陸自清 ,高耀全 ,郭 媛
(1.煤炭科學(xué)研究總院,北京 100013;2.中煤科工集團西安研究院有限公司,陜西 西安 710077;3.中國石化西北油田分公司塔河采油二廠,新疆 輪臺 841604)
目前,地面靶向水害治理中的鉆探工程設(shè)計與施工,基本流程是綜合地質(zhì)與物探AutoCAD 圖紙,對隱伏構(gòu)造位置、范圍作出初步判斷,利用鄰井、導(dǎo)眼井鉆遇地層,在二維剖面上開展定向井設(shè)計與導(dǎo)向作業(yè)。雖然這一系列方法在地面靶向水害防治中已經(jīng)取得了較好的效果,但仍存在地質(zhì)目標(biāo)產(chǎn)狀描述困難導(dǎo)致定向井靶向設(shè)計不準(zhǔn)確,地質(zhì)構(gòu)造展布不均勻與地質(zhì)導(dǎo)向動態(tài)調(diào)整不足使得鉆遇率低等問題。為解決水害治理鉆探工程實施中的這一系列痛點,減少“大水漫灌式”注漿工程造成的資源浪費與環(huán)境壓力,提高地面靶向治理的單井效益,下一階段靶向治理中鉆探工程重點研究三維目標(biāo)地質(zhì)體定量表達,優(yōu)化定向井設(shè)計與施工,實現(xiàn)精準(zhǔn)注漿治理[1-2]。
煤礦采區(qū)三維地震,特別是高密度地震推廣范圍和應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大,在井田勘探領(lǐng)域取得了長足的發(fā)展,有效提高了勘探精度,基本解決了區(qū)域性的地質(zhì)構(gòu)造問題[3]。而在鉆探、采掘等地質(zhì)工程領(lǐng)域,地震成果則被壓縮到有限的二維AutoCAD 圖紙上,供工程設(shè)計與施工人員參考。因此,三維地震成果的二維化應(yīng)用有悖于地質(zhì)體三維展布的基本規(guī)律,數(shù)據(jù)中蘊含的地質(zhì)規(guī)律得不到充分利用,數(shù)據(jù)應(yīng)用現(xiàn)狀與工程實踐的實際需求脫節(jié)。為挖掘利用有效信息,拓展三維地震在工程領(lǐng)域的應(yīng)用潛力,強化地質(zhì)、物探、鉆探等多學(xué)科交叉融合,部分油氣行業(yè)專家學(xué)者總結(jié)歸納了地質(zhì)工程一體化理念,即以地震數(shù)據(jù)為中心,將測井、鉆井工程等通過地質(zhì)建模的方式進行融合,首先建立融合多專業(yè)認識的三維地質(zhì)模型,對目標(biāo)區(qū)域進行可視化雕刻實現(xiàn)井軌道優(yōu)化設(shè)計,然后在隨鉆過程中實時追蹤地層變化,更新模型的構(gòu)造與屬性,調(diào)整關(guān)鍵靶點參數(shù),確保鉆頭在地質(zhì)體中持續(xù)鉆進[4-6]。王衛(wèi)等[7]應(yīng)用地震反演技術(shù)提升了應(yīng)用于鉆井導(dǎo)向地質(zhì)模型的精度;高浩峰等[8]采用近鄰算法,融合地震解釋,構(gòu)建鉆頭前方預(yù)測性地質(zhì)模型,調(diào)整鉆頭傾角方位;舒紅林等[9]研究了頁巖氣開發(fā)鉆探過程中,不同應(yīng)用需求下的地質(zhì)建模流程與應(yīng)用,應(yīng)用適時建模優(yōu)化鉆前多分支鉆井井位部署、鉆井過程中地質(zhì)導(dǎo)向以及鉆探后壓裂工程應(yīng)用。
雖然煤礦地面靶向鉆井水害治理中,基于地質(zhì)模型的靶向設(shè)計與優(yōu)化應(yīng)用較少,但其目標(biāo)與需求,同樣契合地質(zhì)工程一體化的基本理念,也具備與油氣行業(yè)鉆探工程幾乎相同的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)及鉆井、測井、錄井技術(shù)與裝備,在常規(guī)地震或高密度地震全面覆蓋的重點礦區(qū),已經(jīng)具備應(yīng)用地質(zhì)模型提高靶向治理效果的潛力。有必要建立多專業(yè)團隊,挖掘現(xiàn)有地震與地質(zhì)勘探資料的潛力,開展地震動態(tài)地質(zhì)建模與定向井優(yōu)化技術(shù)研究與實踐應(yīng)用,強化地質(zhì)與鉆探工程的聯(lián)系?;诖耍疚奶岢隽艘环N基于地震數(shù)據(jù),建立地質(zhì)動態(tài)模型,無縫橋接地質(zhì)模型與鉆探工程,開展定向井優(yōu)化的綜合性方法。
