地震属性在水平井地质导向中的应用

吴宝玉,张树东,阳大祥,胡梦曦,丁邦春

(中国石油集团测井有限公司西南分公司,重庆400021)

0 引 言

水平井地质导向技术是在充分利用随钻测量测井(MWD/LWD)和录井资料的基础上,结合地质、工程设计及时准确划分已钻地层和预测待钻地层,适时调整井眼轨迹,使实钻井眼轨迹准确钻遇目的层并始终处于油层的最佳位置。传统地质导向技术通常利用LWD数据并结合邻井数据进行地层对比,建立地质导向模型,预测目标储层深度并成功着陆[1-5]。对于水平段地层,通过对比随钻测井曲线和邻井测井曲线的变化趋势,调整地质导向模型可以判断井眼轨迹所在储层的位置,但这种判断存在一定局限性,特别对于川东高陡构造复杂地层和川中古老岩溶缝洞非均质性强的地层,需要做好地震储层预测工作。

四川油气田区内2次甚至3次采集的三维地震资料逐年增加,区块的井控程度也相对较高,这为充分挖掘地震资料信息提供了条件。地震属性是一种描述和量化地震资料的特性,是原始地震资料中所包含全部信息的集合,包含地下丰富的沉积、岩性和储层地质信息[6-8]。地震属性技术能提取隐藏在地震资料中的有用信息,提高对储层有利区预测的准确度,进而能正确指导地质导向钻进,降低工程风险。为了弥补随钻测井资料的不足,把地震属性技术引入到地质导向随钻工作中,充分利用测井资料在反映地层“四性”高纵向分辨率的特点和地震资料在储层横向预测高分辨率的优势,两者相互校验。

四川盆地川中震旦系地层储层非均质性极强,缝洞型储层与致密碳酸盐岩基质相互交错,且规模大小不一,分布规律难以把握,地震“曲率体”属性可以描述地层的弯曲程度,进而可以表征地层所受的应力大小,因此可以用来预测受应力而形成的裂缝发育带。川南龙马溪页岩气地层的倾角较大且区域变化大,构造较复杂,发育断层、微断层、微幅构造、天然裂缝带或破碎带。地质导向钻井经常出现恶性井漏和井眼垮塌等工程复杂情况,地震“蚂蚁体”异常反映了地震数据的不连续性异常区域,指示可能的微断层、断裂系统,当钻遇异常反应较强的“蚂蚁体”时,及时调整钻井液密度或井眼轨迹,规避遇阻、遇卡、漏失等井下复杂事件。

本文通过实例介绍了地震“曲率体”和“蚂蚁体”在随钻地质导向过程中预测裂缝(溶孔)、微断层的过程,通过对地质情况的预判及时优化调整井眼轨迹和钻井参数,以期提高储层钻遇率,规避钻井工程风险,实现水平井地质导向钻井高效开发。

1 地震属性概述及其在地质导向中作用

1.1 地震属性分析技术概述

地震记录信息的信号特征是岩石物理特性及其变异综合产生的,地震属性是指那些由叠前或叠后地震数据,经过数学变换而导出的有关地震波的几何学、运动学、动力学和统计学特征。地震属性包含了丰富的地质信息,随着信息技术与计算机技术发展,地震属性分析技术在地层岩性解释、构造解释、储层评价等方面得到了广泛应用,并且在油气勘探开发中起着越来越重要的作用[9-11]。

利用各种数学方法从地震数据体中提取的各种地震属性越来越多,可归纳为振幅、波形、频率、衰减、相位、相关、能量、比率等8大类91种,目前已经发展到近200种地震属性。

对地震属性的分类方法也很多,常见的有根据波的运动学特征进行分类、根据储层特征进行分类、还有根据时间、振幅、频率、衰减等基本特性进行分类的方法。地震属性分析目的就是试图从大量的、丰富的三维地震数据中,拾取隐藏在这些数据中的有关地层岩性、储层物性和流体信息,定性预测岩相、岩性和含油气性。地震属性分析技术已经成为地球物理学中的一门新兴学科“地震属性学”[12-13]。

1.2 曲率体、蚂蚁体属性地质意义及其地质导向中的作用

从解决地质导向实际问题的方面考虑,与之相关的地震属性可分为构造解释、储层描述和流体识别等3大类。具体来说,应用于构造解释的体属性包括倾角及方位角属性、相干属性、玫瑰图、曲率属性等,这类属性主要用于小断层、古河道、溶蚀沟等地质现象和地质体的识别和检测;储层描述属性是在精细构造描述的基础上,进一步应用能量曲率、纹理属性、谱峰值属性和谱形状属性进行储层描述,这类属性主要用于预测缝洞型储层分布范围和发育程度;而流体识别则主要是利用频谱属性检测流体,频谱体属性包括峰值属性和谱形状属性2大类。峰值属性包括峰值振幅、峰值频率、峰值相位和高亮体,谱形状属性包括谱算数平均能量、有效带宽、谱斜率和谱粗糙度。这类属性主要用于预测油气及储层分布范围[14-15]。本文主要介绍曲率体属性和蚂蚁体属性在地质导向中应用。

