高永德， 劉 鵬， 杜 超， 陳 鳴， 陳艷艷

（1. 中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057；2. 斯倫貝謝中國公司，北京 100015）

鶯歌海盆地有著豐富的天然氣資源[1]，同時也存在異常高溫高壓地層[2–6]。東方X區(qū)塊位于鶯歌海盆地的鶯歌海凹陷南部，具有良好的成藏地質(zhì)條件，但該區(qū)塊構(gòu)造復(fù)雜、巖性預(yù)測難、存在異常高溫高壓地層，并且安全密度窗口窄，造成鉆井作業(yè)風(fēng)險高，給鉆井、地質(zhì)工程帶來了極大挑戰(zhàn)。

針對異常高壓地層的鉆探風(fēng)險，近年來主要利用井筒電纜VSP資料預(yù)測地層壓力[7–10]，或利用隨鉆聲波測井資料進行地層壓力預(yù)測和監(jiān)測[11–12]，或?qū)㈦娎|VSP資料和隨鉆聲波測井資料相結(jié)合監(jiān)測地層壓力[13]。但是，利用電纜VSP資料預(yù)測地層壓力存在以下不足：1）進行一次電纜VSP測量需要3～5 d時間，作業(yè)時間長；2）利用電纜VSP資料預(yù)測目的層地層壓力的精度與測量時井底距目的層的距離密切相關(guān)，需要盡量靠近目的層才能獲得較高的預(yù)測精度。隨鉆地震技術(shù)將隨鉆地震資料和其他隨鉆測井?dāng)?shù)據(jù)實時結(jié)合起來，實時更新時深關(guān)系，標(biāo)定層位，隨鉆監(jiān)測鉆頭前方地層壓力。與電纜VSP相比，其具有以下技術(shù)優(yōu)勢：1）時效性。隨鉆地震是在接鉆柱間隙進行數(shù)據(jù)采集，不額外占用平臺時間。2）實時性。隨鉆地震數(shù)據(jù)通過鉆井液脈沖遙測系統(tǒng)實時傳輸?shù)降孛婧徒忉屩行摹?）重復(fù)性。隨鉆地震在同一深度或關(guān)鍵層位可重復(fù)測量，從而保障數(shù)據(jù)和監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。4）實用性。隨鉆地震可以邊鉆邊測，而不是靠近目的層才開始測量。

鑒于隨鉆地震技術(shù)具有上述優(yōu)勢，東方X區(qū)塊的第一口探井DF-X1井在鉆井過程中應(yīng)用了隨鉆地震技術(shù)，不僅獲得了高質(zhì)量的時深關(guān)系，準(zhǔn)確預(yù)測了關(guān)鍵標(biāo)志層位T30、T31和儲層黃流組二段A1砂體的深度，而且在鉆入高壓儲層之前準(zhǔn)確預(yù)測了高壓儲層的孔隙壓力系數(shù)和破裂壓力系數(shù)，并利用該技術(shù)優(yōu)化了鉆井參數(shù)，成功將φ244.5 mm套管下至高壓儲層上部的泥巖層，確保了高壓儲層φ212.7 mm井段有可控的安全密度窗口，保證了該井的順利完鉆。

1 隨鉆地震數(shù)據(jù)的采集

隨鉆地震技術(shù)利用隨鉆地震儀器測量地震波從地表傳播到井下接收器之間的時間，并記錄4分量波形數(shù)據(jù)以提高解釋精度。采用氣槍震源在地表或者海面激發(fā)地震波，鉆具組合中的隨鉆地震儀器在井眼中進行數(shù)據(jù)采集。該技術(shù)最大的特點是具有實時性，能夠提供實時時深關(guān)系、速度和波場數(shù)據(jù)，并且是在接鉆桿的間隙進行震源激發(fā)和數(shù)據(jù)采集，不額外占用平臺時間。由于地面地震速度信息的不確定性，鉆前的時深關(guān)系模型往往存在較大的不確定性。隨鉆地震seismicVISION測量儀器可減小這種不確定性，在直井利用該儀器可預(yù)測鉆頭前方的層位和地層壓力，為鉆井決策提供依據(jù)，降低鉆井風(fēng)險。