資源開發(fā)生產(chǎn)階段,精準(zhǔn)地質(zhì)勘探是鉆井設(shè)計與施工的基本前提。在不斷提升鉆機裝備定向性能的同時,油氣開發(fā)中的定向井優(yōu)化也經(jīng)歷了3 個典型的技術(shù)發(fā)展階段,鄰井地層對比優(yōu)化(圖1a),井震聯(lián)合對比優(yōu)化(圖1b),地質(zhì)模型優(yōu)化(圖1c)。
圖1 定向井優(yōu)化的3 個發(fā)展階段與水害靶向治理定向井優(yōu)化Fig.1 Three development stages of directional well optimizationand optimization of directional well for targeted treatment of water damage
鄰井地層對比優(yōu)化定向井法存在如下問題:設(shè)計井與鄰井的AutoCAD 連井剖面與地層構(gòu)造發(fā)育方向可能不一致,導(dǎo)致在二維剖面上估算鉆遇地層的參考意義有限,地層深度預(yù)報的效果欠佳。應(yīng)用地震數(shù)據(jù)結(jié)合鄰井地層對比,地層橫向變化識別上有一定的改善,縱向則受制于地震數(shù)據(jù)的精度。地質(zhì)模型則能夠融合多井縱向高分辨與地震橫向高分辨的綜合優(yōu)勢,建立全空間三維模型,給地質(zhì)、鉆探施工人員提供更多元、精準(zhǔn)的設(shè)計視角,更適用于在復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造中設(shè)計軌道參數(shù)。
目前,水害防治定向井設(shè)計主要以鄰井對比法為主,兼顧參考地質(zhì)、地震解釋、井巷揭露等,綜合分析后根據(jù)經(jīng)驗估算鉆井工程參數(shù),施工過程中根據(jù)錄井巖屑狀況,對鉆井軌跡做一定的調(diào)整。這一套技術(shù)流程相對簡單成熟,執(zhí)行效率高,在地層橫向變化小或淺煤層礦井,應(yīng)用效果較好。而在地質(zhì)條件相對復(fù)雜的中深煤層礦井,由于橫向非均質(zhì)性強,縱橫向構(gòu)造相對誤差隨深度逐漸增大等多因素疊加,使得鉆井結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計與目標(biāo)需求存在較大偏差,巖屑錄井遲到時間計算不準(zhǔn)與人工巖性識別偏差的局限也使得鉆井過程的動態(tài)調(diào)整效果有限。
中深煤層礦井地面靶向水害治理定向井鉆探工程與油氣行業(yè)有一定的相似性,鉆機裝備相同,作業(yè)方式近似,但其與油氣定向井追蹤連續(xù)地層的目標(biāo)有一定的區(qū)別,水害防治定向井鉆探的首要任務(wù)是查清局部不規(guī)則地質(zhì)目標(biāo)的幾何形態(tài)(圖1d),以及與注漿效果密切相關(guān)的地質(zhì)目標(biāo)關(guān)鍵屬性。與靜態(tài)二維圖形相比,三維地質(zhì)動態(tài)模型在定量表征復(fù)雜幾何形態(tài)與特定屬性等方面具備獨特的優(yōu)勢,具備提高中深煤層地質(zhì)構(gòu)造與屬性控制精度,并隨鉆遇狀況動態(tài)變化的能力[10-13]。
