动态速度迭代技术在复杂构造区随钻导向中的应用.pdf

收稿日期：；改回日期：基金项目：贵州省找矿突破战略行动重大协同创新项目“贵州省页岩气效益开发关键技术及工程试验”（黔科合战略找矿 ）；贵州省科技厅科技支撑项目“黔北向斜型常压页岩气富集条件评价”（黔科合支撑 ）作者简介：冯冰（），男，高级工程师，年毕业于贵州工业大学采矿工程专业，现主要从事非常规油气地质研究与勘探开发管理工作。通讯作者：李刚权（），男，高级工程师，年毕业于成都理工大学勘查技术与工程专业，现主要从事非常规油气地质研究与勘探开发管理工作。：动态速度迭代技术在复杂构造区随钻导向中的应用冯冰，王胜，李刚权，蓝宝锋，吴松，李绍鹏（贵州页岩气勘探开发有限责任公司，贵州遵义 ；贵州能源产业研究院有限公司，贵州贵阳 ）摘要：由于四川盆地边缘页岩气开发区域受到多期构造的叠加改造，构造复杂，导致地层速度变化大，难以精确构建速度模型，井震匹配性差，影响了水平井的钻遇率。为此，结合常规三维地震井位标定，建立标准层，分析地层的各向异性，明确了地层速度纵横向的变化特征，通过对埋深系数与产状进行矫正，并采取纵向速度、横向速度叠加计算建立速度场，不断应用井的层位信息动态更新速度场，确保随钻模型的精度，提高了地震预测靶点深度、判断产状变化规律的准确性。该方法在实际应用中，靶点预测与实钻误差降低至 ，远高于地震分辨率，证实该技术方法的合理性和适应性，可广泛应用于水平井随钻地质导向中。关键词：页岩气；随钻导向；三维地震；靶点预测；动态速度中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，）：，；，：；引言美国页岩气革命的成功实践，为全球天然气市场注入了新生命力的同时，也改变了以往世界各国的能源发展思路，让全世界充分认识到页岩气等非常规天然气资源的巨大潜力并开始重新思考油气资源发展战略，更为中国开发利用页岩气提供了借鉴 。页岩气的规模化开发将进一步优化中国能源结构，同时也有希望缓解中国油气资源对外依存度较高的被动局面 。页岩气作为非常规天然气，能成功实现效益勘探开发，离不开水平井钻探与体积压裂改造技术 。水平井钻探增加了目第 期冯冰等：动态速度迭代技术在复杂构造区随钻导向中的应用 的层的开采长度，扩大了单井井控面积，水平段越长，产量越高，经济效益越高。目前，美国页岩气水平井长度最大已超过 ，中国也实现了水平段长度 以上的突破。水平井水平段的长度除需要配套钻井工艺外，导向技术也尤为重要，目前，中国页岩气水平井的目标地层钻遇率低于 ，大部分区域水平井钻遇率平均为 左右，而损失的 资源量无法再进行开采利用。页岩气采用水平井生产可提高单井采收率和产量，而根据中国目前页岩气采收率现状，与常规油藏注水、注气等开发方式不同，页岩气开发生产依靠自身的弹性能量，采收率基本低于 ，如因为钻井钻遇率丢失 资源量，将极大影响最终经济效益。在南川、彭水、道真、正安、丁山等盆陆过渡带，由于页岩沉积厚度变薄，增加井控储量尤为关键。但由于此类地区受加里东期、海西期、燕山喜山期等多期大构造运动影响，构造作用相互叠加、限制和改造，较为复杂。因此，实现此类复杂构造区常压页岩气的效益开发，提升单井钻遇率显得尤为重要。现场水平井水平段钻进过程中常采用近钻头方位伽马测井，结合地质录井及元素录井资料进行地质导向，特殊的构造形态产生地层速度变化大、地层倾角变化频繁、地层稳定性差等地质导向难点 ，影响了目的层的钻遇效果，水平井钻遇率低，直接表现为水平井钻井过程中井震匹配性差。考虑到地层的各向异性，确认地层速度是不断变化的，根据实钻动态数据，研究速度变化规律，更新速度场，提高构造模型的准确度，并根据迭代后的地层产状认识，及时调整水平井轨迹，提高水平井钻遇率，进而增加有效水平段长度，增加经济效益，促进复杂构造区页岩气的商业开发。