基于復雜地質建模的地震導向鉆井技術及應用

引言

高效精確的鉆井設計和施工決定著鉆井的成功率，直接影響著油田生產的經濟效益[1 3]。隨著勘探開發目標日益復雜，對鉆井施工的安全性、準確性和工作效率提出更高的要求，及時準確的鉆前分析和井眼軌跡校正對于降低鉆井風險、提升入靶率意義重大[4 6]。

斜井和水平井在現階段油氣田勘探開發中應用非常廣泛，特別是水平井在目的層中需要維持一定長度，從而有效地增加油氣層的接觸面積，這就為井眼軌跡設計和施工增加了難度，需要綜合考慮地質背景、經濟成本及安全條件等因素[7 9]。在三維立體的地下空間內，井眼軌跡的走向可能不斷改變，在平面和剖面上均不是沿直線前進，需要提前探明地下構造的分布特征和儲層目標位置，設計井眼軌跡走向、井身全角變化率及入靶點等一系列重要參數[10]，但是入靶點的預測深度和實際深度存在一定量的誤差，按照設計的下鉆深度難以準確鉆遇目的層[11 13]，特別是在經歷過強烈構造變形的地區，存在地層速度多變、儲層深度不確定及構造穩定性差等情況，從而加劇了井眼軌跡設計和施工的復雜程度[14 15]。

此外，現有的地震導向鉆井技術尚未成熟。傳統的鉆井設計工作大多通過二維圖件分析來確定并修改鉆井方案，與實際結果往往誤差較大，鉆進過程中信息反饋速度慢，難以及時做出調整，其效率和準確性有待于提升。若采用常規垂直地震剖面（Vertical Seismic Profile，VSP）測量，就需要中斷鉆井施工，地震成像不能及時反映鉆頭的實時位置，獲取信息仍存在滯后性，無法在第一時間獲取誤差并調整方案，且費用和風險較高[16 17]。隨著隨鉆地震技術的發展，目前使用較多的是地表激發震源、地下接收信號的隨鉆VSP 技術，然而，該方法同樣只能在鉆井間隙進行數據采集，且實時傳播數據量有限，并未實現真正意義上的自動化導向[18 19]。同時，中國在隨鉆VSP 設備領域仍處于落后地位，外國石油公司只出售服務不出售裝備，價格也十分昂貴[17]。

為有效解決現階段面臨的問題，本文創建了基于復雜地質建模的三維地震導向鉆井技術方法及流程，充分發揮三維地質建模的優勢，全面直觀地展現地下復雜構造形態、儲層特征和入靶點位置，在三維模型中完成井眼軌跡設計，并通過“標志層倒三角逐層逼近法”不斷逼近入靶點的預測深度，高效準確地完成鉆前地質評價、井眼軌跡設計和鉆井實時校正，結合實際數據驗證了良好的應用效果。

1 方法和流程

鑒于工區構造變形劇烈，以往鉆井設計主要依托地質剖面等二維圖件，難以直觀全面地展現復雜地質結構和目標位置，本文依托三維復雜地質建模。將地震數據、層位斷層數據、構造模型、屬性體、反演體、井數據及地質圖件等信息在三維場景下綜合顯示，可將用戶解釋的層位和斷層方案顯示在三維空間中，也可以在層面或者剖面上顯示地震數據、屬性體和反演體數據[20]，或根據實際坐標信息，實現地表數據的顯示，在展現構造變形特征、地層展布趨勢及儲層三維形態等方面具備特殊優勢[21 22]。

在建模過程中，包括斷層和層位在內的構造解釋數據是構造模型建立的“骨架”，在三維場景下便于全面直觀地觀察并驗證構造解釋數據的合理性，隨時檢查并更新數據，并基于數據快速生成斷層面和層位面[23 25]。依托以上數據快速建立多種復雜背景下的構造模型和屬性模型，全面、直觀地展現井眼軌跡及其周圍的地質背景，在鉆井過程中便于質控[26 27]。因此，基于三維構造模型和屬性模型開展鉆前地質評價、井眼軌跡設計和鉆井實時校正，能夠使鉆井設計和校正更加方便快捷，同時實現對這3 個重要環節的可視性監控，解決鉆井設計過程中信息封閉、單一以及使用不方便等問題，盡可能減少信息或分析不足引起的鉆井失敗，從而有效提升復雜地質目標的鉆井成功率。