圖2 為靶向水害治理過程中基于地震數(shù)據(jù)建立地質(zhì)模型開展定向井優(yōu)化的綜合技術(shù)流程,目標(biāo)是優(yōu)化鉆井軌道設(shè)計參數(shù)、優(yōu)化軌跡調(diào)整策略。應(yīng)用體模型建模方法,融合地震數(shù)據(jù)與所有已知地質(zhì)信息,建立三維地質(zhì)模型,提供靜態(tài)鉆井軌跡設(shè)計所需的幾何形態(tài)與屬性要素;據(jù)此設(shè)計鉆井軌道關(guān)鍵參數(shù);并以此地質(zhì)模型為基礎(chǔ),導(dǎo)入隨鉆測井、錄井等實鉆揭露信息,應(yīng)用新增數(shù)據(jù)迭代更新流程,構(gòu)建最新測錄數(shù)據(jù)支撐下的地質(zhì)模型,分析最新模型反映的地質(zhì)狀況變化,形成軌跡調(diào)整策略[14]。
圖2 動態(tài)地質(zhì)建模定向井優(yōu)化Fig.2 Optimization workflow of directional wells based on the 3D dynamic geo-model
按地質(zhì)模型組成主體劃分,地震數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為地質(zhì)模型,建模方法可分為2 大類:基于面的建模方法和基于體的建模方法。
基于面模型的地質(zhì)建模,首先利用有限界面的地震解釋、鉆探、井巷揭露數(shù)據(jù),插值獲得代表地質(zhì)分界面的多個光滑曲面,將頂?shù)浊婧喜⒑?,再對?cè)面進行封邊,最終形成“三維”無縫密閉模型(圖3)。準(zhǔn)確的面元建?;? 個前提條件,一是插值算法形成地層曲面準(zhǔn)確無誤;二是斷層與初始曲面的交切關(guān)系唯一且確定。然而,實際數(shù)據(jù)很難完全滿足上述2 個假設(shè)條件,處理推覆構(gòu)造或X、Y、λ 型斷層等三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)時,常規(guī)算法形成的單一法向面元無法構(gòu)建重復(fù)地層界面,難以描述多重交切關(guān)系,交切關(guān)系修改過程繁瑣復(fù)雜。
圖3 離散面元構(gòu)建“面模型”Fig.3 Surface-based geological model
基于體模型的地質(zhì)建模,是利用連續(xù)地震數(shù)據(jù)三維的空間與振幅特征,建立隱式函數(shù)(Implicit Function,簡稱IF)轉(zhuǎn)化規(guī)則體元或不規(guī)則體元,將地震數(shù)據(jù)蘊含的巖石物理信息轉(zhuǎn)化為地質(zhì)細胞三維網(wǎng)格,再由地質(zhì)細胞搭建三維地質(zhì)模型。實現(xiàn)過程中,首先設(shè)定初始三維體的空間范圍,利用地震數(shù)據(jù)體與相對地質(zhì)年代相對時間一一對應(yīng)的特性,對初始三維體進行屬性約束插值,然后使用地層厚度特征分離所需的層位,獲得三維地質(zhì)細胞四面體網(wǎng)格構(gòu)成的三維地質(zhì)體模型,模型外部形態(tài)即為地層構(gòu)造界面,內(nèi)部地質(zhì)細胞元屬性承載對應(yīng)的巖石特征(圖4)。體模型構(gòu)建過程中,對地震體縱橫向分辨率足以控制的幾何與屬性特征,將地震體的地質(zhì)層位、異常體、屬性等數(shù)據(jù)進行加權(quán),如算術(shù)平均、幾何平均、調(diào)和平均等,按空間坐標(biāo)映射到對應(yīng)的地質(zhì)細胞網(wǎng)格中;對于小于地震分辨率尺度的空間特征,利用地質(zhì)細胞可以無限剖分的特性,構(gòu)建四面體網(wǎng)格的隱函數(shù)解決數(shù)據(jù)相對稀疏與不完整問題。體建模是從立體空間中全局插值,毋需面建模方法兩條假設(shè)的前提條件,具備準(zhǔn)確還原復(fù)雜沉積模式、不規(guī)則地質(zhì)單元結(jié)構(gòu)與復(fù)雜地層交切關(guān)系的能力;同時,基于隱函數(shù)更新的快速迭代方式,較之面建模更新需重復(fù)建模全過程,也具備一定的效率優(yōu)勢。
