基于地震动态地质建模的地面防治水定向井优化

陆自清 ，高耀全 ，郭 媛

（1.煤炭科学研究总院，北京 100013；2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；3.中国石化西北油田分公司塔河采油二厂，新疆 轮台 841604）

目前，地面靶向水害治理中的钻探工程设计与施工，基本流程是综合地质与物探AutoCAD 图纸，对隐伏构造位置、范围作出初步判断，利用邻井、导眼井钻遇地层，在二维剖面上开展定向井设计与导向作业。虽然这一系列方法在地面靶向水害防治中已经取得了较好的效果，但仍存在地质目标产状描述困难导致定向井靶向设计不准确，地质构造展布不均匀与地质导向动态调整不足使得钻遇率低等问题。为解决水害治理钻探工程实施中的这一系列痛点，减少“大水漫灌式”注浆工程造成的资源浪费与环境压力，提高地面靶向治理的单井效益，下一阶段靶向治理中钻探工程重点研究三维目标地质体定量表达，优化定向井设计与施工，实现精准注浆治理[1-2]。

煤矿采区三维地震，特别是高密度地震推广范围和应用领域不断扩大，在井田勘探领域取得了长足的发展，有效提高了勘探精度，基本解决了区域性的地质构造问题[3]。而在钻探、采掘等地质工程领域，地震成果则被压缩到有限的二维AutoCAD 图纸上，供工程设计与施工人员参考。因此，三维地震成果的二维化应用有悖于地质体三维展布的基本规律，数据中蕴含的地质规律得不到充分利用，数据应用现状与工程实践的实际需求脱节。为挖掘利用有效信息，拓展三维地震在工程领域的应用潜力，强化地质、物探、钻探等多学科交叉融合，部分油气行业专家学者总结归纳了地质工程一体化理念，即以地震数据为中心，将测井、钻井工程等通过地质建模的方式进行融合，首先建立融合多专业认识的三维地质模型，对目标区域进行可视化雕刻实现井轨道优化设计，然后在随钻过程中实时追踪地层变化，更新模型的构造与属性，调整关键靶点参数，确保钻头在地质体中持续钻进[4-6]。王卫等[7]应用地震反演技术提升了应用于钻井导向地质模型的精度；高浩峰等[8]采用近邻算法，融合地震解释，构建钻头前方预测性地质模型，调整钻头倾角方位；舒红林等[9]研究了页岩气开发钻探过程中，不同应用需求下的地质建模流程与应用，应用适时建模优化钻前多分支钻井井位部署、钻井过程中地质导向以及钻探后压裂工程应用。

虽然煤矿地面靶向钻井水害治理中，基于地质模型的靶向设计与优化应用较少，但其目标与需求，同样契合地质工程一体化的基本理念，也具备与油气行业钻探工程几乎相同的数据基础及钻井、测井、录井技术与装备，在常规地震或高密度地震全面覆盖的重点矿区，已经具备应用地质模型提高靶向治理效果的潜力。有必要建立多专业团队，挖掘现有地震与地质勘探资料的潜力，开展地震动态地质建模与定向井优化技术研究与实践应用，强化地质与钻探工程的联系。基于此，本文提出了一种基于地震数据，建立地质动态模型，无缝桥接地质模型与钻探工程，开展定向井优化的综合性方法。

1 水害防治定向井优化技术路线

资源开发生产阶段，精准地质勘探是钻井设计与施工的基本前提。在不断提升钻机装备定向性能的同时，油气开发中的定向井优化也经历了3 个典型的技术发展阶段，邻井地层对比优化（图1a），井震联合对比优化（图1b），地质模型优化（图1c）。

图1 定向井优化的3 个发展阶段与水害靶向治理定向井优化Fig.1 Three development stages of directional well optimizationand optimization of directional well for targeted treatment of water damage

邻井地层对比优化定向井法存在如下问题：设计井与邻井的AutoCAD 连井剖面与地层构造发育方向可能不一致，导致在二维剖面上估算钻遇地层的参考意义有限，地层深度预报的效果欠佳。应用地震数据结合邻井地层对比，地层横向变化识别上有一定的改善，纵向则受制于地震数据的精度。地质模型则能够融合多井纵向高分辨与地震横向高分辨的综合优势，建立全空间三维模型，给地质、钻探施工人员提供更多元、精准的设计视角，更适用于在复杂地质构造中设计轨道参数。

