房超 項(xiàng)德貴 趙慶 楊光 陳朝偉 蔣宏偉 李牧

中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司

隨著我國(guó)非常規(guī)油氣勘探步伐的加快，水平井的鉆探逐漸成為主流。非常規(guī)油氣藏具有儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)、甜點(diǎn)厚度薄等特征［1］，水平井能有效增加井眼軌跡在儲(chǔ)層內(nèi)鉆進(jìn)的長(zhǎng)度，不但擴(kuò)大了泄油氣面積，而且便于后續(xù)儲(chǔ)層改造，增加單井儲(chǔ)層動(dòng)用程度［2］。因此，控制鉆井軌跡以提高鉆井儲(chǔ)層鉆遇率對(duì)提高油氣采收率具有重大的經(jīng)濟(jì)效益。

隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)是精細(xì)控制鉆頭定向鉆進(jìn)的前提條件。地質(zhì)導(dǎo)向井下隨鉆測(cè)量工具能夠采集地下鉆井、地質(zhì)參數(shù)信息，地面系統(tǒng)中地質(zhì)導(dǎo)向軟件對(duì)收到信息進(jìn)行處理分析并指導(dǎo)下一步鉆進(jìn)。地質(zhì)導(dǎo)向軟件對(duì)軌跡控制起到“大腦”的決策作用，借助隨鉆數(shù)據(jù)，能夠分析鉆井軌跡與地層接觸關(guān)系，掌握井眼軌跡與儲(chǔ)層空間分布情況，實(shí)現(xiàn)水平井準(zhǔn)確著陸和提高儲(chǔ)層鉆遇率。由此可見，地質(zhì)導(dǎo)向軟件是工程和地質(zhì)人員作出鉆進(jìn)決策的重要幫手，是提高儲(chǔ)層鉆遇率以獲取經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵工具。

1 國(guó)內(nèi)外地質(zhì)導(dǎo)向軟件

1.1 國(guó)外地質(zhì)導(dǎo)向軟件

1992 年Schlumberger 公司首次提出地質(zhì)導(dǎo)向概念并研制出了能夠測(cè)量深淺電阻率、自然伽馬的地質(zhì)導(dǎo)向隨鉆測(cè)井工具［3］，隨后Halliburton、Baker Hughes、Statoil 等公司相繼研制出各自的地質(zhì)導(dǎo)向工具及配套地質(zhì)導(dǎo)向軟件［4-6］。20 世紀(jì)90 年代末期，地質(zhì)導(dǎo)向工具基本具備近鉆頭測(cè)量井斜、方位、方位性伽馬和電阻率等功能，在數(shù)據(jù)支持下，地質(zhì)導(dǎo)向軟件可分辨當(dāng)前鉆進(jìn)地層及斷層裂縫發(fā)育情況，明確井軌跡與儲(chǔ)層的空間關(guān)系，判斷鉆頭行進(jìn)與儲(chǔ)層頂?shù)捉缑骊P(guān)系［7-8］。進(jìn)入21 世紀(jì)以來，測(cè)量工具實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)層探邊功能，探測(cè)數(shù)據(jù)分辨率和傳輸速率不斷提高，地質(zhì)導(dǎo)向軟件可以實(shí)時(shí)定量判斷與儲(chǔ)層邊界的距離。隨著地質(zhì)—工程一體化理念的深化應(yīng)用，一體化的地質(zhì)導(dǎo)向軟件實(shí)現(xiàn)了三維儲(chǔ)層建模及鉆井可視化等功能，能夠輔助導(dǎo)向工程師直觀精確地控制鉆頭定向鉆進(jìn)［9-10］。近10 年，在測(cè)量深度和精度、傳輸速度、穩(wěn)定性等條件保障下，地質(zhì)導(dǎo)向軟件具備了隨鉆高分辨率伽馬、電阻率成像技術(shù)和三維地質(zhì)導(dǎo)向模型實(shí)時(shí)更新等功能，大幅度提高了井軌跡控制水平和儲(chǔ)層鉆遇率［11-13］。

