Application of maximum likelihood attribute based on structure orientation in the design of drilling trajectory optimization

Chun QING; Xin LUO; Hang ZHANG; Zhun RONG; Qi ZHANG; Shuang YAN; Yang LIU

doi:10.6038/pg2024HH0299

2024 , Vol. 39 >Issue 4: 1501 - 1511

DOI: https://doi.org/10.6038/pg2024HH0299

Application of maximum likelihood attribute based on structure orientation in the design of drilling trajectory optimization

Chun QING ^,¹ ,
Xin LUO ^,²^,³^,* ,
Hang ZHANG ¹ ,
Zhun RONG ¹ ,
Qi ZHANG ¹ ,
Shuang YAN ¹ ,
Yang LIU ¹

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¹ Northeast Sichuan Gas District, PetroChina Southwest Oil and Gas Field Company, Dazhou 635000, China
² State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China
³ College of Geophysics, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China

Received date: 2023-08-14

Online published: 2024-09-29

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Abstract

The development of fault and fracture systems usually leads to risks such as well leakage and water invasion during the drilling process. The complex geological structure、strong reservoir heterogeneity、developed faults and poor quality seismic data in the high sulfur area of the northeastern Sichuan Basin make it challenging for the fine delineation of the distribution laws of faults and fractures in the study area using the conventional technologies such as curvature and coherence et al, and cannot effectively guide the optimization design of drilling trajectories. Therefore, the fracture fine characterization technology of maximum likelihood attribute based on structure orientation is proposed according to the geological characteristics of the study area, and it can finely depict the distribution regularity of fractures. The analysis of the existing drilling trajectory design illustrates that the areas where well leakage and water invasion occur during the actual drilling process have a certain degree of consistency with the predicted fracture development area, indicating the accuracy of fracture characterization. In subsequent drilling trajectory design, the fracture area has been avoided effectively, reducing the risk of well leakage and water invasion. Therefore, the areas where faults and fractures developed in the study area can be accurately depicted using the technology, and then guiding the optimization design of the drilling trajectory. The proposed method can reduce the risks of well leakage, water invasion, etc. during the drilling process, which is of great significance for drilling design and drilling safety.

Cite this article

Chun QING , Xin LUO , Hang ZHANG , Zhun RONG , Qi ZHANG , Shuang YAN , Yang LIU . Application of maximum likelihood attribute based on structure orientation in the design of drilling trajectory optimization[J]. Progress in Geophysics, 2024 , 39(4) : 1501 -1511 . DOI: 10.6038/pg2024HH0299

0 引言

四川盆地三叠系飞仙关组鲕滩是四川盆地天然气勘探的重要领域，随着铁山坡、七里北、渡口河等中高丰度礁滩气田群的发现，为川东地区三叠系礁滩的勘探打开了新的局面(郑荣才等, 2009; 沈平等, 2015; 徐敏等, 2021; 赵虎等, 2023).而在川东北高含硫地区(铁山坡、渡口河和七里北)现阶段的勘探开发过程中，由于川东北二三叠系的地质构造复杂、储层非均质性强、断层发育，解释方案存在多解性，导致断层位置及断距难以准确落实，使得钻井轨迹设计难度大.由于裂缝的存在可能会引起钻井过程中的井漏和水侵等风险，因此，为清楚该区的断裂系统特征及裂缝的发育规律来优化钻井轨迹设计，需要开展川东北高含硫区域断裂系统的精细刻画研究.川东北地区须家河组发育“断缝体”气藏，优势岩相和裂缝发育区是有效储层发育的有利勘探目标(王威等, 2021).为此，国内对川东北地区须家河组的裂缝发育特征及模式(李玉玺等, 2018; 蒋有录等, 2020; 凡睿等, 2023)、储层裂缝识别与有效性评价(袛淑华等, 2022)等方面取得了较为系统深入的研究，并针对须家河组的裂缝发育特征对成藏的影响进行了分析(李明阳, 2020).而在铁山坡区块的已钻井发现由于须家河组和飞仙关组裂缝的发育引起了钻井过程中的井漏和水侵现象，因此，需要对研究区的裂缝进行精细刻画和预测，指导后续钻井轨迹的调整和优化设计.