針對以往鉆井施工過程中獲取信息存在滯后性、難以及時調整鉆井方案、隨鉆VSP 技術尚未成熟的問題，本文創建“標志層倒三角逐層逼近法”，在三維地質模型中實現鉆井的實時校正，施工井不斷鉆遇新的標志層，用新獲得的標志層深度來校正當前速度體，再用新的速度體更新時間域的解釋數據，重新預測未鉆遇層位及入靶點的深度，以指導后續的鉆井施工。隨著鉆遇的層位逐漸增多，速度體被校正的次數不斷增加，重新獲得的預測深度也就更接近真實深度。

其中，速度體的建立通過標志層位數據自動建立層面交切框架模型。根據實際地層的沉積特征，在標志層上下按照“等比例”“平行于頂”“平行于底”等不同沉積模式構建多個小層模型，最后在框架模型和小層模型的約束下，利用速度測井曲線插值速度體。速度體的校正則采用相對誤差校正方法實現。選擇井位標定速度值除以當前速度體的速度值得到單點速度誤差系數，并建立誤差系數體，通過誤差計算得到校正后的速度體，具體方法如下：

當施工井獲得第一個標志層位，根據式（1）得到該點的真實速度vtrue，再通過式（2）求得該層位上的沿層誤差系數Cv，以此類推，在模型內的每一個小層與井眼軌跡交會處，均通過以上公式得到相應的沿層誤差系數，同時，根據趨勢向未鉆遇的深度外延，在三維空間內形成誤差系數體對校正前的速度體vori 進行校正，利用式（3）得到校正后的速度體vcorr。

在速度交互校正之前，區域速度體的建立依賴于鄰井的速度曲線插值，或者地震資料處理得到的速度譜數據，但通過鄰井的速度插值容易導致井間誤差過大，與該地區的真實速度存在差異，而速度譜數據未參考井資料，同樣容易導致誤差過大。本文利用鉆遇標志層深度和層位約束的速度體校正方法，根據井眼軌跡上的實際速度誤差及其趨勢進行校正，相比于先前速度體更加真實可靠。

此外，校正后速度體的準確性還可以通過以下條件進行檢查：1）檢查速度體在橫向和縱向上的分布特征是否均勻；2）用新速度體完成時深轉換后，檢查深度域構造模型的起伏趨勢與時間域模型是否一致，避免校正后發生畸變。由于地震勘探所采集的地震數據大多是時間域的，而地質評價經常需要在深度域開展工作，因此，速度體對于深度域的地震解釋工作非常重要，速度體校正也被廣泛用于解釋數據的時深轉換，特別是精細的構造成圖離不開準確的速度數據。

利用該方法在建好的三維地質模型中快速更新正在施工的井眼軌跡，并且在鉆井過程中依據現場的實鉆標志層深度與設計標志層深度進行自動比對，通過速度體校正對地震、斷層、層位及井數據進行時深轉換，快速更新深度域的三維地質模型，進而更新未鉆遇層位的預測深度和入靶點預測深度，最終得到的各標志層真實深度在統計表格中呈“倒三角”狀排列?；趶碗s地質建模的三維地震導向鉆井技術流程如圖1 所示。

技術流程共分為以下3 個階段：

1）復雜地質建模：在三維場景下對復雜形態的斷層和層位數據進行質控和修改，建立三維構造模型，在此基礎上生成速度體以及鉆井施工相關的屬性模型。2）三維井眼軌跡設計：用初始校正后的速度體更新深度域的三維地質模型，根據復雜構造形態、儲層特征和入靶點位置在模型中設計并拾取井眼軌跡。3）速度深度交互校正：通過“標志層倒三角逐層逼近法”不斷校正當前速度體，對三維地質模型進行時深轉換，實時更新入靶點最新的預測深度。

2 復雜地質建模

本文研究區位于渤海灣盆地的某水平井施工區域，目的層位于圖2 剖面的底部，砂巖致密氣富集成藏，儲層上方發育伸展構造變形，形成不同規模的正斷層，加劇了鉆井設計和施工的難度，井眼軌跡進入儲層之前需要經過3 個標志層位，由淺至深分別為Tpl、Tp 和Ts。由于斷層對地層速度的影響比較大，為了明確地下速度變化進而準確預測目的層深度，同時規避斷層對鉆井施工造成的潛在風險，首先要建立精確的復雜構造三維地質模型。