1.1.1 Schlumberger 公司Geosteering 軟件

Petrel 平臺(tái)Drilling 系統(tǒng)軟件中的Geosteering子軟件，能夠與Schlumberger 研發(fā)的系列化測(cè)量工具配合，以建模-實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與導(dǎo)向交互-模型更新的方法實(shí)現(xiàn)地質(zhì)導(dǎo)向。通過建立三維地質(zhì)導(dǎo)向模型，綜合分析隨鉆地球物理和地質(zhì)數(shù)據(jù)，調(diào)整更新解釋方案和地質(zhì)模型，保證井軌跡始終處于儲(chǔ)層內(nèi)部。在整個(gè)過程中，地質(zhì)導(dǎo)向工程師通過軟件能夠在三維空間顯示地層界面、井軌跡、鉆井目標(biāo)，以及沿軌跡的測(cè)井曲線和反演出的三維圖像等［11］。經(jīng)過20 多年的發(fā)展，3 項(xiàng)核心技術(shù)已經(jīng)形成：以井筒電阻率、伽馬、密度成像為基礎(chǔ)的地層傾角拾取技術(shù)，解決了地層視傾角真傾角難判別、井眼軌跡與地層切割關(guān)系難判斷、地質(zhì)導(dǎo)向模型預(yù)測(cè)誤差大的問題；以多間距多頻率電阻率曲線及方向性測(cè)量為基礎(chǔ)的邊界探測(cè)技術(shù)，探測(cè)距離達(dá)7 m，解決了構(gòu)造和儲(chǔ)層突變區(qū)地質(zhì)導(dǎo)向出層風(fēng)險(xiǎn)大、潛入油水層過早造成水淹等問題；以超深探測(cè)方向性電磁測(cè)量為基礎(chǔ)的隨鉆儲(chǔ)層成像技術(shù)，成像距離達(dá)33 m，解決了勘探程度低區(qū)域構(gòu)造、儲(chǔ)層和流體界面不確定性大、地質(zhì)模型精度低等問題。

Geosteering 軟件應(yīng)用在全球水平井地質(zhì)導(dǎo)向領(lǐng)域都取得了突出成果。例如，澳大利亞Exmouth 盆地油層薄，通過井筒電阻率、伽馬、密度成像提高了水平井軌跡周邊分辨率，細(xì)化了砂體展布，依靠地層傾角拾取技術(shù)判斷了儲(chǔ)層傾向，在此基礎(chǔ)上作出井軌跡調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了薄油藏經(jīng)濟(jì)開發(fā)［14］；阿拉斯加Nikaitchuq 油田砂泥巖薄互層發(fā)育，利用Geosteering軟件進(jìn)行井周三維地質(zhì)模型建模，在儲(chǔ)層探邊技術(shù)的支持下，明確了儲(chǔ)層規(guī)模和分布情況，保障了油氣藏鉆探效果［15］；意大利南部碳酸鹽巖油氣藏開發(fā)程度低、構(gòu)造巖性復(fù)雜，憑借Geosteering 隨鉆儲(chǔ)層成像技術(shù)，獲取井周遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)，建立了三維構(gòu)造油藏模型，并基于此作出軌跡調(diào)整決策，克服了構(gòu)造巖性復(fù)雜等困難，避免了油氣鉆探失?。?6］；中國(guó)川南地區(qū)頁(yè)巖厚度薄、構(gòu)造復(fù)雜、地層傾角變化大，實(shí)鉆井軌跡易出層和脫靶，依靠Geosteering 軟件分析隨鉆伽馬數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確識(shí)別標(biāo)志層和微構(gòu)造，合理調(diào)整入靶前井斜角，確保井軌跡位于箱體內(nèi)部，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)27 口完鉆井進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層鉆遇率達(dá)95.75%［17］。

1.1.2 Halliburton 公司RoxC 和Stratasteer 軟件

Halliburton 公司針對(duì)其系列化測(cè)量及導(dǎo)向工具，最新研發(fā)了RoxC 地質(zhì)導(dǎo)向軟件［18］。RoxC 能夠在鉆前同時(shí)分析多口鄰井?dāng)?shù)據(jù)，建立三維地質(zhì)模型，劃分標(biāo)志層空間展布，準(zhǔn)確判別軌跡與標(biāo)志層交點(diǎn)。鉆中利用井下Earthstar 工具探測(cè)的多種類型測(cè)井參數(shù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，快速計(jì)算并反演高分辨率的三維儲(chǔ)層地質(zhì)形態(tài)，準(zhǔn)確構(gòu)建井周69 m 范圍內(nèi)三維地質(zhì)模型。在三維模型下，可展現(xiàn)360°井周的儲(chǔ)層邊界及油藏邊界，借助方位電阻率成像，作出下一步地質(zhì)導(dǎo)向方位決策。在精細(xì)的可視化三維儲(chǔ)層模型下，通過3 個(gè)模塊完成精準(zhǔn)地質(zhì)導(dǎo)向：Geostopping模塊控制著陸點(diǎn)的選擇；Geosteering 模塊實(shí)時(shí)決策，保證最大化穿過儲(chǔ)層；Geomapping 模塊展示井眼周圍儲(chǔ)層及流體界限及位置。RoxC 還提供了鉆后數(shù)據(jù)綜合分析功能，優(yōu)化地質(zhì)模型，形成定向鉆進(jìn)參數(shù)模版。Stratasteer 軟件與RoxC 軟件相比，功能有所簡(jiǎn)化，操作更為便捷，基本具備鉆前三維空間下井眼軌跡設(shè)計(jì)及優(yōu)化，鉆中分析多種類型隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)并進(jìn)行地質(zhì)導(dǎo)向，鉆后數(shù)據(jù)分析優(yōu)化地質(zhì)模型等功能［19］。