seismicVISION測量儀器內(nèi)有4個傳感器、1個井下處理器和1塊內(nèi)存。4個傳感器為3個正交分量檢波器和1個水聽器。DF-X1井采用的seismic VISION測量儀器耐溫150 ℃，耐壓172.25 MPa。隨鉆地震數(shù)據(jù)采集如圖1所示。其工作流程為：在連接鉆桿的過程中，鉆井作業(yè)和循環(huán)作業(yè)均停止，氣槍震源激發(fā)，每一道數(shù)據(jù)震源激發(fā)10～15次，seismicVISION測量儀器實時記錄地震數(shù)據(jù)，地震數(shù)據(jù)在井下完成自動疊加和初至拾取。時長約500 ms的地震數(shù)據(jù)通過鉆井液脈沖遙測系統(tǒng)傳輸至地面，然后通過網(wǎng)絡(luò)將地震數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)處理中心，處理人員對初至?xí)r間拾取進行快速質(zhì)量控制，獲得時深關(guān)系。此外對實時數(shù)據(jù)進行波場處理，獲得走廊疊加道。使用上述時深關(guān)系將時間域的地面地震剖面轉(zhuǎn)換到深度域，從而獲得目的層位的深度信息，進而了解鉆頭當(dāng)前位置與目的層之間的距離。實時作業(yè)過程中，每接收到一個深度的地震數(shù)據(jù)，都要完成上述處理過程。

圖 1 隨鉆地震數(shù)據(jù)采集示意Fig.1 Schematic of seismic data acquisition while drilling

2 隨鉆地震數(shù)據(jù)的處理與利用

2.1 實時時深關(guān)系和層位標(biāo)定

隨鉆地震數(shù)據(jù)的處理方法與電纜VSP基本相同，處理流程如圖2所示。隨鉆地震數(shù)據(jù)處理可以分為常規(guī)處理和特殊處理2部分。其中，常規(guī)處理主要包括數(shù)據(jù)疊加、初至提取、頻譜分析、靜校正、振幅恢復(fù)、波場分離、反褶積和走廊疊加。不同于電纜VSP，隨鉆地震的初至?xí)r間拾取可以在井下自動完成并傳至地面，解釋人員進行現(xiàn)場質(zhì)控后得到初至?xí)r間，通過幾何校正將其校正為垂直入射時間，得到時深關(guān)系。

圖 2 隨鉆地震數(shù)據(jù)處理流程Fig. 2 Process flow of seismic data while drilling

走廊疊加處理后，通過對比走廊疊加道和地面地震剖面，對主要標(biāo)志層位進行標(biāo)定，以確定走廊疊加道和地面地震之間的時間漂移量。然后，再對比地面地震提取的時深關(guān)系，更新鉆頭前方地層的預(yù)測深度，確定高壓層位置。

2.2 波阻抗反演獲取地層層速度

隨鉆地震數(shù)據(jù)的特殊處理，主要是進行貝葉斯波阻抗反演得到鉆頭前方地層的層速度[14]?；诘卣瘃薹e模型，地震記錄可以看作是震源子波和地層界面反射系數(shù)的褶積：

式中：t為時間，s；S(t)為地震記錄，本文采用隨鉆地震數(shù)據(jù)處理后得到的上行波場走廊疊加結(jié)果；W(t)為地震子波，可以從隨鉆地震數(shù)據(jù)處理后的下行波場中提??；R(t)為地層界面的反射系數(shù)。

