超深度电阻率测井仪和方位电阻率测井仪组合的地质导向

编译:孙显宏 (长城钻探工程有限公司工程技术研究院)

审校:于秀娥 (长城钻探工程有限公司工程技术研究院)

超深度电阻率测井仪和方位电阻率测井仪组合的地质导向

编译:孙显宏 (长城钻探工程有限公司工程技术研究院)

审校:于秀娥 (长城钻探工程有限公司工程技术研究院)

地质导向就是应用实时地质评价数据,主动对井眼轨迹进行控制,以保证钻井成功中靶,提高油层的钻遇率。而传统的随钻测量波形传输仪器只能采集到井眼周围的平均电阻率数据,没有任何方向性。在理想条件下,能探测6 m范围的方位电阻率测井仪被加到底部钻具总成上。深度电阻率测井仪、常规传播电阻率测井仪和方位电阻率测井仪的组合有助于确定油井在油层的最佳产油位置,并能在复杂环境下进行地质导向。尤其是这种测试组合能区别泥岩是来自于测试仪之上还是来自于测试仪之下。文章介给出三种仪器在北海油田应用的实例。

水平井 随钻测量 电阻率测井仪 地质导向 地层评价

1 前言

挪威国际石油公司美国标准协会经营的Grane油田位于北海区块,距西北部近200 km。该油田从2003年投产至2008年5月累积采油百万桶。该油藏是古新世年代、浊积岩大粒砂岩、由泥岩封闭油藏。油层发育从细粒到中粒,中粒发育良好,是均质砂岩储油层,油气显示良好,油层孔隙度30%～33%,一般渗透率能达到5～10 D(1 D= 1.02μm2)。

实践已经证明,在钻水平井过程中会钻遇泥岩,尤其是靠近油层时更易钻遇泥岩。Grane油田为高黏度 (12 mPa·s)的生物降解油,原油密度为895 kg/m3,靠近油层的地层水的密度为1 018 kg/m3。由于较小的密度差,在整个油田的油水界面以上形成了一个很长的地幔过渡带,这个过渡带在测井曲线上表现十分清楚。

Grane油田的排驱方案是前期以注气为主,后期注水以维持地层压力。注气井的注气喷嘴安置在构造高的地方,以将油向下推至生产井,而注水井的注水器安置在构造低的地方,以把残余油向上推至生产井。根据油藏模拟研究,水平井的最佳位置在油水界面之上真垂直深度为9 m的位置。预计油藏底部边界的构造位置高于油水界面,生产井布置在靠近油藏底部的位置,由于油与水之间的密度差较小,在大范围的采油和注气后会引起油水界面波动。注气后可能把局部残余的稠油挤到水层。当出现这种情况,更多的下渗水受压后,会沿着砂岩的底部从局部成形的页岩构造流域溢出。

在北海油田,在油水界面9 m以上,一直用超深传播电阻率对井下钻柱进行地质导向,这个测井仪带有1个轴向发送器和2个轴向接收器,两个接收器距离发送器分别为12 m和17 m。当该测井仪钻遇倾斜的油藏时,仍然能精确地保持这个距离,但该仪器缺乏方向性,在常规梯度测试时会受到来自油层下部的泥岩的干扰,而使测量信息混乱。将带有方位敏感性的测井仪加到下井仪器串上可提高仪器的地质导向能力。这种测井仪是标准的轴向传播电阻率测井仪,仪器上加有2个能产生方位读数的正交接收器。红色天线用于方位测量,外部两个是轴向发送器,内部两个是正交的接收器。这两个正交接收器间隔22 in(1 in=25.4 mm),和轴上的两个接收器间隔是8 in。所有的测量都有相同的测量点 (接收器的中心)。外部发送器距离测量点36 in,测量系统是均匀对称排列的。

