地層自動對比預測方法研究與應用

崔國宏，郭明宇，苑仁國，李鴻儒，林 昕，汪卉娟

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司，天津 300459；2.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300450；3.武漢時代地智科技股份有限公司，武漢 430070）

地層對比預測是地質分析的基礎工作之一，其目的在于通過將收集到的地震、鉆井、錄井和測井等各項地質資料，進行橫向和縱向對比分析，建立對比剖面，根據(jù)不同的剖面對比找出含油層[1]。自20世紀80年代以來，國內外學者和專家針對地層對比預測開展了大量的探索性工作，并取得重大進展。目前，針對層序地層的建立，主要是由地質研究人員通過單井井筒中的測井曲線，立足區(qū)域地質認識和特定的地層對比模式，通過手工劃分實現(xiàn)的[2]。這種依靠地質研究人員的人工解釋，在很大程度上取決于研究人員專業(yè)認識水平、經驗知識等，而且不同研究人員劃分結果可能存在較大差異，難以建立統(tǒng)一的對比標準。與此同時，隨著勘探開發(fā)的不斷深入，已開發(fā)油氣藏鉆井數(shù)量增加，導致地層劃分與對比的工作量增大，存在耗時、耗力等諸多不利因素。近年來，為提高工作效率，借助信號處理、數(shù)理統(tǒng)計及人工智能等方法與技術，開展依靠計算機實現(xiàn)的半自動、自動地層對比預測研究工作[3-5]。該方式在一定程度上減少了人工解釋過程中存在的一些問題，如對比模式和對比標準不統(tǒng)一、地層界面不易確定等，大大提高了地層對比預測的工作效率。

通過對國內外文獻進行調研，在吸收對比其他地層對比方法后，提出了一種基于功率譜的互相關對比算法和活度函數(shù)的多測井曲線分析方法，用于地層自動對比與層界面的預測。該研究方法以鄰井的實鉆曲線為參考，可以實現(xiàn)正鉆井地層劃分和目的層預測。

1 技術路線

地層對比預測算法需要收集鄰井信息、設計井信息和實鉆井數(shù)據(jù)，通過基于活度函數(shù)多測井曲線分析方法和功率譜的互相關對比算法確定實鉆井的層位，根據(jù)鄰井中目的層的位置來實現(xiàn)正鉆井目的層的預測[6]。其地層對比預測技術路線如圖1所示。

圖1 地層對比預測技術路線圖

2 算法原理

在進行地層對比預測時，首先要對測井曲線進行分層。取一段連續(xù)穩(wěn)定的鄰井測井數(shù)據(jù)作為實時追蹤的標志層，在目標井鉆進過程中對測井數(shù)據(jù)或生成的錄井數(shù)據(jù)開窗，實時追蹤并識別與標志層測井或錄井曲線形態(tài)相似的地層，通過對比來判斷當前鉆頭位置[7]。地層對比預測原理如圖2所示。

圖2 地層對比預測原理示意圖

2.1 活度函數(shù)多測井曲線分析方法

活度函數(shù)多測井曲線分析法屬于非數(shù)理統(tǒng)計方法，可以利用各種測井曲線進行分層[8]。為了表達測井曲線的動態(tài)性質，定義測井曲線的活度函數(shù)

式中：Xi（H）為測井曲線上第i點的取樣值；E（H0）為深度H0處測井曲線的活度；L為計算活度值時所取測井曲線的長度，即窗長，m；（H）為測井曲線在H0上下L/2范圍內的平均值。

在實際地層劃分中需綜合多條測井曲線，在選定參與分層的測井曲線后，分別計算各自的活度并按權系數(shù)相加，求出綜合活度，亦稱總活度。多測井地層劃分時，為避免有的曲線分層特征未得到充分利用，對活度進行標準化。

2.2 功率譜的互相關對比算法

功率譜的互相關對比算法（圖3）是指將標志層的測井數(shù)據(jù)視為一組多維矢量，以矢量間內積大小為判據(jù)依據(jù)，在實鉆井對應的1段深度范圍（窗口）內尋找與之最相近的（即內積最大）矢量作為對應層位[9-10]，針對地層對比情況，進行改進，具體實施策略如下。

圖3 互相關對比方法實現(xiàn)流程

1）假設標志層2側的數(shù)據(jù)由不相關的白噪聲組成。在選取標志層時，除了要滿足高值條件，還要盡可能使2側數(shù)據(jù)平緩，以保證其與標志層信息不相關。

2）選取高值的層位作為標志層，避免對比結果被周圍高值層位影響而產生錯誤。

3）對于地層厚度變化無法兼顧的情況，采取在互相關算法之前增加功率譜比對算法，對層厚變化進行預判，然后對數(shù)據(jù)采樣或插值后再進行互相關運算，解決了層厚發(fā)生變化的地質情境。

