在鉆井過程中獲得的現(xiàn)有的但以前未曾使用的數(shù)據(jù)現(xiàn)在可用來強化完井設(shè)計。作者在此簡述一下可用的數(shù)據(jù)，并就如何將這些數(shù)據(jù)納入完井設(shè)計過程以及最終如何為石油公司提供經(jīng)濟效益進行一下討論。
完井工程師面臨的最困難的挑戰(zhàn)是水平井壓裂時的意外結(jié)果。采取措施找到問題，解決出現(xiàn)的問題，記錄整個過程，以備未來吸取經(jīng)驗教訓(xùn)。也許是泵注過程中的壓力高于預(yù)期，無法達到最大的泵注排量；或者附近的一口井在泵注過程中出現(xiàn)了極高的壓力峰值，或者該井沒有像預(yù)期的那樣實施作業(yè)。鑒于此種情況，工程師們試圖利用已有的鉆井?dāng)?shù)據(jù)尋找解決方案。圖1：一名工程師正在利用鉆井?dāng)?shù)據(jù)繪制多分支水平井軌跡，幫助優(yōu)化完井設(shè)計。
圖1
工程師們必須回答的第一個問題是，是什么原因造成了這種結(jié)果？是巖性出現(xiàn)了變化？設(shè)計有問題？還是壓裂計劃實施過程中出了問題？是否存在什么其它的因素？由于可用的數(shù)據(jù)有限，因此回答這個問題通常非常具有挑戰(zhàn)性。這就是利用鉆井?dāng)?shù)據(jù)來描述巖性的想法的起源。在鉆水平井期間，采用任何類型的電測儀器（如聲波測井或中子密度測井）都極其困難。然而，鉆井?dāng)?shù)據(jù)本身就存有大量的信息，當(dāng)然，如果你知道如何解釋這些信息，見圖2（新的洞察讓石油公司有機會使其完井設(shè)計適應(yīng)井筒。上圖顯示的井眼軌跡線框是一個只被識別出的枯竭的裂縫異常，下圖結(jié)合了巖石機械比能值和枯竭的裂縫異常）。
鉆井時，每鉆進一英尺都會消耗一定的能量。這種能量主要由兩部分因素組成，首先，巖石的強度越堅硬，通常鉆進時就越需要更多的能量；其次是鉆井效率，這部分由幾方面因素組成，包括鉆頭磨損的程度、泥漿馬達和鉆頭的選型、泥漿比重等。如果工程師和地質(zhì)學(xué)家們能夠直接解釋并消除鉆井效率的這些變化，那么他們就能以極高的精度繪制水平段井眼巖石強度的變化。
圖2
盡管這種量度與正在鉆進的巖石毫無關(guān)系，但這種近井筒的巖石特性是地層裂縫形成與傳播的關(guān)鍵因素，而且，通常可以決定每口井的最終成功。這些數(shù)據(jù)對于優(yōu)化完井設(shè)計至關(guān)重要，最終將影響井的產(chǎn)量。
數(shù)據(jù)就在那里，如果你知道到哪兒去找。區(qū)分巖石強度和鉆井噪聲的過程絕不是一件容易的事。不過，自2014年以來，在解釋方面已取得了重大進展。所采用的做法類似于佩戴一副降噪耳機時所發(fā)生的情形。有一種你試圖隔離的聲音（巖石強度）與背景噪聲（鉆井效率）競爭的意味。如果你能正確地解釋背景噪聲，那么噪聲就可以被消除，只留下原本人們想要聽到的聲音。
然而，與降噪耳機不同的是，沒有麥克風(fēng)來識別背景噪聲，因此，鉆井噪聲與信號之間的區(qū)分留給了高技能的專家來鑒別，他們專門開發(fā)了一套定制的軟件工具，幫助識別和過濾鉆井效率的這些變化。對數(shù)據(jù)進行逐英尺的精心分析，這樣做可以準(zhǔn)確呈現(xiàn)巖石強度，又被稱為“巖石機械比能”。
