鉆井導向地質模型的精度；高浩峰等[8]采用近鄰算法，融合地震解釋，構建鉆頭前方預測性地質模型，調整鉆頭傾角方位；舒紅林等[9]研究了頁巖氣開發鉆探過程中，不同應用需求下的地質建模流程與應用，應用適時建模優化鉆前多分支鉆井井位部署、鉆井過程中地質導向以及鉆探后壓裂工程應用。

雖然煤礦地面靶向鉆井水害治理中，基于地質模型的靶向設計與優化應用較少，但其目標與需求，同樣契合地質工程一體化的基本理念，也具備與油氣行業鉆探工程幾乎相同的數據基礎及鉆井、測井、錄井技術與裝備，在常規地震或高密度地震全面覆蓋的重點礦區，已經具備應用地質模型提高靶向治理效果的潛力。有必要建立多專業團隊，挖掘現有地震與地質勘探資料的潛力，開展地震動態地質建模與定向井優化技術研究與實踐應用，強化地質與鉆探工程的聯系。基于此，本文提出了一種基于地震數據，建立地質動態模型，無縫橋接地質模型與鉆探工程，開展定向井優化的綜合性方法。

1 水害防治定向井優化技術路線

資源開發生產階段，精準地質勘探是鉆井設計與施工的基本前提。在不斷提升鉆機裝備定向性能的同時，油氣開發中的定向井優化也經歷了3 個典型的技術發展階段，鄰井地層對比優化（圖1a），井震聯合對比優化（圖1b），地質模型優化（圖1c）。

圖1 定向井優化的3 個發展階段與水害靶向治理定向井優化Fig.1 Three development stages of directional well optimizationand optimization of directional well for targeted treatment of water damage

鄰井地層對比優化定向井法存在如下問題：設計井與鄰井的AutoCAD 連井剖面與地層構造發育方向可能不一致，導致在二維剖面上估算鉆遇地層的參考意義有限，地層深度預報的效果欠佳。應用地震數據結合鄰井地層對比，地層橫向變化識別上有一定的改善，縱向則受制于地震數據的精度。地質模型則能夠融合多井縱向高分辨與地震橫向高分辨的綜合優勢，建立全空間三維模型，給地質、鉆探施工人員提供更多元、精準的設計視角，更適用于在復雜地質構造中設計軌道參數。

目前，水害防治定向井設計主要以鄰井對比法為主，兼顧參考地質、地震解釋、井巷揭露等，綜合分析后根據經驗估算鉆井工程參數，施工過程中根據錄井巖屑狀況，對鉆井軌跡做一定的調整。這一套技術流程相對簡單成熟，執行效率高，在地層橫向變化小或淺煤層礦井，應用效果較好。而在地質條件相對復雜的中深煤層礦井，由于橫向非均質性強，縱橫向構造相對誤差隨深度逐漸增大等多因素疊加，使得鉆井結構參數設計與目標需求存在較大偏差，巖屑錄井遲到時間計算不準與人工巖性識別偏差的局限也使得鉆井過程的動態調整效果有限。

中深煤層礦井地面靶向水害治理定向井鉆探工程與油氣行業有一定的相似性，鉆機裝備相同，作業方式近似，但其與油氣定向井追蹤連續地層的目標有一定的區別，水害防治定向井鉆探的首要任務是查清局部不規則地質目標的幾何形態（圖1d），以及與注漿效果密切相關的地質目標關鍵屬性。與靜態二維圖形相比，三維地質動態模型在定量表征復雜幾何形態與特定屬性等方面具備獨特的優勢，具備提高中深煤層地質構造與屬性控制精度，并隨鉆遇狀況動態變化的能力[10-13]。

圖2 為靶向水害治理過程中基于地震數據建立地質模型開展定向井優化的綜合技術流程，目標是優化鉆井軌道設計參數、優化軌跡調整策略。應用體模型建模方法，融合地震數據與所有已知地質信息，建立三維地質模型，提供靜態鉆井軌跡設計所需的幾何形態與屬性要素；據此設計鉆井軌道關鍵參數；并以此地質模型為基礎，導入隨鉆測井、錄井等實鉆揭露信息，應用新增數據迭代更新流程，構建最新測錄數據支撐下的地質模型，分析最新模型反映的地質狀況變化，形成軌跡調整策略[14]。