按照水平層狀地層模型，地層界面的反射系數(shù)和波阻抗的關(guān)系可以表示為：

式中：i指第i個地層界面；Zi+1為第i+1層的波阻抗，kg/（s·m2）；Zi為第i層的波阻抗，kg/（s·m2）；Ri為第i個界面的反射系數(shù)。

根據(jù)式（1）得到反射系數(shù)序列，再根據(jù)式（2）得到波阻抗剖面。波阻抗為地震波在地層中的傳播速度和地層密度的乘積，其表達式為：

式中：ρi為地層密度，kg/m3；vi為地層的層速度，m/s。

反演得到波阻抗剖面后，再輸入地層的密度就可以得到地層的層速度剖面，包括鉆頭前方未鉆地層的層速度。未鉆地層的密度采用鄰井相同地層的實測密度或根據(jù)研究區(qū)域的經(jīng)驗直接輸入密度常值。獲得鉆頭前方地層的層速度后，就可以用其來預(yù)測鉆頭前方地層的壓力。

2.3 隨鉆地震地層壓力監(jiān)測

地層壓力監(jiān)測主要是監(jiān)測地層的孔隙壓力和破裂壓力。地層孔隙壓力通常是指地層孔隙中流體的壓力，若地層中的流體壓力因某種地質(zhì)條件的作用高于正常靜水壓力，則稱之為地層超壓或地層異常高壓。地層破裂壓力是指鉆井過程中使井壁巖石產(chǎn)生破裂形成裂縫的鉆井液液柱壓力。

有關(guān)地層孔隙壓力和破裂壓力的計算，目前已有很多經(jīng)驗方法[15–19]。東方X區(qū)塊目的層及其上覆巖層主要為砂泥巖地層，可采用Eaton法[20]計算該區(qū)塊地層的孔隙壓力，計算公式為：

式中：pp為地層孔隙壓力，Pa；σv為上覆巖層壓力，Pa；pn為正常靜水壓力，Pa；Δt為實測地層聲波時差，μs/m；Δtn為地層正常壓實情況下的聲波時差，μs/m。

上覆巖層壓力通過對上覆海水和地層密度積分得到[21]：

式中：ρw為海水密度，通常為（1.03～1.06）×103kg/m3；g為重力加速度，m2/s；h為海水層厚度，m；ρi為第i層的地層密度，kg/m3；ΔDi為深度采樣間隔，m。

地層破裂壓力采用Eaton關(guān)系式[22]計算，其計算公式為：

式中：pf為地層破裂壓力，Pa；μ為泊松比。

在缺少實測數(shù)據(jù)的情況下，可以利用泊松比隨深度變化的關(guān)系式計算泊松比：

隨鉆壓力監(jiān)測工作流程主要包括3方面（見圖3）：1）鉆前壓力預(yù)測。基于鄰井的測井?dāng)?shù)據(jù)及鉆井、地質(zhì)和地震資料，建立鉆前壓力預(yù)測模型。2）隨鉆壓力監(jiān)測。利用隨鉆地震數(shù)據(jù)、隨鉆測量數(shù)據(jù)、鉆井和錄井等資料，實時監(jiān)測當(dāng)前地層和鉆頭前方地層的孔隙壓力與破裂壓力，結(jié)合井下的當(dāng)量循環(huán)密度（ECD）和井況，預(yù)防鉆井風(fēng)險。3）鉆后評估。根據(jù)實測壓力數(shù)據(jù)標(biāo)定地層壓力預(yù)測結(jié)果，改進、完善地層壓力預(yù)測模型。

圖 3 地層壓力監(jiān)測工作流程Fig. 3 Workflow of formation pressure monitoring

鉆井過程中，根據(jù)隨鉆地震提供的實時時深關(guān)系標(biāo)定層位，利用隨鉆地震數(shù)據(jù)，聲波、伽馬和電阻率測井曲線及錄井?dāng)?shù)據(jù)等，實時監(jiān)測地層的孔隙壓力和破裂壓力。對于鉆頭前方未鉆地層，利用隨鉆地震獲得地層的層速度計算孔隙壓力和破裂壓力，實時提供前方地層壓力的變化趨勢，優(yōu)化鉆井液的密度，確保鉆井安全。