通过地震成像、反演和属性分析等方法是指导钻井轨迹设计的重要途径，李春梅等(2022)利用高精度各向异性深度偏移、地质统计学反演和多属性分析实现了钻井轨迹的优化调整，提高了优质储层钻遇率.如今，利用叠后地震数据的地震属性进行断裂检测是进行裂缝识别的主要途径，包括多种检测方法，目前在碳酸盐岩储层裂缝检测中常用的地震解释属性主要有：相干(Bahorich and Farmer, 1995)、曲率(Roberts, 2001; 周元茂等, 2017；文山师等, 2023)、蚂蚁追踪(马晓宇等, 2014)、倾角导向(段友祥等, 2017)、边缘检测(李斌等, 2015; 吕丙南等, 2020; 徐赫等, 2021)等.但单一的地震属性已难以满足现今复杂裂缝的精细刻画，曲率、相干和边缘检测等技术主要用于主干大尺度断裂的识别，蚂蚁体一定程度上可以进行中小尺度的裂缝预测，但压制噪声的能力较差.为此，多属性综合预测技术的发展进一步提高了裂缝预测的精度(梁志强, 2019; 周晨, 2020; 薄昕等, 2022; 陈国飞等, 2023)，并在水平井优化设计中取得了很好的应用(王磊等, 2021; 胡荣强等, 2022).而最大似然属性可以更好地进行小尺度裂缝的预测，且在构造导向和倾角导向的基础上，能够提高裂缝的解释精度(张璐等, 2020; 甄宗玉等, 2020).目前似然属性在潜山裂缝预测(刘良刚, 2020; 姜晓宇等, 2020)、走滑断裂识别(马德波等, 2018)和深层断裂预测(李飞跃等, 2023)等方面得到了很好的应用，其对断裂和裂缝的预测效果与常规相干、曲率、方差和蚂蚁体等属性的裂缝预测结果相比在精度上有明显提高，但当研究区的地震数据信噪比低、构造复杂时，断裂及裂缝预测结果的连续性较差，整体较为破碎，难以精细刻画裂缝的分布规律.上述技术的发展都为川东北高含硫地区的裂缝系统精细刻画奠定了基础，但由于该地区的地震资料品质差，反射杂乱，难以准确预测主干断裂及微小尺度的裂缝，而在钻井轨迹设计时，如何规避裂缝的发育区，进而降低井漏和水侵等风险是关键所在，这为钻井轨迹的优化设计带来了困难.

为此，为了指导研究区后续部署井的井轨迹调整和优化设计，降低钻井过程中的井漏和水侵等风险，针对研究区地质特征和地震资料品质情况，提出了基于构造导向的最大似然属性裂缝精细刻画技术.该技术首先对地震数据进行非线性各向异性构造方向滤波，在保留地质构造形态的同时去除噪声，进而提高地震数据的品质，并在倾角和方位角数据的约束下进行最大似然属性的计算，研究结果表明该技术能够精细刻画断裂及裂缝的发育规律，可指导裂缝发育区预测及井轨迹的优化设计，使井轨迹能够较好地规避裂缝发育区.

1 基本原理

1.1 基于构造导向的最大似然属性计算原理

为突出研究区断裂构造的成像效果并提高资料的信噪比，构造导向滤波可以在噪声去除的同时将有效地震信号得以充分保留.在进行构造导向滤波处理时，可使用非线性各向异性扩散滤波进行噪声的压制.各向异性扩散滤波方程为：

式中，t为扩散时间，∇为梯度算子；u为地震数据的振幅，u₀为时间为0时的初始输入振幅，div(·)表示散度，ε为控制张量在尺度变化上的断层算子，其范围为[0, 1]，其中ε值小时表示断层更加突出，反之亦然，D为扩散张量，可使扩散方程沿着地震反射同相轴的方向上进行扩散，而在反射同相轴的断点或边界处得到抑制，因此可以增强地震数据体中连续的同相轴信息，去除随机噪声，同时突出地震不连续异常信息(杨威等, 2011).通过该方法可以去除地震数据的随机噪声，使地震同相轴更加连续，并且能够同时保留构造和断裂等异常信息，使断层特征更加清晰，可为裂缝的精细刻画提供高品质的数据支撑.

