地质导向过程中Spike现象的解释

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【摘要】在随钻地质导向过程中，常常会遇到spike（尖刺）现象，尤其是在某些特殊的情况下，例如地层电阻与泥浆电阻对比非常明显的情况下，Spike现象常常会发生。此外，因地层的非均质性、各向异性等因素以及当前所使用的LWD的特殊性同样也会产生Spike现象，本文就S4井的情况及LWD特殊性对该井出现的Spike现象作了合理化的解释并给出了相应的解决方法。

【关键词】随钻测井 Spike现象 非均质 各向异性 S4井

1 Spike现象

Spike现象是在随钻地质导向过程中时常发生的一种现象，早期开发的随钻测井仪器无论是斯伦贝谢公司的ARC阵列感应随钻电阻率测井仪器，还是哈里伯顿公司的EWR PHASE系列的随钻测井仪器，或是其他以电磁波为基础的随钻测井仪器，在地质导向过程中都存在该现象。虽然后来经过技术革新后解决了该问题，但从本质上讲该现象必然是会发生在这种类型的仪器设备上。首先是该类型LWD本身的特殊性，如单向发射，目前我公司的EWR Phase4就属于该种情况，4个发射极在仪器上方，2个接收级在仪器下方，而且发射频率都属于高频率范围，如1Mhz发射频率对应于深电阻率，2Mhz发射频率分别对应于中电阻率、浅电阻率及极浅电阻率，当仪器穿行于不同属性地层时，水平方向及垂直方向上的电阻率就会存在差别，这种差别直接影响到接收级接收到的幅值或相位移计算的结果，正因为存在这种特殊性，所以在实时监测过程中，特别是地层电阻率相对于泥浆电阻率对比很高的情况下，会出现Spike（尖刺）现象；其次是地层的非均质性或各向异性，地层的非均质性越强，也即地层电属性的渐变或过度性非常强烈，这样直接导致了该种LWD仪器测量时产生的spike现象。

2 Spike现象的实例及分析2.1 S4井现场实例

S4井位于在伊朗雅达瓦兰油区，从钻井设计上看，纵向上穿越的层位基本相似，主要开采Savak2号油层。油层物性差别较大，S4井油层处于构造边缘地带，无论纵向还是横向上油层物性变化都很大，而且纵向上穿越几十米厚的储层，因而出现Spike现象较为频繁，尤其是在电阻率较高的层段，曲线震荡更为剧烈，从定向段的部分井段来看，存在高电阻层位。

2.1.1 地层电阻与泥浆电阻对比较高的情况下产生的spike现象

（1）S4井，井段2850m～2870m，在该井段测得泥浆电阻率Rm=0.06～0.11ohm. m ，随钻LWD实测地层电阻率Rt=200～1600ohm.m， 如图1所示：从随钻测井图中可以看出从2852米开始，测得地层电阻率从60ohm.m逐渐上升，直至1600ohm.m到最大，然后逐渐下降，钻至2872米时又降至60ohm.m左右。该井段从实测的电缆测井曲线图中也可以看到电阻率曲线起伏变化落差较大，“箱状”特征极为不明显。另外，从上述实测的泥浆电阻以及地层电阻来看，两者比值相差甚大，也即对比反差强烈，在曲线图中呈现高频率震荡，形成锯齿状起伏频繁的不规则曲线，正是因为泥浆电阻与地层电阻对比相差太大的缘故造成spike现象的产生。

（2）S4井，井段 2940m～2962m，实测泥浆电阻率Rm=0.09～ 0.11ohm.m ，随钻LWD实测地层电阻率Rt=200～2000ohm.m 如图2所示：该井段特征与上图极为相似，主要原因是地层物性差，类似穿过一夹层，该井段曲线在电缆测井图中也较明显，反映出地层的非均质性较强，根据上述测得的泥浆电阻率及随钻LWD实测地层电阻率来看，造成spike的原因也与上图所反映的井段类似。2.1.2 LWD 自身特殊性及地层各向异性导致的Spike现象及分析

图4 “窗帘”效应

3 Spike问题的解决方法

针对S4井的Spike情况的分析得知，其主要原因在于地层的各向异性、岩性变化较快、非均质性较强等因素的影响，加之目前LWD所固有的特性，从本质上讲并没有实质性的解决办法，但是为满足客户需求，达到随钻地质导向的实际价值，为客户提供宝贵的信息，使得油层穿透率最大化，从而进一步达到节约成本、产量最大化的目的，为此我们可以在以下几个方面做出改进：

