2. 中国石油化工股份有限公司油田勘探事业部,北京 100728
2. Exploration and Production Segment Sinopec Corp. , Beijing 100728, China
在地质条件复杂地区开展钻井作业的风险和成本较大,需要更精确地了解钻井区域的地下情况,常规地震技术无法满足要求。随钻地震技术通过对钻头前方地层的深度、速度、压力的准确预测,能更好地为钻井轨迹的调整、套管位置及尺寸、钻井液密度的选择等钻井工程服务,在辅助钻井决策中发挥了越来越重要的作用,可有效地降低钻井风险,提高效率;同时也为油气藏预测提供更加准确的成像和精细的解释资料,对于油气藏勘探开发具有非常重要的意义。
随钻地震技术是结合钻井过程中实时更新的地层深度和速度等与钻井相关的信息,更新速度、地质模型,以实现钻头前的预测,从而指导钻井过程的一种技术。钻探过程中的VSP数据实时采集与处理是推动随钻地震技术发展最为核心的技术环节,根据VSP数据的随钻采集方式,业界将随钻地震技术分为钻头随钻地震和随钻VSP技术两大类。
钻头随钻地震是利用钻井过程中钻头破岩时的振动作为震源,用地面地震检波器组合接收信号进行地震测量的井中地震技术[1]。由于其观测系统几何形式与常规VSP互逆并且基于互换原理,钻头随钻地震又被称为随钻逆VSP。
随钻VSP技术采用的是常规VSP的观测系统,它利用气枪、炸药、可控震源等海面/地面常规震源,利用集成于井下随钻工具上的地震波传感器记录VSP数据[2]。
1 随钻地震研究概况 1.1 国外研究概况 1.1.1 钻头随钻地震技术研究概况国际上最初的随钻地震技术是钻头随钻地震,早在1936年,WEATHERBY[3]就提出了利用钻头信号作为震源的想法。1968年,CHAPUIS[4]开始利用钻头的振动信号作为震源,在井架附近的地面采集地震波信号。至20世纪90年代,随钻地震在国外取得了较大发展,多家油公司、地球物理服务公司开展了钻头随钻地震技术的研究[5-7],意大利ENI公司和OGS公司利用PDC钻头的轴向震动开展随钻地震[8],采用安装在井架上不同高度的检波器组合来采集由钻杆传送上来的钻头振动信号,以改善参考信号或导航信号的品质,更好地与地面检波器数据相关[9]。VASSALLO等[10]将波场延拓算法应用于随钻地震数据,取得了较好的效果。沙特阿美公司与斯伦贝谢、Baker-Atlas Wireline在沙特阿拉伯Ghawar油田的4口井中采集了钻头随钻地震数据,以获取浅层的速度数据,使得地表地震数据在钻进过程中提供了钻头前的准确定位和成像,同时预测了浅层的钻井风险,例如漏失循环和卡钻等[11]。
在钻头随钻地震系统研发和服务方面,意大利ENI-AGIP和OGS公司推出了SEISBIT系统[12-13],在随钻数据采集后自动进行预处理,预处理信息通过泥浆脉冲传输或通过调制解调器或卫星传送给处理中心。美国Western Atlas International公司开发了TOMEXTM系统[14],采用钻头破岩时的振动作为震源,克服了常规电缆VSP的局限,提供实时信息,辅助钻进决策。法国IFP(Institut Francais du Petrole)的TRAFORTM系统,包括井中和地面数据测量系统,在随钻过程中记录井中和地下数据,数据通过钻杆中的有线电缆进行动态实时同步传输,于1991年在法国南部和挪威进行了成功的试验[15]。斯伦贝谢公司研发的Drill Bit Seis在德国的Mulmshorn等地区进行了应用,验证了随钻地震的适用性,并开发了随钻地震服务系统。
钻头随钻系统在不同的地质、钻井条件下得到了不同程度的应用,取得了一些成功的应用实例。但是在有些条件下,例如使用PDC钻头钻遇软岩层、井深过大、井斜过大等使用效果不佳。
为了克服钻头随钻地震应用中震源强度不足等问题,研发了新型的钻头震源,例如Tempress科技公司开发的水力脉冲钻井系统[16],其原理是采用钻井液脉冲,在钻头附近形成井底负压脉冲，产生宽频端地震信号。在实现欠平衡钻井的同时,钻头上部液柱保持平衡,从而稳定井壁和提高钻速。水力脉冲震源最大的优势在于可采用PDC钻头,在斜井、大位移井等情况下作为震源产生足够能量,但是增加了井下施工的复杂性。