為了建立精確的構造模型和儲層相關的屬性模型，先后開展初始模型設置、斷面建模、層面建模、構造建模及屬性建模等5 個步驟，以層位、斷層和井數據為基礎，在建模過程中依次創建斷面模型、層面模型和構造模型，在構造模型的框架約束下，通過井曲線插值生成時深轉換的速度體和反映儲層的三維屬性模型，在其內部實現井眼軌跡的三維設計。

1）初始模型設置

根據水平井施工范圍確定地質模型的橫向范圍和縱向深度，避免建模空間過大造成資源浪費。同時，在三維空間內檢查對建模產生約束作用的斷層和層位數據，剔除異常值，并確保其與模型范圍一致。

2）斷面建模

將斷層數據進行網格化便于調整形態，水平井施工區域發育構造變形，斷層之間存在相交情況，為了確保斷面模型的準確性，將同級別的相交斷層設置為“主主關系”，兩條斷層形態互不影響、獨立顯示，針對不同級別的斷層，根據級別的相對大小設置為“主輔關系”或“輔主關系”，級別較小的斷層面被級別較高的斷層面截斷。

3）層面建模

在斷面模型的約束下將層位數據進行網格化，檢查層面和斷面之間的交線位置是否正確，層面通過趨勢計算自動搭上斷面，調整交線形態保證層面建模的準確性。

4）構造建模

在斷面和層面模型的基礎上，生成由相鄰層面、斷層面及模型邊界圍成的地層體，由此建立構造模型（圖3），為后期的屬性模型建立框架。可以在內部任意位置顯示剖面，觀察斷層分布特征和層位起伏形態。

5）屬性建模

在精細構造建模的基礎上，利用不同井曲線進行插值運算生成相應的屬性模型，生成速度體模型為井下實鉆過程中的速度與深度交互校正做準備。此外，生成儲層敏感的屬性模型反映地下巖性、物性或者含油氣性特征，為后期在三維模型中評價鉆井地質特征、拾取井眼軌跡以及確定儲層入靶點提供參照。

3 三維井眼軌跡設計

研究區致密氣開發層段的垂直厚度在20 m 以內，目的層厚度較薄，對應的地震資料響應特征不明顯，同時在水平井接近目的層的過程中還須避開斷層，因此，井眼軌跡設計的難度較大，如果在三維地質模型的基礎上設計井眼軌跡，根據屬性模型反映的構造、儲層和油氣藏分布特征，并結合鉆井工程要求，將為鉆井施工提供精確指導。

先對復雜地質建模得到的速度體模型vori 進行初始校正（圖4）。在過井的地震剖面上，通過查看每口井的合成記錄與地震數據的匹配程度，以及查看井分層與解釋層位對應關系，來檢查用于校正的井時深關系的準確性。完成對井誤差一致性檢查并確保無誤后，再利用井時深關系曲線和井分層對速度模型不一致的部分及時做出調整，得到初始校正后的速度體vcorr。

為了在深度域三維模型中開展井眼軌跡拾取，用校正后的速度體對時間域的三維模型進行時深轉換。根據三維屬性模型反映的斷層分布和目的層位置，在模型中拾取設計井的軌跡，通過儲層敏感屬性確定含油氣有利區帶位置以及水平井的延伸方向，并結合鉆井施工要求，特別是避開儲層上方的斷層，從而完成井眼軌跡設計。最后，在三維地質模型中全面直觀地查看井眼軌跡的完整形態，及時發現不合理的地方并加以改進。研究區目的層在高亮體屬性模型中呈紅色顯示，橫向上近水平方向展布，致密氣富集成藏，設計井在頂部豎直向下，向下接近目的層后沿層進入水平段（圖5）。

4 速度深度交互校正

由于研究區經歷構造變形，水平井施工需要同時考慮斷層分布、儲層位置和地下速度變化等多種因素，入靶點的設計深度和實際深度必然存在誤差，準確進入設計靶點的難度較大，施工過程中需要及時獲得反饋信息并調整鉆進方案。利用“標志層倒三角逐層逼近法”開展速度深度實時交互校正（表1），通過新鉆遇的標志層深度校正速度體，使深度域三維模型逐漸接近真實地下模型，再更新目的層和入靶點的預測深度，及時指導鉆進方向并規避鉆井風險。