动态速度迭代方法 层面划分与标定水平井地质导向一般分为 个阶段：一是造斜阶段，通过建立标准层面，经过随钻对比，结合已钻井的标准厚度判断靶点深度，及时调整轨迹；二是水平段钻进阶段，计算地层产状，调整钻井轨迹，保障井轨迹在目的层位钻进。因此，如何判断靶点与地层产状的变化尤其重要，实钻根据邻井时深关系或前期深度域地震资料，可以判断靶点深度，拟合地层产状，但由于地层速度变化，极易导致预测的靶点不准确。在水平段钻进阶段，实钻计算的地层产状仅能代表当前钻头位置的产状，对之后水平段的产状变化无法做出有效判断。三维地震资料能反应地层厚度和产状的变化，而计算地层的厚度与产状的关键在于速度。因此，应首先根据区块地球物理测井响应特征，划分标准层面，然后应用声波时差、密度计算各地层面的反射系数，制作合成记录，进行层位标定，确定标准层面在地震反射界面的位置。速度定义与计算通过层位标定可得到钻井与地震的时深关系，时深对应关系的物理意义即为地层速度。为考虑地层速度不均匀的折射效应，一般采用均方根速度，通常用其进行各层位的深度预测和产状计算，称之为“纵向速度”。考虑到地层横向变化特性，引用“横向速度”的概念，“横向速度”为已钻井在同一地层面某一半径内的均方根速度。例如，井第 个层面的纵向速度为：（）（）（）（）槡（）式中：为 井第 个层面的纵向速度，；（）为第 层面的海拔高度（根据井深记录方式不同而不同，一般为补心海拔），；（）为三维地震资料第 层面的时间，。在某半径范围内，钻探了 口井，第 个层面的横向速度为：（）（）（）（）槡（）式中：为在 口井范围内第 个层面的横向速度，；（）为第 口井在 层面的海拔高度，；（）为三维地震资料第 口井在 层面的时间，。则第 个层面的地层速度计为：（）（）（）（）（）（）（）（）（）槡（）式中：为在 口井的范围内第 层的地层速度，。以上计算的横向速度、纵向速度均未考虑介质的各向异性规律，且认为水平为均匀介质。对同一地层，随着埋深的增加，地层压实系数越大，速度也 特 种 油 气 藏第 卷越来越大。在岩石性质和地质年代相同的条件下，地震波的速度随岩石埋藏深度增加而增大，其原因主要是埋深控制地层压实程度。以黔北地区安场向斜为例，可以利用区块已钻井的声波时差测井数据，分析地层速度与埋深的变化规律，以该区五峰组地层界面为例，声波速度与埋深呈指数变化规律，建立同一层面不同埋深的速度变化关系（图 ）。图 安场向斜五峰组地震波速度与埋深关系 因此，一般情况下埋深与地震波速度存在以下指数关系式：（）（）（）式中：为某一埋深的速度，；（）为某层面的平均速度，；，为常数。同样，计算地震波速度时应考虑地层产状，应依据地层倾角将视厚度矫正为真厚度（图 ）。图 厚度矫正示意图 则地层真厚度与视厚度存在以下关系式：（）（）（）式中：为地层真厚度，；为地层视厚度，；为地层倾角，。对纵向速度进行厚度矫正：（）（）（）（）（）槡（）式中：（）表示某一层面的地层倾角，。对横向速度进行厚度和埋深系数矫正，第 个层面的地层速度计为：（）（）（）（）（）（）槡（）速度迭代实际应用中可以根据新井钻遇标准层面的信息，不断进行速度迭代计算，确定研究区各标准层面的变化规律，修正和完善三维地震速度模型，更精确地预测靶点的深度及地层产状的变化情况。该方法与三维地震资料深度偏移处理流程有相似之处，主要区别在于所采用的速度不同，处理效率不同。该研究将处理区域的面积进行了缩小，避免了大量计算的同时，实现了动态跟踪处理，提高了应用效率。如新钻水平井 钻至第 层面时，可以根据实钻的数据计算该井第 、等层面的速度（），动态更新该井周边的速度场，实现三维地震资料实时地从时间域到深度域的转换，动态更新已钻层面产状的变化，也可以预测第 、等层面的海拔，目标层面海拔计算公式为：（）（）（）（）（）式中：（）为第 层面海拔，；（）为第 层面海拔，；（）为某层面地层速度，。通过动态跟踪水平井的钻进情况，及时收集数据，不断进行迭代计算，并应用于水平井地质导向工作，主要应用于靶点的预测和水平井轨迹方向产状的矫正，可及时调整靶点深度和轨迹，提高水平井的入靶率与钻遇率。