圖2 動態地質建模定向井優化Fig.2 Optimization workflow of directional wells based on the 3D dynamic geo-model

2 地震動態建模的理論基礎

按地質模型組成主體劃分，地震數據轉換為地質模型，建模方法可分為2 大類：基于面的建模方法和基于體的建模方法。

基于面模型的地質建模，首先利用有限界面的地震解釋、鉆探、井巷揭露數據，插值獲得代表地質分界面的多個光滑曲面，將頂底曲面合并后，再對側面進行封邊，最終形成“三維”無縫密閉模型（圖3）。準確的面元建模基于2 個前提條件，一是插值算法形成地層曲面準確無誤；二是斷層與初始曲面的交切關系唯一且確定。然而，實際數據很難完全滿足上述2 個假設條件，處理推覆構造或X、Y、λ 型斷層等三維復雜結構時，常規算法形成的單一法向面元無法構建重復地層界面，難以描述多重交切關系，交切關系修改過程繁瑣復雜。

圖3 離散面元構建“面模型”Fig.3 Surface-based geological model

基于體模型的地質建模，是利用連續地震數據三維的空間與振幅特征，建立隱式函數（Implicit Function，簡稱IF）轉化規則體元或不規則體元，將地震數據蘊含的巖石物理信息轉化為地質細胞三維網格，再由地質細胞搭建三維地質模型。實現過程中，首先設定初始三維體的空間范圍，利用地震數據體與相對地質年代相對時間一一對應的特性，對初始三維體進行屬性約束插值，然后使用地層厚度特征分離所需的層位，獲得三維地質細胞四面體網格構成的三維地質體模型，模型外部形態即為地層構造界面，內部地質細胞元屬性承載對應的巖石特征（圖4）。體模型構建過程中，對地震體縱橫向分辨率足以控制的幾何與屬性特征，將地震體的地質層位、異常體、屬性等數據進行加權，如算術平均、幾何平均、調和平均等，按空間坐標映射到對應的地質細胞網格中；對于小于地震分辨率尺度的空間特征，利用地質細胞可以無限剖分的特性，構建四面體網格的隱函數解決數據相對稀疏與不完整問題。體建模是從立體空間中全局插值，毋需面建模方法兩條假設的前提條件，具備準確還原復雜沉積模式、不規則地質單元結構與復雜地層交切關系的能力；同時，基于隱函數更新的快速迭代方式，較之面建模更新需重復建模全過程，也具備一定的效率優勢。

圖4 三維體構建“體模型”Fig.4 Volume-based geological model

基于體模型建模方法的地震動態地質建模理論公式，由多重約束組成，包括控制點約束，光滑梯度約束，間斷點約束。

式中：?controlpoint為控制點約束、?gradient為梯度約束（斷層等）連續性間斷設定為0，構成隱函數方程組F，正交三角（QR）分解后求解四面體網格節點值。

3 地面水害防治定向井優化

定向井優化需要綜合考慮鉆機裝備能力、地質任務、地層條件與目標特征。定向井優化包括靜態設計優化與動態導向調整優化2 個基本目標。靜態設計階段，與鉆探工程人員共享地質模型，在鉆機能力范圍內，根據最新地質模型的異常區幾何形態、地層屬性設計定向井造斜點、著陸點、工具面、井間距、水平段方位等關鍵鉆井軌道參數；動態導向過程中，應用實鉆狀況更新地質模型，動態調整定向井軌跡。

3.1 靜態井軌道優化

關鍵要素之一：靶向區域地層與異常區三維幾何形態。精準還原三維地質空間，找準注漿目標是鉆井軌道設計的第一任務[15-18]。基于地震數據的體模型建模方法，在統一三維空間中，構建地層、斷層、異常區等地質元素的幾何結構模型后，使得鉆井軌道設計能夠獲得精準的空間信息參考。

