張向前 譚忠健 鄧津輝 曹 軍 苑仁國(guó) 袁亞東 趙才順

(①中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司；②中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司)

0 引 言

渤海灣盆地是中生代以來疊覆在古生界克拉通基底之上的多旋回裂谷斷陷盆地[1]。盆地內(nèi)斷層較為發(fā)育，同時(shí)為裂縫的產(chǎn)生提供了基本地質(zhì)條件。渤中34油田位于渤海灣盆地東南部黃河口凹陷，緊鄰郯廬斷裂渤南段中支，構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，區(qū)域內(nèi)低序級(jí)斷層發(fā)育，鉆井過程中井漏頻發(fā)。在海洋石油鉆井費(fèi)用高昂的背景下，井漏不僅會(huì)造成鉆井周期的延長(zhǎng)，而且會(huì)增加次生風(fēng)險(xiǎn)(井噴、井涌、井壁失穩(wěn)以至井眼廢棄等)發(fā)生的概率，給渤中34油田開發(fā)帶來了較大影響。

針對(duì)井漏預(yù)測(cè)需要，盧世浩等[2]利用主曲率法預(yù)測(cè)順北區(qū)塊二疊系井漏，但預(yù)測(cè)精度受井位的分布及井的數(shù)量影響，劉彪等[3]提出利用支持向量回歸的方法進(jìn)行井漏預(yù)測(cè)工作。此外，應(yīng)用相干體技術(shù)也可提高斷層的識(shí)別精度[4]。

本次研究根據(jù)工區(qū)特點(diǎn)及作業(yè)實(shí)際情況，通過研究分析與實(shí)踐探索，建立了綜合利用常規(guī)地震剖面、方差體、螞蟻?zhàn)粉櫲N技術(shù)相結(jié)合的井漏風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判識(shí)決策樹。實(shí)踐表明，此方法具有可操作性強(qiáng)、識(shí)別準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)，取得了良好應(yīng)用效果，為渤中34油田開發(fā)鉆井工程預(yù)防井漏工作提供了重要技術(shù)支持。

1 研究區(qū)概況及井漏特征

1.1 研究區(qū)概況

渤中34油田是近年來在渤海海域發(fā)現(xiàn)的最大的新生界火成巖下優(yōu)質(zhì)油田，其新近系、古近系多層系含油，復(fù)式成藏。油田位于渤海灣盆地萊北低凸起北部、黃河口凹陷中洼南斜坡帶，且緊鄰郯廬斷裂渤南段中支，由于構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，構(gòu)造主體區(qū)為受中部一組大斷層控制的復(fù)雜斷塊構(gòu)造，多級(jí)斜列式斷層和“Y”字形斷層相互切割，導(dǎo)致斷層和裂縫十分發(fā)育，加之區(qū)域內(nèi)存在多期噴發(fā)、區(qū)域式噴發(fā)的火山活動(dòng)，主噴發(fā)時(shí)間為古近系東營(yíng)組沉積時(shí)期，造成火山巖裂縫和微小孔洞較為發(fā)育[5-7](圖1)。區(qū)域內(nèi)復(fù)雜的地質(zhì)條件成為井漏頻發(fā)的誘因。

圖1 渤中34油田構(gòu)造位置

1.2 井漏特征分析

渤中34油田于2018年底進(jìn)行開發(fā)鉆井作業(yè)，前期井漏頻率高，至2019年7月古近系共鉆探22口井，其中15口井發(fā)生20次漏失(表1)，漏失率68.2%。

表1 渤中34油田漏失層位、巖性及漏速統(tǒng)計(jì) m3/h

從漏失速度來看，20次井漏中，有7次為小漏(漏速10～30 m3/h)，占比35%；有8次為中漏(漏速30～60 m3/h)，占比40%；有3次為大漏(漏速>60 m3/h)，占比15%；有2次為嚴(yán)重漏失(失返)，占比10%[8]。從漏失層位來看，除1口井由于憋壓造成的漏失層位在新近系館陶組外，其余井漏失層位均在古近系，主要發(fā)生在東二下亞段、東三段、沙一段和沙三段。從漏失巖性來看，有8次發(fā)生在火山巖地層，12次發(fā)生在砂/泥巖地層。

通過對(duì)井漏層段的地質(zhì)資料進(jìn)行分析，20次井漏中，有1次發(fā)生在常規(guī)地震剖面解釋的斷層處，18次發(fā)生在常規(guī)地震剖面難以解釋的微斷層或裂縫處，有1次是由于憋壓導(dǎo)致。

2 地球物理方法預(yù)測(cè)井漏技術(shù)研究

2.1 常規(guī)地震剖面技術(shù)

在常規(guī)地震剖面上，斷層、裂縫具有一些特有的地震響應(yīng)特征，如同相軸扭動(dòng)、同相軸錯(cuò)斷、同相軸能量突變、同相軸地層產(chǎn)狀突變等。