地震曲率属性是对地层形态的一种描述,根据地层的弯曲程度预测某些特殊的地质现象(如裂缝),当地层为背斜时,其法向矢量是发散的,其曲率为正;当地层为单斜或平层时,其法向矢量是互相平行的,则曲率为0;当地层为向斜时,其法向矢量是收敛的,则曲率为负。通常地震层位解释完之后都需要平滑,所以在断点周围的层位类似于背斜或向斜构造,其曲率值不为0。一般曲率的绝对值越大,岩层所受到的应力越大,裂缝也就越发育,所以曲率属性与裂缝之间的关系表征了地层所受应力的程度,进而可以用层位曲率的大小预测裂缝的发育情况,这也是利用曲率属性进行裂缝预测的理论基础。

川中盆地震旦系气藏埋藏深度为5 000～6 000 m,储层岩性为白云岩,典型的缝洞型储层,区域上规模大小不一,分布规律难以把握。钻井过程中经常出现放空漏失,钻速突然增大;测井曲线特征为井径和声波时差增大,电阻率和密度降低,自然伽马时有增大,地震剖面上大型溶洞主要为串珠状反射特征,如何提高这类储层钻遇率是现场地质导向最大的挑战,利用曲率体属性技术预测缝洞发育带就可以很好地解决这一难题[16-17]。

图1 蚁群觅食示意图

蚂蚁追踪技术是一种模仿蚁群寻找食物的仿生算法,蚂蚁算法模拟蚂蚁的觅食原理如图1所示。假设A点是巢穴,E点是食物源,HC代表障碍物。蚂蚁由巢穴去觅食需先到达B点然后分别经H点或者是C点到达D点再到达食物源,B点到H点的距离是D且为B点到C点距离的2倍,蚂蚁在觅食过程中会留下信息素,在初始t=0时刻,蚂蚁会随机选择一条路径觅食。按照统计的角度,在2条路径上蚂蚁的数量相等,经过一定时间在t=1时刻,由于路径BHD的距离是路径BCD距离的2倍,在路径BCD上蚂蚁往返的次数是路径BHD上蚂蚁往返次数的2倍,留下的信息素量也是2倍,之后选择路径BCD的蚂蚁数量将是BHD上的2倍,随着时间的推移,越来越多的蚂蚁选择路径BCD觅食,从而达到最短时间觅食的目的。

蚂蚁追踪算法建立了一种突出断层面特征的新型断层解释技术,使地质构造的细节尽全面的展示出来。随钻地质导向钻前分析和实时钻井过程中,应用该技术可以识别出难以辨认的小断层和裂缝,以及描述小断层、裂缝的特征,成功地规避随钻水平井钻井过程中恶性井漏,据此,为地质导向钻井工程风险的预判提供依据[18-20]。随钻地质导向蚂蚁跟踪主要技术流程及关键参数选择如下。

(1)地震资料预处理。先利用叠后去噪技术对地震数据进行滤波,去除随机噪音等干扰,从而提高原始数据的信噪比、增强数据有效反射的连续性,并突出裂缝的不连续性信息,进一步提高裂缝的预测精度。

(2)设置初始边界范围。指单个蚂蚁在一次搜索中的空间半径,影响着计算效率和蚂蚁的分布密度,针对小断裂和裂缝应选择较小的值。值偏大会有网格化现象出现,偏小则蚂蚁往往沿同相轴追,通常为突出小断裂。

(3)设置追踪轨迹偏离度。指单个蚂蚁在搜索断裂信息时,在路径两侧扫描其余蚂蚁路径的范围即搜索时在设定的角度内(一般在15°内),而不能超过这个范围,最后追踪出来的断裂一个合理的趋势面,而非折面,其值越大,则蚂蚁体的密度越大。

(4)设置追踪步长。该参数进一步设定单个蚂蚁每隔多少体素搜索一次。值过大则搜索得更远,但会降低分辨率,通常可设为3。

(5)设置非法步长与合法步长。非法步长指单个蚂蚁在搜索到断裂信息前,被允许走的无效步数,这些步数是没有捕捉到断裂信息的。合法步长指一个非法步长后所走的有效步数,通常与非法步长联合起作用。非法步长越小,追踪出来的蚂蚁体越稀疏,合法步长越小,追踪出来的断裂越密集,连接起来得就越多。

(6)停止标准值。是指单个蚂蚁在搜索整个三维空间经时,非法步数所占的百分比。微裂缝时宜用较小值,通常选用5%,一般不超过15%。

(7)产状控制。生成初始蚂蚁体后,根据相干体结果统计断层走向、倾向和倾角等产状参数信息,分析区域构造应力场特征,得到裂缝发育空间展布形态,确定过滤原则。一般情况下,在上覆地层重力和压力影响下,裂缝和小断层主要在垂向上发育。