關鍵要素之二：水害隱患治理目標靶區地層裂縫屬性。地層異常區周邊一定范圍內的斷裂系統與注漿效果存在較強的相關性，斷裂系統是奧陶系灰巖第一導水通道，基于斷裂力學理論，奧陶系灰巖力學特征受現今應力影響下的內部初始軟弱結構面的控制，注漿可以填充灰巖初始裂縫，增強巖體的完整性，從而改變巖體的破壞模式，改善巖體的力學特性。漿液擴散能力決定井間距，裂縫發育地區的漿液漏失量較大，且當注漿井水平段軌跡方位與斷裂走向垂直時，有利于裂縫張開與漿液擴散。因此，在奧灰水害防治鉆探工程設計中，優化定向井的另一關鍵是建立目標區域地層裂縫模型，根據裂縫屬性設計水平段方位，預估井間距，達到注入漿液高效填充地下導水裂縫，形成穩固膠結形態的目標[19-23]。

3.2 動態井軌跡優化

動態井軌跡優化是鉆探過程中更新地質模型以動態調整靶向策略。由于構造的復雜性和預測精度限制，鉆前地質模型與實際地質狀況之間仍會存在一定的誤差，需要利用獲取的新信息不斷更新地質模型。模型動態更新是全局靜態地質認識與局部動態信息融合的過程，基本方法是應用鉆井實鉆的精細構造適時更新迭代地質模型，提高地質構造與屬性預測精度，使得地質模型逐漸逼近真實地質狀況，給鉆探過程中的靶向調整提供地質依據[14]。

在靜態地質模型的基礎上，應用巖屑錄井、隨鉆測量與測井數據，持續輸入地質模型，以地質模型與隨鉆曲線相關性為基準，擬合更接近實際揭露的精細構造與屬性數據，應用全局更新或局部更新建模流程，迭代構建新的三維構造與巖體屬性。模型的適時更新與地層信息反饋，賦予地質目標更精準的地質認識，據此調整鉆頭傾角與方位，提高鉆探功效。在后續工作中，更新后的地質模型亦可以用于新鉆井或新分支井的靜態設計。

4 唐家會煤礦應用實例

淮河能源集團西部公司唐家會煤礦61304 工作面切眼200 m 范圍內存在異常區Y6，井下長鉆孔與其他資料綜合分析確定該異常區規模較大且連通奧灰水，為掩護巷道掘進，礦方決定采用地面定向井靶向治理，定點注漿的治理方式。設計多分支水平定向井，鉆進至目的層，貫通水文異常區，高壓注漿，封堵相互連通的構造、裂隙、孔隙等導水通道，達到異常區治理效果。

4.1 地質模型的構建

4.1.1 幾何形態建模

該區域于2014-2015 年開展了高密度三維地震勘探。為了便于研究，截取Y6 異常區周邊一定范圍內的地震數據與前期鉆探成果，應用體建模方法構建地層、斷層、異常區三維幾何構造模型。建立了包含地層、斷層、異常區等主要地質元素的三維區域地質模型（圖5）。

圖5 地震體與地質體模型Fig.5 Seismic body and geological body models

4.1.2 裂縫屬性建模

奧陶系裂縫與導水效果、注漿效果密切相關。與孔隙、滲透率等常規連續屬性不同，裂縫屬性屬于多尺度離散變量，裂縫的矢量性（裂縫產狀）與標量性（密度、寬度、長度等）描述復雜，最常用的做法是在統一地質模型的拓撲結構中，建立裂縫屬性地質模型，相對準確地描述裂縫形態[24]。高密度地震對斷裂的響應較好，利用螞蟻體算法追蹤與異常區密切相關的次級裂縫，將提取的裂縫系統導入幾何模型中，建立離散裂縫網絡（Discrete Fracture Network，DFN），能夠快速表征裂縫屬性。裂縫強度是反映地層基質與裂縫之間連通性的綜合指標，常用于評價斷裂系統的導通能力。在三維裂縫強度參數模型中，提取特定深度范圍內的水平切片，如圖6 所示，定向井可以參考異常區范圍內裂縫屬性分布，設計水平段方位與注漿位置。

