丁 冬 王建立 陳 卓 劉少峰 李亞男

(①中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司；②中海石油(中國)有限公司天津分公司)

0 引 言

錦州25油田位于渤海遼東灣中部海域，是一個有利的油氣成藏區(qū)帶[1-3]，受作業(yè)條件的限制，開發(fā)井以大位移井為主[4]，且東營組普遍發(fā)育厚層泥巖，斜深厚度平均為1 000 m。該油田東營組泥巖以湖相、深湖相沉積為主，時間跨度為23～32 Ma，同時受構(gòu)造運動、沉積速率的影響，泥巖的礦物成分存在差異，但巖屑錄井反映的是灰色、深灰色泥巖，測井曲線近乎直線狀，難以區(qū)分不同井段泥巖的差異性。

在鉆井作業(yè)中東營組泥巖地層井壁坍塌失穩(wěn)現(xiàn)象頻發(fā)[5-6]，造成了多口井起下鉆困難、卡鉆等復(fù)雜情況。鉆井現(xiàn)場一般通過循環(huán)、撈樣，肉眼觀察泥巖掉塊的大小及數(shù)量，憑借經(jīng)驗，根據(jù)泥巖掉塊的顏色及形狀等判斷井壁失穩(wěn)層位及程度，進而優(yōu)化鉆井液性能及井身結(jié)構(gòu)等，但效果參差不齊，影響了鉆井安全和時效。

在地質(zhì)工程一體化理念的指引下[7]，筆者在鉆井需求和錄井、測井技術(shù)特點結(jié)合的基礎(chǔ)上，提出了利用元素錄井獲取泥巖段和掉塊的礦物成分，并借助數(shù)學(xué)算法的快速處理能力，實現(xiàn)了定量化、智能化地快速還原泥巖掉塊深度，從而確定坍塌井段位置和程度，為鉆井施工方案提供數(shù)據(jù)支持。本方法在錦州25油田得到成功應(yīng)用，為其他油田高效鉆井施工提供借鑒，為渤海油田上產(chǎn)4 000×104t積淀技術(shù)。

1 研究思路

本文以錦州25油田為靶區(qū)，將元素錄井與數(shù)學(xué)算法有效結(jié)合，形成了一套泥巖掉塊層位還原的判定流程(圖1)，最終實現(xiàn)坍塌井段及坍塌程度的識別評價，為工程方案制定提供數(shù)據(jù)支撐。其具體研究思路可分為以下五部分：

圖1 泥巖掉塊層位還原流程

(1)采集全井段巖屑元素錄井數(shù)據(jù)，創(chuàng)建單井元素地層剖面。

(2)收集掉塊并進行元素錄井數(shù)據(jù)采集。

(3)利用數(shù)學(xué)算法計算掉塊深度，實現(xiàn)定量化確定掉塊層位還原。

(4)根據(jù)掉塊的分布情況確定坍塌井段并進行坍塌程度評價。

(5)制定合理的工程施工方案。

2 地層信息獲取

2.1 全井元素數(shù)據(jù)分析

根據(jù)地質(zhì)設(shè)計要求的取樣間隔撈取巖屑樣品，按照元素錄井操作流程將樣品進行烘干、粉碎、壓片、分析[8]，以獲取原始元素錄井剖面數(shù)據(jù)，如錦州25油田X 1井(表1)，此過程需確保巖屑數(shù)據(jù)的全面性及準確性，從而建立起基于礦物成分的泥巖段元素剖面。

表1 錦州25油田X 1井元素數(shù)據(jù)

2.2 泥巖掉塊元素分析

不同油田由于其泥巖段失穩(wěn)程度差異，地層破碎程度也存在一定差異，返出泥巖掉塊大小、形態(tài)也呈現(xiàn)不同的特征(圖2)。為準確地對失穩(wěn)性泥巖掉塊進行歸位，掉塊取樣要求為：(1)以鉆井液單次循環(huán)返出的掉塊為一深度單元；(2)泥巖掉塊大小超過2 cm×2 cm×1 cm可直接對單個掉塊取樣分析；(3)對掉塊小于2 cm×2 cm×1 cm，選取顏色一致、磨圓度相近的多個掉塊同時分析。取樣結(jié)束后，按元素錄井操作流程對樣品進行處理、分析，最終獲取泥巖掉塊的元素數(shù)據(jù)。

圖2 失穩(wěn)性泥巖掉塊

3 泥巖掉塊歸位精準分析模型

3.1 數(shù)據(jù)歸一化

為了提高模型的收斂速度，避免不同元素值的絕對值差異影響數(shù)據(jù)分析結(jié)果，對元素數(shù)據(jù)進行歸一化處理。本文采取的歸一化處理方法為將某一樣品的特定元素除以該樣品所有元素和，形成新的元素數(shù)據(jù)值，處理后該樣品單個深度點的所有元素值總和為1。

(1)

式中：Xi′為第i個元素的歸一化元素值；Xi為第i個元素的初始元素值；n為樣品含有的元素數(shù)量。

3.2 基于相似度評價的數(shù)學(xué)模型

相似度評價法是運用模糊綜合評判原理[9]，根據(jù)數(shù)據(jù)與標準值的相似度來評價個體間的差異大小。為提高數(shù)據(jù)分析的可靠性，本文同時引入3種常見的相似度評價算法(歐氏距離法、曼哈頓距離法、調(diào)整余弦相似度法)分析樣本之間的相似性。

3.2.1 歐氏距離法

歐氏距離是指在多維空間向量中兩點之間的距離，當兩個樣品的元素值在空間距離越短時，判定這兩個樣品之間的相似度越高，其公式如下：

(2)