鉆遇到目的層入靶點之前，要先后經過3 個層位。首先，由初始校正的速度體v1 得到設計井在各層位及入靶點的初始預測深度，為鉆井施工提供大致范圍。當該施工井鉆遇第一個層位Tpl 用該層位的真實深度3 091.99 m 對工區當前速度體v1進行校正，生成新的速度體v2，得到未鉆遇層位及入靶點的預測深度。隨著該施工井鉆遇第二個層位Tp，用該層位的真實深度進一步校正當前速度體v2，用新生成的速度體v3 重新計算未鉆遇層位及入靶點的預測深度，同時統計層位Tp 的深度誤差。以此類推，一直向下鉆遇到臨近入靶點前的最后一個層位Ts，得到最終校正后速度體v4，此時計算出的入靶點預測深度5 392.92 m 最精確，與實際深度5 390.16 m 僅相差2.76 m。在最終的統計表格中，各標志層對應的真實深度匯總后呈“倒三角”狀排列，在鉆進過程中，每鉆遇新的層位，將更新過的速度體加載進三維構造模型和屬性模型，使其不斷逼近真實的地下模型，為含油氣地質評價提供更加直觀可靠的依據，同時將實鉆井眼軌跡加入模型進行顯示，展現施工井現有的位置信息，并計劃下一步鉆進方向。此外，還可以在三維模型中加入鉆井施工參數建立不同的屬性模型，還原真實的地下地質情況，預測風險較高的部位，實時調整鉆井方案，盡可能規避鉆井風險。

5 應用效果

相比于以往在二維剖面上拾取井眼軌跡，本文技術流程具有獨特優勢。先利用解釋成果在三維空間內先建立精細的構造模型，搭建起構造格架，在此基礎上賦予能夠反映地層巖性、物性和含油氣性的屬性值，使之成為具有地質含義的三維地質模型，從而全面展現與儲層評價和鉆井設計相關的地下地質特征，同時更加準確直觀地反映井眼軌跡形態，有助于拾取任意走向的斜井和水平井井眼軌跡，速度深度交互校正入靶點的預測深度不斷接近真實深度，顯著提高了工作效率和鉆井入靶精度。

統計3 個層位和入靶點的最終預測深度和實際深度誤差（表2），并計算誤差率。各標志層的誤差率均不超過0.20%，位于可控范圍以內，誤差值和誤差率隨著鉆遇層位的增加而不斷減小，入靶點的預測深度逐漸接近真實深度，保證了該井的精確入靶。

另外，通過調研該地區的傳統流程（表3），經歷井眼軌跡設計、建立速度體、地震和屬性顯示及預測靶點深度等4 個步驟，需要依次使用DSG、Landmark、Jason 及Excel 等4 個軟件，共耗時300 min。這是由于不同軟件之間數據輸入、輸出及格式轉換需要耗費大量時間，同時，上述工具并非為地震導向鉆井而專門設計，輸出結果需要經過特殊處理才能滿足需要，在鉆井過程中也無法實現地下預測深度的實時校正。而本流程僅需要使用GeoEast 軟件，避免不同工具之間的數據轉接，便于將鉆井導向的配套功能集成應用，耗時50 min，僅為傳統流程的六分之一，能夠顯著節省時間，使工作效率提高5 倍，并有助于打破國外技術壟斷。經過驗證，基于三維地質建模的地震導向鉆井設計方法能夠經濟高效地完成任務，并保證預測結果的準確性。

6 結論

1）首先經過初始模型設置、斷面建模、層面建模，得到精細三維構造模型。在此基礎上生成三維屬性模型，三維場景下有助于清晰直觀地表征地下巖性、物性或者含油氣性特征，為評價地質工況、拾取井眼軌跡以及確定儲層入靶點建立基礎。

2）根據屬性模型反映的構造、儲層和油氣藏分布特征，并結合鉆井工程需求，在三維模型中設計井眼軌跡。在鉆井施工階段，創建“標志層倒三角逐層逼近法”實現速度深度實時交互校正，通過持續更新速度體，三維模型逐漸接近真實地下模型，入靶點預測深度不斷接近真實深度，有效指導下一步的鉆進方向并規避鉆井風險。

3）本技術流程在實際應用中取得了良好成效，最終預測深度和實際深度的誤差率不超過0.2%，保證了精確入靶，使工作效率提高5 倍，驗證了本流程有助于高效準確地完成任務。