3 隨鉆地震資料的應(yīng)用

DF-X1預(yù)探井位于鶯歌海盆地鶯歌海凹陷的東方X構(gòu)造，鉆探目的是落實黃流組二段海底扇含氣性和天然氣資源量，主要目的層為黃流組二段A1砂體。圖4所示為DF-X1井過井地面地震剖面，主要地震標(biāo)志界面有T30、T31和T40。A1砂體為海底扇水道砂，海底扇整體處于“泥包砂”沉積環(huán)境中。東方X區(qū)塊的目的層溫度為185～190 ℃，預(yù)測地層孔隙壓力系數(shù)在2.1以上，是典型的高溫高壓風(fēng)險區(qū)。

圖 4 DF-X1井過井地面地震剖面Fig.4 Surface seismic profile of Well DF-X1

3.1 隨鉆地震數(shù)據(jù)采集和處理

根據(jù)DF-X1井實際鉆井情況，震源采用3個G-Gun空氣槍組合，位于海平面下6.80 m處，單個氣槍壓力15.16～16.19 MPa。井下使用seismic VISION測量儀器，采集4分量（水聽器+3分量檢波器）地震數(shù)據(jù)，道間距為14.40 m。DF-X1井中進行了3次隨鉆地震數(shù)據(jù)采集（見表1），共計采集96道地震數(shù)據(jù)，測量井段共計1 004.16 m。隨鉆地震第一次數(shù)據(jù)采集是在φ339.7 mm套管內(nèi)進行的，第二次和第三次數(shù)據(jù)采集是在φ311.1 mm裸眼井中進行的。

鉆井液脈沖遙測系統(tǒng)將地震波形數(shù)據(jù)和自動拾取的初至?xí)r間從井下傳輸至地面，然后通過平臺加密網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)教幚碇行?。對接收到的?shù)據(jù)進行檢查，控制其質(zhì)量，并審核井下自動拾取的初至?xí)r間獲得時深關(guān)系。圖5所示為3次隨鉆地震實時波形數(shù)據(jù)。由圖5可知，初至起跳干脆（拾取的初至?xí)r間為紅色實線）。

表 1 DF-X1井隨鉆地震各趟采集參數(shù)Table 1 Parameters acquisition of each run in Well DF-X1 by seismic while drilling

圖 5 DF-X1井隨鉆地震實時數(shù)據(jù)Fig.5 Real-time seismic data while drilling in Well DF-X1

3.2 地層深度預(yù)測

實時作業(yè)過程中，每接收到一個深度的地震數(shù)據(jù)，都要進行上述處理過程。下面詳細介紹第三次隨鉆地震數(shù)據(jù)的處理情況。圖6所示為第三次實時時深關(guān)系和鉆前時深關(guān)系的對比情況。從圖6可以看出：在深度較淺時，相同時間下鉆前預(yù)測模型預(yù)測的深度與隨鉆地震數(shù)據(jù)的深度有差別，隨著深度增大二者逐漸靠近。

圖 6 隨鉆地震實時時深關(guān)系與鉆前及鄰井時深關(guān)系對比Fig. 6 Comparison of the real-time time-depth relationship among seismic while drilling, the pre-drilling and that in adjacent wells

對實時隨鉆地震數(shù)據(jù)進行波場處理，獲得走廊疊加道。通過對比走廊疊加道和地面地震，獲得地面地震雙程時的漂移量。DF-X1井的走廊疊加道和地面地震存在17 ms的雙程時時差。對從時間域地震數(shù)據(jù)上的層位雙程時做相應(yīng)漂移，漂移之后二者基本對應(yīng)。根據(jù)時深關(guān)系轉(zhuǎn)換到深度域，對目的層深度進行隨鉆預(yù)測和標(biāo)定，得到鉆頭當(dāng)前位置與目的層之間的距離。圖7所示為第三次實時隨鉆地震數(shù)據(jù)處理結(jié)果，從左到右分別為雙程時的反褶積后上行波場、走廊疊加道、增益走廊疊加道及走廊疊加道和地面地震的對比，主要層位在隨鉆地震走廊疊加道上都明顯可見。圖7中TD_now標(biāo)記為第三次隨鉆地震采集時的井底位置。