Halliburton 地質(zhì)導(dǎo)向軟件在解決油藏二次開發(fā)及分辨油水邊界等問題上應(yīng)用效果較好。北海油田注水開發(fā)后，油藏分布預(yù)測(cè)難度大，借助RoxC 軟件在實(shí)鉆過程中進(jìn)行地質(zhì)油藏邊界分析，準(zhǔn)確識(shí)別了油藏分布及油水邊界情況，及時(shí)做出井軌跡調(diào)整，在降低成本的前提下最大化鉆穿油氣藏［18］。

1.1.3 Baker Hugus 公司RNS 軟件

RNS 軟件是Baker Hugus 公司打造的專門與其測(cè)量、導(dǎo)向工具相配合，進(jìn)行定向鉆井服務(wù)的地質(zhì)導(dǎo)向軟件［20］。RNS 軟件能夠在鉆前建立綜合的三維地質(zhì)模型，并能考慮到設(shè)計(jì)軌跡對(duì)于入井工具的可操作性。鉆井過程中借助測(cè)量工具，可以快速、交互式反演井周三維儲(chǔ)層模型，可控井周遠(yuǎn)程邊界范圍達(dá)33 m。通過實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)來生成圖像，實(shí)時(shí)計(jì)算距儲(chǔ)層頂?shù)走吔绲木嚯x和視傾角，從而對(duì)鉆頭前方的地質(zhì)模型進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，改進(jìn)定向鉆進(jìn)決策，使鉆頭能夠最大程度在產(chǎn)層中鉆進(jìn)。

RNS 軟件在地質(zhì)導(dǎo)向過程中具備強(qiáng)大的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反演功能，尤其在斷層發(fā)育區(qū)能夠根據(jù)井下工具造斜能力與兩盤儲(chǔ)層斷距情況，綜合進(jìn)行井軌跡的修正。尼日利亞淺海古近系油藏勘探程度低，對(duì)構(gòu)造認(rèn)識(shí)不清，儲(chǔ)層由分散濁積砂體和疊置水下河道砂體組成且被多條斷層分割，受地震分辨率影響，儲(chǔ)層識(shí)別和鉆遇難度大。RNS 軟件憑借實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，反演了斷層兩側(cè)薄層砂體展布情況，結(jié)合工具造斜能力測(cè)算，進(jìn)行井軌跡修正，保證了突發(fā)情況下實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層鉆遇率最大化［21］。

1.1.4 Rogii 公司StarSteer 軟件

StarSteer 軟件具備極強(qiáng)的兼容性，可與主流公司測(cè)量和導(dǎo)向工具進(jìn)行匹配，開展地質(zhì)導(dǎo)向工作［22］。軟件主要分為建立參考井關(guān)系、地質(zhì)導(dǎo)向、地圖和網(wǎng)格顯示等模塊，通過建立實(shí)鉆與參考井關(guān)系，進(jìn)行二維井軌跡剖面建模，對(duì)比模擬曲線與實(shí)鉆曲線耦合程度，修正地質(zhì)模型，形成井?dāng)?shù)據(jù)測(cè)量與地質(zhì)模型交互更新關(guān)系，從而指導(dǎo)定向井鉆進(jìn)?；谧钚乱淮某绦蜷_發(fā)技術(shù)，該軟件革命性地提出地層“真厚度”理念，配合多通道MD/TVT 測(cè)井曲線顯示功能，極大地提高了水平井地質(zhì)導(dǎo)向儲(chǔ)層鉆遇率和鉆井效率。

Starsteer 軟件在昭通國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣示范區(qū)地質(zhì)工程一體化建產(chǎn)開發(fā)過程中取得了較好的應(yīng)用效果。受地震資料品質(zhì)限制，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層甜點(diǎn)區(qū)構(gòu)造形態(tài)不確定性高，同時(shí)實(shí)現(xiàn)工程和地質(zhì)目標(biāo)難度大。Starsteer 軟件結(jié)合鄰井資料，建立參考井和實(shí)鉆井連井地層剖面，著陸前通過調(diào)整入靶位置降低工程難度，水平段通過對(duì)比GR 測(cè)井曲線進(jìn)行軌跡優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)水平段儲(chǔ)層甜點(diǎn)鉆遇率［23］。