1.1.2 随钻VSP技术研究概况为了突破钻头随钻地震技术的局限性,从20世纪90年代开始,斯伦贝谢公司开始研究随钻VSP技术,随后各大油公司、油服公司、研究机构也开展了随钻VSP采集及处理技术的研究[17-23]。目前业界有两家服务商提供随钻VSP地震服务,分别是斯伦贝谢公司的seismic VISIONTM和贝克休斯公司的Seismic TrakTM,但是这两家公司都只提供服务,不出售产品。
斯伦贝谢公司是随钻地震技术的倡导者,1997年开始研发随钻VSP技术,至2003年推出Seismic VISION,但当时只能提供实时的校验炮数据。至2010年通过方法改进,除了实时校验炮数据外,还能提供实时波形数据,在同年被美国《E&P》评为世界油气工程技术创新特别贡献奖,《世界石油》评为最佳勘探技术。
贝克休斯公司的Seismic TrakTM与斯伦贝谢公司的seismic VISION类似,它的改进在于研发了Wired-Drillpipe遥测技术,可实时传输全波场数据。但是受成本制约,该遥测系统目前尚未有应用实例。2014年贝克休斯公司的Seismic TrakTM被美国《E&P》评为世界油气工程技术创新特别贡献奖——钻井作业奖。
这两家公司的随钻地震服务目前广泛应用于海上和陆上各类复杂地区的勘探开发,例如墨西哥湾、北海、东南亚等地的深水、盐下勘探中实施的,高斜度井、水平井、大位移井的随钻VSP采集[24-29],获得了良好的应用效果。随钻VSP技术已经日趋成熟。
1.2 国内研究概况 1.2.1 钻头随钻地震技术研究概况国内对随钻地震技术的研究和应用起步较晚,至20世纪末期开始研究钻头随钻地震技术[30-33],在2006年起开展了国家高技术研究发展计划(863计划)项目“随钻地震技术研究”,中石化胜利油田钻井院、中国地震局地球物理研究所等单位以及中国石油大学、中国海洋大学等高校科研机构开展了联合攻关,在钻头随钻地震基础方法理论、信号检测、噪声压制、处理方法等方面取得了重要突破,在钻头随钻地震专用设备研发、随钻系统构建、数据处理软件系统开发方面取得了重要进展。
在钻头随钻地震信号检测和数据处理方面,杨微等[34]采用高灵敏度流动数字地震仪开展现场试验,检测随钻过程中的钻头震动信号;王鹏等[35]在Seismod地震波场模拟软件和Matlab信号分析软件的基础上,建立了随钻地震数值模拟实验平台,研究随钻地震波场传播规律,指导随钻数据处理;陆斌等[36]针对钻头随钻地震这类连续随机、低信噪比、多成分复杂信号的检测,引入相关域小波变换对随钻地震资料进行预处理,采用独立成分方法分析钻柱顶端加速度传感器记录的参考信号,对各种独立成分特征进行分析,通过相关处理,从地面记录道中估算出了地滚波、钻具折射波和直达波,提高了处理资料的信噪比[37];吴何珍等[38]研究了钻头随钻参考信号的处理,以强化钻头信号;黄伟传等[39-40]对胜利油田Fan158井随钻地震资料采用反褶积干涉处理,从强噪声背景下提取钻头激发的有效信号,提高了处理结果的分辨率和信噪比;他们还采用Kirchhoff和自相关偏移成像处理,随钻地震数据偏移成像结果与地面地震剖面波组特征对应较好;徐冰等[41]针对国内随钻地震数据处理技术研究的需求,开发了基于分层模式的随钻地震资料处理软件系统SWD,该软件在胜利油田的初步应用显示其能获得高信噪比和高分辨率的随钻地震CDP叠加剖面,以此为基础的初步钻前预测取得了不错的效果。
在钻头随钻地震技术的应用方面,国内采用牙轮钻头开展随钻地震技术预测地层压力及判断油气水层[42]、认识钻井地层环境因素[43]、对地层参数进行预测[44]、确定套管下入深度[45]、预测异常高压[46-47]等。
针对钻头随钻地震技术震源能量弱,信噪比低的问题,国内研发了新型钻井工具,将水力脉冲钻井技术和冲击振动钻井技术结合,增强震源的冲击力和强度,在提高了破岩效率的同时,增加震源的能量,主要包括PDC钻头、水力脉冲冲击器等。采用在钻头上部安装的水力脉冲射流发生器,在井底产生脉冲冲击和瞬时负压,局部瞬时欠平衡,改变岩石受力状态使岩石易破,提高破岩效率和机械钻速,同时作为随钻地震的震源。例如中石化胜利油田钻井院研发的机械阻断式SLPMC型水力脉冲钻井工具[48]、水力脉冲诱发井下振动钻具[49]、水力振荡器[50];中石化江苏石油工程有限公司钻井处通过将PDC钻头安装脉冲喷嘴或水力脉冲空化射流发生器等[51],将连续射流转变为脉冲射流,提高了破岩效果;大庆钻探工程公司钻井院的液力衡扭旋冲提速工具提高PDC钻头剪切岩层的效率[52];中国石油大学(华东)与中国石化华北工程公司研发的旋转冲击钻井工具[53]等,通过新型钻井工具的研发,进一步拓展了PDC钻头随钻地震在软到中硬地层、深井、大井斜、大位移井的使用范围。