目前，水害防治定向井设计主要以邻井对比法为主，兼顾参考地质、地震解释、井巷揭露等，综合分析后根据经验估算钻井工程参数，施工过程中根据录井岩屑状况，对钻井轨迹做一定的调整。这一套技术流程相对简单成熟，执行效率高，在地层横向变化小或浅煤层矿井，应用效果较好。而在地质条件相对复杂的中深煤层矿井，由于横向非均质性强，纵横向构造相对误差随深度逐渐增大等多因素叠加，使得钻井结构参数设计与目标需求存在较大偏差，岩屑录井迟到时间计算不准与人工岩性识别偏差的局限也使得钻井过程的动态调整效果有限。

中深煤层矿井地面靶向水害治理定向井钻探工程与油气行业有一定的相似性，钻机装备相同，作业方式近似，但其与油气定向井追踪连续地层的目标有一定的区别，水害防治定向井钻探的首要任务是查清局部不规则地质目标的几何形态（图1d），以及与注浆效果密切相关的地质目标关键属性。与静态二维图形相比，三维地质动态模型在定量表征复杂几何形态与特定属性等方面具备独特的优势，具备提高中深煤层地质构造与属性控制精度，并随钻遇状况动态变化的能力[10-13]。

图2 为靶向水害治理过程中基于地震数据建立地质模型开展定向井优化的综合技术流程，目标是优化钻井轨道设计参数、优化轨迹调整策略。应用体模型建模方法，融合地震数据与所有已知地质信息，建立三维地质模型，提供静态钻井轨迹设计所需的几何形态与属性要素；据此设计钻井轨道关键参数；并以此地质模型为基础，导入随钻测井、录井等实钻揭露信息，应用新增数据迭代更新流程，构建最新测录数据支撑下的地质模型，分析最新模型反映的地质状况变化，形成轨迹调整策略[14]。

图2 动态地质建模定向井优化Fig.2 Optimization workflow of directional wells based on the 3D dynamic geo-model

2 地震动态建模的理论基础

按地质模型组成主体划分，地震数据转换为地质模型，建模方法可分为2 大类：基于面的建模方法和基于体的建模方法。

基于面模型的地质建模，首先利用有限界面的地震解释、钻探、井巷揭露数据，插值获得代表地质分界面的多个光滑曲面，将顶底曲面合并后，再对侧面进行封边，最终形成“三维”无缝密闭模型（图3）。准确的面元建模基于2 个前提条件，一是插值算法形成地层曲面准确无误；二是断层与初始曲面的交切关系唯一且确定。然而，实际数据很难完全满足上述2 个假设条件，处理推覆构造或X、Y、λ 型断层等三维复杂结构时，常规算法形成的单一法向面元无法构建重复地层界面，难以描述多重交切关系，交切关系修改过程繁琐复杂。

图3 离散面元构建“面模型”Fig.3 Surface-based geological model

基于体模型的地质建模，是利用连续地震数据三维的空间与振幅特征，建立隐式函数（Implicit Function，简称IF）转化规则体元或不规则体元，将地震数据蕴含的岩石物理信息转化为地质细胞三维网格，再由地质细胞搭建三维地质模型。实现过程中，首先设定初始三维体的空间范围，利用地震数据体与相对地质年代相对时间一一对应的特性，对初始三维体进行属性约束插值，然后使用地层厚度特征分离所需的层位，获得三维地质细胞四面体网格构成的三维地质体模型，模型外部形态即为地层构造界面，内部地质细胞元属性承载对应的岩石特征（图4）。体模型构建过程中，对地震体纵横向分辨率足以控制的几何与属性特征，将地震体的地质层位、异常体、属性等数据进行加权，如算术平均、几何平均、调和平均等，按空间坐标映射到对应的地质细胞网格中；对于小于地震分辨率尺度的空间特征，利用地质细胞可以无限剖分的特性，构建四面体网格的隐函数解决数据相对稀疏与不完整问题。体建模是从立体空间中全局插值，毋需面建模方法两条假设的前提条件，具备准确还原复杂沉积模式、不规则地质单元结构与复杂地层交切关系的能力；同时，基于隐函数更新的快速迭代方式，较之面建模更新需重复建模全过程，也具备一定的效率优势。

图4 三维体构建“体模型”Fig.4 Volume-based geological model

基于体模型建模方法的地震动态地质建模理论公式，由多重约束组成，包括控制点约束，光滑梯度约束，间断点约束。

式中：ϕcontrolpoint为控制点约束、ϕgradient为梯度约束（断层等）连续性间断设定为0，构成隐函数方程组F，正交三角（QR）分解后求解四面体网格节点值。