1.1.5 Emerson 公司Paradigm Sysdrill 軟件

Paradigm Sysdrill 軟件中Geolog Geosteer 模塊能夠兼容多家公司測(cè)量及導(dǎo)向工具，實(shí)時(shí)對(duì)井軌跡和地質(zhì)模型匹配情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和交互式修改［24］。在定向鉆進(jìn)過程中，Geolog Geosteer 模塊與Paradigm Sysdrill 軟件的其他模塊協(xié)同作業(yè)：Geolog、SeisEarth和SKUA 模塊提供鉆前及鉆中的建模支持，OpsLink 模塊提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)導(dǎo)入，Epos 模塊輔助將各個(gè)模塊進(jìn)行串聯(lián)。Geolog Geosteer 擁有集成化的巖石物理、地質(zhì)、地球物理和鉆井信息，配合其強(qiáng)大的隨鉆測(cè)井解釋能力，即使是復(fù)雜井周環(huán)境，也能在儲(chǔ)層中控制井眼軌跡合理鉆進(jìn)。

1.1.6 Scientific Drilling 公司的Sci-Steer 軟件

Sci-steer 軟件利用地震解釋成果建立三維地質(zhì)模型，通過可視化窗口決策儲(chǔ)層鉆進(jìn)的最佳位置，從而降低風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 國(guó)內(nèi)地質(zhì)導(dǎo)向軟件

和國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)針對(duì)水平井地質(zhì)導(dǎo)向鉆井工具及相應(yīng)配套軟件的研究起步較晚，仍處于探索階段。目前，國(guó)內(nèi)水平井地質(zhì)導(dǎo)向軟件主要是通過建立三維地質(zhì)框架下的二維地質(zhì)模型，并對(duì)比模型下正演得到的模擬測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和隨鉆實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合率進(jìn)行地質(zhì)導(dǎo)向：當(dāng)二者匹配較好，說明模型和軌跡的關(guān)系真實(shí)反映了地下實(shí)際情況，繼續(xù)鉆進(jìn)即可。當(dāng)兩者擬合程度差，說明模型和地層真實(shí)情況不符，需要采取改變地層傾角、目的層厚度，考慮斷層和夾層等方式，調(diào)整地質(zhì)模型，并相應(yīng)修正井眼軌跡后繼續(xù)鉆進(jìn)，從而提高儲(chǔ)層鉆遇率。在三維地質(zhì)精細(xì)建模和隨鉆測(cè)量數(shù)據(jù)沿軌跡三維地質(zhì)特征成像及分析方面，國(guó)內(nèi)目前與國(guó)外還有一定差距，難以作出定量化軌跡控制決策，尤其是面對(duì)非常規(guī)儲(chǔ)層、薄儲(chǔ)層及非均質(zhì)儲(chǔ)層，難以保證較高的儲(chǔ)層鉆遇率。

1.2.1 川慶鉆探工程公司

川慶鉆探工程公司開發(fā)出一套集地質(zhì)、地球物理、鉆井為一體的地質(zhì)導(dǎo)向軟件系統(tǒng)，擁有綜合地質(zhì)研究、三維地質(zhì)建模、軌跡設(shè)計(jì)、隨鉆跟蹤評(píng)價(jià)和遠(yuǎn)程傳輸?shù)囊惑w化地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)鉆前模型建立、隨鉆數(shù)據(jù)模型修正和三維可視化鉆井等功能［25］。其中建模技術(shù)包括三維地質(zhì)建模、測(cè)錄井?dāng)?shù)據(jù)建模及地質(zhì)導(dǎo)向建模；隨鉆跟蹤解釋評(píng)價(jià)技術(shù)包括數(shù)據(jù)同步采集與傳輸、實(shí)時(shí)軌跡跟蹤、隨鉆曲線跟蹤、跟蹤預(yù)警以及隨鉆解釋評(píng)價(jià)；一體化遠(yuǎn)程導(dǎo)向技術(shù)主要包括遠(yuǎn)程傳輸一體化地質(zhì)導(dǎo)向平臺(tái)和三維可視化。

軟件初期版本在川東北地區(qū)水平井鉆探中取得了較好的應(yīng)用效果，為國(guó)產(chǎn)化地質(zhì)導(dǎo)向軟件應(yīng)用起到了一定的推廣意義。針對(duì)川東北地區(qū)構(gòu)造起伏大、儲(chǔ)層非均質(zhì)強(qiáng)、國(guó)產(chǎn)測(cè)量?jī)x器盲區(qū)長(zhǎng)等問題，利用該軟件分析地震和鄰井測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，建立了先導(dǎo)地質(zhì)模型，開展了隨鉆測(cè)井與鄰井測(cè)井對(duì)比，確保了軌跡合理著陸，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層鉆遇率85.02%［26］。

