完井工程師面臨的最困難的挑戰是水平井壓裂時的意外結果。采取措施找到問題，解決出現的問題，記錄整個過程，以備未來吸取經驗教訓。也許是泵注過程中的壓力高于預期，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了極高的壓力峰值，或者該井沒有像預期的那樣實施作業。鑒于此種情況，工程師們試圖利用已有的鉆井數據尋找解決方案。圖1：一名工程師正在利用鉆井數據繪制多分支水平井軌跡，幫助優化完井設計。

圖1

對巖性的數據掌握
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果？是巖性出現了變化？設計有問題？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？由于可用的數據有限，因此回答這個問題通常非常具有挑戰性。這就是利用鉆井數據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，鉆井數據本身就存有大量的信息，當然，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計適應井筒。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，下圖結合了巖石機械比能值和枯竭的裂縫異常）。
  

圖2

盡管這種量度與正在鉆進的巖石毫無關系，但這種近井筒的巖石特性是地層裂縫形成與傳播的關鍵因素，而且，通?？梢詻Q定每口井的最終成功。這些數據對于優化完井設計至關重要，最終將影響井的產量。

數據就在那里，如果你知道到哪兒去找。區分巖石強度和鉆井噪聲的過程絕不是一件容易的事。他們專門開發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。對數據進行逐英尺的精心分析，這樣做可以準確呈現巖石強度，又被稱為“巖石機械比能”。

這一過程有多準確？可以通過兩種不同的方式來衡量。首先，是按井深的準確度來衡量。鉆井數據通常是以每秒一個數據點的相當高的采樣頻率被記錄下來，然后再轉換為一個深度域。如果以200ft/hr.的速度鉆進，那么每鉆進一英尺將會獲得18個測量數據，然后，在不過度損失分辨率的情況下可以對數據進行過濾、打磨和平均。此外，與上提和下放電纜獲得的電測數據不同，鉆井數據的井深參考則更準確，因為在任何時候，井內鉆桿的確切數量都是已知的。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。
雖然數據的準確性取決于鉆井環境，而較差的鉆井條件可能導致較差的數據精度，大多數鉆井效率的變化可以得到解釋和修正。因此，即使在最具挑戰的鉆井環境下，擁有一個穩健的、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確定。通過不斷改進和優化的一個工藝流程，該流程的精準性得到了提高，因此，在與其它診斷方法比較時，從鉆井數據中經過分析研判獲得的巖石強度現在可以準確、一致地得以呈現和驗證。

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的異常殘留偽影，這些殘留偽影顯然無法用鉆井指標的變化或更多的地質特征來解釋。在調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?；谶@種狀況，人們很快就意識到，所出現的情況是鉆進穿過枯竭儲層所致，通過與其它診斷方法（如光纖監測、微地震數據和放射性示蹤測井）的比較，驗證了這一結果。
 
圖3
 該技術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，在非常規資源技術會議上提交的2021-5628文獻中有所闡述。在本例中，從鉆井數據中可以看出，局部裂縫枯竭的位置與枯竭中心的裂縫成像之間呈現出明顯的匹配。盡管并非所有的裂縫都有與之相關的枯竭出現，但幾乎所有的局部裂縫枯竭區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，在從鉆井數據中確定的裂縫枯竭區域，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現的氣體要少。

鉆井數據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定的原因之一。由于裂縫枯竭的巖石內力較低，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。經過額外的處理和解釋，可以創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，鉆井數據的使用及其相關的應用正迅速成為許多工程師標準工具箱的重要補充。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數據來識別一些探邊井的儲層裂縫，并調整他們的完井設計，以降低相關的風險。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，石油公司發現探邊井受新完井的井的影響要小得多。

來自鉆井的其它數據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濟效益，但這些數據在完井設計中也有進一步的應用。
 
圖4

所有的這三個特性可以從鉆井數據中進行估量。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論。如果將上述曲線歸一化并相加在一起，那么可以預測自然裂縫最可能出現的位置。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頁巖測井數據，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）自然裂縫預測；5）LWD裂縫成像）顯示了預測裂縫概率高的區域與實際裂縫成像的匹配程度。

近井筒壓裂液分布建模
隨著這種新的數據流在水平井中應用，另一項新的完井設計方面的研發正在進行中。這就涉及到利用近井筒數據來對壓裂液在射孔簇之間的分布進行建模。已有充分的證據表明，裂縫開始處的巖石特性對裂縫的生長有重大影響。

當考慮到在單次泵注作業期間在一個射孔級內多個裂縫傳播時，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、應力陰影以及其他動態流動效應的建模結合起來時，這些近井筒流動模型則可以預測流體分布。當模型被校準為真實數據時，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。

為了確定應力的異質性，需要對應力陰影量、射孔侵蝕率等進行校準。因此，工程師們現在能以數值方式計算每個儲層的最佳射孔和級數設計。這樣做可以大大減少使用當今常用的試錯法或“超越護欄”法，那么就可以縮短到最佳設計的時間和降低成本。石油公司可以通過調整常見的完井變量（如每一級射孔的簇數、射孔直徑和射孔級的長度）對完井設計的更改進行建模。在實施和執行實際的完井作業前可以審查對射孔簇效率的預期影響。

此外，一旦創建了一個良好校準和可接受的模型，石油公司就可以開始不再使用在鉆井之前就創建的現成設計，而可根據井的實際巖石特性單獨制定完井設計。這種工作流程的主要優點通常是降低完井成本，因為現成的完井設計通常是保守設計的，為的是在最壞的儲層條件下能夠獲得最佳的覆蓋范圍。

總之，利用鉆井數據優化完井設計有幾個總體的好處：數據已經存在。無需額外的服務、設備或井場人員提供；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，以實現高分辨率數據分析；完井設計可根據實際壓裂的儲層巖性予以制定。

這些優勢結合起來可以使完井設計得到強化，從而獲得更高效的完井作業，同時，還能降低意外事件及裂縫驅使的相互作用的風險。從該過程中獲得的數據聚集的見解使石油公司能夠優化他們的完井設計與施工，提高油氣井的績效指標和作業效率，實現更高的經濟效益。