随钻地层评价技术面临的问题、现状与展望

司马立强，李扬

（西南石油大学资源与环境学院，四川成都610500）

随钻地层评价技术面临的问题、现状与展望

司马立强，李扬

（西南石油大学资源与环境学院，四川成都610500）

随钻测井资料主要应用于地质导向和地层评价。随着仪器性能完善和理论研究的深入，研究重点已转移到随钻测井资料解释评价上。在前人工作基础上，指出随钻测井地层评价的难点主要有5个方面：仪器设计、测量方式、环境影响因素、解释模型和参数计算。分析了随钻测井仪器在电阻率测井、声波测井、核测井和核磁共振测井中的地层评价功能。介绍了随钻测井数据处理和定量解释技术的新进展。基于大量的数值模拟，从定性的角度对随钻测井响应分析应当注意的问题作出说明。指出了随钻测井解释评价今后的发展方向。

随钻测井；数据处理；地层评价；发展方向；定量研究

0 引 言

随钻测井（Logging While Drillling，LWD）凭借其在经济和技术上的优势，在大斜度井和水平井（HA／HZ井）的技术服务中发挥了巨大作用，随钻测井资料最重要的应用在于地质导向和地层评价［1－2］。相比而言，应用于地质导向的研究相对成熟，并已取得显著成效。随钻测井地层评价技术，特别是在油气勘探过程中的地层评价作用正处于探索阶段。20世纪90年代中后期，伴随着随钻电阻率、声波、放射性多参数组合测井系列的出现，以及随钻地层压力、随钻核磁共振测井技术的成熟，随钻测井数据用于计算地层岩性、物性、含油性以及电性参数的地层评价功能得以充分发挥［3－7］。与此同时，随钻测井资料在获取真实的岩石物理参数、进行泥浆侵入机理与校正方法研究、改进薄储层评价等方面的优势也显现出来。

大量的研究和现场实例表明，当前LWD地层评价技术面临这样的尴尬局面是我们设计的测井仪器还不能完全适应HA／HZ井的测量环境，仪器响应结果变得“生疏”。一些响应特征对钻井地质导向有利，但测井值却严重失真，定量解释难度极大；即便获得了较为可靠的数据，仍然缺乏对这些数据进行有效提取和利用的能力，应用于HA／HZ井的LWD定量解释技术整体还不成熟。鉴于目前LWD仪器设计所针对的地质条件（井眼垂直、地层水平且各向同性）并且采用与传统直井相近的处理解释方法，随钻测井数据得到的解释参数往往误差很大［8－10］。

针对这些突出矛盾，前人在仪器简介、数值模拟计算、响应分析、物理实验、可视化软件开发、水平井资料测井解释方面进行了广泛研究并取得了显著进展［11－19］。然而，这些内容并未涉及具体的和量化的测井解释问题。本文在前人工作的基础上，提出从仪器设计、测量方式、环境影响因素、解释模型、参数计算等方面存在的测井解释问题，并且对LWD测井仪器的地层评价功能和定量解释进展情况进行介绍。基于大量数值模拟认识，本文主要从定性角度对LWD测井响应分析时应当注意的问题作出说明，提出LWD测井地层评价技术今后的发展方向。

1 随钻测井地层评价难点

1.1 仪器设计及特点

LWD仪器设计针对的是垂直井眼（水平地层）、均质且各向同性的地质条件，而随钻测量几乎都是在HA／HZ井环境中进行的，此时井眼与地层夹角不再为90°（有时甚至为0°），地层普遍存在各向异性和非均质性，这对仪器响应造成严重影响［10］。与电缆测井仪器相比，LWD仪器探测深度浅、分辨率低、采样密度小，容易导致含油气饱和度被低估、成像测井资料计算的地层倾角值误差变大等问题。

1.2 测量方式

在HA／HZ井环境中，LWD仪器通常不能保持居中，大多情况是偏心测量，因此偏心影响是LWD资料分析时务必考虑的因素。

LWD电阻率测井普遍采用电磁波传播测量方式，通过记录接收线圈间感应电动势的幅度比和相位差数据，进一步转换分别得到幅度比电阻率和相位差电阻率值［11］。对于偏心测量对电阻率数据的影响，Yik Kiong Hue等［20］研究表明偏心测量对相位差和幅度比数据都会造成影响，并且认为这种影响还要受到泥浆和井眼周围地层电导率差异值的控制。针对其他测井方法的研究也广泛开展，其中，Zheng Yibing等［21］研究发现偏心测量时斯通利波的频散曲线退化为低速波，而偶极波的频散曲线会分离成2个不同速度的波；尹赫柱等［22］研究表明在不同偏心距时，自然伽马测井对地层界面位置的响应不同，曲线幅度存在差异，在总体上呈现非对称响应特征。

1.3 环境影响因素

LWD响应特征分析面临的一个突出矛盾是储层特征变化与环境因素的影响变得更难区分，不同环境因素可以产生相似的响应结果，因而环境因素彼此之间的识别也很困难。比如，在HA／HZ井环境中，泥浆侵入、仪器偏心、各向异性、相对倾角、介电常数等因素都会造成相位差和幅度比电阻率曲线（或者不同探测深度曲线）发生分离［23－25］，该现象与储层引起的特征相似。如何分离出环境因素，并从这些环境因素中分析出主要因素和次要因素，提取真实的电阻率值或其他测井参数目前仍然是一个难点。

