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【本周專題:完井】使用創新技術優化非常規地區完井作業

【本周專題:完井】使用創新技術優化非常規地區完井作業

在非常規頁巖區塊,確定油藏邊界并進行油藏描述,非常具有挑戰性。使用全部的可用數據對于提取最大的信息量至關重要。

來自 | World oil
編譯 | 白小明

在非常規區塊,優化完井作業是各公司面臨的挑戰之一。由于源巖通常被作為主要的油氣產區,因此油氣公司將大量資金投入到水平井技術,水力壓裂費用已成為增加產量的主要成本。然而,確定水平井的最佳著陸深度,需要作業公司確定采用水力壓裂增產措施后,能夠生產最多油氣的位置。因此,富集有機質的頁巖儲層的成功開發,取決于綜合多學科成果,包括巖心和測井數據的修正、巖石物理學和巖石物理模型,以及油藏關鍵參數描述(TOC、孔隙度和天然裂縫)和來自地震數據的機械屬性,這些屬性限制了壓裂巖石的能力。

地質科學家們一直在尋找能夠最大限度利用地震資料獲得有價值信息的技術,并確定頁巖地層中的最佳位置,以改善作業參數,從而更好地開發油藏。同時還需要精確的地球模型,來輔助識別和控制可能遇到的潛在風險。通過整合所有的地球物理、巖性、地層、巖石物理和地質力學等信息,可以實現上述目標,這些信息來自高分辨率地震和井數據解釋。

本文介紹了兩種創新技術,在描述地下油藏時能得到更高的分辨率:

(1)將全波場分解為反射能和衍射能,作為已建立的構造解釋工作流程的補充;
(2)根據地震屬性(疊前和疊后)解釋巖石類型預測。

后一種技術使用基于神經網絡關聯的概率方法,來發現地震信息中的各種模式,以便預測巖石類型。

使用這些技術,可以形成一個精確的、高分辨率和高確定性的模型,用于改善油田開發過程中的風險管理。這些技術的實力在Eagle Ford和Barnett非常規頁巖區塊的應用中已經得到了證實。

多維地震數據分解

地震數據的衍射能攜帶著高分辨率的小尺度不連續性信息(斷層、裂縫、巖溶等)。在空間上準確識別這些小規模特征,有助于了解油氣圈閉的位置和遷移途徑,從而優化井位。然而,傳統的地震反射圖像并不攜帶這種高分辨率非均質信息,因為傳統的預處理和標準成像算法,通常忽略了衍射能,通過關注較高的鏡面振幅來計算總和與平均值,以增強地震反射事件的連續性。這些傳統的地震反射圖像能夠描繪出較大的斷層,但對于普通的地震作業,帶有較小位移的次地震尺度斷層往往不可見。在傳統的解釋工作流程中,從這種常規地震作業中提取的信息,對小尺度位移特征描述的影響十分有限。

新的方法是通過全波場分解,疊前深度偏移(形成定向傾角集合),將全波場分離成反射(鏡面)能和衍射能。這種集合類型可作為理想的全波場存儲單元,不同類型的能量被存儲在不同的隔間而不混合。成像之后,可以在集合上應用各種濾波器,用以疊加和增強不同的波場,為解釋器提供多個能量疊加。

方法

深度域中的全方位分解和成像,也稱為局部角度域(LAD)遷移,使用從地下圖像點到地面的一系列自下而上的光線追蹤。對于每個圖像點,所有方向傾角和方位,以及所有張角和方位的完整描述,都存儲在5D LAD中,如圖1。鏡面能方向是最高能量(振幅)的傾角方向,與地下反射物的方向一致。其他傾角方向(鏡面除外)包含由干擾或小尺度不連續信息組成的衍射能。

【本周專題:完井】使用創新技術優化非常規地區完井作業

圖1.對于每個圖像點,都有一組完整的描述存儲在局部角度域表中,考慮了所有方向傾角和方位,以及所有張角和方位。

通過應用不同的能量權重,或不同的傾角濾波器,可以進一步增強衍射能。由于這種分解,我們可以創建多個疊加來提高特定對象圖像的質量。這是在遷移后,疊前域完成的。

最終的能量疊加(鏡面和衍射)可以顯示在一起,以便最大化從記錄的相同地震數據中獲得的信息。衍射強度也成為高分辨率地震解釋工作流的輸入之一,可以與其他構造屬性相關聯,如相干性和曲率。

