摘 要

摘要 井漏是深井超深井鉆井工程中最普遍的復雜性事件之一。基于碎屑巖層系欠壓實理論的壓力預測等方法不適用于碳酸鹽巖層系，使得碳酸鹽巖儲層鉆前井漏預測難度加大。運用模

摘要 井漏是深井超深井鉆井工程中最普遍的復雜性事件之一?；谒樾紟r層系欠壓實理論的壓力預測等方法不適用于碳酸鹽巖層系，使得碳酸鹽巖儲層鉆前井漏預測難度加大。運用模糊數(shù)學理論，將井漏中地質(zhì)因素中的各影響因素及其對漏失通道判斷較敏感的地震屬性等進行分層，建立漏失概率評價數(shù)學模型；應用工程模糊數(shù)學的指標隸屬度刻畫方法，建立易量化指標的隸屬度函數(shù)，進而用九標度法和均方根法計算及分配高、低層次指標的權重，采用加權合成得到評價值，綜合評判待鉆地層漏失概率。經(jīng)檢驗，所建立的漏失預測模型預測值與實際符合程度較高，表明該預測方法具有一定的可行性。

關鍵詞  模糊數(shù)學  鉆井液  漏失  地質(zhì)因素  地震屬性  評判  預測模型  符合度

鉆井工程是一個涉及多工種、多工序的系統(tǒng)工程。由于有較強的隱蔽性和復雜性，在鉆井完井作業(yè)過程中有多種不可預見的不安全因素。井漏是鉆井復雜事故中最為嚴重的事故之一，井漏的發(fā)生發(fā)展受許多因素的控制，主要有內(nèi)因和外因即地質(zhì)因素(內(nèi)因)和工程因素(外因)，發(fā)生井漏常是兩種因素綜合的結(jié)果。

對縫洞型碳酸鹽巖地層，判斷漏失通道的發(fā)育及連通性是判斷井漏的基礎^[1-8]。針對漏失通道的復雜性和隨機性，將井漏中地質(zhì)因素中的各影響因素及對漏失通道判斷較敏感的地震屬性等進行分層，用工程模糊數(shù)學的指標隸屬度刻畫方法，建立易量化指標的隸屬度函數(shù)，運用主觀經(jīng)驗判斷法、專家調(diào)查法(1～9標度法)、層次分析法來確定其中各個因素權重，采用加權合成得到最終的井漏評價值。從而有效指導鉆井方案的設計和優(yōu)選^[9-10]。

1 漏失概率評價數(shù)學模型

設各指標的模糊隸屬度函數(shù)為Ψ_i(x)，低層次指標(評價子因素)相對于高層次指標(評價因素)的權重為φ_i(x)，則系統(tǒng)概率模型為：

 

用模型計算可得到系統(tǒng)漏失概率的最終值，判斷出發(fā)生井漏的概率，從而為安全高效鉆井實施提供科學依據(jù)。

2 井漏概率的評價體系

根據(jù)井漏漏失通道的影響及反應特征，建立了評價系統(tǒng)(圖1)。圖l的巖石性質(zhì)、地質(zhì)構造、地震屬性、鄰井資料是綜合評判系統(tǒng)的高層次指標。

 

其中，巖石性質(zhì)包括巖石組分、巖石結(jié)構、巖石強度，是最基礎的參數(shù)。地質(zhì)構造因素分為構造運動及后期的成巖作用；地震屬性選取對井漏漏失通道檢測較敏感的反射特征、振幅變化率、相干特性；鄰井資料包括已發(fā)生漏失井的井漏狀況、供液能力及測井資料(漏失井測井資料上反應的參數(shù))，屬于評判系統(tǒng)的低層次指標。

3 隸屬度函數(shù)的確定

碳酸鹽巖漏失通道由原生孔隙和次生孔隙組成，在縫洞型碳酸鹽巖地層中，次生孔隙起主要作用。次生孔隙的發(fā)育程度取決于以下因素。

3.1 巖性

研究表明^[10]，溶蝕孔常在白云巖中發(fā)育。主要是因為固體白云石晶體的摩爾體積比白云化前的方解石小12％～13％，白云石化的結(jié)果，使巖石孔隙度增加12％～l3％，滲透與溶蝕效果增強；碳酸鹽巖含量對次生孔隙也有較大影響，一般而言，巖石越純，溶蝕作用越強。

3.2 巖石結(jié)構

巖石結(jié)構對次生孔隙的發(fā)育有較大影響。顆粒較粗大時，一般溶蝕孔較發(fā)育。

3.3 巖石強度

巖石在構造應力作用下會發(fā)生變形，當變形超過破裂強度時巖石將發(fā)生破碎，產(chǎn)生裂縫。不同的巖石在相同的應力作用下形變不同，產(chǎn)生的裂縫數(shù)也不相同，即強度決定巖石裂縫的多少(圖2)。