圖4 三維體構(gòu)建“體模型”Fig.4 Volume-based geological model
基于體模型建模方法的地震動態(tài)地質(zhì)建模理論公式,由多重約束組成,包括控制點約束,光滑梯度約束,間斷點約束。
式中:?controlpoint為控制點約束、?gradient為梯度約束(斷層等)連續(xù)性間斷設(shè)定為0,構(gòu)成隱函數(shù)方程組F,正交三角(QR)分解后求解四面體網(wǎng)格節(jié)點值。
定向井優(yōu)化需要綜合考慮鉆機裝備能力、地質(zhì)任務(wù)、地層條件與目標(biāo)特征。定向井優(yōu)化包括靜態(tài)設(shè)計優(yōu)化與動態(tài)導(dǎo)向調(diào)整優(yōu)化2 個基本目標(biāo)。靜態(tài)設(shè)計階段,與鉆探工程人員共享地質(zhì)模型,在鉆機能力范圍內(nèi),根據(jù)最新地質(zhì)模型的異常區(qū)幾何形態(tài)、地層屬性設(shè)計定向井造斜點、著陸點、工具面、井間距、水平段方位等關(guān)鍵鉆井軌道參數(shù);動態(tài)導(dǎo)向過程中,應(yīng)用實鉆狀況更新地質(zhì)模型,動態(tài)調(diào)整定向井軌跡。
關(guān)鍵要素之一:靶向區(qū)域地層與異常區(qū)三維幾何形態(tài)。精準(zhǔn)還原三維地質(zhì)空間,找準(zhǔn)注漿目標(biāo)是鉆井軌道設(shè)計的第一任務(wù)[15-18]?;诘卣饠?shù)據(jù)的體模型建模方法,在統(tǒng)一三維空間中,構(gòu)建地層、斷層、異常區(qū)等地質(zhì)元素的幾何結(jié)構(gòu)模型后,使得鉆井軌道設(shè)計能夠獲得精準(zhǔn)的空間信息參考。
關(guān)鍵要素之二:水害隱患治理目標(biāo)靶區(qū)地層裂縫屬性。地層異常區(qū)周邊一定范圍內(nèi)的斷裂系統(tǒng)與注漿效果存在較強的相關(guān)性,斷裂系統(tǒng)是奧陶系灰?guī)r第一導(dǎo)水通道,基于斷裂力學(xué)理論,奧陶系灰?guī)r力學(xué)特征受現(xiàn)今應(yīng)力影響下的內(nèi)部初始軟弱結(jié)構(gòu)面的控制,注漿可以填充灰?guī)r初始裂縫,增強巖體的完整性,從而改變巖體的破壞模式,改善巖體的力學(xué)特性。漿液擴散能力決定井間距,裂縫發(fā)育地區(qū)的漿液漏失量較大,且當(dāng)注漿井水平段軌跡方位與斷裂走向垂直時,有利于裂縫張開與漿液擴散。因此,在奧灰水害防治鉆探工程設(shè)計中,優(yōu)化定向井的另一關(guān)鍵是建立目標(biāo)區(qū)域地層裂縫模型,根據(jù)裂縫屬性設(shè)計水平段方位,預(yù)估井間距,達到注入漿液高效填充地下導(dǎo)水裂縫,形成穩(wěn)固膠結(jié)形態(tài)的目標(biāo)[19-23]。
動態(tài)井軌跡優(yōu)化是鉆探過程中更新地質(zhì)模型以動態(tài)調(diào)整靶向策略。由于構(gòu)造的復(fù)雜性和預(yù)測精度限制,鉆前地質(zhì)模型與實際地質(zhì)狀況之間仍會存在一定的誤差,需要利用獲取的新信息不斷更新地質(zhì)模型。模型動態(tài)更新是全局靜態(tài)地質(zhì)認識與局部動態(tài)信息融合的過程,基本方法是應(yīng)用鉆井實鉆的精細構(gòu)造適時更新迭代地質(zhì)模型,提高地質(zhì)構(gòu)造與屬性預(yù)測精度,使得地質(zhì)模型逐漸逼近真實地質(zhì)狀況,給鉆探過程中的靶向調(diào)整提供地質(zhì)依據(jù)[14]。
