2.1.1 浅层地震速度修正更新技术

浅层一般不进行测井作业, 在缺乏测井数据的情况下, 采用录井层位与地震解释资料相结合的方法修正更新浅层地震速度。假设浅层区域内存在n个地震解释层位, 从上到下分别标记为1, 2, …, n, 可采用从上到下逐层方式更新一维速度。假设在一层内速度存在常数倍的误差且地震解释的层位时间位置等于真实层位的反射波旅行时, 则区域1内第M层速度更新方程如下：

$\sum\limits_{i=1}^{M-1}{\frac{({{z}_{i}}-{{z}_{i-1}})\cos {{\alpha }_{i}}}{{{v}_{\text{upd}, i}}}}+\frac{({{z}_{M}}-{{z}_{M-1}})\cos {{\alpha }_{M}}}{{{c}_{M}}{{v}_{\text{curr}, M}}}={{T}_{^{\text{seis, }M}}}$ （1）

速度的更新过程为递推过程, 即首先以地表为起始, 递推计算后续层位中的参数。通过上述步骤可获得更新后浅层区域内的一维速度, 更新后的速度可使地震成像深度逼近层位的真实深度, 从而为区域2和区域3的速度更新提供更为可靠的基础。

2.1.2 声波测井资料重构更新已测井井段的地震速度

声波测井获得的地层速度信息分辨率较高, 但这种高精度速度信息与地震速度存在尺度差异, 为了更好地将其应用于地震资料的处理中, 需要对声波测井数据进行低频分量重构。首先利用具有保边界特征的中值滤波来消除声波测井中的异常值并一定程度地降低声波测井速度的尺度, 然后再利用高斯平滑方法, 通过尺度因子调节测井速度的尺度, 使其与地震尺度一致, 从而完成已测井段地震速度的重构更新。

2.1.3 地质构造约束建模技术

将前述方法获得的最新一维地震速度进行拼接融合, 两种速度重叠区域以已测井区域的一维地震速度模型为准, 拼接而成的曲线为更新的已钻区域一维地震速度模型, 而后将其扩展至三维空间。已钻井段三维速度建模是一个空间插值问题, 诸多插值算法均可直接应用, 但不同插值算法得到的结果差异很大, 经过反复试验, 偏微分方程中的椭圆方程插值算法^[18]精度最高。地质构造约束建模技术具体流程为：①从偏移剖面中提取地质构造特征, 利用张量表示地质构造, 便于应用到插值过程中; ②采用偏微分方程中的椭圆方程实现构造约束插值; ③对插值结果进行构造约束平滑, 去除插值中可能引入的假象。

2.1.4 多速度信息融合技术

在获得已钻区域插值更新地震速度模型后, 需将其与原始基准地震速度模型融合形成最终已钻井段的地震速度模型。传统地震勘探建立的基准地震速度模型具有分辨率低的特点, 将其与插值更新地震速度模型相融合可借助测录井中的高分辨率信息, 改善地震速度模型的分辨率与精度。由于基准速度模型尺度大, 范围广, 在较大的范围内均具有一定的精度, 而测井获得的速度在测量的井筒附近精度较高, 随着离井距离的增加, 其可靠性降低较快。设定融合的原则为越靠近井轨迹, 插值更新地震速度模型在融合过程中的权重越大。

融合的方式为：利用Gabor变换将地震速度基准模型和地震速度插值模型分别转换到波数域, 在波数域进行融合, 然后利用Gabor逆变换转换回空间域, 最后得到已钻区域更加准确的地震速度模型。由于测井通常只在某一个深度范围内进行, 这会造成没有测量的深度区域或者井分布很少的区域速度可靠性不高。常规傅里叶变换为全局变换, 不能进行分段融合匹配处理。Gabor变换是一种多尺度时频分析技术, 能够得到时间信号的时频谱, 在时频域进行融合匹配处理, 可以更精确地对速度模型进行融合匹配, 得到精度更高的地震速度模型。