3 地面水害防治定向井优化

定向井优化需要综合考虑钻机装备能力、地质任务、地层条件与目标特征。定向井优化包括静态设计优化与动态导向调整优化2 个基本目标。静态设计阶段，与钻探工程人员共享地质模型，在钻机能力范围内，根据最新地质模型的异常区几何形态、地层属性设计定向井造斜点、着陆点、工具面、井间距、水平段方位等关键钻井轨道参数；动态导向过程中，应用实钻状况更新地质模型，动态调整定向井轨迹。

3.1 静态井轨道优化

关键要素之一：靶向区域地层与异常区三维几何形态。精准还原三维地质空间，找准注浆目标是钻井轨道设计的第一任务[15-18]。基于地震数据的体模型建模方法，在统一三维空间中，构建地层、断层、异常区等地质元素的几何结构模型后，使得钻井轨道设计能够获得精准的空间信息参考。

关键要素之二：水害隐患治理目标靶区地层裂缝属性。地层异常区周边一定范围内的断裂系统与注浆效果存在较强的相关性，断裂系统是奥陶系灰岩第一导水通道，基于断裂力学理论，奥陶系灰岩力学特征受现今应力影响下的内部初始软弱结构面的控制，注浆可以填充灰岩初始裂缝，增强岩体的完整性，从而改变岩体的破坏模式，改善岩体的力学特性。浆液扩散能力决定井间距，裂缝发育地区的浆液漏失量较大，且当注浆井水平段轨迹方位与断裂走向垂直时，有利于裂缝张开与浆液扩散。因此，在奥灰水害防治钻探工程设计中，优化定向井的另一关键是建立目标区域地层裂缝模型，根据裂缝属性设计水平段方位，预估井间距，达到注入浆液高效填充地下导水裂缝，形成稳固胶结形态的目标[19-23]。

3.2 动态井轨迹优化

动态井轨迹优化是钻探过程中更新地质模型以动态调整靶向策略。由于构造的复杂性和预测精度限制，钻前地质模型与实际地质状况之间仍会存在一定的误差，需要利用获取的新信息不断更新地质模型。模型动态更新是全局静态地质认识与局部动态信息融合的过程，基本方法是应用钻井实钻的精细构造适时更新迭代地质模型，提高地质构造与属性预测精度，使得地质模型逐渐逼近真实地质状况，给钻探过程中的靶向调整提供地质依据[14]。

在静态地质模型的基础上，应用岩屑录井、随钻测量与测井数据，持续输入地质模型，以地质模型与随钻曲线相关性为基准，拟合更接近实际揭露的精细构造与属性数据，应用全局更新或局部更新建模流程，迭代构建新的三维构造与岩体属性。模型的适时更新与地层信息反馈，赋予地质目标更精准的地质认识，据此调整钻头倾角与方位，提高钻探功效。在后续工作中，更新后的地质模型亦可以用于新钻井或新分支井的静态设计。

4 唐家会煤矿应用实例

淮河能源集团西部公司唐家会煤矿61304 工作面切眼200 m 范围内存在异常区Y6，井下长钻孔与其他资料综合分析确定该异常区规模较大且连通奥灰水，为掩护巷道掘进，矿方决定采用地面定向井靶向治理，定点注浆的治理方式。设计多分支水平定向井，钻进至目的层，贯通水文异常区，高压注浆，封堵相互连通的构造、裂隙、孔隙等导水通道，达到异常区治理效果。

4.1 地质模型的构建

4.1.1 几何形态建模

该区域于2014-2015 年开展了高密度三维地震勘探。为了便于研究，截取Y6 异常区周边一定范围内的地震数据与前期钻探成果，应用体建模方法构建地层、断层、异常区三维几何构造模型。建立了包含地层、断层、异常区等主要地质元素的三维区域地质模型（图5）。

