利用地震数据反演改进复杂油藏钻井工艺

郭永峰 金晓剑 唐长全 纪少君

摘要：广东湛江W12—1北油田开发过程中遇到了钻井中井壁易垮塌、易剥落的难题，易造成井壁坍塌、掩埋钻井及仪器事故。为此，开展了系统研究工程，进行多学科、多角度的钻井井壁稳定性研究，即改进钻井地质力学的基本理论研究、精细化处理地震剖面图、岩心的古地磁应力测试、地层应力等势面的计算机模拟，井下岩心浸泡进行稳定周期预测等。研究结果在2005年该油田10口开发井的钻井设计、工艺编制与钻井实践中应用后，获得了预期的效果。

关键词：地质力学；地应力；地震数据；反演；钻井工艺；湛江W12—1北油田

中图分类号：TE24文献标识码：A

前言

广东湛江W12—1北油田，隶属北部湾海域，是中国南方地区较著名的海上油田之一。其平均海水深度为40m，最早的勘探活动始于20世纪70年代，于20世纪80年代末进入开发的成熟期。该油田的主要特点之一是具有较复杂的油气藏构造，其中包括2层含义：一是直接生产油气的地层情况复杂；二是钻井轨迹所穿过的地层状态复杂，情况多变。这些地层的共同特点是断层多、地层破碎、微裂缝发育，尤其是该油田的泥页岩地层水敏性极强。多年来，W12—1北油田开发的钻井作业较为困难。在2003年底的第一批8口井的钻井中，因泥页岩地层水化膨胀、地应力作用、钻井轨迹设计合理性等多种原因，引发了10多起较严重的钻井事故。由于油田钻井作业事故率接近40％，使得该海域钻井成为中国海洋石油总公司所属油田内较典型的钻井事故区域。2004年末至2005年初，湛江W12—1北油田进行了10口开发井的钻井作业，在中海石油有限公司(湛江)钻井部的精心组织下，将研究结论与各类专家多年来在这一地区的经验结合起来，钻井工作获得了极大的成功，钻井过程实现了“零”事故。由于研究规模较大，获得成果较多，本文仅介绍其中部分研究，即利用油田近年的新钻井、测井与录井数据，进行油田原有地震数据的反演计算与精细处理，使之用于钻井轨迹的优化处理，获得了较理想的效果。

1整体研究综述

1.1寻找造成钻井中地层坍塌的主要原因

(1)找出造成坍塌的主要地层。大量研究资料表明，W12—1北油田钻井过程中的井壁失稳，主要是位于地下垂直深度约1800—2100m处的W2段地层特殊性造成的，即W2段泥页岩经泥浆浸泡后水化膨胀，可能是造成井壁失稳的主要原因。

(2)推断出泥页岩地层中泥岩与砂岩的比例，该数值是预示地层可坍塌性的重要指标。

(3)揭示钻头临界钻入角的相关性。研究人员经过对相关资料的多元数据统计分析表明：钻井中的井壁坍塌既与地层倾角有关，又与钻头与地层平面法线方向的夹角有关，从而引入泥页岩地层临界钻入角的概念来进行研究。

1.2解决井壁坍塌的方法

(1)运用地震数据反演方法，寻找不同井段泥岩的泥砂比例，确定易坍塌地层所在位置，以便钻井设计与制定工艺时进行相应处理。

(2)运用对井眼中岩屑的实验室浸泡实验方法，利用实际钻井得到的钻屑和塌块，对泥页岩地层泥浆浸泡周期进行预测，以便调整钻井过程时间表。

(3)运用理论计算方法，计算钻头进入易坍塌地层的最大进入角，即临界钻入角，优化钻井设计轨迹。

1.3复杂油气藏钻井轨迹与钻井工艺设计

(1)参与钻井设计。利用研究结论，找出易坍塌井段，优化钻井轨迹，确保钻头进入易坍塌地层的进入角均在临界值之内。

(2)参与钻井工艺制定。运用研究结论，调整钻井作业程序，保证钻井中裸眼井段被泥浆浸泡的时间在预测引起坍塌的时间范围内。

，

(3)参与钻井作业。根据研究结论指导作业过程，保证钻井过程的安全与高效。

2地震数据反演与预测泥岩含量

2.1地震剖面数据精细化反演与解决钻井中井壁坍塌

(1)获得更精确的地震数据成果图。当钻头进入易垮塌地层，其井斜角应在某一角度之内；但较准确确定钻头何时进入该地层，需要准确地“卡层”，即得知进入及钻出易塌地层的垂直深度与“斜深”；原来用于地震勘探后，地质学家从中判断油田位置的地震剖面图，已经不能满足这一需要。

(2)可以较准确地预测易垮塌地层的泥页岩位置及相关的泥岩含量。这需要运用大型计算机及数据处理方法对地震剖面图进行重新处理，以期得到更精细的解释。

2.2普通地震剖面图不能满足钻井井壁稳定要求

目前一般用于石油勘察与开发的地震剖面图，对于预防钻井中的井壁坍塌来说，精度不够，即目前的地震剖面图的显示精度不能满足钻井中井壁稳定的需要。具体对湛江W12—1北油田来说，1994、1996年先后在海上使用物探勘察船，进行了大规模地震数据采集，后来将采集到的数据拿到澳大利亚进行处理，处理的目的层段是砂岩，处理后的地震数据剖面的精度约为25～50m，而钻井用的地层设计数据精度一般都应在15m以内。实际上，目前国内多数油田，包括陆上油田或海上油田，在钻井设计时，很少考虑用地震剖面图来做钻井轨迹精确设计的参考，或作为确定地层断层的位置或地层走向依据，其主要原因也是由于地震剖面图精度不够。