1.2.2 勝利油田

勝利油田鉆井院開發(fā)了基于隨鉆自然伽馬、電阻率和電磁波測(cè)井的實(shí)時(shí)解釋和地質(zhì)導(dǎo)向軟件［27］。該軟件在鉆前水平井井眼軌道設(shè)計(jì)和井眼軌跡控制的基礎(chǔ)上，增加了鉆井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)資源共享和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)決策、LWD 曲線實(shí)時(shí)顯示、導(dǎo)向測(cè)量參數(shù)隨鉆解釋、待鉆井眼軌道校正設(shè)計(jì)及三維可視化等多項(xiàng)功能。通過鉆井現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳、隨鉆數(shù)據(jù)解釋、三維井軌跡顯示、后續(xù)作業(yè)指令下達(dá)，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)導(dǎo)向作業(yè)。

利用該軟件完成水平井地質(zhì)導(dǎo)向作業(yè)近千口，其中薄油層水平井地質(zhì)導(dǎo)向作業(yè)上百口，鉆探最小有效油層厚度達(dá)0.8 m，為薄油層和油層頂部剩余油等復(fù)雜油氣藏開發(fā)提供了技術(shù)支持［28］。

1.2.3 中國(guó)石油大學(xué)(華東)

中國(guó)石油大學(xué)(華東)初步實(shí)現(xiàn)了三維井眼軌跡可視化及隨鉆解釋功能，幫助解釋人員在三維空間實(shí)時(shí)對(duì)比設(shè)計(jì)軌跡與實(shí)鉆軌跡差別，掌握沿井軌跡方向地層性質(zhì)的變化，全方位考察井眼軌跡與地層的三維空間接觸關(guān)系，指導(dǎo)定向鉆進(jìn)［29］。利用青海油田高43 區(qū)塊高43-平3 水平井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)鉆結(jié)果對(duì)比符合率較好。

1.2.4 西部鉆探工程公司

西部鉆探工程公司初步開發(fā)了地質(zhì)導(dǎo)向軟件，滿足三維井軌跡視圖和地層視傾角調(diào)整等功能［30］。

1.2.5 西南石油大學(xué)

西南石油大學(xué)編寫的水平井地質(zhì)導(dǎo)向隨鉆解釋軟件由數(shù)據(jù)庫(kù)管理、實(shí)時(shí)地層劃分和實(shí)時(shí)地層對(duì)比等模塊組成，能夠在著陸前鎖定標(biāo)志層、著陸后實(shí)時(shí)地層對(duì)比更新地質(zhì)模型，為地質(zhì)導(dǎo)向提供指導(dǎo)依據(jù)［31-32］。

2 地質(zhì)導(dǎo)向模塊和算法

地質(zhì)導(dǎo)向是地質(zhì)和工程的結(jié)合，水平井不僅需要“工程中靶”，而且要保證“地質(zhì)中靶”。已鉆井鉆、測(cè)、錄井?dāng)?shù)據(jù)及區(qū)域地震數(shù)據(jù)相結(jié)合建立的三維地質(zhì)模型是鉆前初始井軌跡設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，鉆中著陸段標(biāo)志層識(shí)別是順利鉆入儲(chǔ)層的保證，水平段隨鉆數(shù)據(jù)解釋和井周三維地質(zhì)體重構(gòu)是地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)的核心。

2.1 鉆前三維地質(zhì)建模及軌跡設(shè)計(jì)

2.1.1 三維地質(zhì)建模

三維地質(zhì)建模起源于1993 年，現(xiàn)今主要分為線框表達(dá)模型、表面表達(dá)模型、實(shí)體表達(dá)模型以及混合表達(dá)模型，其中表面表達(dá)模型是當(dāng)今主流［33］。為解決建模過程中井間數(shù)據(jù)不足問題，1989 年Mallet 教授提出了“離散光滑插值法”來增加模型準(zhǔn)確性［34］，隨后，樣條插值法、反向距離插值法［35］、Kriging 插值法等方法［36］也被不斷提出。在建模初期，普遍采用確定性建模方法來建立地質(zhì)模型，但該方法忽略了儲(chǔ)層的非均質(zhì)性。H.Haldorsen 等［37］將地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法引入建模，在沉積巖石學(xué)、層序地層學(xué)和儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué)等理論指導(dǎo)下進(jìn)行儲(chǔ)層地質(zhì)模型預(yù)測(cè)，完成了確定性建模向隨機(jī)性建模的轉(zhuǎn)變。針對(duì)隨鉆測(cè)井和測(cè)量數(shù)據(jù)，開發(fā)了通過LM 算法優(yōu)化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP 算法［38-39］，該算法建立的三維地質(zhì)模型能夠更好地預(yù)測(cè)井軌跡的自然伽馬和電阻率值［40］，對(duì)與實(shí)鉆數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比具有重要意義。