這一過程有多準(zhǔn)確？可以通過兩種不同的方式來衡量。首先，是按井深的準(zhǔn)確度來衡量。鉆井?dāng)?shù)據(jù)通常是以每秒一個數(shù)據(jù)點的相當(dāng)高的采樣頻率被記錄下來，然后再轉(zhuǎn)換為一個深度域。如果以200ft/hr.的速度鉆進，那么每鉆進一英尺將會獲得18個測量數(shù)據(jù)，然后，在不過度損失分辨率的情況下可以對數(shù)據(jù)進行過濾、打磨和平均。此外，與上提和下放電纜獲得的電測數(shù)據(jù)不同，鉆井?dāng)?shù)據(jù)的井深參考則更準(zhǔn)確，因為在任何時候，井內(nèi)鉆桿的確切數(shù)量都是已知的。精度的二次測量涉及到這種巖石強度分析對巖石屬性的代表性。
雖然數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性取決于鉆井環(huán)境，而較差的鉆井條件可能導(dǎo)致較差的數(shù)據(jù)精度，大多數(shù)鉆井效率的變化可以得到解釋和修正。因此，即使在最具挑戰(zhàn)的鉆井環(huán)境下，擁有一個穩(wěn)健的、能夠識別和糾正多種鉆井效率變化的工藝流程將會獲得巖石屬性的精準(zhǔn)確定。通過不斷改進和優(yōu)化的一個工藝流程，該流程的精準(zhǔn)性得到了提高，因此，在與其它診斷方法比較時，從鉆井?dāng)?shù)據(jù)中經(jīng)過分析研判獲得的巖石強度現(xiàn)在可以準(zhǔn)確、一致地得以呈現(xiàn)和驗證。
從鉆井?dāng)?shù)據(jù)中檢測局部裂縫枯竭。正是通過2018年的工藝改進，工程師們開始注意到一些油井出現(xiàn)的異常殘留偽影，這些殘留偽影顯然無法用鉆井指標(biāo)的變化或更多的地質(zhì)特征來解釋。在調(diào)查這些人工舉升物的成分時，確定了這些舉升物僅在加密井中出現(xiàn)。基于這種狀況，人們很快就意識到，所出現(xiàn)的情況是鉆進穿過枯竭儲層所致，通過與其它診斷方法（如光纖監(jiān)測、微地震數(shù)據(jù)和放射性示蹤測井）的比較，驗證了這一結(jié)果。
圖3
該技術(shù)的一次早期試驗是一項模糊性研究，其中對加密井進行了分析。這口井的電阻率影像測井如圖3（自底向上的測井采樣顯示：1）裂縫枯竭程度，2）C1-C4的泥漿氣體成分，3）總的氣體，4）成像的裂縫位置）所示，在非常規(guī)資源技術(shù)會議上提交的2021-5628文獻中有所闡述。在本例中，從鉆井?dāng)?shù)據(jù)中可以看出，局部裂縫枯竭的位置與枯竭中心的裂縫成像之間呈現(xiàn)出明顯的匹配。盡管并非所有的裂縫都有與之相關(guān)的枯竭出現(xiàn)，但幾乎所有的局部裂縫枯竭區(qū)域都有一個穿過它的成像裂縫。此外，對泥漿氣體的分析有助于增強對結(jié)果的理解。在圖3中，自底向上的第二軌跡圖顯示了鉆井期間從泥漿中提取的氣體成分，淺藍色是C1組分，最深的藍色是C4組分。
從中可以觀察到，在從鉆井?dāng)?shù)據(jù)中確定的裂縫枯竭區(qū)域，C1氣體的百分比也有所下降，自底向上顯示在第三條軌跡圖上的總的氣體比率也是下降的。據(jù)此可以相信，這可能是由于C1氣體的分子比較大的C2+氣體的分子更具移動性所引起的。因此，在裂縫枯竭區(qū)域，C1氣體的濃度比其它氣體的濃度要低一些。此外，裂縫枯竭的存在導(dǎo)致巖石中夾帶的氣體有所減少。從泥漿體系中收集到的總的氣體比在非裂縫枯竭儲層中發(fā)現(xiàn)的氣體要少。