 

3.4 構造運動及成巖作用

構造運動越強烈，產(chǎn)生的斷裂、裂縫越發(fā)育，為后期的溶蝕提供的溶蝕通道就越多，縫洞就越發(fā)育。不同的構造部位受風化剝蝕程度、地表(地下)水活動頻率及充填程度不同，因此縫洞體發(fā)育程度不相同。一般而言，處于風化殼地帶縫洞最發(fā)育，漏失最嚴重；而構造洼地因充填程度較高，漏失概率相對較小。

3.5 井漏(溢流)、供液能力及巖心收獲率

鄰井資料反映縫洞帶的連通狀況，在同一個縫洞單元帶，供液能力強說明縫洞連通較好；巖心收獲率低，反映地層巖石較破碎，縫洞發(fā)育；鄰井在鉆井完井過程多發(fā)生放空、漏失，表明縫洞發(fā)育，新鉆井發(fā)生漏失的可能性較大.

根據(jù)縫洞型漏失通道影響因素，結(jié)合理論知識、專家經(jīng)驗及現(xiàn)場實際資料，建立隸屬度函數(shù)。

4 權重分配

4.1 構造判斷矩陣

采用九標度法(表1)，對每一結(jié)構層次內(nèi)各因素兩兩比較其重要性，并把比較結(jié)果通過合適的標度表示出來，寫成矩陣形式，即為判斷矩陣。

 

 

4.2 權重分配理論

用方根法計算權重。修改指標數(shù)為卵，詳細計算步驟如下：

1)先計算判斷矩陣中每行所有元素的幾何平均值，得向量：

 

2)對向量M作歸一化處理，得相對權重向量：

 

 

3)一致性檢驗

為評價排序的有效性，須對判斷矩陣的評定結(jié)果進行一致性檢驗。Saaty T L提出隨機一致性比值概念，記為CR，當CR＜0.1時，認為滿足一致性；當CR≥0.1時，則不滿足一致性條件，應對判斷矩陣做適當修正，直到取得權重滿足一致性條件為止。CR的計算公式為：

 

式中RI為比例系數(shù)；CI為一致性系數(shù)，計算公式為：

 

式中γ_max為判斷矩陣最大特征根；n為判斷矩陣的階數(shù)。

按上述方法可計算出各因素子因素的權重。由于各評價因素受到子因素的影響，所以再用各子因素的權重計算出相對應子因素的相對權重。

4.3 總評價矩陣的建立

通過l～9標度法及相關模糊理論建立總評價矩陣，即模糊評價表(表2)。

 

對于l～9階判斷矩陣，Saaty給出RI的值，見表3。

 

模糊層次分析法(The Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP)，是美國著名運籌學家Saaty T L于1977年提出的，它是一種定性和定量相結(jié)合的決策方法，其核心是利用1～9之間的整數(shù)及其倒數(shù)作為標度來構造兩兩比較矩陣。AHP將復雜的問題分解為若干組成因素，通過兩兩比較方式確定各層次中諸因素的相對重要性。它是主觀(經(jīng)驗)與客觀(計算方法)的結(jié)合，能較好的避免主觀因素造成的過大偏差。

4.4 井漏概率等級

根據(jù)計算出的概率并參照表4，可以判斷發(fā)生井漏的程度。

 

5 實例分析

塔河油田l2區(qū)探井AD4井，處于構造洼地，AD4井南面發(fā)育有東西向斷裂，東面發(fā)育有南北向斷裂。地震資料顯示井區(qū)T47界面附近有強振幅“串珠狀”異常反射(圖3)。振幅變化率處理成果統(tǒng)計分析表現(xiàn)為強振幅變化率，相干屬性為較弱相干。鄰井鉆井完井資料顯示，7 口井中有2口在奧陶系一問房組發(fā)生漏失(其中TKl013井共漏失鉆井液905 m³，溢流153.55 m³)，2口在恰爾巴克組發(fā)生漏失。鄰井巖心分析顯示，巖石主要成分為泥微晶顆?；?guī)r，測試顯示供液能力50 m³／d左右。

評價指標量化結(jié)果：x₁=0.3，x₂=0.9，x₃=0.5，x₄=0.5，x₅=0.7，x₆=0.3，x₇=0.9，x₈=0.9，x₉=0.7，x₁₀=0.3，x₁₁=0.6，x₁₂=0.5，x₁₃=0.5。