2.2 方差體技術(shù)

當(dāng)?shù)叵麓嬖跀鄬?、?gòu)造裂縫等地層不連續(xù)變化時(shí)，部分地震道的反射特征會(huì)與其相鄰地震道的反射特征存在差異，造成地震道的局部不連續(xù)。方差體技術(shù)是一種加權(quán)移動(dòng)方差算法，通過計(jì)算道集內(nèi)地震道與平均地震道的方差值得到方差體，能夠突出反映相鄰地震道的差異性。因此，斷層、巖層構(gòu)造裂縫等地層不連續(xù)變化會(huì)在方差切片上表現(xiàn)為方差值異常。地層的異常突變?cè)酱螅讲町惓Ｔ矫黠@；反之，方差值的微小變化則反映了微斷層、巖層構(gòu)造裂縫的存在。方差體技術(shù)的核心是計(jì)算三維地震數(shù)據(jù)體全部樣點(diǎn)的方差值，即在計(jì)算時(shí)窗內(nèi)使用該點(diǎn)和周圍相鄰地震道所有樣點(diǎn)計(jì)算的均值間的方差[9-11]，方差剖面如圖2所示。

2.3 螞蟻?zhàn)粉櫦夹g(shù)

螞蟻?zhàn)粉櫦夹g(shù)，也被稱為斷裂自動(dòng)分析技術(shù)，是近年來應(yīng)用較廣泛的一種疊后裂縫預(yù)測(cè)技術(shù)，具有識(shí)別精度高等優(yōu)點(diǎn)。螞蟻?zhàn)粉櫵惴ㄊ怯蒀olorni等提出，由Dorigo M等進(jìn)一步解釋的一種仿生優(yōu)化算法。該技術(shù)的原理是，在斷裂識(shí)別中將大量的電子螞蟻散播在地震數(shù)據(jù)體中，使電子螞蟻沿著可能的斷層面和地層裂縫發(fā)育的路線向前移動(dòng)。如果移動(dòng)的路徑滿足預(yù)先設(shè)定的斷裂條件，則釋放電子信息素，并召集一定范圍的其他螞蟻在該斷裂處集中進(jìn)行識(shí)別、追蹤，直到完成斷裂的識(shí)別；反之，則不會(huì)釋放或只釋放少量的電子信息素。該技術(shù)的實(shí)質(zhì)是利用地震數(shù)據(jù)體中振幅及相位存在差異的特點(diǎn)進(jìn)行追蹤，最終得到一個(gè)斷裂軌跡清晰的三維螞蟻體(圖3)。該技術(shù)原理類似于螞蟻搬運(yùn)食物，螞蟻在巢穴附近隨機(jī)尋找食物，發(fā)現(xiàn)食物后會(huì)在巢穴和食物源之間的路徑上留下食物信息素，周圍的螞蟻會(huì)通過感知信息素追蹤到食物，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)共同搬運(yùn)食物[12-17]。

圖3 螞蟻體剖面

螞蟻?zhàn)粉櫦夹g(shù)主要步驟：

(1)地震資料預(yù)處理，消除噪聲，提高信噪比。

(2)濾波加邊緣處理，突出斷裂位置同相軸的不連續(xù)性特征。

(3)根據(jù)地層傾角等地質(zhì)實(shí)際情況，優(yōu)化不連續(xù)檢測(cè)屬性的計(jì)算參數(shù)，如傾角約束、縱向平滑系數(shù)、橫向計(jì)算樣點(diǎn)數(shù)量等，刻畫斷裂發(fā)育特征。

(4)優(yōu)選適合工區(qū)的螞蟻?zhàn)粉檯?shù)，應(yīng)用三維可視化技術(shù)，對(duì)不同級(jí)別斷裂系統(tǒng)進(jìn)行分級(jí)雕刻，組合斷裂平面展布特征，提取多尺度斷裂碎片。

2.4 井漏風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判識(shí)決策樹的建立

通過對(duì)渤中34油田井漏的原因進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：渤中34油田古近系地層裂縫發(fā)育，絕大多數(shù)漏失為裂縫性漏失[18]；常規(guī)地震剖面解釋斷層處往往斷距較大、封閉性較好，與井漏相關(guān)性不大；發(fā)生井漏處往往是常規(guī)地震剖面難以解釋的斷距小、延伸小的中小尺度斷層(裂縫)發(fā)育部位，在方差和螞蟻體屬性上可見明顯響應(yīng)(表2)。