實際鉆井過程中不斷調(diào)整處理儲層上部的標(biāo)志層參數(shù)，來提高隨鉆地震預(yù)測精度。黃流組二段A1砂體上部，主要地震標(biāo)志層位有4個，分別為T30、T30_C、T30_E和T30_H。利用3次實時隨鉆地震數(shù)據(jù)對這4個標(biāo)志層的深度進行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果和最終實鉆深度見表2。由于T30標(biāo)志層上獲得的地震道數(shù)據(jù)較少，預(yù)測誤差為13.00 m。隨著地震道數(shù)據(jù)增加，T30_C，T30_E和T30_H等3個標(biāo)志層的預(yù)測誤差分別為5.00，4.00和1.00 m。隨著繼續(xù)鉆進，對目的層深度進行更新，鉆頭與目的層距離小于100 m時，發(fā)現(xiàn)鉆遇砂巖的層速度增大，且砂巖氣顯示很好。利用第三次隨鉆地震數(shù)據(jù)預(yù)測的T31層位深度與實鉆深度的誤差為3.00 m，A1砂體頂預(yù)測深度與實鉆深度的誤差為6.00 m。

圖 7 第三次隨鉆地震數(shù)據(jù)實時處理結(jié)果Fig.7 Real-time processing results of the seismic data while drilling in the third run

表 2 隨鉆地震地層深度實時預(yù)測結(jié)果Table 2 Real-time formation depth prediction results of seismic while drilling

3.3 隨鉆壓力監(jiān)測

受采集環(huán)境及儀器的限制，隨鉆地震數(shù)據(jù)信噪比低于電纜VSP，數(shù)據(jù)低頻成分低至10 Hz左右，因此通常不做反演處理，只根據(jù)初至?xí)r間提取獲得時深關(guān)系。DF-X1井隨鉆地震數(shù)據(jù)實時處理過程中，為降低鉆遇異常高壓層的風(fēng)險，嘗試對隨鉆地震數(shù)據(jù)進行反演處理，來獲得鉆頭前方地層的層速度。

由于隨鉆地震資料的頻譜是帶限的，因此波阻抗反演過程中利用隨鉆聲波數(shù)據(jù)和錄井獲得的地層密度數(shù)據(jù)進行約束，反演結(jié)果如圖8所示。圖8中從左到右分別為走廊疊加道、利用反演得到的阻抗計算得到的合成記錄、走廊疊加道和合成記錄的差、反射系數(shù)、波阻抗及反演得到的地層層速度。走廊疊加道和合成記錄的差值越小，表明反演結(jié)果越好。從圖8可以看出，在2.465 s處走廊疊加道和合成記錄的差值較大，反演層速度明顯增大，實測層速度沒有增大，這主要是由走廊疊加道上同一時間的波峰造成，因此判定這個異常反演結(jié)果與隨鉆地震波場處理有關(guān)，而非存在高速薄層。

利用時深關(guān)系，將時域地層層速度轉(zhuǎn)換到深度域，同時與隨鉆自然伽馬、聲波和電阻率測井?dāng)?shù)據(jù)、當(dāng)量循環(huán)密度及氣測錄井資料結(jié)合監(jiān)測地層壓力，預(yù)測鉆頭前方地層的孔隙壓力。圖9所示為利用隨鉆地震數(shù)據(jù)對φ311.1 mm井段和鉆頭前方地層孔隙壓力和破裂壓力的監(jiān)測結(jié)果。從圖9可以看出，鉆至井深3 751.00 m時，利用隨鉆地震數(shù)據(jù)預(yù)測的地層層速度在井深3 770.00 m以深明顯降低，表明地層孔隙壓力升高。預(yù)測鉆頭前方地層孔隙壓力系數(shù)為2.20～2.22，結(jié)合隨鉆地震層位預(yù)測結(jié)果，預(yù)測T31層在井深3 787.00 m處，A1砂體頂部在井深3 825.00 m處，于是決定在鉆過T31層后，在A1砂體上部泥巖層中完，最后φ311.1 mm井段按照隨鉆監(jiān)測結(jié)果鉆至井深3 798.00 m中完。

