方春曉　王慶文（.東北石油大學(xué)，黑龍江大慶 63000；.沈陽(yáng)采油廠地質(zhì)大隊(duì)，遼寧沈陽(yáng) 0000）

基于遺傳算法的鉆井地質(zhì)特征預(yù)測(cè)方法研究

方春曉1王慶文2
（1.東北石油大學(xué)，黑龍江大慶 163000；2.沈陽(yáng)采油廠地質(zhì)大隊(duì)，遼寧沈陽(yáng) 110000）

石油勘探與開發(fā)過程受到不同地質(zhì)條件的影響，給鉆井施工帶來(lái)較大的困難和危險(xiǎn)，為此本文對(duì)基于對(duì)稱理論，利用遺傳算法提取鉆井施工的特征參數(shù)，通過分析其變化趨勢(shì)對(duì)地層壓力進(jìn)行監(jiān)控并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，該方法可以提高地質(zhì)壓力預(yù)測(cè)的精度，客觀地反映井下地質(zhì)特征，減少地層變化給鉆井地質(zhì)預(yù)測(cè)帶來(lái)的不確定性，為鉆井地質(zhì)設(shè)計(jì)提供了可靠的科學(xué)依據(jù)。

地質(zhì)特征參數(shù) 地層壓力 地層巖性識(shí)別 壓力預(yù)測(cè) 遺傳算法

鉆井施工隨時(shí)可能遇到不同的地質(zhì)因素，如巖層壓力的變化、巖質(zhì)的不同等，這些因素給施工作業(yè)帶來(lái)很大的操作風(fēng)險(xiǎn)并威脅著施工人員的人身安全。因此在施工之前需要進(jìn)行鉆井地質(zhì)預(yù)測(cè)與設(shè)計(jì)。石油勘探過程中，與地質(zhì)特征預(yù)測(cè)相關(guān)的信息很多，如區(qū)域地地震、重磁、地層壓力變化等信息，通常這些信息會(huì)在石油開發(fā)過程中記錄在測(cè)井、錄井和隨鉆的數(shù)據(jù)中。由于其具有數(shù)據(jù)量大、且數(shù)據(jù)參數(shù)多、噪聲強(qiáng)、隨機(jī)誤差大等原因，處理難度較高，影響了地質(zhì)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和效率。傳統(tǒng)的鉆井地質(zhì)預(yù)測(cè)仍采用與參考區(qū)域的井史資料及測(cè)井、錄井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)比的方式對(duì)新開發(fā)區(qū)域的地質(zhì)特征進(jìn)行預(yù)測(cè)，由于地質(zhì)變化的不確定性，很大程度上影響到預(yù)測(cè)的精度。

鉆井地質(zhì)特征預(yù)測(cè)方法綜述鉆井地質(zhì)特征參數(shù)是與鉆井工程施工相關(guān)的巖石力學(xué)信息的集合，鉆井地質(zhì)特征參數(shù)的預(yù)測(cè)是對(duì)鉆井施工地質(zhì)環(huán)境的定量評(píng)估，對(duì)于合理進(jìn)行鉆井地質(zhì)設(shè)計(jì)，避免井噴、井塌等鉆井事故的產(chǎn)生有著重要意義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鉆井地質(zhì)特征預(yù)測(cè)做了很多研究，相關(guān)的研究報(bào)道綜述如下： Hottmann、Forster等對(duì)地層等效深度和有效應(yīng)力理論對(duì)地層壓力預(yù)測(cè)進(jìn)行了研究［1-2］；Boatman，Bingham，等關(guān)注鉆速與鉆探的其他參數(shù)之間的關(guān)系，并將鉆井過程中獲得的地質(zhì)特征數(shù)據(jù)用于地層壓力預(yù)測(cè)中。［3-4］

1　機(jī)械鉆速建模

在常規(guī)的鉆井施工過程中，鉆進(jìn)速度是反映地層壓力變化的一個(gè)重要特征參數(shù)，因而以鉆速建模為基礎(chǔ)進(jìn)行鉆井地質(zhì)參數(shù)識(shí)別與預(yù)測(cè)，是本文監(jiān)測(cè)地層壓力的主要思路。依據(jù)巖石硬度與破碎比能的概念，考慮鉆頭直徑、比水功率和鉆壓對(duì)鉆進(jìn)速度的影響。鉆速方程可表述為：

式中：VZT為機(jī)械鉆速；PZ為鉆壓；PL為極限鉆壓；Vr為轉(zhuǎn)速；HPJ為鉆頭比水功率；Db為鉆頭直徑；Kd為可鉆性級(jí)值；Dp為井底壓差；α為轉(zhuǎn)速指數(shù)； β為水力指數(shù)； ε為壓差系數(shù)。

為計(jì)算機(jī)械鉆速方程中的鉆速，需要確定PL、Kd、 α、 β、 ε這些特征參數(shù)的值。根據(jù)對(duì)稱原理，假設(shè)地層壓力與地層中的水壓力相等，井底壓差取決于井深、鉆井液密度和地層壓力，為確定反映鉆進(jìn)過程的特征參數(shù)，可通過逆運(yùn)算法計(jì)算出來(lái)。

表1　沈67井某段鉆井特征參數(shù)