1.2.2 随钻VSP技术研究概况在随钻VSP技术的研发方面,国内还没有开展相应的工作。在应用方面,与国外油服公司合作,2014年中石油塔里木石油公司采用斯伦贝谢公司的seismic VISIONTM,首次在中国碳酸盐岩缝洞体储层勘探中开展了随钻VSP地震勘探[54-55],实现了对碳酸盐岩缝洞体的准确定位。
2 钻头随钻地震钻头随钻地震采用钻头破岩时产生的振动作为井下震源,通过安装在井架和钻杆顶部的传感器采集由钻杆传送上来的钻头振动信号,在地表埋置的检波器采集经地层传播上来的钻头信号的直达波和反射波[14](图 1)。由钻杆上采集到的信号通常称为参考信号或导航信号,将参考信号经过预处理后与地面检波器的信号进行互相关、时移以及各种去噪处理,可以得到随钻地震资料[2]。
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图 1 钻头随钻地震采集原理 |
钻头直达波可以获得时深转换信息,从而将时间域的地面地震剖面转化到深度域,同时用于速度模型的实时更新。反射波波场数据经过处理可用于钻头前方地层深度预测与成像。当与地面地震剖面联合使用时,可增加成像结果的可靠性,钻头随钻地震数据处理方法与常规VSP数据相同[1]。钻头随钻地震具有实时采集,不干扰钻井作业的特点,能够降低钻井成本。
关于钻头随钻地震技术信号检测、数据处理、水力脉冲震击器等新型震源等,前文已做了一些介绍,相关学者进行过详细的论述,本文对此不展开论述,重点介绍随钻VSP技术。
3 随钻VSP技术由于钻头随钻地震技术存在信噪比低等问题,国际上大型的油服公司转而研究随钻VSP技术,研发相应的随钻VSP地震采集工具,取得了成功并进行了商业应用。下面主要介绍随钻VSP的采集、处理及成像技术。
3.1 随钻VSP采集技术随钻地震技术的关键在于随钻地震数据的实时采集。利用实时采集的校验炮、波形数据对钻前模型进行更新,提供准确的速度和地层压力模型,从而指导钻井过程。
3.1.1 采集原理及采集观测系统随钻VSP技术采用常规VSP的观测系统,在地面或海面进行震源激发,利用安装在钻柱中的随钻地震工具检测初至波(绿色)以及钻头下的反射波(黄色),最终将采集的信号通过MWD遥测系统(红色)传输至地表(图 2)[56]。为了降低噪声和减少非生产时间,随钻地震利用钻井过程的自然间隙(连接钻杆)进行采集,因为此时泥浆循环暂停、钻柱静止不动,用井下的4C检波器(地震检波器和水听器)获得准确的校验炮时间/深度测量数据,然后通过泥浆-脉冲遥测技术将校验炮、初至波数据实时传输至地表。全波场的数据暂存于随钻工具上的存储器中,起钻后从存储器中拷出进行常规VSP处理。
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图 2 随钻VSP数据采集示意[56] |
随钻VSP与常规电缆VSP相比,在采集上主要有4个特点:①随钻工具(4C检波器)安装在钻柱中,井下测量工具与地面没有电缆相连。②在钻井过程的自然间隙(连接钻杆)采集,不干扰钻井作业；而常规VSP需要通过电缆将检波器安装在井中,由于检波器放入井中需要停钻,因此成本很高,并存在操作上的风险。③采用遥测系统实时传输数据,可实现随钻VSP数据实时处理。④由于没有电缆连接,需要内置高精度时钟进行测量时间校准和同步(图 3)。
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图 3 常规电缆VSP技术(a)与随钻VSP技术(b)对比[57] |
由于随钻VSP技术的上述特点,可以有效地降低钻井成本和风险。因此,在新常态形势下,研究随钻VSP勘探技术具有极其重要的现实意义和发展前景。
3.1.2 随钻VSP采集装备随钻地震的震源与电缆校验炮或VSP采集所使用的一样。在海上采用从钻井平台上悬挂的气枪震源组合及其控制装置(图 4a和图 4b)。当井斜较大时,气枪布设在震源船上。采集系统包括一套地震检波器,即随钻测井工具,包含多分量检波器(X,Y,Z)和2个环形水下检波器,可对井中地震数据进行记录(图 4c和图 4d)。