式中：d1kl為第k個掉塊樣品元素值與第l個全井樣品元素值之間的歐氏距離；Xi′k為第k個掉塊樣品的第i個元素的歸一化元素值；Xi′l為第l個全井樣品的第i個元素的歸一化元素值。

當d1kl最小時，第k個掉塊樣品和第l個全井樣品最為相似，那么第k個掉塊的深度可歸位為第l個全井樣品的深度。

3.2.2 曼哈頓距離法

與歐氏距離相似，曼哈頓距離表征掉塊樣品與全井樣品相同元素之間的距離絕對值，所有元素的距離絕對值累加之和即為曼哈頓距離，當曼哈頓距離最小時，判定兩個樣品最為相似，其公式如下：

(3)

式中：d2kl為第k個掉塊樣品元素值與第l個全井樣品元素值之間的曼哈頓距離。

當d2kl最小時，第k個掉塊樣品和第l個全井樣品最為相似，那么第k個掉塊的深度可歸位為第l個全井樣品的深度。

3.2.3 調(diào)整余弦相似度法

調(diào)整余弦相似度法是用向量空間中兩個向量夾角的余弦值作為衡量兩個樣本差異大小的度量。兩個樣本向量的夾角余弦值越接近于1，兩個樣本越相似，其公式如下：

(4)

式中：d3kl為第k個掉塊樣品元素值與第l個全井樣品元素值之間的夾角余弦值。

當d3kl越接近于1時，第k個掉塊樣品和第l個全井樣品最為相似，那么第k個掉塊的深度可歸位為第l個全井樣品的深度。

3.3 深度確定準則

通過引入歐氏距離等3種數(shù)學(xué)算法，可以獲得某一掉塊的3個計算深度，利用表2中的匹配準則來確定掉塊最終的匹配深度：(1)當3種算法所計算的深度為同一值，掉塊匹配深度就為該深度值；(2)當有兩種算法所計算的深度一致，另外一種算法計算深度不一致時，掉塊匹配深度取兩種算法一致的深度；(3)當3種算法所計算的深度各不相同時，對該掉塊深度不予深度判定，認為該掉塊分析數(shù)據(jù)超出了正常錄井要求的巖屑分析段。

表2 掉塊深度判定規(guī)則

為更加直觀利用掉塊深度位置評判井壁失穩(wěn)井段和失穩(wěn)程度，建立了掉塊深度歸位圖，如圖3所示，從縱向上可快速、簡潔進行井眼實時評價，及時為鉆井施工及其方案制定提供依據(jù)，提高作業(yè)效率。

圖3 掉塊深度歸位圖

4 應(yīng)用效果

在使用元素錄井和數(shù)學(xué)算法相結(jié)合實時還原泥巖掉塊深度方法前，錦州25油田已鉆5口井的鉆井工期與設(shè)計相比平均滯后2.3 d；在應(yīng)用該方法后，通過實時還原泥巖掉塊，并準確對井壁失穩(wěn)程度做出判斷，及時調(diào)整施工方案，在該油田新鉆探4口井的鉆井工期與設(shè)計相比平均提前1.2 d，表明該方法在本油田應(yīng)用中發(fā)揮了應(yīng)有作用。

利用歐氏距離法等3種模型分別對錦州25油田A 1井和A 2井泥巖掉塊進行層位還原(表3)，從表中數(shù)據(jù)可以看出，A 1井10個泥巖掉塊中有效還原9個深度點，在2 965～2 990 m井段泥巖掉塊占比達67%；A 2井8個泥巖掉塊中有效還原8個深度點，掉塊還原深度分布較為分散。A 1井泥巖掉塊集中于2 965～2 990 m井段，說明該井段井壁坍塌較為嚴重，不滿足繼續(xù)鉆進的條件，需要盡快中完；A 2井掉塊比較分散，現(xiàn)場需要適當增加鉆井液密度及短起鉆頻次，從而防止井壁失穩(wěn)進一步擴大，支持繼續(xù)正常鉆進。

表3 錦州25油田A 1及A 2井掉塊還原深度統(tǒng)計

5 結(jié)論與展望

(1)在地質(zhì)工程一體化理念下，證實了錄井在地質(zhì)油藏評價和常規(guī)鉆井工程監(jiān)測上發(fā)揮著不可替代的作用，而且在降低鉆井作業(yè)風險、提高作業(yè)時效上也發(fā)揮著重要作用。

(2)錄井采集的數(shù)據(jù)多，單一的人工處理難度大，本文利用數(shù)學(xué)算法快速和精準處理元素錄井數(shù)據(jù)，更好地發(fā)揮了錄井技術(shù)優(yōu)勢。

(3)井壁穩(wěn)定性一直是鉆井施工關(guān)注的重點，鉆前預(yù)測往往難以滿足鉆井精細施工的要求，而鉆井過程中以經(jīng)驗論為主導(dǎo)，本方法提供了一套科學(xué)評價井壁穩(wěn)定性的方法。

(4)隨著鉆井數(shù)的增加，可在錦州25油田開展系統(tǒng)研究，從而找到該區(qū)塊失穩(wěn)泥巖的分布規(guī)律，從隨鉆評價拓展到鉆前規(guī)律研究，為鉆井施工提供一體化技術(shù)支持。

(5)為實現(xiàn)渤海油田上產(chǎn)4 000×104t，深層井、大位移井增多，本方法為破解其他鉆井作業(yè)難題提供了方法和技術(shù)借鑒。