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圖2.鏡面能(頂部),鏡面能與衍射能(底部)同時顯示,南德克薩斯州Eagle Ford頁巖

圖3展示了與類斷層屬性共同顯示的衍射加權能疊加(深度切片)。這種組合增強了生成自鏡面型屬性的構造屬性,與衍射圖像之間的差異。衍射圖像增加了更多連續信息,這些信息主要是關于針對現有構造解釋的更小規模的不連續性。

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圖3.衍生能疊加與類斷層(黑色輪廓)共同顯示在一張圖,Eagle Ford地區。這種結合突出了生成自鏡面型屬性的構造屬性,與衍射圖像之間的差異。

另一個例子來自Barnett頁巖地層,該地層覆蓋了Ellenburger組的灰巖含水層。在成功實現完井作業過程中,巖溶系統的高分辨率、詳細成像和描繪發揮著關鍵作用。鉆井成功的一個關鍵因素,是通過斷層和巖溶將Ellenburger地層連通的風險。除了巖溶系統,這個區域的構造相當平坦,所以期望的是反射(鏡面)能沿著較淺的傾斜描繪。因此,采用疊前傾角分離的方法,可以增強有一定傾角構造的圖像,通過在15°和30°之間疊加的傾角,可以獲得更詳細的巖溶圖像,如圖4。這種細節在傳統的反射地震圖像中是無法看到的。

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圖4.沿深度切片(4500英尺處)的振幅提取表明,在15°-30°之間傾斜的部分疊加中,可以最清楚地看到詳細的巖溶結構。上圖:完整的波場疊加;中圖:構造傾斜,部分疊加(0°-15°),下圖:構造傾斜,部分疊加(15°-30°)。

整合井和地震數據

在油氣勘探的早期階段,地質科學家缺乏數據,地下知識主要是根據經驗和直覺獲得的。而目前,我們卻面臨著相反的問題,因為地震采集和地球物理處理的技術進步,讓我們的知識結構,從基礎地質學轉到了對地下現象的詳細理解。

可用數據的數量,特別是疊前數據,繼續呈指數形式增長。目前的挑戰,是如何最大限度地利用這些海量數據,同時確保與其他數據類型進行關聯,例如使用不同工具,基于不同的理論,獲得不同分辨率的信息。

神經網絡協會(DNNA)提供了關聯三維地震數據與井數據的可能性。隨著3D、4D和4C地震成像技術的最新發展,有一種基于機器學習、利用井巖相組和地震數據集、用于自動巖石類型預測的技術,對油氣行業用處極大。該技術利用神經網絡,進行巖石與地震特性之間的自動關聯,然后進行油藏巖石類型預測。DNNA使用綜合的井巖相分類和3D地震數據(疊后和/或疊前)作為輸入。

方法

地質科學家在尋求使用地震屬性預測巖石類型時,面臨三大挑戰:
(1)井信息的分辨率高于地震數據;
(2)油藏巖石類型是定性信息;
(3)巖石類型和地震數據之間的關系,將根據地質環境、地震數據質量和可用屬性而有所不同。

在這種情況下,并行使用幾個神經網絡(Tetko,2002)似乎是首選的方法,因為它可以解決上述問題,而不用假設地震屬性與巖石類型定義的巖相之間的傳遞函數。

DNNA的原理,是同時從井的巖石類型和三維地震數據中獲取信息。從井中提取的硬訓練數據,用于訓練第一組神經網絡。從井中取出的軟數據用于穩定神經網絡訓練。硬數據和軟數據的組合,被用作訓練最終神經網絡組合的最終集合。DNNA的訓練數據集,是通過選擇解釋井的地震資料和巖相(巖石類型)構建而成的。xw由d維向量x和權重w定義,對于硬數據為高,對于軟數據為低。硬數據被認為是高度可靠的信息,對神經網絡訓練貢獻很大的權重。軟數據提供有關地震數據的信息,但沒有關于巖相的信息。在DNNA訓練期間,它們的權重較小。該權重限制了訓練數據的可靠度。每個維度對應于諸如角度幾何或特定地震屬性等地震數據,描繪樣品的特征。