应用效果 靶点误差由于受到多期构造运动叠加改造的影响，黔北地区残留向斜构造呈现“窄、陡”的特点 。以正安地区 井为例，实钻中由于井震匹配第 期冯冰等：动态速度迭代技术在复杂构造区随钻导向中的应用 程度较低，对三维地震资料进行了多次的处理。应用处理后的深度域资料，将进入预测 靶点之前的地层划分为 个标准层面，通过合成记录标定，其中 个层面在地震剖面的位置可以进行横向追踪，对这 个层面进行动态速度迭代计算，每个层位点计算的速度均小于时深关系所对应的速度，应将新的速度预测的靶点深度对比原预测深度（表）提前 以上，如不进行及时的轨迹调整，该井向下钻穿至目标层下部地层的风险较高。通过模拟原轨迹设计钻至井斜 ，如再不调整轨迹，在入靶前就会从箱体底部钻出至下部的五峰组。在井斜较小、位移较大时，考虑到预测误差，一般不做轨迹调整。最终该井采用了动态迭代成果的建议提前调整，使得该井在 个标志层实钻垂深与预测垂深的误差控制在 ，且越靠近靶点位置，误差越小。在实钻井斜达到 ，且在距离目的层的厚度小于 的井段，预测的靶点深度与实钻误差都小于 ，再钻至设计靶点，垂深在 左右，与预测的靶点深度误差小于 ，可以忽略不计。表 井速度迭代与误差统计 层面实钻垂深实钻井斜速度（）迭代前迭代后目标层位靶点垂深 设计迭代预测靶点误差 设计实钻 由于调整及时，最终在井深 处着陆，与设计 靶点位置相比较，水平位移提前 ，如在井斜 判断提前进入地层，进行模拟轨迹（图 ），相比实钻滞后 着陆。随着角度增大，损失的有效井段越长，极端情况下按照设计轨迹钻进，预测将会底出目的层超过 ，三开井段将直接报废。图 井实钻与模拟轨迹对比 产状矫正水平井入靶后，进入水平段钻进阶段。水平段的钻探难度主要是在箱体上下地层特征不明显，容易导致层位判断错误、计算地层产状不准确，需要应用三维地震资料判断地层产状 。但如果根据前期处理的深度域地震资料或速度认识进行简单的预测，应用效果达不到导向要求。只有通过动态速度迭代，应用新的速度矫正三维地震，计算的地层产状与实钻情况吻合程度才会更高 。以 井为例，在进入水平段后实钻地层与原地震资料（前期处理成果）标定位置有偏差。应用该井龙马溪组 小层与 小层的高自然伽马特征，并结合周边已钻井的测井数据，进行了速度迭代计算，应用速度资料将地震资料进行深度域转换，根据 套地震剖面的对比，原地震剖面地层相对平缓（图 ），而新处理的地层产状明显较大-1650-1700-1600-1550-1750-1800-1850-1900-1950-2000-2050-2100020040060080010001200140016001800?/m?/m?/m?/mAY6 7HF-?AY6 7HF-?-1650-1700-1600-1550-1750-1800-1850-1900-1950-2000-2050-2100020040060080010001200140016001800a?b?图 井实钻轨迹迭代前后井震匹配图 （图 ），尤其是在位移 以后，地层产状从近水平变化为上倾 （产状变化大，认为有断 特 种 油 气 藏第 卷层）。实钻过程根据新处理的资料进行了实时调整，在位移 时，井轨迹也进入目的层上方 ，仍然决定增斜钻进，最终钻遇了断层进入箱体下部约 ，如不进行及时增斜，该井必将侧钻。从全井井震匹配程度分析，同一层位在地震资料的位置不一样，相差幅度近 ，而动态速度矫正后的地震资料，井震匹配更好，标定位置几乎一致，与原设计深度相差幅度不到 ，匹配关系好，表明应用动态速度矫正地震资料指导水平井钻探的准确性得到显著提高。综合应用效果横向速度的计算点数并不是越多越好，同一反射地层，其横向速度也是在变化的，要准确计算某一点上某一套地层的速度，需选择合理的扫描半径 。近年来，在安场向斜开展了大量的水平井钻井工作，在动态速度迭代的应用过程中，扫描半径从最初的 缩小到 。