为了提高地震速度建模效率, 待钻地层采用参数简化的快速随钻层析技术。与常规的层析偏移速度分析原理类似, 该方法同样利用了成像道集的剩余曲率更新速度参数, 但从两个方面提高了层析效率：①已钻井段的地震速度信息已通过前述方法获得（图2中区域1和区域2）, 这里只更新待钻地层的地震速度参数; 常规层析技术更新整个区域的速度参数, 随钻层析技术则针对待钻区域（见图3）, 通过该种方式可大幅减少模型参数的数量, 提高效率; ②钻前速度分层描述, 分层可与地震解释的层位一致, 如果地震解释的某些层位太厚, 则将其分成多个层位描述。

图3

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	图3 常规层析技术和随钻层析技术差异示意图

以某待更新层为例推导相应的层析方程。深度域共成像点道集层析速度反演中慢度扰动与深度误差的关系^[19]如下：

$\frac{{{v}_{\text{curr}}}}{2\cos \varphi \cos {{\theta }_{1}}}\sum\limits_{i}{{{l}_{1, i}}\Delta {{m}_{i}}}={{z}_{\text{mig}, 1}}-{{z}_{\text{true}}}$ （2）

（2）式需要界面的真实深度参数, 而该参数无法直接获取, 为了消除该限制, 建立另一个反射角度的射线慢度扰动和深度误差的关系：

$\frac{{{v}_{\text{curr}}}}{2\cos \varphi \cos {{\theta }_{2}}}\sum\limits_{i}{{{l}_{2, i}}\Delta {{m}_{i}}}={{z}_{\text{mig}, 2}}-{{z}_{\text{true}}}$ （3）

在更新区域通过（2）式与（3）式之差建立层状介质假设的层析方程为：

$\frac{{{v}_{\text{curr}}}}{2\cos \varphi }\left( \frac{\sum\limits_{i}{{{l}_{1, i}}\Delta {{m}_{i}}}}{\cos {{\theta }_{1}}}-\frac{\sum\limits_{i}{{{l}_{2, i}}\Delta {{m}_{i}}}}{\cos {{\theta }_{2}}} \right)={{z}_{\text{mig}, 1}}-{{z}_{\text{mig}, 2}}$ （4）

其中

$\Delta m=\frac{1}{{{v}_{\text{upd}}}}-\frac{1}{{{v}_{\text{curr}}}}={{c}_{0}}+{{c}_{1}}\frac{1}{{{v}_{\text{curr}}}}-\frac{1}{{{v}_{\text{curr}}}}$ （5）

（4）式为成像道集上单偏移距信息所构造的线性方程, 由成像道集上不同偏移距（即不同反射射线角度的成像数据）信息可以构建一个线性方程组, 即层析方程组。通过求解层析方程组可得到每一层的模型参数c₀和c₁。然后可采用下式对速度进行更新：

$\frac{1}{{{v}_{\text{upd}}}}={{c}_{0}}+{{c}_{1}}\frac{1}{{{v}_{\text{curr}}}}$ （6）

地质特征包括地层产状、构造、岩性、流体等属性, 钻井工作者最关注的地质特征包括层位、岩性、地层倾角、断裂带、不整合面、缝洞体等。利用更新后的待钻地层地震成像体数据, 提取地震体的倾角方位角属性^[20], 并以其为约束条件提取地震体的相干属性^{[21, 22]}, 可较为准确地预测待钻地层倾角、判断断层与裂缝带的存在及其位置, 利用常规地震解释方法可预测与修正待钻地层层位、岩性等地质特征, 减少相关误差。

钻井地质环境因素是指对安全高效钻井有直接影响的地质因素, 主要包括岩石可钻性、地层压力（孔隙压力、破裂压力、坍塌压力）、岩石力学参数、地层潜在危险因素及钻井模型中的基础数据等, 利用修正后待钻地层的较高精度地震速度模型与钻井环境地质因素的具体描述计算方法^{[23, 24, 25, 26, 27, 28, 29]}, 可以实现待钻地层钻井地质环境因素的快速描述。

随着正钻井的不断加深与地震速度模型的修正更新, 对待钻地层的地质特征和钻井地质环境因素的预测与描述精度会显著提高。基于预测的地质特征、描述的钻井地质环境因素与预报的钻头前地层可能出现的风险, 钻井技术人员可以有针对性地制定有关技术措施, 优化钻井参数, 调整钻井方案, 避免或减少复杂故障, 提高钻井效率、降低钻井成本。