3.1 修改平滑处理参数

通常按照平滑处理要求，平滑间距选择0.15米，窗长选择0.3米，这种参数设置对于数据采集密度较大，不存在spike的情况下较为实用，选择该参数不会发生数据失真现象，但对于存在严重spike现象的井来讲，使用该参数将使曲线看上去非常不平滑，存在严重的曲线震荡现象，无法对比地层，因此需要重新调整平滑参数，对于S4井我们将平滑间距选择0.15～0.2米，窗长选择1米，这样曲线看起来就相对平滑一点，少了很多尖刺，虽然曲线起伏变化没有得到根本性改善，但对于地层对比来讲，特别是对于存在诸多夹层时进行地层对比时较为准确一点。但同时选用该平滑参数也有缺点，因为窗长增加后相应的数据的失真度也就高了，对于极薄的地层对比来讲非常不利，而S4井虽然储层物性较差，过渡性也较强，但薄层较少，选用1米的窗长也不会影响对比。3.2 选用不同频率组合的LWD仪器

目前我公司使用的LWD仪器存在一定缺陷，即对于类似S4井情况的特殊井来讲，无法从根本上消除Spike现象。因为不仅其发射频率高而且频率较为单一，仅1Mhz和2Mhz两种，并且是单向发射单向接收，这样势必产生诸如S4井频繁的Spike现象，相对于电缆测井而言，雅达地区导眼段采用的是感应测井，感应测井使用的发射频率较低（20Khz～200Khz），而且采用对称互补式测井方式，这样在很大程度上消除了Spike现象，目前哈里伯顿就采用EWR-M5电阻率传感器来消除这种Spike现象，同样斯伦贝谢也采用了ARC VISION多频补偿随钻测井仪器来解决Spike问题。

【摘要】以石油钻井行业基层施工单位钻井平台为例，通过应用法国达索公司开发的DELMIA仿真软件，在电脑里面构建虚拟的钻井平台和机械设备3D模型，创建人体3D模型，制作人体动画模拟人在虚拟环境中的作业过程，模拟出现操作失误或设备事故时安全隐患对人体造成的伤害，探讨3D虚拟仿真技术在HSE管理体系中的应用价值和今后的发展方向。

【关键词】3D虚拟仿真 HSE管理体系 风险评价和隐患识别 人因工程分析

随着计算机软硬件技术的不断发展，3D虚拟仿真技术得以实现。首先应用在飞机、汽车的制造业中，机械产品的设计、制造、装配的过程完全可以在电脑生成的虚拟世界中进行。其目的是提前检验产品的设计、制造和装配过程是否合理。在设计、制造、装配和使用的过程中加入人体运动的仿真，应用人机工程学的理论，目的的在于设计出对于人体更舒适、安全的产品和建设更加舒适、安全的工作环境。

1 3D虚拟仿真技术简介

3D虚拟仿真实际上是一种可创建和体验虚拟世界的计算机系统。此种虚拟世界由计算机生成，用户可借助视觉、听觉及触觉等多种传感通道与虚拟世界进行自然的交互。它是以仿真的方式给用户创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维虚拟世界，并通过显示器、数据手套等辅助传感设备，提供用户一个观测与该虚拟世界交互的三维界面，使用户可直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化，产生沉浸感。简单的说就是在计算机创建的三维模型世界中进行运动的仿真，比如人体的行走、搬运动作，汽车、飞机的模拟驾驶操作，工厂生产的仿真装配等过程。

2 中石化HSE管理体系简介

HSE就是健康、安全、环境的英文单词的第一个字母。现代石油石化生产技术的发展，一方面给人类带来了大量的财富和舒适的生活环境，另一方面由于火灾、爆炸、中毒等重大事故的频频发生，不仅给企业带来了高额的经济损失，也使石油石化产业长期处于高能耗、高污染、高破坏的境地。因此国际上的大型石油公司将企业追求最大利润的天性逐步变为保全生命质量、保护环境的持续利用与追逐利润并重，企业的管理目标突出了人的健康、安全和环境保护。