根据现有的数据量，对计算的速度按照不同的扫描半径进行效果分析，进一步研究不同扫描半径的应用效果，可见当扫描半径越小时，越能清晰地反映速度平面变化特征（图 ）。为进一步验证不同扫描半径的计算效果，随机选取了 个样点，已知每个样点在龙马溪组底界反射层面的时间和海拔高度，将这 个样点作为验证点，不参与速度的迭代计算，应用不同扫描半径计算龙马溪组地层速度，再计算样点的海拔，统计其与实际海拔的误差。如图 所示，扫描半径（）为 时，计算的海拔与实钻误差主要为 ，其中，分布占比达到了 ，绝对误差仅有 。扫描半径为 时，误差主要为 ，其中，分布占比达到 ，绝对误差为 。扫描半径为 时，误差主要为 ，绝对误差为 。扫描半径为 时，误差主要为 ，绝对误差为 。从绝对误差统计图分析（图 ）可知，绝对误差随着扫描半径的增大而增大。研究区三维地震主频带范围主要在 ，资料理论纵向分辨率约为 ，而即使扫描半径达到 时，绝对误差为 ，也低于地震资料理论分辨率，证实了上述方法具有较好的实用性。考虑到扫描半径内的数据点数和速度的准确性，在实际应用中，水平段钻进时，扫描半径选择 最优，在造斜段钻进时，扫描半径选择 最优。a?500mb?1000mc?1500md?2000m4.04.44.85.25.66.06.46.87.27.68.0?/(km?s)-1图 不同扫描半径地层速度变化 在黔北复杂构造区安场向斜等地区应用动态速度迭代技术，在靶点设计与实钻误差相差 以上的情况下（口井），实现了精准着陆，其中，井提前 着陆。井在设计过程中考虑到井底断层和地层产状陡的原因，设计水平段长不足 ，通过速度迭代后，证实了断层较小和产状较缓，成功加深了 ，实现了区块日产气达 以上稳定生产的突破（目前已稳定生产 左右）。成功预测了安场向斜核部的速度变化规律，表现为产状变化剧烈。优第 期冯冰等：动态速度迭代技术在复杂构造区随钻导向中的应用 化部署 口井，取消 口水平井，避免投资浪费。靶点误差从 降低至 以下，水平井箱体钻遇率从 提升至 ，技术应用效果十分明显。图 不同扫描半径误差频率与绝对误差统计 结论及认识（）应用单井标定后的纵向速度，进行产状矫正，考虑到地层的各向异性，提出了横向速度的概念和计算方法，种速度通过叠加运算，得到地层速度，建立速度场，进行时间域到深度域三维地震资料的转换，指导水平井的入靶和产状判断。（）速度的准确性主要与扫描半径和半径内的参考点数有关，实践表明，扫描半径越小越好。实际应用时，由于参考点的数一般有限，一般采用 的扫描半径。扫描半径低于 时，模拟与实际的误差均小于 ，低于地震资料的理论分辨率。（）水平井导向过程中，为了提高三维地震在导向中的作用，如果应用前期深度域地震资料或矫正的时间域地震资料，应进行动态速度迭代计算，提高水平井的钻遇率。应用动态速度迭代技术在黔北正安复杂的构造区井震匹配程度更高，避免了侧钻，尤其是降低了在构造转换带内盲目布井的风险，具有较强的实用性。参考文献：郭少斌，王子龙，马啸 中国重点地区二叠系海陆过渡相页岩气勘探前景 石油实验地质，（）：，（）：姜秉仁，邓恩德，杨通保，等 黔西地区石炭系页岩气成藏地质特征及含气性影响因素 石油实验地质，（）：，（）：李建忠，董大忠，陈更生，等 中国页岩气资源前景与战略地位 天然气工业，（）：，（）：安晓璇，黄文辉，刘思宇，等 页岩气资源分布、开发现状及展望 资源与产业，（）：，（）：郑军卫，孙德强，李小燕，等 页岩气勘探开发技术进展 天然气地球科学，（）：，（）：黄玉珍，黄金亮，葛春梅，等 技术进步是推动美国页岩气快速发展的关键 天然气工业，（）：，：，（）：赵群，王红岩，刘人和，等 世界页岩气发展现状及我国勘探前景 天然气技术，（）：，（）：李世臻，乔德武，冯志刚，等 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