王 衛(wèi)，王明方，李永杰，王佳琦

(1.中國石化石油工程技術研究院，北京 100101；2.北京科學儀器裝備協(xié)作服務中心，北京 100089)

河道沉積地層由于受河流沖刷沉積的影響，地層分布不均，砂泥巖地層交互變化頻繁[1]，依據(jù)地震數(shù)據(jù)和基于地層對比法[2-3]確定的地層關系無法反映地層實際情況,難以精準預測砂體展布,無法有效指導鉆井施工，造成鉆井施工時鉆頭進入泥巖地層，水平段優(yōu)質儲層鉆遇率低[4]。由于地震數(shù)據(jù)分辨率低，無法精確反映河道沉積地層變化；地層對比是通過井與井之間連線來實現(xiàn)，無法反映連線之外位置的地層信息，而待鉆井往往不會沿連線方向鉆井，這就造成待鉆井軌跡方向地層的不確定性[5-6]。如果一口待鉆水平井周圍已經有多口已鉆井，那么該井地層已有了部分的已知性。在多井小層對比的基礎上，可以融合地震的層面數(shù)據(jù)和測井屬性信息，反演出待鉆井周圍地層的構造、巖性和含氣性，形成地層的三維可視化模型，并提取地層導航剖面模型，準確、直觀地預測地層情況。筆者基于上述技術思路,提出了一種以多井測井細分層為垂向地層約束、以地震層面為橫向約束的井周地層反演技術，構建了井周地層可視化模型，實現(xiàn)了待鉆井附近地層的精細預測，構建了精細導航模型，支撐了鉆井施工參數(shù)優(yōu)選，提高了水平段優(yōu)質儲層鉆遇率。

1 可視化精準導航鉆井關鍵技術

地層對比法是首先建立2口井或多口井間的小層對比圖，查看層位關系[7-8]，確定層位變化；然后利用層面連接方法建立二維地質剖面，形成導向地層模型。海相地層由于地層沉積穩(wěn)定，利用該方法建立的地層模型具有一定的實際應用價值；但河道沉積地層巖性變化快，建立的地層模型顯得過于粗糙，往往出現(xiàn)嚴重偏差。

為了克服以上不足，在上述多井對比的基礎上，首先將待鉆井周圍的地層從360°方位上反演出來，形成地層構造模型；然后采用適當?shù)膮^(qū)域插值算法將地層的巖性、含油性信息融合到地層構造模型中，真實反映出地層的變化，達到井周地層的精細預測。對井眼軌跡所穿越的全套地層進行建模，形成三維地層模型，稱為井周地層三維反演技術(見圖1)。

1.1 地層精細預測技術

1.1.1 精細地層分層

要進行井周地層建模，首先必須要有支撐建模的原始樣本點數(shù)據(jù)。測井曲線反映地層的特性，地層不同，測井曲線的形態(tài)也不相同，即測井曲線特征值是地層分層的重要依據(jù),因此，可以通過鄰井的測井曲線分層來獲取地層建模的樣本點。具體來說，對測井曲線進行特征值識別，將各井的測井曲線按照特征值的差異劃分成不同的地層，確定地層的上下界面和特征數(shù)據(jù)。為了準確指導鉆井施工，原則上盡可能地細分地層，一般應將厚度0.50 m以上的地層全部劃分出來，以確保反演后的地層模型將與實際地層更為接近。分層時應將對應的層位標識出名稱，以便在三維模型上能夠標識并顯示出各地層。

圖1 井周地層反演示意Fig.1 Inversion schematic diagram of wellbore periphery

1.1.2 確定地層界面三維空間控制點

建立三維空間模型時，地層界面的深度數(shù)據(jù)是不能直接用來定位空間位置的。這是因為，從測井曲線上獲得的地層界面深度是井深，由于鉆井施工的復雜性，任何井都不可能被鉆成垂直的井，會有一定的傾斜度，因此，井深不能反映它在地層的實際位置，需要對井深進行垂深轉換和水平位移計算，才能夠用來確定其空間位置。為此，測井時需要測量井眼每一個井深位置的井斜角和方位角，利用井斜數(shù)據(jù)和方位數(shù)據(jù)，加上井位坐標數(shù)據(jù)，參考設定的三維坐標系，采用最小曲率法即可計算出地層的垂深和水平位移，形成層位控制點。