表2 渤中34油田部分井漏失層位地震屬性特征

對(duì)常規(guī)地震剖面、方差屬性、螞蟻體屬性的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)分析認(rèn)為：常規(guī)地震剖面資料獲取方便，對(duì)尺度較大斷層識(shí)別準(zhǔn)確度高，對(duì)解釋人員經(jīng)驗(yàn)要求高，缺點(diǎn)是易遺漏中小尺度斷層(裂縫)；方差屬性計(jì)算速度快，對(duì)斷層、裂縫極其敏感，在識(shí)別中小尺度斷層上有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但在巖性突變區(qū)域會(huì)出現(xiàn)明顯方差異常；螞蟻?zhàn)粉櫦夹g(shù)識(shí)別斷裂效率高、精度高、客觀性強(qiáng)，斷裂軌跡清晰，能識(shí)別中小尺度斷層，但由于螞蟻?zhàn)粉櫦夹g(shù)對(duì)地震數(shù)據(jù)的變化非常敏感，地震數(shù)據(jù)中留存的部分噪聲信息會(huì)被螞蟻?zhàn)粉櫦夹g(shù)誤解釋為斷裂，螞蟻體屬性主要反映了數(shù)據(jù)體的斷層、裂縫和地震噪聲等特征，解釋結(jié)果具有多解性。為提高裂縫性井漏風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)精度，確立了利用常規(guī)地震剖面、方差屬性、螞蟻體屬性綜合分析評(píng)估裂縫性井漏的基本思路。

通過研究分析與實(shí)踐探索，建立了適用于渤中34油田的井漏風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判識(shí)決策樹(圖4)，劃分了高井漏風(fēng)險(xiǎn)、中井漏風(fēng)險(xiǎn)和低井漏風(fēng)險(xiǎn)三個(gè)等級(jí)，并采取相應(yīng)的鉆井應(yīng)對(duì)措施，包括避鉆、小參數(shù)鉆進(jìn)、降低排量、提前加入隨鉆堵漏材料或備堵漏漿等，有效提高了井漏風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度與精確度[19-21]。

圖4 渤中34油田井漏風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判識(shí)決策樹

3 應(yīng)用實(shí)例

2019年7月以來，井漏風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判識(shí)決策樹在渤中34油田全面鋪開應(yīng)用，通過在鉆前對(duì)每口井的井漏風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并向鉆井施工方做出風(fēng)險(xiǎn)提示，從而采取針對(duì)性措施。實(shí)踐表明，基于地球物理方法的裂縫性井漏預(yù)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用能夠有效降低渤中34油田的漏失率。據(jù)統(tǒng)計(jì)，渤中34油田古近系鉆井漏失率由該技術(shù)應(yīng)用前的68.2%降至目前的16.3%，同時(shí)平均井漏處理時(shí)間由36 h/次降為9 h/次，取得了良好的應(yīng)用效果。

以H 2井為例，從圖5、圖6可以看出，H 2井在時(shí)間深度2 030 ms處常規(guī)地震剖面同相軸錯(cuò)斷，方差屬性為強(qiáng)異?！昂趫F(tuán)”特征，應(yīng)用井漏風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判識(shí)決策樹判斷此處井漏風(fēng)險(xiǎn)高，根據(jù)VSP資料預(yù)測(cè)該井段深度為3 107 m(垂深2 523 m)，在鉆進(jìn)至此井段之前，采取加入隨鉆堵漏材料、控制鉆速及降低排量的措施。本井鉆進(jìn)至3 082 m(垂深2 505 m)，井下發(fā)生輕微漏失，得益于提前采取了有力措施，得以有效降低漏速及井漏處理時(shí)間，最終安全鉆進(jìn)至完鉆井深。

圖5 H 2井常規(guī)地震剖面

圖6 H 2井方差剖面

4 結(jié) 論

(1)綜合常規(guī)地震剖面、方差屬性、螞蟻體屬性等地球物理方法形成了一種有效的裂縫性井漏預(yù)測(cè)評(píng)估方法，能夠有效提高裂縫性井漏預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度、精確度與時(shí)效性，適用于高節(jié)奏的“工廠化”鉆井作業(yè)，在渤中34油田開發(fā)鉆井作業(yè)中取得了顯著應(yīng)用效果。

(2)方差體技術(shù)能夠突出反映地層的不連續(xù)變化，是識(shí)別中小尺度斷層(裂縫)的一種有效手段。螞蟻?zhàn)粉櫦夹g(shù)具有運(yùn)行效率高、裂縫識(shí)別精度高等優(yōu)點(diǎn)，但受地震噪音影響，需與方差屬性結(jié)合來提高裂縫識(shí)別的準(zhǔn)確度。

(3)該方法為鉆井作業(yè)中的“被動(dòng)堵漏”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸鲃?dòng)防漏”提供了技術(shù)基礎(chǔ)。通過提前判斷井漏風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，能夠在設(shè)計(jì)階段優(yōu)化井軌跡避鉆風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)；如果不能避鉆，則建議在鉆至該深度處控制鉆井參數(shù)或提前加入隨鉆堵漏材料，同時(shí)平臺(tái)備好堵漏漿。