在对数据进行构造导向滤波后，再进行最大似然属性的计算.最大似然属性是通过对整个地震数据体进行扫描、计算数据点之间的相似性，获得断裂发育最可能的位置及概率，结合倾角扫描和构造导向滤波等技术，可以增强断裂的地震成像效果，提高断裂刻画精度.最大似然属性的计算公式为：

式中，S表示地震数据相邻采样点之间的相似属性(数值范围为0~1)，S值越小，越能突出断裂造成的局部不连续性强反射特征，可以更加准确地预测断裂，F_l为最大似然属性(表示断裂发育可能性大小，值域范围为0~1).公式(2)中的指数n为关键的调节参数，用来扩大相似属性高值与低值之间的差异性，进而使断裂特征更加突出，背景噪声更小(Hale, 2013; Jaglan et al., 2015).由公式(2)可知，似然属性是相似属性的幂次方与1的差值，因此，当地震同相轴连续时相似属性值会更大，而最大似然属性值更小，即发育断裂的可能性最小，当存在断裂或裂缝时，同相轴之间的相似性变小，似然属性值变大，即裂缝发育的可能性越大.

1.2 基于构造导向的最大似然属性的流程优化

基于构造导向的最大似然属性计算流程是在对地震数据进行构造导向滤波的基础上，并在倾角和方位角属性的约束下，来计算最大似然属性，通过此方法计算的似然属性可以最大限度的压制背景噪声，提高断裂的成像精度.基于构造导向的最大似然属性计算流程如图 1所示，其关键步骤包括：

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图1 基于构造导向的最大似然属性计算的优化流程

(a)Inline方向；(b)Xline方向；(c)设计的井轨迹方向.

Fig 1 Optimization process of the maximum likelihood attribute calculation based on structure orientation

(1) 对叠后地震数据进行非线性各向异性构造滤波，进行有效信息增强预处理，提高地震资料的信噪比.

(2) 对滤波处理后的数据进行振幅增强预处理，通过对原始数据X求取对数log_a^(X)，并对得到的数据进行归一化进行强振幅的压制，进而实现仅增强弱的相关反射振幅的效果.

此步骤中对数的底值a选取对弱振幅的增强效果起到关键作用，对数的底值选取越大，弱振幅的增强效果越明显，反之亦然.

(3) 基于上述预处理得到的数据计算倾角和方位角属性数据体.

(4) 在计算的倾角和方位角数据体约束下计算最大似然属性体.

裂缝的分布存在一定的地质规律，因此我们在使用倾角和方位角数据体约束计算最大似然属性时，需要结合实际地震数据和研究区地质概况选择合适的倾角与方位角范围.在最大似然属性的计算中，指数n为关键的调节参数，它可充分扩大相似属性高值与低值之间的差异性，使断裂特征更加突出的同时，尽可能少地减少对小裂缝的影响.

最终，利用计算得到的似然属性进行构造精细解释和断裂及裂缝的预测.

2 实际地震资料测试及应用效果分析

2.1 研究区地质及地震资料概况

为了说明本文所提出方法对钻井轨迹设计的指导效果，针对四川盆地川东北铁山坡高含硫地区的地震数据进行处理与分析.研究区块位于开江—梁平海槽东侧北段，区域构造位置位于大巴山褶皱带与川东高陡褶带交汇处，如图 1a所示.铁山坡地区飞仙关底界的地震反射构造图如图 1b所示，由图可知，地表及地腹的构造十分复杂，大断层十分发育，属川东地区较典型的丘陵地形，地表地形复杂，为地势崎岖的山区地貌，区域构造位于四川盆地川东高陡断褶带北部的五宝场坳陷区.铁山坡三维区的研究该区块的目的层段自上至下主要发育有沙溪庙组、凉高山组、自流井组、须家河组、雷口坡组、嘉陵江组和飞仙关组，如图 2c所示.

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图2 (a) 铁山坡研究区位置; (b)三维区飞仙关底界反射构造图; (c)主要目的层的岩性描述

Fig 2 (a)The study area of Tieshanpo; (b)The reflection structure map of the bottom of Feixianguan in the 3D area; (c)The lithologic distribution of the main target layers

图 3为三维研究区块的地震剖面，由图可知，自须家河组至飞仙关组的断裂发育，北东向断裂与北西向断裂相互交织，并且地震同相轴连续性差、复波较多、断距难以准确落实，同时微小的裂缝难以准确预测，这为钻井轨迹的优化设计带来了极大的挑战.