测井仪完全正交安装的优越性是对于均质地层接不到任何信号,直到油层边界的反应超过仪器的噪音 (接近于0.01μV)时,该系统才有反应。实际上,用于记录数据的仪器与轴向传播电阻测井仪并不是一个整体,但对深度已经进行了调整,以使两种测井仪的结果一致。方位测井仪可以发射400 kHz和2 MHz的电磁波,但仅400 kHz的数据用于研究和地质导向。正交接受器也能接收间隔较短的轴向发射器的信号,但这些测量数据或许不用于地质导向。在理想条件下 (有阻油层和传导性围岩),围岩的检测深度大约是6 m,尽管测量系统仅有2 m长。而这种油层并不代表理想油层。油层的倾角在方位接收器上产生信号,此信号将限制检测深度。为了提高检测深度,策略就是估计倾角产生的信号,并从仪器响应中除去这种干扰信号。既要提高目标深度推算值的精确度,又要提高目标方位的准确性。

2 井眼轨迹的响应因素

图1是用于分析实际井眼的地幔过渡带电阻率梯度模型。这个灰色电阻率测量剖面是地幔过渡带模型。深度比例是真垂直深度。在该油田常用几个不同的梯度模型。

轴向传播电阻率曲线是长间隔排到400 kHz的衰减测量值和来自相同系统的2 MHz相位差测量值。以此比例,这两条曲线很难与模型曲线区分。相比之下,四条超深度曲线可清楚地分辨出来。靠近油水界面,所有四种深度视电阻率响应值比模型电阻率要高,这是受极化影响的结果。换句话说,这个层的高阻值是由于受分布的角突影响的结果。较短的常规传播电阻率曲线评定该模型时把它当做平滑曲线,但超深度测井仪曲线 (较长)在此比例上具有相对突起的边界。灰色曲线是方位测井仪的信号强度,此曲线在计算机模拟中与电阻率曲线使用相同的对数标尺,但在油田测试中使用线性比例尺绘制电阻率曲线。在只有简单的两层情况下,曲线的峰值将在岩层的分界面上。

然而,在这种情况下,当分界面分布着一个较宽的倾斜度时,该峰值就会出现在坡度的中间位置。在油水界面2 m以上信号强度最大,大约能达到2μV。在出现断层的油水界面,油层电阻为每米100Ω,水层电阻为每米0.5Ω,将会出现8 μV的信号强度,在油水分界面上会出现电阻率峰值。井眼的轨迹目标在油水界面9 m(真垂直深度)以上,并用红线表示。在9 m处对应的方位信号强度大约为0.078μV,可检测的最小信号必须超过0.010μV的噪音平均值。用于方位测量的指示 (这里没有画出)将垂直向下指示出接近油水界面并在测井仪之下的低阻层。然而,大约在1 783 m的位置信号强度几乎是零,也就是在该点方向指示将转换到更新点。在这个零交叉点之上,井眼上方泥岩的影响响应比电阻率梯度和井眼下方水的影响响应更强烈。方向信号强度为零和信号方向改变的点通常称之为电中点。这个电中点是非常重要的一个地质特征。

图1曲线上的点指示了在9 m对应点值。然而,其他与倾角无关的导电对象也将对仪器的反应有影响。这些对象通常是一些泥岩,当钻头不可避免地钻遇泥岩层时,这种情况将被证实。本研究的目标就是联合应用三种测井仪 (深度电阻率、轴向传播电阻率和方位电阻率)来确定周围环境,选择有效的途径使所钻井眼成为最佳的油层产油通道。为了确定电导率响应部分是由倾角引起的,并确定哪部分是由于钻井过程中受其他的负面影响源引起的,为了提高方位数据的质量,尝试着消除倾角因素的影响。方法是用常规的轴向传播电阻率来确定梯度曲线上的校正点,然后在这个点上减去信号强度值。举一个例子,图1在油水界面之上9 m这点,轴向传播2 MHz电磁波相位差测得电阻值是20Ω,400 kHz电磁波幅度衰减测得电阻值是19 Ω,这时估计方向信号强度在0.078μV左右,然后从测量出的方位强度信号中减去这个数值。

3 水平井数据采集和技术分析

油层钻2个水平井,每口井都有其特征,图2现场数据包括来自三个仪器的数据资料。传统的传播电阻率仪器有4个曲线要绘制:Ra2ML(长间距2 MHz幅度衰减电阻率)、Rp2ML(长间距的2 MHz相位差电阻率)、Ra4kL(400 kHz长间距幅度衰减电阻率)和Rp4kL(400 kHz长间距相位差电阻率)。仅400 kHz衰减和2 MHz相位差的响应用于解释。超深井下测井仪也绘制4种曲线:

Ra50k(50 kHz衰减电阻率)、Rp50k(50 kHz相位差电阻率)、Ra20k(20 kHz衰减电阻率)、Rp20k(20 kHz相位差电阻率)。

图1 Grane油田电阻率梯度模型的深度、轴向和方位传播电阻率测量值,目标深度在油水界面以上9.0 m,深度比例是真垂直深度

方位信号强度记数点 (bin#)在中间(bin#=7和8)表明信号直接来源于井底,测试数字为0和15表明信号来源于井眼之上,测试数字在8～15之间表明信号来源于井眼轨迹的左边。这个信号强度的比例尺 (在图1上为0～400)变化很大。自然伽马射线曲线在测井曲线下部,作为参考。在图2的2 680 m处,2 MHz相位差电阻率接近期望值20Ω。400 kHz衰减电阻率大约为30 Ω,这个数值比预期值高,但并不合理。无论如何,这个超深度测量仪除了预期测量电阻率梯度和下面的水层之外,还能探测出电导率。这些异常电导率大多是油层中夹的泥岩层所致,这是常见的情况。这个最深度的测量能感觉到30 m远的电导率,也就是仪器能感应到一个巨大的定容比热容。方位电阻率测井仪的响应大约是0.12μV,将超过预期的0.078μV,这是因为检测到了另外的电导率。bin#在刻度中间表明电导率层在工具下方,在2 640 m附近地带,bin#数字突然上升到高值15,表明电导层在工具之上,这很有可能是油层中夹泥岩层。超深测井仪的响应小表明这不是油层顶部。在图2中信号强度受电阻率梯度的影响将使峰值有减少的趋向。当电导层在工具下面时,修正后信号强度减少,当检测到电导层在工具之上时,将会增加信号强度。在工具之下的倾斜度和工具之上的泥岩互相竞争导致图2中方位信号峰值强度降低。

图2 水平井剖面,在2 640 m可以检测到页岩,点 (0～15)显示了方位角信号的方向,当AP Rnv的信号强度在毫微伏数量级时,点0和15在井眼的顶部,点7和8在井底

图3是修正后的结果,估算出只受泥岩影响的结果。另外,在一个三层模型中当顶层和底层影响相当时,出现一个信号强度零交叉点,这点叫电中点,零交叉点能在图2(1 783 m处)综合数据中观察到。

另外一个测井部分如图4,在这种情况下,伽马曲线显示井眼轨迹穿过一个小泥岩层。电阻率测量曲线显示出导电响应和高值突起,这与以一个高倾角进入一个导电层的测量结果是一致的 (岩层边界和井眼轨迹的夹角接近于90°)。方位伽马曲线也显示出这一个高角度进入。方向信号强度显示出两个高峰,一个是进入泥岩时,另一个是离开泥岩时。钻柱进入泥岩底部,然后穿过泥岩底部回到油层。在井眼轨迹上面的电导层和下面的电阻层将具有相同的方向,它将与bin#数值是一致的。如果该井眼轨迹已经穿过油层的底部并从顶部返回砂岩层,该信号强度将达到电中点,并且bin#是变化的。

