利用绕射信息在裂缝型地层中进行钻前风险评估

梁瑶， 霍守东， 李学良， 舒梦珵， 杨晓， 石太昆

1 中国地质科学院地质研究所， 自然资源部深地动力学重点实验室， 北京 100037 2 中国科学院地质与地球物理研究所， 油气资源研究院重点实验室， 北京 100029 3 中国石油大学(北京)， 北京 102200 4 国勘数字地球(北京)科技有限公司， 北京 100096

在钻井过程中，井漏、井壁坍塌等现象是影响钻进轨迹调整、优化钻进策略的重要风险因素.井漏是指在井下作业中各种工作液(如钻井液、水泥浆、完井液以及其他流体等)在压差作用下直接进入地层的一种井下复杂情况(Feng and Gray, 2017)，不仅会引起卡钻、井壁失稳等事故，还会造成钻井过程中钻井液的浪费与钻井成本的增加.一般来说，井漏包括渗透性滤失、裂缝性滤失、溶洞性滤失等等(Ghalambor et al., 2014; Elkatatny et al., 2020).其中，在裂缝型地层中，由于天然裂缝带发育，较容易在深层、高温高压环境下导致漏失事故(Santarelli et al., 1992).

地震成像资料是智能导钻体系中提供钻进轨迹的重要依据.近年来随着随钻地震技术的发展，成像的精度和深度的准确度逐步提高，所得结果能够有效地精细刻画钻前地质体信息，为钻前目标、风险预测与评估提供指导，从而尽量避免井漏、井塌等钻井事故的发生(杨学民和彭成斌, 2018).

从成像角度，绕射波成像技术通常被认为具有较高的分辨率，能够提供较精细的成像结果，在小尺度非均匀体的探测方面较反射波有更多优势，是开展缝洞型地质体描述的重要研究方向(Hagedoorn, 1954; Liang et al., 2018).大量的研究与实验模拟已经证明了绕射现象的存在及其与特殊构造的关系，断点、断层、薄储层等均能利用绕射波成像获得较好刻画，已经被广泛应用于断裂系统分析(徐德奎等, 2016; 舒梦珵, 2017)、储层描述(赵惊涛等, 2014; Burnett et al., 2015; Merzlikin et al., 2017)、盖层分析(Klokov et al., 2017)等等精细构造描述方面.基于高精度绕射波成像结果，能够有效降低钻井和开发风险，是优化钻井轨迹的有效手段(Benfield et al., 2016).

绕射成像技术已经在实际资料中取得较广泛应用，其超高分辨率的优势也得到了验证.目前通常采用绕射波能量(均方根振幅)进行裂缝密度发育的描述(Klokov et al., 2017)，但得到的绕射波剖面往往信噪比较低或较难解释(Decker et al., 2015; 陈明政等，2015)，除部分绕射信息增强技术外(Zelewski et al., 2016)，缺少进一步针对绕射波成像结果的解释研究；
在刻画缝洞型地质体过程中，由于绕射波结果包含部分噪声，且地震剖面地质体边界处具有一定的离散特性，较难直接应用绕射波成像结果进行裂缝带的刻画，往往需要采用反射波成像和绕射波成像结合的方式进行地质解释(陈明政等，2015；
王志辉, 2017)，极大地限制了绕射波成像结果在实际钻井风险评估中的应用.

本文为满足智能导钻过程中钻井风险评估的需求，在小网格深度域绕射波偏移成像结果的基础上，根据产生绕射波的裂缝破碎带在空间上具有的连续性和可预测性，开展基于绕射信息的断裂带空间描述与预测研究，利用绕射波数据属性提取技术实现裂缝带地质体信息提取，提高了成像结果的可解释度；
方法在顺北5号断裂带奥陶系裂缝型地层的钻井实例中应用，所得结果与井史资料中记录的井漏、卡钻等事故的深度位置吻合程度较高，证明了方法有效性，说明该方法可有效降低钻探风险及成本.

在实际地震波场中，裂缝带产生的绕射波在空间上往往具有连续性和可预测性，基于此特点，在绕射波成像数据基础上，发展了基于梯度结构张量的绕射信息提取技术.