2 应用实例与效果分析

2.1 曲率体属性在缝洞型储层地质导向中的应用

X井位于川中地区高石梯区块震旦灯影组,该区地质导向目标层段储层受表生岩溶作用,主要储集岩类型为含藻白云岩,储集空间以溶蚀孔洞为主,储层类型以裂缝孔洞型为主。地质靶体非均质性较强,纵向和横向变化较大,缝洞成因及发育分布规律十分复杂,是典型的缝洞发育储层,地质导向难度较大。

图2是X井过井地震剖面图(黄色的线是设计轨迹,红色实线是实钻轨迹,井深6 155 m)。图3是X井过井曲率体剖面图(图3中红色实线是实钻轨迹)。从图2看5 900 m井眼轨迹强附近地震资料振幅异常、同向轴错断,该区域是应力集中的部位,容易形成断裂和裂缝。从图3曲率属性分析也指示5 900～6 100 m段缝洞发育。

结合测井资料和地震预测成果,现场地质导向工程师决定在5 888 m处将井斜由89.3°降斜至84.5°钻探前方缝洞发育区。实钻至6 113 m时,发现钻具放空,气测全烃值由1%增至3%,录井显示井漏(漏失6 092 m3钻井液)。同时从随钻电阻率测井曲线看,5 924 m和5 990 m电阻率“刺刀状” 明显降低,综合反映钻遇地层缝洞发育。最终该井储层钻遇率92.1%,日产气101.5×104m3,创造了川中灯影组地层日产万方气高产记录。

图2 X井过井地震剖面图

图3 X井过井曲率体剖面图

2.2 蚂蚁体属性在页岩气地质导向中的应用

Y井位于滇黔北昭通国家级页岩气示范区,目的层为下志留统龙马溪组。工区内构造变形强度大,储层地质条件复杂,断层、微断层、天然裂缝等发育,地层非均质性很强,钻井过程中井壁稳定难度大,部分层位或井段经常出现恶性漏失,工程风险大。

利用蚂蚁体技术能够清晰准确地展示出裂缝(断层)分布形态和延伸长度,以及裂隙发育带的影响范围,使地质导向人员能全面、直观地了解当前钻遇的地层情况。

图4是Y井过井地震剖面图,图5是Y井过井蚂蚁体剖面图(图5中红色实线是实钻轨迹)。

图4中自2 800 m进入靶体后,受地震采集精度的影响,在常规地震剖面看地震波同向轴波形振幅几乎无变化,裂缝(断层)发育不明显,但从图5通过蚂蚁体剖面发现在2 820 m井眼轨迹存在蚂蚁体异常响应强烈的接近中等尺度裂缝带或破碎带,容易形成先漏失后垮塌复杂情况,为避免钻遇漏失垮塌井段以确保安全钻井,此时现场地质导向工程师决定将调整井斜由82°降至80°钻进,并适当调整钻井液。同样在3 100 m处,从图5看3 100 m附近蚂蚁体异常(指示可能的天然裂缝带或破碎带)较发育,为避免钻遇复杂地层井段,将井斜由84°降至82°钻进,同时对钻井液做适当调整。

由于该井在实际地质导向过程中,现场地质导向工程师能结合实钻资料和地震资料预测成果,及时调整井眼轨迹避免钻遇异常反应的蚂蚁体区域,在钻进过程中没有发生遇阻、遇卡、漏失等井下复杂事件,十分顺利。最终该井总进尺1 983 m,纯钻时间244.7 h,井眼轨迹平滑(水平段最大狗腿度1.1°/30 m),后续固井施工也十分顺利(下套管仅用28.6 h),创造了该区块单趟钻进尺最长的新记录,是该区地质效果和工程质量最优的1口井。

图4 Y井过井地震剖面图

图5 Y井过井蚂蚁体剖面图

3 结 论

(1)随钻测井地质导向技术是一门综合学科,应充分利用好邻井测井、录井、地震和钻井资料。地震资料能较好地展示地质体在宏观上的分布规律,而随钻测井资料则是微观上的反映,两者应有机结合、互相验证,确保对地质目标有正确认识,指导钻头在优质储层中穿行。

(2)对于川中震旦系以孔洞、裂缝为主的碳酸盐岩储层,非均质性强,物性横向变化较大,地震数据曲率属性能有效预测缝洞发育规律和分布特征,能准确预测储层发育有利区带,其研究结果可以为地质导向提供参考依据。

(3)现场应用证实地震属性提取技术尤其是蚂蚁追踪技术的应用,能有效地识别断层和裂缝带,进而规避恶性钻井漏失风险,为钻井风险的预判提供了依据,确保在高质量地实现地质目标的同时整体上提高地质导向钻井和开发的效益。