图5 地震体与地质体模型Fig.5 Seismic body and geological body models

4.1.2 裂缝属性建模

奥陶系裂缝与导水效果、注浆效果密切相关。与孔隙、渗透率等常规连续属性不同，裂缝属性属于多尺度离散变量，裂缝的矢量性（裂缝产状）与标量性（密度、宽度、长度等）描述复杂，最常用的做法是在统一地质模型的拓扑结构中，建立裂缝属性地质模型，相对准确地描述裂缝形态[24]。高密度地震对断裂的响应较好，利用蚂蚁体算法追踪与异常区密切相关的次级裂缝，将提取的裂缝系统导入几何模型中，建立离散裂缝网络（Discrete Fracture Network，DFN），能够快速表征裂缝属性。裂缝强度是反映地层基质与裂缝之间连通性的综合指标，常用于评价断裂系统的导通能力。在三维裂缝强度参数模型中，提取特定深度范围内的水平切片，如图6 所示，定向井可以参考异常区范围内裂缝属性分布，设计水平段方位与注浆位置。

图6 异常区奥陶系顶界面下0～20 m 裂缝平面分布Fig.6 Plane distribution of fractures within 20 m under the Ordovician top in the abnormal area

4.2 地面水平井靶向设计

根据异常区形态与属性，注浆目标设计为奥灰顶界面下10～20 m，选用“J”型多分支水平井，根据异常区三维模型分析，水平段目标区是一个扁平的立体结构，不仅要求井眼准确进入着陆窗口，而且要求井眼的方位与靶区轴线保持一致。

根据上述建模成果，综合考虑地层深度、异常区几何形态、裂缝等，同时考虑狗腿度、井身结构、钻机性能等多重约束条件，联合二维地质剖面与三维图形，拾取关键位置，获得造斜点、着陆点、工具面方位倾向、完井深度等关键参数，生成定向井轨迹设计关键图表（图7、图8）。

图7 多分支井轨道设计Fig.7 Multilateral well trajectory design

图8 靶向治理多分支定向井三维轨道Fig.8 Three dimensional trajectory of the multilateral directional well in targeted treatment

4.3 地质模型更新与轨迹优化过程

ZJ30 定向钻机配有随钻伽马（GR）测井与无线随钻测斜系统，体模型中导入随钻轨迹与随钻伽马曲线，根据更新后模型的属性与地层倾角变化，动态调整钻头倾向，确保获得稳定的钻遇率。

图9 为DY1 第一个分支井钻至测深1 057 m 处，随钻伽马引入模型后，三维伽马属性模型更新前后对比图。

图9 三维GR 模型更新Fig.9 3D GR model update

图10 为更新前后沿井地质剖面构造变化情况，钻前地质模型的4 煤底板、6 煤底板、奥陶系顶部深度预测均有一定的误差，奥灰顶部变化较大，后续分支井设计将其他分支井的地层着陆深度从573 m 调整至542 m。当前钻遇为灰岩，分支井水平段依然保持在异常区中钻进（图10 中黑色投影区域），但模型地层由水平修正为下倾，可以将当前倾角下调0.5°，保持与地层倾向近似平行，减缓转矩、增加摩阻，减少卡钻风险，提高钻探效率。

图10 基于模型剖面的地质导向分析Fig.10 Geosteering analysis based on the geological model section

4.4 应用效果

Y6 异常区治理工程实际累计注入水泥及粉煤灰浆液19 762 m3，共注入水泥及粉煤灰6 664 t，如图11所示，实钻井轨迹、裂缝、注浆量叠合图中，定向井中各注浆点使用球体大小代表相对注浆量，注浆量较大的深度点与裂缝发育区域近似重合。截至2021 年12 月1 日，Y6 异常区已安全回采通过，水害隐患治理成功。

图11 DY1 实钻与注浆平面分布Fig.11 DY1 real trajectory and grouting plane map

5 结 论

a.基于模型的钻井设计有3 点优势：一是模型剖切能提供与设计方位角完全一致的地质剖面，二是已钻水平井分支钻遇更新迭代三维模型，新模型为后续钻井设计提供调整依据，轨道参数设计精度更高，三是在实时地质导向过程中，随钻曲线对模型的持续更新，使导向调整策略有效，达到钻遇稳定的目标。

b.基于地震动态建模的定向井优化，使管理人员、技术人员共享精细地质模型成果、深入理解构造格架，赋予地质工程一体化在防治水工程应用领域新的内涵，奥灰水害防治的精准与可视，可以促进异常区域的精准探查与高效治理，减少无效钻注工程的实施。

c.建议持续推进地质建模与钻探装备、工艺的结合，从目标治理角度出发，使地质模型能够紧扣地质目标，选用合理的钻探装备与工艺，优化钻井设计，简化钻井开次，降低钻探风险、节约钻探费用、提升治理效果。