原来的地震数据图，绘制目的为寻找油气，描述以砂岩为主。而利用地震数据图进行钻井作业中的防止井壁坍塌作用，要求地震数据图应以描述泥页岩为主，并能定量地描述各地层中(包括砂泥岩)所含的泥岩成分。

2.3将普通地震剖面图处理成钻井专用地震解释成果图

(1)基本原则。利用现代计算方法，以W12—1北油田近年开发井的钻井过程录井、取心、测试、测井、生产井开发等数据作为边界条件，对原有地震剖面数据进行加密与修正的精细化处理。

(2)基本方法。选择子波分析方法，利用相关处理方式，包括去噪、滤波、常相位校正、AVO分析、道积分等进行处理，有选择地进行波阻抗反演，叠前深度偏移等方法处理。

(3)具体实现方法。对W12—1北油田地层的2个层位(即W1段、W2段)进行断层拾取、断层断片处理、时间切片，同时进行栅状图对比、层位断层解释。

(4)在上述分析的基础上，制作W2段地层上部泥页岩的分布图、厚度图。通过对地震数据的精细化处理，分析W2段地层上部泥页岩的详细情况，特别是给出将要进行钻井的轨迹穿过的断层、泥页岩厚度等，进而给出未来钻井过程中应该注意的事项。

2.4钻井设计中应用地震剖面图

(1)利用精细反演处理的地震剖面图，确定断层位置，使钻井轨迹绕开，或尽量使钻头从裂缝面的正面穿过断层。①W12—1北油田的W2段是断层发育的层段，其硬脆性泥页岩层理也较为发育，钻井过程中的垮塌物，或称掉块的体积较大，常规循环无法带出井，极易在扶正器等与井壁环空卡死钻具；②利用各种地震数据精细处理方法，对包括

W2段地层的断层分布情况，进行更为精确的描述，特别是找出前些年地震资料处理中漏掉的小断层，用以向新钻井的轨迹设计提供新断层资料，以确保钻井中钻具的安全通过性能。

(2)利用精细反演处理的地震剖面图，易坍塌地层中砂泥岩的泥岩含量，较精确地预测出该地层井壁坍塌的大致时间，在钻井设计中给出穿过该地层的裸眼钻进时间。①较准确预测W12—1北油田的W2段以上的泥岩或砂泥岩的地层情况，对保证钻井时的井壁稳定有重要意义；②由于W2段泥页岩在海床以下2000m以内的地层，研究人员利用近年来进行各种常规油田生产活动所取得的测井作业的声波和密度资料，经过反演，所取得关于泥页岩或砂泥岩的深度与岩性误差会比较小；③研究人员将近年测井数据中反演后取得W2段的深度与岩性资料，作为精细化处理地震数据的边界条件，即利用新的边界数据信息，反演早年实际地震勘探中采集的数据地震，以提高地震数据成像精度；④具体实施方法为用邻道时差图，邻道振幅差值图，沿层振幅图，边棱检测图，倾角图，层方位角图等，对断层、构造以及泥砂岩的泥岩成分进行全方位细致解释；过程中也加进了切片法，包括由切片组成的栅状图及椅式切片等。

(3)形成新的断层与砂泥岩混层比例地震成果图，其中后者为对泥岩与砂岩的混层进行精细处理，得到各个井段的泥岩含量及确切垂深位置，并将相关精细处理后的地震数据成果图，直接用于新钻井的钻井轨迹与工艺设计。近年来国内石油界已经将此方法应用于油藏解释方面，但用于钻井设计与工艺制定方面较为少见。研究人员在国内首次进行用于钻井设计与工艺制定的地震数据反演处理，处理后的地震剖面图精度已经达到12.5m，并给出了各个地层深度下的地层砂岩与泥岩成分的组成，这些成果已经成为湛江W12—1北油田的10口井钻井轨迹设计的重要依据。

3钻井实践

在上述W12－1北油田钻井前期研究基础上，研究人员进行了10口新钻井的定向井轨迹与工艺设计。

(1)应用钻井前期研究成果，在定向井的轨迹设计中，遵循的基本原则为当该井眼穿过泥页岩地层，即易坍塌地层时，其井斜角不超过38.5，在其他文章中讨论。

(2)应用钻井前期研究成果，在定向井的工艺设计中，所遵循的基本原则为当该井进行裸眼段钻井时，其井壁浸泡时间一般不应超过5.5d，其原理在其他文章讨论。

(3)选定限制裸眼井段浸泡时间的井段，由前述地震数据的精细化反演处理结果给出。由地震数据反演处理所给出的地层中泥岩的含量，则给予界定井壁浸泡时间一个重要的参考。一般说来，泥岩含量小于65％，则浸泡时间应在5.5d之内；而泥岩含量高于65％，则浸泡时间应控制在4.5d之内。

4研究启示

(1)多学科、多专业交叉进行油田开发中出现问题的联合攻关，或称为各学科综合研究，是现代石油工业的技术发展趋势之一。

(2)综合研究的结果，常常可以导致新研究方法的产生。

(3)此类研究需要一个组织严密的团队；一些过去很少发生联系的专业人员，如钻井工程师与物探工程师，在此类研究中，也要互相配合，紧密协作。

(4)将物探资料精细化处理用于钻井前期研究，或称用于钻井轨迹优化与工艺设计，是美国一家石油服务公司于1998年首先提出并实施的，中国石油工程师于2004年首次用于国内油田开发，这说明中国的石油开发技术虽然与国际先进水平相比有差距，但不是很大。

本文写作及研究过程中，中海石油有限公司(中国)湛江分公司周野、黄凯文、田艺等多位专家给予了具体指导，并提供了他们长期积累的相关数据资料，在此表示衷心感谢。

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