1.1 基于梯度结构张量的绕射波数据属性提取技术

梯度结构张量(Gradient Structural Tensor，GST)利用地震数据在各个方向的梯度向量构造结构矩阵，矩阵的特征值、特征向量分别指示了数据中梯度的主要方向，以及对应方向的相干程度.基于GST发展起来的相干体(张军华等, 2004)、混沌体(Randen et al., 2000)等等计算方法已经在反射地震数据处理中被广泛应用于地震数据中结构特征的精细刻画和分析，例如定性、定量描述断层、河道等地质体引起的不连续反射特征、沉积层理结构特征等等(张军华等, 2007).借鉴GST方法在反射波数据中的应用，本文将该技术应用到适用于绕射波数据体的绕射信息提取处理中.

对于绕射波三维成像数据体，每个振幅点的梯度向量均为x,y,t三个空间方向组成，其中x,y代表平面位置，t为时间纬度，在空间x,y,t处，可以构造三维梯度向量描述地震同相轴的倾角和方位角：

(1)

(2)

对梯度结构张量进行矩阵特征分解：

(3)

利用特征值、特征向量求解方法均可计算上述矩阵的特征向量v1,v2,v3和特征值(λ1,λ2,λ3).对于反射地震数据，对应最大特征值的特征向量垂直于反射同相轴，指示其法线方向；
在绕射地震数据中，对应最大特征值的特征向量往往垂直于较连续的绕射波发育方向，指示在空间上具有连续性的断层或裂缝带的法线方向.

其中v1代表局部领域内对比度最大的方向，通常表征信号的梯度方向，在绕射波数据中同样适用，可用于定义数据中绕射波发育的倾角D，

(4)

和方位角A，

(5)

其中，v1(x)，v1(y)，v1(z)是特征向量v1的三个方向分量.

利用上述得到的方向场信息沿绕射波分布主方向对数据进行构造滤波，使得绕射点在沿主方向上得到平滑，而在垂直于主方向上的绕射点得到分离，不仅达到了去除噪声的目的，而且有效增强了具有空间相关性的绕射信息.

1.2 方法流程

在上述基本原理基础上，本文结合智能导钻在深度精度等方面的需求，提出了如下基于绕射信息的钻前风险评估技术流程(图1)：

图1 基于绕射波的钻前风险评估技术流程

① 反射波叠前深度偏移成像；

② 根据井震标定和关键层位等重要已知信息，确定速度模型，保证成像深度准确性；

③ 根据钻前风险评估需求，进行小网格叠前绕射波成像(Benfield et al., 2016)，采用全方位偏移成像方法(ES360方法，Koren et al., 2008)，该方法在地下角度域由成像点向地面进行射线追踪，获得全方位方位角道集和共倾角道集；
在全方位共倾角道集中，反射波表现为“碗状”结构，点绕射在倾角道集上近似显示为一条直线，断层产生的棱镜波在倾角道集上的固定方位角上分布；
在道集上实现镜像能量(即反射波能量)和绕射能量分离，仅对绕射波进行成像即实现绕射波成像；

④ 计算绕射波均方根振幅属性；

⑤ 构造数据结构张量矩阵，基于GST理论，选取合理时窗，得到绕射波发育主倾角；

⑥ 通过构造平滑方法，获得绕射波属性结果；

⑦ 基于绕射波属性结果，根据绕射波能量强弱，结合反射波属性，推测裂缝带空间展布特征，预测钻前风险区，为下一步钻井部署提供风险预判基础.

2.1 研究区概况

塔里木盆地顺北油气田是我国深层-超深层碳酸盐岩勘探领域的重点地区之一.研究区位于顺北5走滑断裂带上(图2)，该断裂带发育于顺托果勒低隆区中北部(苑雅轩, 2020；
Sun et al., 2021)，勘探目的层为奥陶系碳酸盐岩，是我国典型的“溶洞-断层”类型储层，埋深通常达 7000 多米，奥陶系地层自下而上依次为下统蓬莱坝组、中-下统鹰山组、中统一间房组、上统恰尔巴克组、良里塔格组和桑塔木组.T74为主要标志层，对应恰尔巴克组的底界面(Sun et al., 2021).

图2 顺北5断裂带分布图(基于地震数据沿T74层相干体)

顺北地区的主干断裂带是油气有利富集区带，受多期构造影响，地层溶蚀孔洞与微裂缝发育，空间展布明显受到断裂带边界约束(黄诚等, 2022)，破碎程度高、胶结性差，发育裂缝、微裂缝型以及孔洞型等多种类型储集空间(王珍等, 2022)、运移通道的同时，极易在钻井过程中发生井壁坍塌、钻具阻卡等(瞿长等, 2020)，增加钻井周期，给安全施工带来极大隐患.