A井测井井段涵盖较全, 因此仅采用二开井段声波测井数据（未使用录井层位信息）重构获得如图4所示一维地震速度约束信息。按照随钻地震速度快速更新技术, 以图4b中所示速度为基础, 运用构造约束插值并与原始地震速度融合（权重10%）得到已钻地层（二开以上）的新速度模型。

图4

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	图4 声波测井数据重构

以新速度模型为基础, 运用待钻地层地震速度预测技术得到钻头前待钻地层的速度模型（见图5、图6）, 经过深度偏移处理后形成了如图7所示全新的地震剖面。与老剖面相比, 已钻地层修正后的地震剖面在2 480~2 600 m显示出更为清晰的断层面, 与实钻井漏点对应良好; 同时可以看到地层横向变化明显, 部分断面位置变化明显, 关键层位纵向深度也有相应调整。

图5

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	图5 修正前后地震成像速度模型

图6

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	图6 修正前后沿钻井轨迹一维地震速度模型与速度差

图7

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	图7 修正前后井周地震成像剖面

利用新地震数据提取的相干属性剖面（见图8）显示待钻地层中无明显裂缝带存在。完钻井资料证实老剖面解释的标志层位与实钻层位误差（91 m）较大, 新修正剖面解释标志层与实钻深度更为吻合（见图7）, 误差（23 m）大大减小, 新剖面的保真度有了显著提高。跟踪待钻地层钻进状况显示无裂缝性漏失发生, 证明无明显裂缝带存在的新工程地质认识具有较高可信度。

图8

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	图8 修正前后井周相干数据

A井钻井设计中, 钻前预测三开井段地层孔隙压力当量密度为0.95~1.10 g/cm³, 设计钻井液密度为1.15~1.24 g/cm³。根据地层有效应力原理和井壁稳定力学方法, 三开井段重点修正了地层孔隙压力、坍塌压力、破裂压力预测结果（见图9）。由图可见本井段孔隙压力系数为1.02~1.12, 破裂压力系数为1.65~1.83, 预测坍塌压力波动幅度较大, 易塌泥岩段（测深3 720~3 950 m与4 310~4 600 m）坍塌压力系数为1.18~1.38, 估算漏失当量密度不低于1.41 g/cm³, 同时参考无明显裂缝带存在的认识, 判断发生大量漏失的潜在风险相对较小。在全面考虑提速、控制井塌和井漏等风险因素后, 确定将本井三开井段钻井液密度提升到1.24~1.34 g/cm³。实钻采用聚胺高效抑制型钻井液体系, 基本未发生地层漏失与井壁失稳（符合判断预测）, 顺利钻完三开地层后完钻。

图9

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	图9 修正后待钻地层压力系统

完钻资料证实, 本井段3 430 m处破裂压力系数实测值1.67, 4 850 m处实测地层孔隙压力系数1.13, 修正预测精度均超过90%; 泥岩段平均井径扩大率为8.70%, 与邻井井径扩大率20.94%相比减小12.24%。

采用修正地震速度模型建立了三开井段待钻地层的岩石可钻性级值剖面（见图10）, 结合成像结果和邻井实钻情况, 预测3 790 m以浅地层为玄武岩及安山岩, 可钻性级值为5.3~8.7, 3 790 m以深地层为砂砾岩和泥岩互层, 可钻性级值为5.2~7.2。根据可钻性级值选择KPM1642ART与M1655FGA型钻头, 优化推荐钻进参数为钻压80~100 kN, 转速50 r/min, 排量28~30 L/s, 泵压17.5 MPa。实钻证明钻头应用及参数优化取得较好的提速效果, 三开平均机械钻速4.96 m/h, 较之邻井的4.09 m/h提高21.3%。

图10

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	图10 三开井段待钻地层的岩石可钻性级值预测剖面

A井实践表明井震信息融合指导钻井技术在钻井实时优化指导方面作用明显, 潜力巨大, 具有广阔的应用前景。