为消除和减轻石油石化企业生产过程中存在的风险和危害，保护员工的健康和生命财产安全，维护生态环境，使中国石油化工集团公司的安全、环境与健康管理与国际接轨，并在安全、环境与健康管理上创国际一流的业绩。集团公司于 2001年2月8日正式了集团公司HSE管理体系标准，形成了一个体系，四个标准和五个指南为框架的HSE管理体系。

HSE管理体系的核心内容就是风险评价和隐患治理。风险评价是一个不间断的过程，是所有HSE要素的基础。进行不间断的风险评价工作，识别与业务活动有关的危害、影响和隐患，并对它们进行科学的评价分析，确定最大的危害程度和可能影响的最大范围，并采取有效或适当的控制措施，从而把风险降到最低或控制在可以承受的程度。对于基层施工单位，HSE管理体系编制了《职工健康安全危害识别与风险评价表》、《环境影响识别和评价表》和《隐患治理统计台账》，每一位职工都对本岗位存在的危险隐患进行排查分析，制定定防范措施，该项工作有效的提升了职工安全意识，减少了人身伤害的发生，但是这些工作多是以文字性质的表格来进行。完全可以利用计算机3D虚拟仿真技术，在虚拟的环境中进行隐患识别，模拟人体作业过程中可能遭受到的意外人身伤害，使用人体运动仿真技术辅助HSE管理体系进行风险评价和隐患识别，从而实现对人体行为的风险控制。

3 DELMIA仿真软件介绍

经过一段时间的研究发现，虚拟仿真技术已经广泛地应用于各行各业，在许多著名的虚拟仿真软件开发公司中，法国达索公司是先驱之一。达索公司旗下的一款叫做DELMIA的仿真软件，是专门为数字化制造提供仿真的软件，功能非常强大，包括机械建模、人体建模、人机工程仿真、机器人仿真、机器人离线编程、装配仿真、机械加工仿真等几大模块。虽然DELMIA是针对加工制造业的仿真软件，但是其中人机工程仿真模块中的人体建模、人体运动仿真、人因工程分析是专门针对人体在工作环境中的舒适度、安全度的仿真模块。将DELMIA仿真软件应用到HSE管理体系的风险评价和隐患识别过程中，可以给隐患的识别提供直观的视觉效果，同时人因工程分析可以在虚拟的环境中有效的分析出人体作业过程中各个部位和关节的受力情况，提出合理的改善措施，减轻作业过程对人体肌肉造成的疲劳伤害。运动仿真更可以模拟作业过程中发生意外时，人体遭受到人身伤害时的真实情况，作者认为DELMIA的人因工程仿真可以很好的帮助HSE管理体系进行风险评价和隐患识别。

4 利用DELMIA进行风险评价和隐患识别的过程

以石油钻井平台应用DELMIA软件进行风险评价和隐患识别为例，对3D虚拟仿真技术的应用过程和今后在HSE管理体系中的发展提出合理化的建议。

第一步，建立3 D模型环境。应用DELMIA自带的建模功能，搭建与真实的钻井平台、机械设备一模一样的3D数字模型，每个零件、每个螺丝都在虚拟的空间里面进行虚拟装配。这项工作可以由HSE管理办公室组织完成，建立统一的钻井平台、绞车、柴油机、联动箱、泥浆泵、循环罐。并在模型中建立机械结构的运动仿真和控制逻辑。比如，进入司钻房内可以对控制面板上的控制开关进行操作，合上绞车的离合器开关，对应的机械设备绞车滚筒开始转动，提升游车上行，进行起钻作业。摘掉离合器开关，按下刹把，游车悬停。整个场景就是一个虚拟的钻井行业的培训基地，和真实的钻井平全一样。新进人员可以在这里进行虚拟的培训，比如司钻培训、井架工培训、内外钳工培训。如同战斗机飞机驾驶员的模拟培训机舱一样，飞行学员要想真正的驾驶战机翱翔蓝天，必须通过虚拟飞行考试。

第二步，建立人体模型。DELMIA本身自带一个人体模型库，亚洲人、美洲人、欧洲各个年龄段的人体数字模型可以随意选择，同时应用人体建模功能可以通过更改参数，定义性别、身高、年龄等特征，自己建立一个人体模型。每一位员工都可以根据自己身体特征非常简单的建立一个虚拟的替身，让他代替真实的自己在虚拟的工作环境中完成作业任务。