2.2 数据基础

本次处理数据为叠前绕射波深度偏移(方法基于Benfield et al., 2016)结果数据，为了尽量满足钻井风险评估的精度需求，井轨迹周围的成像网格为6.25 m×6.25 m；
研究区已做过较多研究工作，区内钻井、地质等资料丰富，井震标定等工作均较准确(瞿长等, 2020)，本文所得成像结果均已经根据井震标定、标志层卡层等处理，保证了成像深度的准确性.

2.3 应用结果

在反射波剖面(图3a)中，利用反射波标志层(T74)和井分层的对应关系，保证速度模型合理性和成像深度准确性；
进一步完成绕射波深度域偏移成像，从绕射波剖面(图3b)中，可以较为清晰地看到连续的绕射波发育带(图3b黑色虚线方框)，该绕射发育带对应了断裂发育区，对于反射波上裂缝形态不清楚的地方，也有较好的响应；
在反射波较连续的区域，地层内部存在小的错断，致使绕射波发育，绕射波剖面上也较为明显地观测到了裂缝的分布，说明绕射波数据体能够对小尺度断层有较为敏感的响应，弥补了反射波对小尺度断层识别的不足.

裂缝带虽然通过绕射波提取得到凸显，通过“反射波看全局，绕射波看局部”(王志辉，2017)的原则能够有效解释断裂带的分布情况，但是所得结果信噪比不高，较难直观地描述裂缝的空间分布情况.

应用基于GST的绕射波数据属性提取技术获得绕射信息提取结果(图4a)，结果突出了断层、裂缝带的空间连续性特征，可以更加清晰地看到裂缝的空间展布；
相比于原始绕射波成像结果(图3b)，更直观地揭示了裂缝带的发育情况.由图可以看出裂缝带以高角度为主，与顺北5走滑断层特征较一致，说明了二者在成因上具有很强的关联性，为进一步应用绕射波成像数据进行地质解释和钻井风险评估提供依据.

图3 过W5井反射波剖面(a)与绕射波剖面(b)对比图

将该结果与反射地震数据的相干数据体(图4b)对比，相干体技术能够较好地描述大尺度断裂系统的空间展布，绕射信息提取结果与相干体所描述的断裂带具有一定的对应关系，说明所描述的裂缝带在大尺度断裂处受区域性构造控制，符合裂缝带空间展布受到断裂带边界约束的地质规律，一定程度上证明了方法的合理性；
同时，绕射信息提取结果揭示了更多的裂缝带分布细节，从较强的绕射波结果可以推断出该地区较大尺度的裂缝系统发育情况，在一些较弱的绕射数据体中能够提取中-小尺度的裂缝空间分布情况.

图4 过顺北W5井绕射信息提取结果剖面(a)与相干体剖面(b)

为了更好地验证方法在钻前风险评估中的应用效果，收集了该地区井漏、卡钻等事故信息，对比绕射信息，讨论裂缝型地层中，绕射波发育情况与钻井风险的关系.区内选取2口钻井资料进行了效果分析讨论.

3.1 顺北W5井

顺北W5井是部署在顺北5号断裂主干断裂带(图1)强挤压段上的一口超深评价井(吴雄军等, 2021).该井奥陶系桑塔木组地层是典型的“隆起+断裂”的构造，具有良好的油气储集空间，但储层段含大段微裂缝发育的灰色泥岩和灰质泥岩，地层破碎性强、胶结性差，坍塌掉块风险巨大.在该地层钻进过程中，钻遇含辉绿岩侵入体的破碎性地层，进至7241.29 m后频繁憋泵、憋停顶驱，返出大量0.5～2 cm掉块(吴雄军等, 2021)，钻具上提下放困难，反复划眼仍难以下放到底，井壁失稳严重；
结合钻井实践和地质资料，认为井壁失稳与奥陶系地层发育大量微纳米级裂缝有关(吴雄军等, 2021)，即此处存在大范围微裂缝聚集.

根据顺北W5井奥陶系破碎段实钻数据，给出奥陶系钻井事故表(表1)，从表中可以看出，钻井进入奥陶系地层后，受到地层高压、裂缝发育等影响，多次漏失或卡钻.将漏失与卡钻位置标记到井资料并投影到绕射信息提取结果中(图5)，通过已知井段的裂缝先验信息与预测裂缝结果进行相互对比.