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图3 三维研究区的断裂及地震反射特征

Fig 3 The characteristics of fault and seismic reflection in the 3D study area

2.2 地震数据预处理及裂缝预测

首先，我们利用最大正曲率(图 4a)、相干属性(图 4b)进行断裂系统的分析，预测的切片结果可知，曲率属性和相干属性仅对大尺度的断裂和构造形态有一定的刻画效果，但难以刻画出小尺度的裂缝，不利于对中小尺度裂缝发育区的优选.此外，从基于方差计算的蚂蚁体(图 4c)能够一定程度刻画一些中尺度的裂缝展布，但对小尺度的裂缝难以精细描述，而基于最大正曲率计算的蚂蚁体(图 4d)能够反映大尺度的断裂及中小尺度的裂缝发育情况，但预测结果较为杂乱(如图中蓝色椭圆位置)，有效信息和噪声耦合难以准确刻画裂缝的平面展布和实际发育情况.

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图4 研究区沿须家河组底界面的地震属性切片

(a) 最大正曲率；(b) 相干；(c) 基于方差的蚂蚁体；(d) 基于最大正曲率的蚂蚁体.

Fig 4 The seismic slices extracted from the bottom of Xujiahe in the study area

(a)Most positive curvature; (b) Coherent; (c) The ant-tracking based on variance; (d) The ant-tracking based on most positive curvature.

基于上述常规属性对裂缝刻画的效果分析，对地震数据进行预处理，如图 5为研究工区的典型地震剖面.首先，使用自然对数的底数e对地震数据进行弱振幅增强预处理，对比图 5a、b可知，进行振幅增强处理后，地震剖面的整体断裂特征更清晰，有效信息得到明显改善.采用非线性各向异性构造导向滤波技术对地震数据进行处理，改善地震同相轴的连续性，平滑断层面，突出断裂特征，提高地震资料的信噪比.如图 5c所示，经过构造导向滤波处理后，地震剖面的同相轴更加连续，断裂面更加清晰，断裂位置点更明确.图 6进一步进行了预处理前后地震切片的对比，由图 6b可知，弱振幅增强后的地震异常信息更加突出，经过构造导向滤波后(图 6c)的地震有效信息更清晰，且能够压制一些较为杂乱的异常干扰(图中蓝色框所示).

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图5 地震剖面预处理前后对比

(a)原始剖面；(b)弱振幅增强后；(c)滤波处理后.

Fig 5 Seismic sections comparison before and after preprocessing

(a) Original section; (b) After weak amplitude enhancement; (c) After filtering.

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图6 沿飞四底界面的地震切片对比

(a)原始数据；(b)弱振幅增强后；(c)滤波处理后.

Fig 6 The comparison of seismic slices extracted from the bottom interface of T₁f⁴

(a) Original data; (b) After weak amplitude enhancement; (c) After filtering.

由于倾角和方位角能够较为全面地反映断裂的主要变化趋势，对研究区的构造特征描述具有很好的指导意义，为此，在地震数据预处理的基础上，进一步计算地震数据的倾角和方位角，再以倾角和方位角数据体为约束，计算地震数据的最大似然属性.在计算中，为了充分刻画出断裂的分布，又避免虚假裂缝信息的干扰，依据地质先验信息，将倾角取值范围设置为[-45°, 45°]，竖直向上为0°.

通过对不同属性在剖面的叠合显示可知(图 7)，基于倾角的相干属性(图 7a)仅对大断层有一定的识别效果，但对较小尺度的裂缝难以准确刻画，不能准确反映断层的断面位置，断层成像效果差；基于方差的蚂蚁体属性(图 7b)识别的断层及裂缝效果较为杂乱，难以准确有效地刻画断层及裂缝发育情况；图 7c中未经构造导向滤波的最大似然属性识别的裂缝连续性差，较为杂乱；而本文基于构造导向的最大似然属性(图 7d)不仅能够清晰地刻画较大断裂的发育位置，还能反映较小尺度的裂缝发育情况，对小、微断裂及裂缝发育区的成像更加聚焦，且受背景噪声的影响小.

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图7 地震剖面与不同方法技术预测的属性融合显示

(a)基于倾角的相干；(b)基于方差的蚂蚁体；(c)未经构造导向滤波的似然属性(指数n=8)；(d)本文方法(指数n=8).

Fig 7 The fusion of attributes predicted by different methods with seismic section

(a) The coherent based on dip; (b) The ant-tracking based on variance; (c) The likelihood attribute before structure-oriented filtering; (d) The proposed method.