在靜態(tài)地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上,應(yīng)用巖屑錄井、隨鉆測量與測井?dāng)?shù)據(jù),持續(xù)輸入地質(zhì)模型,以地質(zhì)模型與隨鉆曲線相關(guān)性為基準(zhǔn),擬合更接近實際揭露的精細構(gòu)造與屬性數(shù)據(jù),應(yīng)用全局更新或局部更新建模流程,迭代構(gòu)建新的三維構(gòu)造與巖體屬性。模型的適時更新與地層信息反饋,賦予地質(zhì)目標(biāo)更精準(zhǔn)的地質(zhì)認識,據(jù)此調(diào)整鉆頭傾角與方位,提高鉆探功效。在后續(xù)工作中,更新后的地質(zhì)模型亦可以用于新鉆井或新分支井的靜態(tài)設(shè)計。
淮河能源集團西部公司唐家會煤礦61304 工作面切眼200 m 范圍內(nèi)存在異常區(qū)Y6,井下長鉆孔與其他資料綜合分析確定該異常區(qū)規(guī)模較大且連通奧灰水,為掩護巷道掘進,礦方?jīng)Q定采用地面定向井靶向治理,定點注漿的治理方式。設(shè)計多分支水平定向井,鉆進至目的層,貫通水文異常區(qū),高壓注漿,封堵相互連通的構(gòu)造、裂隙、孔隙等導(dǎo)水通道,達到異常區(qū)治理效果。
4.1.1 幾何形態(tài)建模
該區(qū)域于2014-2015 年開展了高密度三維地震勘探。為了便于研究,截取Y6 異常區(qū)周邊一定范圍內(nèi)的地震數(shù)據(jù)與前期鉆探成果,應(yīng)用體建模方法構(gòu)建地層、斷層、異常區(qū)三維幾何構(gòu)造模型。建立了包含地層、斷層、異常區(qū)等主要地質(zhì)元素的三維區(qū)域地質(zhì)模型(圖5)。
圖5 地震體與地質(zhì)體模型Fig.5 Seismic body and geological body models
4.1.2 裂縫屬性建模
奧陶系裂縫與導(dǎo)水效果、注漿效果密切相關(guān)。與孔隙、滲透率等常規(guī)連續(xù)屬性不同,裂縫屬性屬于多尺度離散變量,裂縫的矢量性(裂縫產(chǎn)狀)與標(biāo)量性(密度、寬度、長度等)描述復(fù)雜,最常用的做法是在統(tǒng)一地質(zhì)模型的拓撲結(jié)構(gòu)中,建立裂縫屬性地質(zhì)模型,相對準(zhǔn)確地描述裂縫形態(tài)[24]。高密度地震對斷裂的響應(yīng)較好,利用螞蟻體算法追蹤與異常區(qū)密切相關(guān)的次級裂縫,將提取的裂縫系統(tǒng)導(dǎo)入幾何模型中,建立離散裂縫網(wǎng)絡(luò)(Discrete Fracture Network,DFN),能夠快速表征裂縫屬性。裂縫強度是反映地層基質(zhì)與裂縫之間連通性的綜合指標(biāo),常用于評價斷裂系統(tǒng)的導(dǎo)通能力。在三維裂縫強度參數(shù)模型中,提取特定深度范圍內(nèi)的水平切片,如圖6 所示,定向井可以參考異常區(qū)范圍內(nèi)裂縫屬性分布,設(shè)計水平段方位與注漿位置。
圖6 異常區(qū)奧陶系頂界面下0~20 m 裂縫平面分布Fig.6 Plane distribution of fractures within 20 m under the Ordovician top in the abnormal area
根據(jù)異常區(qū)形態(tài)與屬性,注漿目標(biāo)設(shè)計為奧灰頂界面下10~20 m,選用“J”型多分支水平井,根據(jù)異常區(qū)三維模型分析,水平段目標(biāo)區(qū)是一個扁平的立體結(jié)構(gòu),不僅要求井眼準(zhǔn)確進入著陸窗口,而且要求井眼的方位與靶區(qū)軸線保持一致。