1.1.3 地層層面構造模型建立

鉆井施工中，需要采集目標層位的位置和走向等信息并進行分析，控制井眼軌跡向目標層位鉆進,而層面構造建模型是實現(xiàn)這一目標的主要手段。通過構造建模，確定地層界面的走向，為鉆井人員提供地層延伸信息，以便于調整井眼軌跡。構造模型準確與否，對鉆井施工具有重要的影響，而建模算法則是實現(xiàn)這一要求的關鍵因素，因此，需要優(yōu)選符合河道沉積環(huán)境特點的建模算法。目前，構造建模算法主要有克里金法和距離反比法。靳國棟等人[9]的研究表明，克里金插值法需要依賴全部樣本點數(shù)據(jù)的貢獻來確定權重，對于連通性較好的地層插值效果更佳；距離反比插值法雖然依賴于全部樣本點的貢獻，但估測點鄰近的樣本點對估測點的貢獻最為明顯，更適合用于井與井間的連通性具有不確定性的河道沉積環(huán)境下的地層構造建模。因此，采用距離反比插值算法來實現(xiàn)構造建模。

1.1.4 屬性建模與地層可視化

屬性建模是將測井曲線的數(shù)值采用插值算法與構造建模的構造網(wǎng)格一一對應地填充到構造模型中，使構造模型不僅反映地層的走向，還反映地層位置的特性(如伽馬值、含油飽和度等)，形成三維化的地層模型。井間屬性信息插值采用克里金法[10]。

為了更清晰地展示地層的巖性、自然伽馬和含油(氣)性分布，將巖性、含油性等信息通過顏色、巖性符號等標識顯示在三維模型中，不同顏色代表自然伽馬值(或含氣量)大小(紅色代表伽馬值小，藍色代表伽馬值大，黃色為中間值；含氣量則相反)。經過巖性和自然伽馬值填充的地層模型能夠更加直觀地展現(xiàn)地層的特性，從而實現(xiàn)地層的可視化(見圖2)。

圖2 某井周地層三維屬性建模結果Fig.2 3D attribute modeling results in wellbore peripheral stratum

1.2 地層層面地震約束校正技術

測井層位建模在井位較少時，橫向控制較弱；當具有地震數(shù)據(jù)時，可用地震數(shù)據(jù)解釋的層位數(shù)據(jù)約束層面延展性，以保障層面可信度。由于各井的層位數(shù)據(jù)與地震解釋層位的差異不相同，因此不同井的地震解釋層位的校正量不同。筆者采用趨勢面算法將地震層位校正到測井層位，校正步驟如下：

圖3 趨勢面法井震擬合原理示意Fig.3 Schematic diagram of well seismic fitting principle by trend surface method

2) 建立研究區(qū)塊的地震誤差模型。根據(jù)步驟1)計算得出的研究區(qū)內所有ΔHi，建立層位趨勢面，完成誤差模型的建立。

1.3 鉆井可視化導航技術

油氣田采用水平井開發(fā)時，水平段在油氣層中穿行的長度越大，將來可能開采出來的油氣產量越高，經濟效益也越高；鉆井施工時，鉆至水平段設計長度的時間越短，施工成本越低，因此，需要在滿足鉆井設計要求的前提下盡快鉆至目的位置。為了實現(xiàn)這一目的，可以利用地質設計的水平段方位角θ(見圖4(a))，采用三維模型的切片技術沿垂直方向切取三維模型剖面。如果地質設計的方位角是變化的，可以采用最小二乘法計算直線斜率，進而計算出切分三維模型的方位角θ。

三維模型的剖面直觀展示了地層的位置、深度、巖性、自然伽馬分布情況、地層傾角、走向及延伸距離(見圖4(c))。

基于井位坐標、隨鉆測量的井斜角和方位角數(shù)據(jù)計算出當前井眼軌跡，并繪制在該剖面上，這樣當前軌跡就與剖面建立了位置關系，鉆井施工人員(如地質導向人員和定向人員)就能夠直觀地觀察二者的關系，依據(jù)剖面確定鉆進傾角，指導鉆井施工。地層的三維化顯示，不但可以為三維空間上分析地層特性提供支持，也可以為二維平面上導航鉆井提供信息支持。