圖6 異常區奧陶系頂界面下0～20 m 裂縫平面分布Fig.6 Plane distribution of fractures within 20 m under the Ordovician top in the abnormal area

4.2 地面水平井靶向設計

根據異常區形態與屬性，注漿目標設計為奧灰頂界面下10～20 m，選用“J”型多分支水平井，根據異常區三維模型分析，水平段目標區是一個扁平的立體結構，不僅要求井眼準確進入著陸窗口，而且要求井眼的方位與靶區軸線保持一致。

根據上述建模成果，綜合考慮地層深度、異常區幾何形態、裂縫等，同時考慮狗腿度、井身結構、鉆機性能等多重約束條件，聯合二維地質剖面與三維圖形，拾取關鍵位置，獲得造斜點、著陸點、工具面方位傾向、完井深度等關鍵參數，生成定向井軌跡設計關鍵圖表（圖7、圖8）。

圖7 多分支井軌道設計Fig.7 Multilateral well trajectory design

圖8 靶向治理多分支定向井三維軌道Fig.8 Three dimensional trajectory of the multilateral directional well in targeted treatment

4.3 地質模型更新與軌跡優化過程

ZJ30 定向鉆機配有隨鉆伽馬（GR）測井與無線隨鉆測斜系統，體模型中導入隨鉆軌跡與隨鉆伽馬曲線，根據更新后模型的屬性與地層傾角變化，動態調整鉆頭傾向，確保獲得穩定的鉆遇率。

圖9 為DY1 第一個分支井鉆至測深1 057 m 處，隨鉆伽馬引入模型后，三維伽馬屬性模型更新前后對比圖。

圖9 三維GR 模型更新Fig.9 3D GR model update

圖10 為更新前后沿井地質剖面構造變化情況，鉆前地質模型的4 煤底板、6 煤底板、奧陶系頂部深度預測均有一定的誤差，奧灰頂部變化較大，后續分支井設計將其他分支井的地層著陸深度從573 m 調整至542 m。當前鉆遇為灰巖，分支井水平段依然保持在異常區中鉆進（圖10 中黑色投影區域），但模型地層由水平修正為下傾，可以將當前傾角下調0.5°，保持與地層傾向近似平行，減緩轉矩、增加摩阻，減少卡鉆風險，提高鉆探效率。

圖10 基于模型剖面的地質導向分析Fig.10 Geosteering analysis based on the geological model section

4.4 應用效果

Y6 異常區治理工程實際累計注入水泥及粉煤灰漿液19 762 m3，共注入水泥及粉煤灰6 664 t，如圖11所示，實鉆井軌跡、裂縫、注漿量疊合圖中，定向井中各注漿點使用球體大小代表相對注漿量，注漿量較大的深度點與裂縫發育區域近似重合。截至2021 年12 月1 日，Y6 異常區已安全回采通過，水害隱患治理成功。

圖11 DY1 實鉆與注漿平面分布Fig.11 DY1 real trajectory and grouting plane map

5 結 論

a.基于模型的鉆井設計有3 點優勢：一是模型剖切能提供與設計方位角完全一致的地質剖面，二是已鉆水平井分支鉆遇更新迭代三維模型，新模型為后續鉆井設計提供調整依據，軌道參數設計精度更高，三是在實時地質導向過程中，隨鉆曲線對模型的持續更新，使導向調整策略有效，達到鉆遇穩定的目標。

b.基于地震動態建模的定向井優化，使管理人員、技術人員共享精細地質模型成果、深入理解構造格架，賦予地質工程一體化在防治水工程應用領域新的內涵，奧灰水害防治的精準與可視，可以促進異常區域的精準探查與高效治理，減少無效鉆注工程的實施。

c.建議持續推進地質建模與鉆探裝備、工藝的結合，從目標治理角度出發，使地質模型能夠緊扣地質目標，選用合理的鉆探裝備與工藝，優化鉆井設計，簡化鉆井開次，降低鉆探風險、節約鉆探費用、提升治理效果。