圖 8 隨鉆地震波阻抗反演結(jié)果Fig.8 Results of seismic wave impedance inversion while drilling

圖 9 隨鉆地震監(jiān)測地層壓力監(jiān)測結(jié)果Fig.9 Formation pressure monitoring results of seismic while drilling

φ244.5 mm套管準(zhǔn)確下到高壓儲層A1砂體上方的泥巖中，使φ212.7 mm井段在后續(xù)鉆井過程中有足夠的安全壓力窗口，確保了儲層井段順利完鉆。完鉆后進行了電纜聲波測井，并測量了地層孔隙壓力，結(jié)果如圖10所示。從圖10可以看出，隨鉆地震時差與電纜聲波時差整體匹配得很好。隨鉆地震預(yù)測A1砂體地層的孔隙壓力系數(shù)為2.20～2.22，實測地層孔隙壓力系數(shù)為2.27，預(yù)測精度達到3.0%。φ244.5 mm套管鞋處的地層破裂壓力系數(shù)預(yù)測結(jié)果是2.32，實際地漏測試結(jié)果是2.34，預(yù)測精度達到1.0%。

圖 10 隨鉆地震儲層段地層壓力監(jiān)測結(jié)果與實測結(jié)果對比Fig.10 Comparison of the formation pressure monitoring results of seismic while drilling and that of the actually measured in the reservoir section

DF-X1井鉆井過程中，利用隨鉆地震數(shù)據(jù)準(zhǔn)確預(yù)測了地層界面深度，關(guān)鍵層位T31預(yù)測精度為3.00 m，A1砂體深度預(yù)測精度為6.00 m。A1砂體地層孔隙壓力系數(shù)預(yù)測誤差為0.05，預(yù)測精度達到3.0%；地層破裂壓力系數(shù)預(yù)測誤差為0.02，預(yù)測精度達到1.0%。隨鉆地震監(jiān)測到地層孔隙壓力系數(shù)在井深3 770.00 m以深上升，并結(jié)合層位預(yù)測結(jié)果在實際鉆井過程中確定了φ311.1 mm井段的中完井深，成功將φ244.5 mm套管下至高壓儲層A1砂體上方的泥巖層中，確保了φ212.7 mm井段的安全壓力窗口，保證了該井安全順利完鉆。

4 結(jié) 論

1）應(yīng)用隨鉆地震技術(shù)，成功預(yù)測了鶯歌海盆地關(guān)鍵的地質(zhì)層位和異常高壓層，提高了鉆井過程中地層層位的預(yù)測精度，增強了隨鉆地層壓力監(jiān)測的時效性和準(zhǔn)確性。

2）隨鉆地震技術(shù)可以在不增加鉆時的情況下，重復(fù)對目標(biāo)地層進行數(shù)據(jù)采集，獲得鉆頭前方地層的層速度，為隨鉆壓力預(yù)監(jiān)測提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，提高了隨鉆壓力監(jiān)測精度，降低了海上高溫高壓地層的鉆探工程風(fēng)險。

3）現(xiàn)場應(yīng)用表明，綜合利用隨鉆地震數(shù)據(jù)、隨鉆測井?dāng)?shù)據(jù)、鉆井參數(shù)、錄井氣測及電測數(shù)據(jù)等，可以監(jiān)測地層壓力和預(yù)測異常高壓地層，對鉆井風(fēng)險進行提示，可以保障高溫高壓地層鉆井安全順利進行。