鉆井?dāng)?shù)據(jù)中可見的局部裂縫枯竭的原因是由于儲層壓力是一種用來打破巖石的力。巖石孔隙內(nèi)的作用力越大，巖石自身趨于破碎的可能性就越大，這也是在鉆井過程中使用泥漿來保持地層穩(wěn)定的原因之一。由于裂縫枯竭的巖石內(nèi)力較低，因此，鉆進需要更多的能量。正是這些輕微的能量峰值表明，加密井存在局部的裂縫枯竭。經(jīng)過額外的處理和解釋，可以創(chuàng)建一幅沿井筒的局部裂縫枯竭的高精度圖。這些裂縫枯竭圖與電阻率成像圖之間的比較表明，裂縫枯竭分析流程在識別加密井位置的探邊井裂縫時，平均準(zhǔn)確率為90%。并且可以檢測到壓力低至15至25psi的裂縫枯竭程度。
有了這種獨特的理解，鉆井?dāng)?shù)據(jù)的使用及其相關(guān)的應(yīng)用正迅速成為許多工程師標(biāo)準(zhǔn)工具箱的重要補充。局部裂縫枯竭檢測對加密井的處理有著深遠的影響。遍布多個盆地的多家石油公司正在利用鉆井?dāng)?shù)據(jù)來識別一些探邊井的儲層裂縫，并調(diào)整他們的完井設(shè)計，以降低相關(guān)的風(fēng)險。例如，通過避免在已確定的枯竭裂縫的儲層附近布置射孔簇，石油公司發(fā)現(xiàn)探邊井受新完井的井的影響要小得多。
來自鉆井的其它數(shù)據(jù)提供了自然裂縫的洞察。雖然保護探邊井免受壓裂沖擊具有巨大的經(jīng)濟效益，但這些數(shù)據(jù)在完井設(shè)計中也有進一步的應(yīng)用。結(jié)合不同的數(shù)據(jù)集可以獲得額外的信息，例如預(yù)測沿井筒可能含有自然裂縫的區(qū)域。Marcellus頁巖就是一個例子，已經(jīng)得知該頁巖擁有自然裂縫的網(wǎng)絡(luò)。自然裂縫的存在通常是由幾個因素所致，其中包括高強度（脆性）巖石和低粘土含量地層。在致密頁巖中，這些自然裂縫也代表了一個增強的流動路徑，因此，人們也可能期望鉆井泥漿返出時有略高的天然氣顯示。
圖4
所有的這三個特性可以從鉆井?dāng)?shù)據(jù)中進行估量。巖石強度可以從巖石機械比能中獲得，粘土含量可以從伽馬射線測井中得到。鉆井期間還能測出總的氣體量，但這需要大量的過濾和整理才能提供合理的結(jié)論。如果將上述曲線歸一化并相加在一起，那么可以預(yù)測自然裂縫最可能出現(xiàn)的位置。在下面的例子中，井底鉆具組合中包含有電阻率影像測井工具。圖4（Marcellus頁巖測井?dāng)?shù)據(jù)，自底向上軌跡圖：1)泥漿氣體；2)巖石機械比能；3）伽馬射線；4）自然裂縫預(yù)測；5）LWD裂縫成像）顯示了預(yù)測裂縫概率高的區(qū)域與實際裂縫成像的匹配程度。
近井筒壓裂液分布建模。隨著這種新的數(shù)據(jù)流在水平井中應(yīng)用，另一項新的完井設(shè)計方面的研發(fā)正在進行中。這就涉及到利用近井筒數(shù)據(jù)來對壓裂液在射孔簇之間的分布進行建模。已有充分的證據(jù)表明，裂縫開始處的巖石特性對裂縫的生長有重大影響。