2.3 裂缝精细刻画结果在钻井轨迹优化设计中的应用

通过上述方法的应用测试可知，基于构造导向的最大似然属性可使微、小断裂及裂缝发育区更加聚焦，能有效指导研究区的断裂精细解释.由于在研究区的钻井过程中遇到了井漏，well-1井最为典型，其井轨迹的设计未考虑裂缝的发育情况，为此，首先利用未使用裂缝刻画指导前的well-1井进行分析，该口井钻井过程中在须家河组和飞仙关组均遇到了较为严重的井漏.图 8为三个方向的地震剖面及其最大似然属性叠合图，由图 8a—c可知，裂缝的分布情况能够清晰地识别，在三个方向上须家河组处的裂缝均比较发育，且在钻井过程中遇到了井漏现象(图 8b、c中红色箭头所示)，从图 8c中飞仙关组处的裂缝发育情况看，飞仙关组含有一定规模的裂缝发育，且与钻井轨迹相交，存在井漏的风险更大，在钻井过程中也遇到了井漏现象，说明裂缝的存在影响高效高质量的钻井工程，也反映了利用本方法进行预测裂缝的准确性.

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图8 过well-1井不同方向上最大似然属性在地震剖面的叠合显示

(a)Inline方向；(b)Xline方向；(c)设计的井轨迹方向.

Fig 8 The display of maximum likelihood attribute overlay in seismic section from different directions across through the well-1

(a) Inline direction; (b) Xline Direction; (c) Direction of designed drilling trajectory.

因此，为了减少裂缝存在导致钻井过程中的水侵和井漏等风险，以此基于构造导向的最大似然属性裂缝刻画结果为基础，可对研究区新部署井点处的井轨迹设计提供优化支撑，进一步对过well-2井位置处Inline和Xline方向的地震剖面进行分析，最大似然属性与剖面的叠后显示如图 9所示，由图 9a、b可知，最大似然属性可以很好地反映裂缝的发育特征和分布规律，设计的井轨迹有效地避开了裂缝的发育区，从图 9c的井轨迹方向的结果显示可知，沿井轨迹方向的裂缝基本不发育，在实际钻井过程中也未遇井漏和水侵，保证了高效高质量的钻井实施.

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图9 过well-2井不同方向上最大似然属性在地震剖面的叠合显示

Fig 9 The display of maximum likelihood attribute overlay in seismic section from different directions across through the well-2

(a) Inline direction; (b) Xline direction; (c) Direction of the designed drilling trajectory.

3 结论

为了降低裂缝的存在导致钻井过程中遇到的井漏和水侵等风险，本文进行了裂缝的精细刻画研究，利用基于构造导向的最大似然属性指导了钻井轨迹的优化设计，主要得到了以下认识：

(1) 利用非线性各向异性构造滤波技术能够有效去除地震数据中的背景噪声，在使地震同相轴更加连续的同时，保留了构造及断裂的有效信息，使断层特征更加清晰，通过地震数据的预处理可以改善地震资料的品质，进而提高大尺度断裂和中小尺度裂缝的预测精度.

(2) 基于构造导向的最大似然属性充分利用方位角和倾角属性的差异性进行约束，得到的最大似然属性进行裂缝刻画时可使小、微断裂发育区更加聚焦，能够精细刻画裂缝的分布规律，可有效指导钻井轨迹的优化设计，降低钻井过程中的水侵和井漏等风险.

感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持！

References

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Bahorich

M S

, Farmer

S L

. 3-D seismic discontinuity for faults and stratigraphic features: The coherence cube. The Leading Edge, 1995, 14(10): 1053 1058

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0 引言

1 基本原理

1.1 基于构造导向的最大似然属性计算原理

1.2 基于构造导向的最大似然属性的流程优化

图1 基于构造导向的最大似然属性计算的优化流程

2 实际地震资料测试及应用效果分析

2.1 研究区地质及地震资料概况

图2 (a) 铁山坡研究区位置; (b)三维区飞仙关底界反射构造图; (c)主要目的层的岩性描述

图3 三维研究区的断裂及地震反射特征

2.2 地震数据预处理及裂缝预测

图4 研究区沿须家河组底界面的地震属性切片

图5 地震剖面预处理前后对比

图6 沿飞四底界面的地震切片对比

图7 地震剖面与不同方法技术预测的属性融合显示

2.3 裂缝精细刻画结果在钻井轨迹优化设计中的应用

图8 过well-1井不同方向上最大似然属性在地震剖面的叠合显示

图9 过well-2井不同方向上最大似然属性在地震剖面的叠合显示

3 结论

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