2.1.2 井軌跡設(shè)計(jì)

井軌跡設(shè)計(jì)應(yīng)在滿足勘探開發(fā)部署、鉆井及采油技術(shù)等要求的基礎(chǔ)上，盡量選用形狀簡(jiǎn)單、易于施工的軌道形狀，以實(shí)現(xiàn)安全、優(yōu)質(zhì)、快速、低耗鉆井。為實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，軌跡設(shè)計(jì)主要基于直線模型、斜面模型和柱面模型3 種數(shù)學(xué)模型，其中斜面模型應(yīng)用較廣，其主要算法有圓弧法、最小曲率法和弦步法，最小曲率法憑借計(jì)算步驟少、公式簡(jiǎn)潔等特點(diǎn)成為最常用的算法［41］。隨著軌跡設(shè)計(jì)智能化的發(fā)展，形成了模式搜索、SQP 算法、遺傳算法等先進(jìn)的算法［42］。軌跡設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮井軌跡與地層、鉆完井工具等因素的約束與限制，提高軌跡設(shè)計(jì)合理性［17,43］。

2.2 鉆中著陸段標(biāo)志層識(shí)別

選取儲(chǔ)層上部具備特殊識(shí)別特征地層作為標(biāo)志層，利用先前地震、測(cè)井建模成果，初步鎖定標(biāo)志層位置。鉆進(jìn)過程中，以上部地層厚度、地層組合鄰井對(duì)比等方法預(yù)估距標(biāo)志層深度，以小波變換和小波多分辨率分析對(duì)隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行處理［35］，采用隨機(jī)森林算法、灰色關(guān)聯(lián)分析法等方法建立測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)與巖性的對(duì)應(yīng)關(guān)系，快速解釋巖性。在準(zhǔn)確判別巖性的基礎(chǔ)上，以層序地層學(xué)理念為指導(dǎo)，利用極值方差自動(dòng)分層方法［27］，完成層位智能劃分。引入中值濾波法和有序元素最佳匹配法［31］，驗(yàn)證地層劃分的可靠性，消除巖性尖滅、構(gòu)造突變?cè)斐傻貙又貜?fù)所帶來的影響。對(duì)已劃分地層，基于CBR(Casebased Reasoning)理論，結(jié)合標(biāo)志層特征，進(jìn)行人工智能區(qū)域標(biāo)志層識(shí)別。進(jìn)入標(biāo)志層前，利用穩(wěn)斜探頂法和快速增斜法來控制井眼軌跡實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確著陸［31］。

2.3 鉆中水平段模型修正及軌跡調(diào)整

模型修正和軌跡調(diào)整的核心是保證井軌跡始終處于儲(chǔ)層中，其關(guān)鍵在于對(duì)真實(shí)地質(zhì)情況的充分認(rèn)識(shí)，對(duì)鉆頭進(jìn)入目的層時(shí)地層傾向、傾角和厚度的正確判斷，對(duì)目的層頂?shù)捉缑婕捌渑c鉆頭之間距離的精準(zhǔn)判別。目前，地質(zhì)模型的修正主要可分為兩類，一類是通過隨鉆多源數(shù)據(jù)探測(cè)，建立井軌跡周邊真實(shí)的三維地質(zhì)情況來修正地質(zhì)模型；另一類是在先導(dǎo)模型的基礎(chǔ)上，模擬井軌跡測(cè)井曲線，將模擬曲線與隨鉆測(cè)井曲線進(jìn)行比對(duì)，在過井軌跡剖面模型上進(jìn)行校正。兩類方法都是在模型迭代修正后，對(duì)井軌跡作出調(diào)整。