3 測試驗證

3.1 測試區(qū)塊介紹

本次測試選取渤中、蓬萊2個區(qū)塊共20口井進行測試驗證，其地理位置位于渤海探區(qū)。渤海位于華北盆地東部，華北盆地在太古代至早元古代為變質基底形成的固結演化時期，巖性主要為混合巖、花崗巖系。中、晚元古代是地臺南北邊緣裂陷帶活動期，沉積了巨厚的碎屑巖及碳酸鹽巖。古生代開始進入地臺演化時期，由于洋殼在地臺南北兩側的俯沖、擠壓，引發(fā)地臺的升降活動并形成了一系列近東西向的隆起和拗陷帶，沉積了海陸交互相及陸相含碳酸鹽巖和煤系的紅色碎屑巖系。中生代中晚期，華北盆地相對穩(wěn)定沉降，渤海成為盆地沉降中心，發(fā)育了陸相含油巖系及第四系海陸過渡淤泥、粉砂和礫。古近紀為1個統(tǒng)一的湖盆。形成了大量的水下扇、扇三角洲、三角洲、濁積體和少量沖積扇，這些沉積體后來成為主要的儲油巖。新近紀，喜山運動使地殼抬升并遭受剝蝕夷平，渤海結束了以古近紀湖相沉積為主的歷史，開始了以河流相為主的發(fā)展過程。第四紀時，渤海繼承了第三紀時的構造格局，全區(qū)普遍沉降，海水侵入，形成目前的陸表海。

渤中區(qū)塊主要包含渤中凹陷、渤南低凸起和黃河口凹陷，其中渤中凹陷占坳陷面積的1/2；蓬萊區(qū)塊包括渤東凹陷、渤南低凸起，渤南低凸起為渤中區(qū)塊和蓬萊區(qū)塊共同的構造單元。

3.2 測試過程說明

針對目的層進行了薄層、傾斜地層、地層缺失、地層間隔缺失、厚層5個地質情景，以及單一測井、多測井、錄井數(shù)據(jù)的地層劃分與目的層進行預測實例應用。鉆進深度區(qū)間為4 956.1～5 060.4 m，主要為太古界厚層花崗片麻巖，頂部巖石風化比較嚴重，原地風化成砂礫巖及細砂巖。

表1是基于活度函數(shù)多測井曲線分析方法和功率譜的互相關對比算法在單一測井曲線和多種測井曲線組合下目的層預測精度的平均誤差。從數(shù)據(jù)中可以看出，單一測井曲線解釋結果相對于多種測井曲線組合的解釋結果，效果更優(yōu)，其中以GR、GR+RD、GR+RD+NPHI解釋結果平均誤差最小，GR+RT+RD+RS+NPHI、GR+RD+DEN+NPHI+AC平均誤差最大。圖4為單曲線和多曲線組合下地層界面預測深度和真實值的對比，誤差在可接受范圍內。表2為元素錄井曲線地層界面預測深度和真實值的對比，平均誤差在0.9～3.1 m之間。表3—表6分別表示在上部地層缺失、地層間隔缺失、GR劃分和多測井劃分時地層界面預測值和真實值的比對，誤差在0.5米以內，符合地質工作需要。

表1 單曲線和多曲線組合下目的層預測平均誤差m

表2 元素錄井曲線地層界面預測值和真實值的對比m

表3 上部地層缺失地層界面預測值和真實值比對m

表4 地層間隔缺失地層界面預測值和真實值比對m

表5 GR劃分地層界面預測值和真實值比對m

表6 多測井劃分地層界面預測值和實際值比對m

圖4 單曲線和多曲線組合地層界面預測值和真實值的對比

4 實例應用

在完成測試驗證后，選取實例井的測井曲線和元素錄井曲線對算法進行實例應用。從圖5中可以看出，測井曲線對比圖中自然伽瑪、中子、電阻率曲線整體相對比較平緩，在W1145井中2 085～2 099.2 m、2 160.6～2 168 m、2 208.4～2 213.3 m處呈尖峰-齒狀，波動較大，厚度分別為14.2、7.4、4.9 m；W1144井中2095.2～2 110.3 m、2 175.6～2 182 m、2 219.8～2 225.1m處具有相同波動，厚度分別為15.1、6.4、5.3 m；軟件基于活度函數(shù)多測井曲線分析方法和功率譜的互相關對比算法將具有相同波動位置的曲線進行連線并繪制地質剖面圖，誤差在0.5 m以內，符合預期效果。

圖5 測井曲線預測分層

除測井曲線外，該方法還支持元素錄井曲線對地層進行劃分，圖6為元素錄井曲線鄰井和實鉆井對比圖，元素錄井曲線整體趨于一致，誤差在0.5 m以內，可以達到地層劃分和目的層預測的效果。

圖6 元素錄井曲線預測分層

5 結論

1）地層對比預測方法可以大大提高地層對比自動化程度，提高工作效率，減少人員投入，為地質工作者提供了一個方便快捷的地層劃分工具。

2）通過對渤中、蓬萊2個區(qū)塊20口鉆井實際測試得出，地層自動對比預測方法得出的結果準確度高，能有效規(guī)避因傾斜地層、地層缺失、地層間隔缺失等不同因素帶來的干擾。

3）地層自動對比預測不僅可以利用測井曲線進行自動分層，同時可以采用鉆井參數(shù)、元素錄井數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)進行自動分層對比。