當(dāng)考慮到在單次泵注作業(yè)期間在一個射孔級內(nèi)多個裂縫傳播時，這種情況可能會被放大。這些近井筒特性會影響壓裂萌生，它決定了壓裂液在各個射孔簇之間的分布。在將這些特性與射孔摩擦、應(yīng)力陰影以及其他動態(tài)流動效應(yīng)的建模結(jié)合起來時，這些近井筒流動模型則可以預(yù)測流體分布。當(dāng)模型被校準(zhǔn)為真實數(shù)據(jù)時，如射孔成像的后處理或與油井光纖一起使用時，這會變得越來越有用。
為了確定應(yīng)力的異質(zhì)性，需要對應(yīng)力陰影量、射孔侵蝕率等進行校準(zhǔn)。因此，工程師們現(xiàn)在能以數(shù)值方式計算每個儲層的最佳射孔和級數(shù)設(shè)計。這樣做可以大大減少使用當(dāng)今常用的試錯法或“超越護欄”法，那么就可以縮短到最佳設(shè)計的時間和降低成本。石油公司可以通過調(diào)整常見的完井變量（如每一級射孔的簇數(shù)、射孔直徑和射孔級的長度）對完井設(shè)計的更改進行建模。在實施和執(zhí)行實際的完井作業(yè)前可以審查對射孔簇效率的預(yù)期影響。
此外，一旦創(chuàng)建了一個良好校準(zhǔn)和可接受的模型，石油公司就可以開始不再使用在鉆井之前就創(chuàng)建的現(xiàn)成設(shè)計，而可根據(jù)井的實際巖石特性單獨制定完井設(shè)計。這種工作流程的主要優(yōu)點通常是降低完井成本，因為現(xiàn)成的完井設(shè)計通常是保守設(shè)計的，為的是在最壞的儲層條件下能夠獲得最佳的覆蓋范圍。
在規(guī)劃完井時，石油公司可以利用現(xiàn)有的鉆井?dāng)?shù)據(jù)而從中獲益。任何新的石油和天然氣技術(shù)的最終目標(biāo)都應(yīng)是提高油氣井的產(chǎn)量，同時將生產(chǎn)成本和對井場作業(yè)的干擾降至最低。Drill2Frac公司的非創(chuàng)傷式過程使用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)在近井筒巖石特性及流動建模方面提供了寶貴的見解。相關(guān)的信息是從鉆井過程中收集到的數(shù)據(jù)中推斷出來的。無需額外的設(shè)備、井場服務(wù)或人員予以提供。在考慮未來的最佳實踐時，此項服務(wù)可用于成熟的油井，也可用于規(guī)劃新井，提出最有效的完井設(shè)計?？傊勉@井?dāng)?shù)據(jù)優(yōu)化完井設(shè)計有幾個總體的好處：
· 數(shù)據(jù)已經(jīng)存在。無需額外的服務(wù)、設(shè)備或井場人員提供。
· 該過程可以深入了解新井和以前所鉆的井的巖石特性。
· 該過程可以確定局部裂縫枯竭的區(qū)域，幫助緩解裂縫間的相互作用。
· 逐級儲層特性可用于補充壓裂級層面的完井指標(biāo)，以實現(xiàn)高分辨率數(shù)據(jù)分析。
· 完井設(shè)計可根據(jù)實際壓裂的儲層巖性予以制定。
這些優(yōu)勢結(jié)合起來可以使完井設(shè)計得到強化，從而獲得更高效的完井作業(yè)，同時，還能降低意外事件及裂縫驅(qū)使的相互作用的風(fēng)險。從該過程中獲得的數(shù)據(jù)聚集的見解使石油公司能夠優(yōu)化他們的完井設(shè)計與施工，提高油氣井的績效指標(biāo)和作業(yè)效率，實現(xiàn)更高的經(jīng)濟效益。
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