2.3.1 三維可視化的實(shí)時(shí)模型更新

為了全面發(fā)揮隨鉆數(shù)據(jù)的作用，可以利用信息融合方法將隨鉆測(cè)井、隨鉆測(cè)量和隨鉆地震數(shù)據(jù)整合，提高修正三維模型可信度。融合方法主要分為隨機(jī)型、最小二乘型和智能型3 大類，隨機(jī)模型融合主要有D-S 證據(jù)理論、Bayes 推理、加權(quán)平均法和遞歸算子等方法，具有直觀、易理解、計(jì)算量小等優(yōu)點(diǎn)；最小二乘模型融合主要有Kalman 濾波、最優(yōu)理論、極大似然估計(jì)和加權(quán)平均等方法，具有信息損失比較少的優(yōu)勢(shì)；智能型融合包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊邏輯法、粗糙集理論、聚類分析法、支持向量機(jī)、小波分析理論、人工智能和遺傳算法等方法，其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)象先驗(yàn)信息的要求較低或零要求［36］。

在三維模型更新過程中，形成了地層傾角判斷、方向性測(cè)量和儲(chǔ)層探邊3 項(xiàng)井軌跡周邊地質(zhì)特征分析的關(guān)鍵技術(shù)：(1)通過電阻率、密度和伽馬成像判斷軌跡與地層交切關(guān)系，推斷地層傾角；(2)對(duì)方位伽馬、電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行成像處理或利用模糊數(shù)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等數(shù)學(xué)方法分析，判別儲(chǔ)層“甜點(diǎn)”層界面；(3)依靠定向電磁測(cè)量(EM)工具獲得超深方位電磁數(shù)據(jù)，借助“探層測(cè)距”物理及數(shù)學(xué)模型進(jìn)行成像處理，形成儲(chǔ)層探邊技術(shù)，同時(shí)在充分挖掘隨鉆數(shù)據(jù)和井軌跡周邊分析先進(jìn)技術(shù)支持下，形成三維可視化儲(chǔ)層模型修正方法。

2.3.2 基于模擬曲線與實(shí)鉆曲線對(duì)比的模型更新

將地質(zhì)模型、井軌跡、數(shù)值模擬和隨鉆數(shù)據(jù)相結(jié)合，在先導(dǎo)地質(zhì)模型下，利用鄰井實(shí)鉆數(shù)據(jù)模擬本井沿軌跡測(cè)井參數(shù)曲線，將模擬曲線與隨鉆曲線進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)符合率作出地層傾向、傾角、斷層調(diào)整，更新地質(zhì)模型［23］。

3 軟件國(guó)產(chǎn)化建議

目前，國(guó)外鉆井-地質(zhì)軟件呈現(xiàn)出平臺(tái)化、科技化、一體化等特征，已實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)軟件對(duì)地質(zhì)導(dǎo)向軟件的直接支持，且地質(zhì)導(dǎo)向軟件開發(fā)的特色技術(shù)能夠保證井軌跡控制的準(zhǔn)確性。國(guó)內(nèi)地質(zhì)導(dǎo)向軟件還面臨著如下亟待解決的問題。

3.1 提高平臺(tái)集成化和開放化水平

搭建開放式構(gòu)架與集成化平臺(tái)，創(chuàng)造一體化環(huán)境。軟件外部從數(shù)據(jù)管理與轉(zhuǎn)換、模型曲線的正反演模擬、圖形加載與繪制，到與地質(zhì)模塊、地球物理模塊、鉆井模塊等實(shí)現(xiàn)功能上的集成，并為軟件使用的協(xié)同工作方提供入口，為國(guó)內(nèi)外軟件或程序提供通用接口，促進(jìn)成果共享。內(nèi)部以內(nèi)聚性和耦合性為原則，進(jìn)行組件式開發(fā)，主平臺(tái)根據(jù)需求組織系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，支持各模塊與外接軟件共享數(shù)據(jù)和運(yùn)算成果，實(shí)現(xiàn)能效的集成，將地質(zhì)導(dǎo)向業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。

3.2 獲取實(shí)時(shí)多源數(shù)據(jù)

地質(zhì)導(dǎo)向軟件搭載WITSML 等井場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接口和信息交換模式標(biāo)準(zhǔn)化，保障軟件與油田公司實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。為軟件遠(yuǎn)程進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)模型更新、地質(zhì)導(dǎo)向決策分析、地質(zhì)導(dǎo)向命令下達(dá)提供多源數(shù)據(jù)支持。

3.3 增加科學(xué)化模型

通過對(duì)模型和解釋方法探索，攻克國(guó)外已經(jīng)具備的先進(jìn)導(dǎo)向控制技術(shù)，如以井筒電阻率、伽馬、密度成像為基礎(chǔ)的地層傾角拾取技術(shù)，以電阻率曲線及方向性測(cè)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的邊界探測(cè)技術(shù)，以方向性電磁測(cè)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的隨鉆儲(chǔ)層成像技術(shù)。

3.4 三維可視化表達(dá)