图3 图2中除去倾角影响后的数据

图4 钻遇泥岩和离开泥岩时产生的方位峰值

图5进一步显示了井眼轨迹。在钻入泥岩段3 788 m深度后,继续水平钻进24 m钻遇高饱和水的砂岩区。这段砂岩区有一个常规浅的轴向电阻率,近似1Ω,以及一个急剧降低的超深电阻率。借助伽马值和各向异性的增加可以识别出泥岩段。常规传播电阻率测井仪所测电阻率值能清楚地区分指示出泥岩的各向异性。如果测井仪相对于各向异性地层是水平放置,那么方位测量对各向异性并没有响应。在3 778 m到3 812 m的测量深度,电阻率值逐渐增加表明水的饱和度逐渐降低。当钻到3 800 m油气层时常规的轴向传播电阻率测量值迅速增高,方位信号强度在相同的区段3 801 m处达到极大值,约为2.5μV。这个极大的边界峰值在1 Ω的含水层和20Ω的油层之间大约为6μV。图5达到的极小峰值表明这并不是一个突变的油层边界,而是一个饱和水的渐变过渡带。一旦钻遇的是电阻层,bin#显示导电湿层在井眼轨迹之下。随着水平钻进的深入,电阻率随着含水饱和度的升高而逐渐降低。方位信号强度的峰值很宽,最大值约为3μV。导电层仍然显示在井眼轨迹之下。在3 860 m处钻遇一个泥页岩层。如图5左侧边缘页岩所示,这个泥岩层可通过上升的伽马值和各向异性识别出来。

图5 钻水平段时因油层中水侵到井眼而使含水饱和度降低

图6 在井眼轨迹下方和左侧探测到的泥岩层

图6的数据来自于第二口水平井。在2 632 m处井眼接近泥岩层,所有的电阻率曲线都有反应。当常规传播电阻率曲线显示低阻层响应时,超深电阻率曲线显示一个突起的峰值响应,在50 kHz相位差电阻率曲线通过该层看起来似乎没有反应。方位测量的信号强度峰值大约在0.32μV,这相当于近似1.6 m的距离。这种泥岩显然是在井眼之下,而当泥岩的影响明显超过梯度的影响时,bin#变动两个点到左边。这表明泥岩在井眼下边,稍微偏左,而稳定的伽马曲线响应显示井眼轨迹并没有穿透泥岩。

在这种情况下,超深电阻率曲线数据显示电阻率值比油层其他区域电阻率要低。超深电阻率值继续降低直到浅处测量也开始检测到泥岩。在该点,超深电阻率测量曲线开始有一个突起的响应。就在方位信号强度开始显示其峰值之前,在稳定的水平面下方有一个由倾角引起的小的下降,这是井眼之下的倾角和井眼之上泥岩之间的电中点,将其作为早期的参考点。从井眼底部到顶部bin#的改变等价于方位信号强度测量中符号的改变。

如图7,钻遇了水饱和度变化的泥岩带。在3 765～3 786 m,方向信号强度增加,意味着钻具从下部靠近导电层。在相同的层带,在3 788 m穿过泥岩之前常规传播电阻率显著降低至约1Ω,该方位和常规传播电阻率值正反应了 Heimdal砂岩含水饱和度的增加,可能是由于气顶的影响而引起油水界面的局部变化。在3 803 m钻出泥岩后,方位电阻率测量数据显示在井眼之下有导电层,直至3 820 m。这个常规视电阻率曲线的分离再次证明了泥岩的非均质性。井眼轨迹穿过泥岩的顶部沿着同一侧返回砂岩层。在泥岩的内侧方向显示器给出井眼上方的电导率,然而,这仅仅检测到泥岩电导率的变化,并不是油层的电阻值。当方位测井仪开始对3 800 m的砂岩电阻有响应的时候,bin#数返回显示在井眼下部的导电层与井眼之上的电阻层是相当的。

图7 钻遇水饱和度变化的泥岩

4 结论

三个电阻率测井仪常用于油层地质导向,它们是超深电阻率测井仪、常规传播电阻率测井仪和方位电阻率测井仪。油层含水饱和度变化导致电阻率大约从300Ω (油层顶部)变化到0.5Ω (油水界面以下)。需要用超深测井仪从最佳的井眼轨迹(油水界面以上9 m)中来确定大规模的电阻率结构。浅测量常用于分析近井眼的电阻率变化。

方位测量能确定导电层的方向,显然,井眼之上的导电层与井眼下面的电层有不同的校正方法。当接触面在井眼之下时,三种电阻率测井仪的综合分析能识别出泥岩层。通常,使用传播电阻率测量值来估测方位电阻测量仪对油田电阻率变化的反应。从观察到的方位信号强度减去倾斜的强度信号就能得到一个距导电层比较准确的距离。结果较好地解释了井眼之上或井眼附近的导电层。

资料来源于美国《SPE 115675》

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.5.008

2009-03-05)