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图 4 随钻VSP技术的一些关键装备[25] a 容量1 200 in3的6个气枪震源组合(1 in≈2.54 cm); b 调谐精度为0.5 ms的海上自动气枪控制器; c 随钻声波测井装置; d 随钻地震装置 |
随钻VSP技术与常规地震技术相比,主要有以下特点:①关注井周围的局部地质模型,钻井目标的数据量少。②与钻井信息融合。将钻井过程中测量的数据,例如随钻测井LWD(Logging While Drilling)、校验炮和VSP等,和地面地震、邻井数据及其它数据融合,用以约束局部地质模型。③实时性。快速周转时间,目前随钻地震数据的处理和成像周转期缩减至24小时,可及时为钻井决策提供依据。
随钻VSP处理与常规VSP处理技术类似,二者区别在于随钻VSP技术需要随钻校验炮、初至波的实时传输,从而对模型的实时更新,以及快速处理以实现快速的周转时间,辅助钻井决策。
在成像方面,采用反射层析成像进行局部各向异性速度更新。通过大规模并行运算进行快速重新偏移,得到更新后构造深度成像。最新的数据快速处理技术是利用高斯包偏移技术(Gaussian Packet Migration),可进一步缩短现场处理时间。通常经过4~6次的随钻更新,可得到对钻井有指导价值的随钻地震成像结果。
随钻VSP的关键技术主要有局部区域的叠前深度偏移成像及角度道集输出技术、基于角度道集的层析速度反演与建模技术、基于角度道集的各向异性参数层析反演与建模技术、基于岩石物理模型的压力预测技术等。
随钻VSP技术尽管有自己的特点,但是它与一般的叠前深度偏移成像建模技术并没有本质差异。不过,由于实时性的要求,随钻VSP技术对建模的自动化程度要求很高，需要一些快速的偏移算法。
4 随钻VSP技术应用效果随钻VSP技术采用钻井过程中实时采集的随钻测井、校验炮、VSP等,对钻前地质模型进行实时更新,减少钻井目标(例如下套管点、断层和目标油藏)位置的不确定性,可以获得更合理的钻井轨迹设计,从而指导钻井过程,改善井轨迹,降低钻井风险。
4.1 优化钻井轨迹及套管点的选择,指导钻井过程斯伦贝谢公司在墨西哥湾的C井钻井过程中对随钻地震流程进行了试验[58]。在钻井过程中泥线以下全程采集随钻测井、校验炮、电缆数据以补充邻井数据的不足,用以更新速度模型。采用更新的速度模型对地震数据进行重新成像(图 5)。实现了对断层的准确成像,降低断层位置的不确定性。下套管位置误差在±50 ft(约15 m,1ft≈0.304 8 m)范围内。最终下套管的位置在计划下套管深度以上近1 500 ft(457 m)处。
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图 5 随钻地震前后对断层成像的解释对比(红线代表解释的断层)[58] a 初始模型深度成像; b 随钻VSP最终成像 |
地层压力直接影响钻井和完井。通过随钻地震在钻井位置对地层压力进行准确的钻前预测,以帮助指导钻井设计,降低钻井风险。ESMERSOY等[59]对墨西哥湾Green Canyon地区开展随钻地震实验,综合利用地震资料和从正钻井获得的实时信息,降低钻前地层压力的不确定性。在钻井过程中基于标定局部地层的随钻测井数据,依据岩石物理变换做出调整。 此外,通过综合利用随钻校验炮信息和地表地震数据,提高了钻前的速度预测精度(图 6)。
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图 6 随钻地震速度反演与实际测量速度对比(1 ft≈0.304 8 m)[59] a 地震数据的常规速度(黑线); b 钻至8 000 ft采用LWD校验炮或中间电缆测量的速度(红线); c 随钻地震预测的至15 000 ft的速度(蓝线); d 实测的8 000~15 000 ft的速度(红虚线),新测量的数据与更新的速度预测的数据(蓝线)吻合更好,证明随钻地震技术的有效性 |
对于钻井决策,例如钻井液密度和下套管点的选择,必须将钻前的速度预测转换成钻前的地层压力预测。通常依据岩石物理特征建立一个速度-地层压力变换模型,将地层速度变换成地层压力。