根據(jù)上述建模成果,綜合考慮地層深度、異常區(qū)幾何形態(tài)、裂縫等,同時考慮狗腿度、井身結(jié)構(gòu)、鉆機性能等多重約束條件,聯(lián)合二維地質(zhì)剖面與三維圖形,拾取關(guān)鍵位置,獲得造斜點、著陸點、工具面方位傾向、完井深度等關(guān)鍵參數(shù),生成定向井軌跡設(shè)計關(guān)鍵圖表(圖7、圖8)。
圖7 多分支井軌道設(shè)計Fig.7 Multilateral well trajectory design
圖8 靶向治理多分支定向井三維軌道Fig.8 Three dimensional trajectory of the multilateral directional well in targeted treatment
ZJ30 定向鉆機配有隨鉆伽馬(GR)測井與無線隨鉆測斜系統(tǒng),體模型中導(dǎo)入隨鉆軌跡與隨鉆伽馬曲線,根據(jù)更新后模型的屬性與地層傾角變化,動態(tài)調(diào)整鉆頭傾向,確保獲得穩(wěn)定的鉆遇率。
圖9 為DY1 第一個分支井鉆至測深1 057 m 處,隨鉆伽馬引入模型后,三維伽馬屬性模型更新前后對比圖。
圖9 三維GR 模型更新Fig.9 3D GR model update
圖10 為更新前后沿井地質(zhì)剖面構(gòu)造變化情況,鉆前地質(zhì)模型的4 煤底板、6 煤底板、奧陶系頂部深度預(yù)測均有一定的誤差,奧灰頂部變化較大,后續(xù)分支井設(shè)計將其他分支井的地層著陸深度從573 m 調(diào)整至542 m。當(dāng)前鉆遇為灰?guī)r,分支井水平段依然保持在異常區(qū)中鉆進(圖10 中黑色投影區(qū)域),但模型地層由水平修正為下傾,可以將當(dāng)前傾角下調(diào)0.5°,保持與地層傾向近似平行,減緩轉(zhuǎn)矩、增加摩阻,減少卡鉆風(fēng)險,提高鉆探效率。
圖10 基于模型剖面的地質(zhì)導(dǎo)向分析Fig.10 Geosteering analysis based on the geological model section
Y6 異常區(qū)治理工程實際累計注入水泥及粉煤灰漿液19 762 m3,共注入水泥及粉煤灰6 664 t,如圖11所示,實鉆井軌跡、裂縫、注漿量疊合圖中,定向井中各注漿點使用球體大小代表相對注漿量,注漿量較大的深度點與裂縫發(fā)育區(qū)域近似重合。截至2021 年12 月1 日,Y6 異常區(qū)已安全回采通過,水害隱患治理成功。
圖11 DY1 實鉆與注漿平面分布Fig.11 DY1 real trajectory and grouting plane map
a.基于模型的鉆井設(shè)計有3 點優(yōu)勢:一是模型剖切能提供與設(shè)計方位角完全一致的地質(zhì)剖面,二是已鉆水平井分支鉆遇更新迭代三維模型,新模型為后續(xù)鉆井設(shè)計提供調(diào)整依據(jù),軌道參數(shù)設(shè)計精度更高,三是在實時地質(zhì)導(dǎo)向過程中,隨鉆曲線對模型的持續(xù)更新,使導(dǎo)向調(diào)整策略有效,達到鉆遇穩(wěn)定的目標(biāo)。
b.基于地震動態(tài)建模的定向井優(yōu)化,使管理人員、技術(shù)人員共享精細地質(zhì)模型成果、深入理解構(gòu)造格架,賦予地質(zhì)工程一體化在防治水工程應(yīng)用領(lǐng)域新的內(nèi)涵,奧灰水害防治的精準(zhǔn)與可視,可以促進異常區(qū)域的精準(zhǔn)探查與高效治理,減少無效鉆注工程的實施。
c.建議持續(xù)推進地質(zhì)建模與鉆探裝備、工藝的結(jié)合,從目標(biāo)治理角度出發(fā),使地質(zhì)模型能夠緊扣地質(zhì)目標(biāo),選用合理的鉆探裝備與工藝,優(yōu)化鉆井設(shè)計,簡化鉆井開次,降低鉆探風(fēng)險、節(jié)約鉆探費用、提升治理效果。