圖4 可視化鉆井地層模型Fig.4 Formation model of visual drilling

2 現(xiàn)場試驗

JPH-X井是杭錦旗區(qū)塊的一口水平井,水平段所在地層為河道沉積地層，由于受河流沖刷沉積的影響，地層分布不均，砂體變化頻繁。該井3 861.00～3 955.00 m井段在鉆進時進入了泥巖地層，無法鉆出，為此進行了填井和側鉆施工。

為了掌握地層砂體分布特征，采集了JPH-X井周圍14口井的地質和測井數(shù)據(jù)，包括井位坐標、井眼軌跡、自然伽馬和聲波時差等數(shù)據(jù)，并對所穿過的P2s、H3、H2、H1和T地層細分為29個小層；以上地層按照20.00 m×20.00 m進行網(wǎng)格化處理，利用距離反比插值法構建了三維地層構造模型，利用克里金插值法將自然伽馬數(shù)據(jù)插值在空間網(wǎng)格中，形成屬性數(shù)據(jù)體。沿鉆井設計軌道方位166°對構造模型進行垂向切分，形成可視化地層模型(見圖5)。

圖5 JPH-X井實鉆井眼軌跡Fig.5 Actual hole trajectory of the Well JPH-X

2.1 模型驗證

將該井二開2 500.00～4 218.00 m井段數(shù)據(jù)沿井眼軌跡疊加到切面上(見圖5中間窗口紅色軌跡)，可以看出，井深3 800.00 m附近自然伽馬值開始增大，顯示泥質含量增大，井深3 840.00 m處自然伽馬值已表現(xiàn)為泥巖特征，表明鉆頭已完全進入泥巖地層中；這與模型指示出的泥巖所在位置完全一致。以上分析表明，圍繞該井進行的多井約束反演構建的三維地層模型能夠直觀、精細和準確地反映該井周圍地層構造和巖性分布。

2.2 側鉆深度位置選取

三維地層模型剖面與二開井眼軌跡疊加結果表明，井深3 642.00 m以淺地層穩(wěn)定，自然伽馬值也較低，與錄井數(shù)據(jù)聯(lián)合分析后確定為砂巖地層；而在該深度之后，地層剖面顯示地層泥質含量開始增大，自然伽馬值也開始變大，確定為非優(yōu)質儲層。因此，選定該深度位置為側鉆點，作為三開井段的起始深度位置。

2.3 地質導向側鉆

該井隨后的鉆井施工顯示自然伽馬曲線的變化情況與三維地層模型剖面的巖性變化規(guī)律基本一致，因此，始終依據(jù)該剖面圖確定鉆進傾角，指導鉆井作業(yè)，用時 4 d完成了3 642.00～4 218.00 m井段的鉆進施工，側鉆水平段長576.00 m，砂巖鉆遇率100%。三開鉆井施工結果進一步驗證了三維模型的準確性，也說明多井反演技術能夠更準確地反映地層真實特征。

3 結論與建議

1) 多井約束三維反演地層技術充分利用了多口井的地層信息，從井周360°方位對地層進行反演，解決了地層對比法只能提供井間關系信息的弊端，消除了因地層不連通性所帶來的不確定性，能夠形成更為精細的地層模型，因此，對于河道沉積環(huán)境地層具有較好的地層預測能力。

2) 基于三維模型形成的導航模型具有直觀的特點，使鉆井定向施工人員能夠準確掌握鉆進情況，及時調整鉆進傾角，控制井眼軌跡，確保沿著目標層鉆進施工，實現(xiàn)優(yōu)快鉆井。

3) 所用地層反演技術是采用插值實現(xiàn)的，沒有考慮斷層情況，今后的研究要加以考慮?？梢暬?、智能化、自動化導航鉆井是未來鉆井發(fā)展的方向，建議更深入地開展此類技術研究工作。