最初,通過沿井眼軌跡獲取的地震屬性值來建立訓練樣本,使用一個巖性相指數作為類指示器。一個訓練樣本是一對(xw,c),其中xw是屬性的向量,c是在給定井眼位置的巖性相指數。一個訓練集是一個訓練樣本的集合。

結果

為了克服聲阻抗可能導致無法檢測碳氫化合物存在的現狀,對Lambda-Mu-Rho屬性采用幅度對偏移(AVO)倒置的方法,來評估頁巖的物理行為,因其與不可壓縮性和剛性相關。研究區域是Eagle Ford,在那里,此彈性參數可用于識別潛在區域。因此,研究人員只整合了從地震驅動的油藏描述工作流程中得出的疊后地震屬性,以及來自鏡面能的光譜分析。

對現有井進行了巖石類型組的確定,因為該方法需要一整套可用于確定巖相的測井數據。該分析可用于確定頁巖的脆性與延展性。將一個多分辨率基于圖形的聚類(MRGC,Ye和Rabiller,2000),應用于一系列記錄(聲阻抗、剪切阻抗、楊氏模量、泊松比、Lambda-Rho和Mu-Rho),來自動確定測井相分析。該研究得出了7種可以與頁巖的力學行為相關的“儲層巖石類型”,主要基于它們與由泊松比和楊氏模量產生的脆性指數曲線的相關性。

DNNA概率模型可以獲取井眼位置的詳細巖相描述,并根據地震屬性創建一個探區的連續概率模型。訓練集根據現場確定的巖石類型,以及沿井筒提取的地震記錄來構建,這些記錄針對該項目考慮范圍內的全部地震屬性。用于DNNA訓練的所有井的重建率都高于93%。

對于所有的井,隨著我們從選擇用于描繪不同巖相的地震屬性集合中,獲得了極高的重建率(>93%),我們觀察到升級的數據(通過“地震”看到)和預測的巖相數據之間具有較高的相關性。最大概率與對應于最具脆性材質的巖相關聯。然后根據地震屬性,使用該模型預測遠離井筒的巖相分布。把最可能的巖相分布概括在一起,其中,在給定地震網格位置(x、y和z)中的每個值,對應于根據預測最可能的一組巖相分布,即每個巖相與其最高概率值相關聯。巖相的橫向分布(圖5)與頂部和底部構造解釋相符,這確定了Lower Eagle Ford頁巖層。圖6展示出了復雜碳水化合物礁石地質環境的另一個實例,該方法根據疊前數據,成功獲取了兩個儲層(石炭系和二疊系)垂向和橫向巖相分布的非均質性。

【本周專題:完井】使用創新技術優化非常規地區完井作業

圖5.三維巖相分布,數據取自Top Lower Eagle Ford和Top Buda之間的比例切片,其中綠色和橙色巖相代表最具脆性的巖相。

【本周專題:完井】使用創新技術優化非常規地區完井作業

圖6.上圖可能性最大的巖石類型分布預測來自井和疊前數據,然后與全堆疊混合。這種方法成功地獲取了兩個儲層的垂向和側向巖相分布的非均質性。

結論

由于處理技術和/或算法對衍射能存在偏見,衍射能量這種非常重要的全波場分量通常被忽略。而這也從另一方面,突顯出了對小規模地質特征高分辨率解釋的衍射成像的重要性和優勢。這種技術通常與傳統的解釋工作流程相結合,優化斷層解釋,提高空間斷層識別的準確性,更好地了解構造分布,最終降低不確定性和鉆井風險。

在非常規頁巖區塊,確定油藏邊界并進行油藏描述,非常具有挑戰性。使用全部的可用數據對于提取最大的信息量至關重要。同時,掌握地質學家的分析以及理解地質構造也很重要。DNNA方法結合了對地震數據進行多維分析的能力,以及基于單井巖相解釋的分析。大范圍巖相分布的預測,是對儲層性質估計反演等相關技術的補充。在現場共同使用觀測到的巖相與地震資料,增加了一種評估巖相預測模型可靠性的方法。該技術中使用的神經網絡方法,與Bayesian預測方法同時使用,為同時處理井數據和大量疊前和疊后數據,進行巖性和巖石類型的確定,提供了很好的機會。這種概率方法可以建立多種場景,包括最佳和最差情形,有助于評估與不確定性相關的風險。

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