探索實(shí)現(xiàn)地球物理以及鉆井地質(zhì)數(shù)據(jù)支持的區(qū)域三維可視化建模，隨鉆數(shù)據(jù)支持的精細(xì)化井軌跡周邊三維可視化建模。通過靜態(tài)、動(dòng)態(tài)建模相結(jié)合，建立三維可視化場(chǎng)景，輔助科研人員對(duì)軌跡優(yōu)化作出直觀判斷。

4 軟件發(fā)展趨勢(shì)分析

綜合以上國(guó)內(nèi)外軟件發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀以及地質(zhì)導(dǎo)向主要模塊、算法研究情況，認(rèn)為地質(zhì)導(dǎo)向軟件的發(fā)展趨勢(shì)有以下幾方面。

4.1 多源信息高速處理

隨著探測(cè)工具的快速發(fā)展，探測(cè)數(shù)據(jù)類型和采集精度不斷提高，這對(duì)地質(zhì)導(dǎo)向軟件的數(shù)據(jù)處理、整合、反演和解釋能力都提出了新的挑戰(zhàn)。在處理數(shù)據(jù)時(shí)，需要發(fā)展更科學(xué)的數(shù)據(jù)組織和管理模式，提高數(shù)據(jù)庫(kù)查詢和統(tǒng)計(jì)效率；探索更科學(xué)的算法模型，增強(qiáng)實(shí)時(shí)處理能力和多種類型數(shù)據(jù)的整合能力；優(yōu)化完善多源大數(shù)據(jù)的應(yīng)用形式，對(duì)獲得信息進(jìn)行更準(zhǔn)確、高效的表達(dá)。

4.2 地質(zhì)-鉆完井工程一體化

地質(zhì)理論能夠較為系統(tǒng)地應(yīng)用于靜態(tài)地質(zhì)模型，但動(dòng)態(tài)地質(zhì)模型仍缺少地質(zhì)認(rèn)識(shí)作為基礎(chǔ)。利用隨鉆數(shù)據(jù)進(jìn)行模型更新的過程中，依然以巖性和孔滲發(fā)育程度識(shí)別為主，不具備根據(jù)巖性反映巖相時(shí)空分布、孔滲反映儲(chǔ)層三維展布相應(yīng)模塊和算法支持。由于地球物理數(shù)據(jù)多解性較強(qiáng)，缺乏理論指導(dǎo)導(dǎo)致模型缺乏合理性。在隨鉆模型更新模塊下，針對(duì)三大巖類，增加構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、層序地層學(xué)、沉積巖石學(xué)及儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué)分析方法為基礎(chǔ)的模型和算法，有助于提高精細(xì)儲(chǔ)層動(dòng)態(tài)模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。地質(zhì)模型更新后，井軌跡修正與井壁穩(wěn)定性分析相結(jié)合，有助于提高水平井鉆井安全性，軌跡修正與井下工具造斜能力、套管強(qiáng)度、套管下入阻力校核是減少鉆完井復(fù)雜的保障，配合鉆頭與地層巖石力學(xué)分析模型，有助于不同地層中井軌跡控制與優(yōu)化。

4.3 機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能實(shí)時(shí)輔助決策

人工智能已經(jīng)成為科技發(fā)展、技術(shù)進(jìn)步的新動(dòng)能，地質(zhì)導(dǎo)向軟件中人工智能的應(yīng)用必將極大地提高決策效率與質(zhì)量。利用已有的鉆完井?dāng)?shù)據(jù)，篩選出地質(zhì)導(dǎo)向需要的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，根據(jù)地質(zhì)導(dǎo)向場(chǎng)景分類后進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，搭建智能決策平臺(tái)，形成人工智能判斷方法。在標(biāo)志層識(shí)別、隨鉆與實(shí)測(cè)曲線分段對(duì)比、地質(zhì)模型更新等需要經(jīng)驗(yàn)判斷操作中，由軟件自動(dòng)給出決策建議，之后人為對(duì)結(jié)果進(jìn)行修正，將大幅度提高地質(zhì)導(dǎo)向的決策時(shí)間和判斷準(zhǔn)確性。

5 結(jié)語

通過國(guó)內(nèi)外地質(zhì)導(dǎo)向軟件對(duì)比可以看出，地質(zhì)導(dǎo)向軟件國(guó)產(chǎn)化道路依然任重道遠(yuǎn)，需要形成開放式的軟件研發(fā)和集成應(yīng)用平臺(tái)，充分利用已有成果，同時(shí)，在補(bǔ)齊短板的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)多源信息解釋處理能力，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)工程一體化整體布局，以人工智能技術(shù)為抓手，爭(zhēng)取早日達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，支持油氣藏鉆探效率不斷提高。