表1 顺北W5井钻井复杂表

图5 顺北W5井绕射信息提取结果与漏失、卡钻位置对比图

从对比结果可以看出，从浅至深，顺北W5井7038～7055 m漏失段与预测结果吻合较好；
钻井进入奥陶系地层后，裂缝相对发育；
主要卡阻段(7220～7755 m段)正穿过预测的裂缝发育区，其中7220～7241 m与7246～7263 m的卡阻段处于同一裂缝发育区.裂缝带的纵向总体发育趋势与井史裂缝解释结果相吻合，绕射能量越高微裂缝越发育，井史统计微断裂与预测结果吻合，验证了方法在钻井风险评估中的有效性.

3.2 顺北W3井

为了进一步验证方法的可靠性，选取研究区内顺北W3井(图2)进行2次验证.该井经历了4次侧钻(图6中①②③④所示井轨迹)，其中第1次侧钻8066 m阻卡；
第2次侧钻7905.87 m阻卡严重，钻遇断层及微裂缝共同发育区，钻井复杂受中-小尺度断层综合影响；
第4次侧钻7793～7907 m遇卡；
7932 m划眼遇阻，利用井史统计获得多处阻卡带(图6中井上红色方框)，多处钻遇中尺度断层和微裂缝共同发育区域，钻井复杂受中-小尺度断层综合影响.

图6 顺北W3井4次侧钻示意图

从图7可以看出，第1次侧钻在7660～7730 m和7760～7905 m段连续遇阻，并在8065.9 m遇阻后停钻，与所示绕射能量对应较好，说明多处钻遇中尺度断层和微裂缝共同发育区域；
第2次侧钻在7800～7905 m段遇阻后停钻，钻遇绕射相对发育区，推测是由微裂缝带发育导致；
第4次侧钻在6950～6998 m段、7113～7187 m段、7469～7590 m段和7793～7907 m段分别遇阻，从图中可以看出，第4次侧钻均钻遇绕射强发育区，说明该地区绕射十分发育，推测与较大尺度断裂有关.

由上可知，绕射信息预测结果与顺北W3井的已知先验信息之间较为吻合，该方法能够有效描述钻前的裂缝带发育情况，为钻井风险评估、优化钻井轨迹、调整钻井施工策略提供资料依据.

基于GST技术的裂缝描述技术对提高小尺度断裂系统具有良好效果，在不同地区，方法对裂缝识别能力存在差异.对于本研究区，从分析结果可以看出，当绕射能量处于40～60时(图5、6、7，蓝色区域)，能够反映出较小尺度裂缝发育情况，此类裂缝在该地区通常是由较大断层等产生的伴随裂缝，在反射波剖面上往往较难识别(图3a)；
当绕射能量>60时(图5、6、7，红色区域)，通常表征较大尺度裂缝，在本地区与断层、断裂有关.

本文针对在裂缝型地层钻进过程中频发的井漏、卡阻等事故问题，利用绕射波在小尺度断裂系统描述方面的高分辨率优势，结合断裂带的空间连续性和可预测性，提出了基于绕射信息的钻前风险评估方法，提高了绕射波成像结果的信噪比，直观地描述了断裂带空间分布规律.方法应用于顺北地区奥陶系地层的钻井风险评估中，能够较为直观可靠地刻画裂缝带的分布区，为钻井轨迹优化提供资料依据.

(1)基于GST的绕射波数据属性提取技术能够有效提取绕射波成像结果中具有空间连续性的裂缝带信息，极大地提高了绕射信息在地质体描述中的可解释性；

(2)本文提出的基于绕射信息提取技术的小尺度断裂系统描述方法，能够有效描述断裂带分布规律，实现钻前裂缝带空间展布的精细描述，所得结果验证了绕射信息对裂缝带的高分辨能力；

(3)结合顺北奥陶系地层中的实钻资料，对比分析两口井的井漏、阻卡等信息，认为绕射信息提取结果能够很好地描述地下裂缝带发育情况，基于绕射信息的裂缝带分布规律研究能够为优化钻井轨迹、防止钻井事故、实现安全智能导钻提供钻前技术指导.

致谢感谢审稿人和编辑对本文提出的宝贵修改建议.

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