將缺少的指標取0，再將所有指標的理論權重累加起來(最大不會超過l)，用各個指標的理論權重值除以理論權重的累加值，作為各指標實際判斷計算的權值，即實際權值?；蛘呷≈兄?，本次計算取中值。計算得：

Y=[(0.32×0.9+0.36×0.9+0.32×0.7)×0.661+(0.54×0.9+0.193×0.1+0.5×0.193+0.5×0.7)×0.042+(0.7×0.5+0.3×0.5)×0.079+(2/7×0.3+0.6×0.138+0.5×0.39+0.08×0.5)×0.218]×l00％=72.00％

根據(jù)表4判斷，為易發(fā)生漏失。

鉆井完井過程中，在奧陶系一間房組6 486.02 m發(fā)生井漏，在鉆進過程中發(fā)生間斷性漏失。其中6 491.86～6 541.0 m段為主要井漏段，其中6 518.00～6 541.00 m段強行鉆進過程中，鉆壓0～60 kN，鉆進液漏失速率44～60 m³／h，鉆時一般維持在2～5min／m，部分井段鉆時1 min／m，故認為此段為放空段，漏失段長23 m。隨后發(fā)生多次溢流，經(jīng)多次壓井才順利完鉆，共漏失鉆井液7 042 m³。最大漏速70 m³／h，平均漏速40.9 m³／h。地震、測井資料均顯示此段漏失嚴重(圖3)。

 

巖心裂縫、孔洞統(tǒng)計顯示，在一間房組(6 462.26～6 467.30 m段)裂縫達7 2條，密度為14.8條／m。所有裂縫均為溶蝕縫，縫寬0.1～2 mm達11條，縫長0.3～65 cm，且全為未填充或半填充，填充物為方解石；孔洞總數(shù)達93個，密度為20個／m，其中大洞(孔徑大于5 mm)、中洞(孔徑為l～5 mm)52個，占56％。所有孔洞均為次生孔洞，半填充(填充物為方解石)洞占90.32 ％。巖心照片也能夠清楚地看到密布的溶縫、溶孔(圖4)。從測井曲線上也看出，6 518.00～6 541.00 m段存在未充填的溶洞(圖3)。

 

 

6 結(jié)論

運用工程模糊數(shù)學理論，建立漏失概率評價數(shù)學模型，結(jié)合影響漏失通道的巖性屬性、地質(zhì)因素、鄰井資料，以及對漏失通道較敏感的地震屬性，確定隸屬度函數(shù)，進而用九標度法和均方根法進行權重計算及分配，對地層漏失概率進行綜合評判。經(jīng)檢驗，所建立的漏失預測模型預測值與實際符合程度較高，表明此種井漏預測方法具有一定的可行性。

 

參考文獻

[1] 焦方正，翟曉先.海相碳酸鹽巖非常規(guī)大油氣田：塔河油田勘探研究與實踐[M].北京：石油工業(yè)出版社，2008.

[2] 柳建華.FMI成像測井技術在塔河碳酸鹽巖油田的應用[J].新疆石油地質(zhì)，2001，22(6)：487-488.

[3] 張永升，李家蓉，潘新志.地震和測井聯(lián)合反演技術在塔河油田碳酸鹽巖儲層預測中的應用[J].勘探地球物理進展，2002，25(4)：46-48.

[4] 黃花香，熊艷，鄧瑛，等.川東北地區(qū)惡性井漏層段地震預測技術探索[J].石油物探，2005，44(2)：142-146.

[5] 朱東亞，胡文瑄，張學豐，等.塔河油田奧陶系灰?guī)r埋藏溶蝕作用特征[J].石油學報，2007，28(5)：57-62.

[6] 韓革華，漆立新，李宗杰，等.塔河油田奧陶系碳酸鹽巖縫洞型儲層預測技術[J].石油與天然氣地質(zhì)，2006，27(6)：860-878.

[7] 艾志久，金雪梅，劉春全，等.模糊評判方法在井漏安全評價中的運用[J].石油機械，2008，36(3)：45-48.

[8] 劉月田，孫保利，于永生.大孔道模糊識別與定量計算方法[J].石油鉆采工藝，2003，25(5)：54-59.

[9] 肖辭源.工程模糊系統(tǒng)[M].北京：科學出版禮，2004.

[10] 徐同臺，劉玉杰，申威，等.鉆井T程防漏堵漏技術[M].北京：石油工業(yè)出版社，1997.

 

本文作者：馬駿騏   游利軍   康毅力   李大奇    杜春朝

作者單位： “油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室  中國石化西南油氣分公司工程技術研究院   中國石化石油工程技術研究院   中國石化西北油氣分公司工程技術研究院