从钻前模型预测的地层压力(黑色曲线)和随钻地震得到的地层压力(蓝色曲线)与实测的地层压力(红点)对比,随钻地震预测的地层压力(蓝色曲线)和实测的地层压力(红点)吻合的非常好,随钻地震更好地对钻前地层压力进行了预测(图 7),而钻前预测低估了实际地层压力和所需的钻井液密度。
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图 7 从钻前模型预测的地层压力(黑色曲线)和随钻地震得到的地层压力(蓝色曲线)与实测的地层压力(红点)对比(1 psi≈6.895 kPa)[59] |
中石油塔里木石油公司和斯伦贝谢公司合作,应用随钻地震技术指导钻井,在塔里木盆地准确地钻遇深层碳酸盐岩缝洞体[54]。首先采用已有的地表地震、邻井数据和地质数据建立一个准确的初始地球模型;然后在钻井的过程中,采用地表地震数据和钻井中采集的信息实时更新地下成像,提供更准确的3D成像,并及时指导钻井决策,例如井轨迹调整等。采用实时的测井和校验炮在24 h内对初始模型精细更新。这是随钻地震技术首次在中国碳酸盐岩缝洞体储层勘探中的应用。采用的关键技术有初始速度建模、剥层法和全局更新、闭合差分析和模型精细调整、模型更新和成像。随钻地震的成像效果明显改善,缝洞体的聚焦效果更好。
随钻地震成像中,火成岩和地层成像更合理,更好地揭示了上覆火成岩地层的影响。另外实现了对深层碳酸盐岩缝洞体的准确定位(图 8)。如果按钻前成像钻井,缝洞体偏移150 m,按更新后的成像结果,调整钻井轨迹,在钻井过程中出现了3次钻井中断,出现大量钻井液漏失和溢流,证实钻遇深层碳酸盐岩缝洞体。
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图 8 钻前成像和随钻地震成像效果对比[54] |
钻头随钻地震技术可以在钻前进行准确的速度、压力预测,但是在井深较大、高斜度井、水平井、钻遇软岩层时使用PDC钻头的应用效果不佳。新型钻头、钻具的研发,例如水力脉冲冲击器、水力脉冲空化射流发生器等,拓展了钻头随钻地震在软地层、斜井、水平井、深井及采用PDC钻头等条件下的应用范围,新型钻头也可作为震源产生足够能量。国内目前主要还是开展钻头随钻地震技术的研究,研究的主要方向在于研发能激发低频、宽频的钻头震源、提高钻头激发能量、提高信噪比的采集方法及去噪处理技术等。在信号的传输方面,泥浆脉冲遥测系统传输速度较慢,需要研发快速的传输系统,例如通过配备从地下至地面的有线通讯系统来实时获取参考信号,以实现实时传输。
随钻VSP技术的适用范围广,对于裸眼井、套管井、软地层、硬地层,浅水、深水环境,大位移井、高斜度井、水平井的应用效果明显。随钻地震技术可实现对钻头前准确的速度预测,从而进行高精度的构造成像和准确的地层压力预测,为钻井工程服务,在降低钻井时间和成本、提高钻井安全、降低深度不确定性、优化井轨迹、降低下套管次数、减少侧钻井和导向钻井等方面发挥了重要作用。
随钻VSP技术具有较强的解决钻井问题的能力和显著的应用效果,结合我国在提高地层压力预测精度、复杂水平井轨迹优化,复杂构造精细成像等方面的需求,建议在如下领域开展随钻VSP技术的应用研究:
1) 新探区、高风险探井、页岩气的压力预测。对初探井、高风险探井、页岩油气等开展随钻地震技术的应用研究,提高压力预测精度,降低钻井成本和风险,预防井喷、井漏,保护油气层。
2) 井轨迹的优化。通过开展随钻地震技术实现精准井轨迹设计,提高钻探精度和效率,提升油气勘探开发水平。
3) 复杂油气藏(盐下、高陡构造带、复杂断裂发育带)的精细成像。以提高对复杂地质目标的成像能力,准确识别地质构造,提高油气藏描述精度,提高钻井成功率,减少侧钻井的数量,降低勘探开发成本。
4) 对于高斜度井、水平井、大位移井等常规电缆VSP部署风险大的井,开展随钻地震的应用,提高VSP数据采集的成功率。
在随钻VSP技术的研发方面,建议在国内加快开展随钻VSP技术的研究。在发展趋势上,建议地震与工程结合,开展随钻VSP技术、装备的研发。针对随钻VSP目前只能实时传输初至的问题,研发提高传输速率的技术,以实现实时传输。
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