2　基于遺傳算法的特征參數(shù)求解

遺傳算法是目前較為先進(jìn)且科學(xué)應(yīng)用廣泛的優(yōu)化算法，通過模擬生物進(jìn)化過程，使生物種群在限定環(huán)境下競(jìng)爭(zhēng)，優(yōu)勝劣汰，從而求得適合要求的最優(yōu)解。遺傳算子作用于被優(yōu)化的個(gè)體，個(gè)體表現(xiàn)出的形態(tài)和特征完全取決于染色體基因的組成。在此過程中，應(yīng)注意對(duì)問題進(jìn)行詳盡的描述與分析，確定優(yōu)化過程中的關(guān)鍵參數(shù)和參數(shù)的值域，由這些特征參數(shù)組成的個(gè)體共同構(gòu)成了初始解空間。

使用遺傳算法，對(duì)一組給定的特征變量和函數(shù)目標(biāo)，利用遺傳算子按照一定方式隨機(jī)變換待定參數(shù)值，在解空間內(nèi)隨機(jī)搜索尋求函數(shù)最優(yōu)解。在本應(yīng)用中，個(gè)體為 PL、Kd、α、 β、 ε這五個(gè)特征參數(shù)。鉆進(jìn)過程的特征參數(shù)空間可用一個(gè)二維數(shù)組 E（i，j）來(lái)描述，其中i表示變量維數(shù)，j=1，2，3，4，5分別代表各特征變量。個(gè)體適應(yīng)度函數(shù)定義為：

其中，VZT為鉆頭理論鉆速； VaZT為實(shí)際鉆頭的鉆速。

3　地層壓力異常值的識(shí)別

根據(jù)公式（1），利用遺傳算法對(duì)鉆井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以得至描述鉆頭與地層壓力相互作用及鉆進(jìn)過程的特征參數(shù)之間的關(guān)系。為驗(yàn)證遺傳算法最優(yōu)化參數(shù)的正確性，可以采用下列公式來(lái)計(jì)算壓力特征比因子：

其中，iA為特征參數(shù)，0iA 為井底壓差為零時(shí)的特征參數(shù)，maxiA為特征參數(shù)的最大值。

這個(gè)參數(shù)說明了特征參數(shù)反映地層孔隙流體壓力變化的能力，實(shí)時(shí)觀測(cè)鉆井特征參數(shù)，當(dāng)參數(shù)值變化波動(dòng)較大時(shí)，說明地質(zhì)情況不穩(wěn)定，井底壓差越大，鉆井液密度與儲(chǔ)層的孔隙流體壓力梯度越低，容易發(fā)生井涌，引起井噴，嚴(yán)重危及人員和設(shè)備的安全。因此，需要根據(jù)測(cè)得的鉆進(jìn)特征參數(shù)的變化，觀測(cè)地層壓力特征比因子，對(duì)地質(zhì)的變化做出預(yù)判。

4　應(yīng)用實(shí)例

以沈67井的井段為例，觀測(cè)該井段地層孔隙壓力高壓層前后鉆井特征參數(shù)變化的規(guī)律。首先要對(duì)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)預(yù)處理，得到機(jī)械鉆速方程模型的特征參數(shù)（鉆速 VZT；鉆壓PZ；轉(zhuǎn)速 Vr；鉆頭比水功率HPJ；鉆頭直徑 Db； D井底壓差p），其中 VZT、 PZ、 Vr、 Db可通過錄井?dāng)?shù)據(jù)獲得，HPJ和 Dp可經(jīng)由工程錄井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算得到。數(shù)據(jù)處理后，通過計(jì)算得到五個(gè)特征參數(shù)值及計(jì)算的鉆速值。如表1所示。

其中： Kd為可鉆性級(jí)值，PL為門限鉆壓，α為壓差系數(shù)，β為轉(zhuǎn)速指數(shù)，ε為水力指數(shù)，PZ為鉆井液密度。

從表中可以看出，當(dāng)鉆頭鉆入地質(zhì)高壓層時(shí)，五個(gè)特征參數(shù)的數(shù)值突然下降，儲(chǔ)層的孔隙流體壓力梯度為1.81 g/cm3，若此時(shí)在鉆進(jìn)過程中用密度為1.19 g/cm3的鉆井液施工，則因壓力差會(huì)出現(xiàn)了嚴(yán)重的井涌。因此實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)地層孔隙流體壓力為判斷施工中何時(shí)出現(xiàn)高壓層提供了判斷依據(jù)，也為鉆井的安全作業(yè)提供比較可靠的安全保證。

5　結(jié)語(yǔ)

依據(jù)對(duì)稱理論，結(jié)合鉆井鉆速方程，利用遺傳算法提取與鉆速相關(guān)的地質(zhì)特征參數(shù)。通過分析特征參數(shù)隨鉆進(jìn)深度的變化趨勢(shì)，獲得異常地層孔隙流體壓力識(shí)別的方法，同時(shí)得到對(duì)井底壓差影響敏感的特征參數(shù)作為觀測(cè)對(duì)象。新方法對(duì)提高地層壓力觀測(cè)精度，預(yù)測(cè)地質(zhì)特性和地層壓力分布特點(diǎn)具有客觀預(yù)判性，實(shí)踐結(jié)果表明，該方法有效可行，有助于鉆井地質(zhì)設(shè)計(jì)和后期的鉆探施工安全。

［1］Hottmann，C.E.Johnson，R.K.Estimation of formation pressures from log-derived shale properties［J］.Journal of Petroleum Technology，1965，17（6）：717-722.

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