1.4 解释模型

目前，LWD地层评价采用的解释模型和方法仍然沿用传统电缆测井的思路，传统的岩石体积物理模型都是基于各向同性、均质地层条件基础上的，如Archie公式。然而，HA／HZ井环境普遍存在各向异性、非均质地质条件，很显然，采用传统的模型进行LWD测井解释，其结果的客观符合程度到底有多少，目前仍是一个尚待讨论的问题。

1.5 参数计算

在HA／HZ储层参数计算过程中不确定性因素较多，国外相关统计和分析指出［9－10］，孔隙度和地层水电阻率确定后，电性参数的各向异性和井斜角是影响饱和度计算精度的关键因素。当地层垂直电阻率和水平电阻率比值等于5时，相对于直井情况，45°斜井会引起含水饱和度计算时产生5%的变化，而在85°斜井中会引起25%的变化。此外，地层视倾角值也会影响孔隙度、饱和度和真垂直厚度（TVT）的计算精度。比如，85°斜井中，地层倾角计算时2°的计算误差将引起TVT的计算结果产生50%的相对误差；3°的倾角计算误差将引起TVT结果产生100%的相对误差。在随钻地层参数计算时，对这些误差带来的严重问题必须予以充分重视。

2 随钻测井仪器新进展［1－2，12－14，16，26－28］

2.1 LWD电阻率测井地层评价功能

近年来，LWD电阻率测井仪器呈现出深探测、近钻头（或过钻头）、紧凑型、高覆盖率的特点和发展趋势。

（1）提供地层水平和垂直电阻率值参数，用于电性参数的各向异性分析及校正，实现介电参数的计算，识别流体及进行介电效应影响校正。如贝克休斯TNTEQ公司的补偿式电磁波传播电阻率测井仪MPR。

（2）提供多深度电阻率曲线，与钻后测井资料结合，研究泥浆侵入特性、评价地层渗流能力。如哈里伯顿公司的电磁波电阻率测井仪EWR Phase4。

（3）实现近钻头电阻率测量，进一步减少侵入影响。如斯伦贝谢公司的钻头电阻率测井仪RAT。

（4）实现超深电阻率测量，既能实现钻前探测，又有利于反映深部地层电性特征。如斯伦贝谢公司的超深电阻率随钻测井仪，其探测深度最高达到32.8ft。＊＊非法定计量单位，1ft＝12in＝0.304 8m，下同

（5）进行井周多方位的深电阻率成像测量。如哈里伯顿Sperry钻井服务公司的InSite ADR系统，该系统可提供井周32个方向上探测深度达18ft的电阻率数据；斯伦贝谢公司新一代钻头电阻率测井仪GVR使用56个方位数据点进行成像，方位覆盖率更高，同时可以提供地层倾角、构造和走向的高分辨图像信息。

此外，一些最新仪器采用紧凑型天线设计，大大减少了仪器长度，从而降低井底组合总长度及投入成本。

2.2 LWD声波测井地层评价功能

（1）采用宽频声源、阵列接收、间隔排列、隔音降噪的设计方式，提取高信噪比的纵、横波数据，用以计算基质及裂缝孔隙度。如贝克休斯公司的声波特性参数测量技术APX。

（2）实现声波全波列记录和井下存储，提供实时的纵、横波时差数据，用以计算孔隙压力、探测气层及估算可动流体。如斯伦贝谢公司新一代声波测井仪SONIC－VISION。

（3）设计双模式声波测井系统，利用偶极模式测量慢地层的横波速度［28］。如哈里伯顿公司的BAT。

（4）采用低频四极子工作方式（工作频率低于10kHz），实现对慢地层的横波测量。如贝克休斯公司的低频四极横波测井。

（5）扩展横波的测量范围，在复杂井眼环境下，改善声波数据质量。如哈里伯顿公司最新推出的随钻宽频多极声波测井仪器，该仪器能够扩展50%的横波测量范围。

LWD声波成像及井周三维成像测井资料，也成功地实现了对不同方位纵、横波速度的提取。

2.3 LWD核测井

2.3.1 LWD自然伽马测井

LWD自然伽马曲线与LWD电阻率曲线一起构成了原始的随钻地层评价功能［6］。自然伽马测井的放射源和探测器一般都安装在钻铤内部，其响应主要与探测器的性能、测速、泥浆密度、耐压、井眼及钻铤厚度等因素有关。除了进行常规泥质参数计算，旋转过程中获得的伽马数据还可用于计算地层倾角［12］。

2.3.2 LWD密度－中子测井

LWD密度－中子测井在测量原理上与同类电缆密度测井和中子测井类似。近年来，仪器发展主要体现在无化学源设计、探测器、井眼补偿等技术的改进［29－32］。其地层评价功能主要体现在：

（1）采用井眼补偿及间隙校正技术进行光电吸收指数测量，利用16个方位的数据点进行成像，提供实时的中子孔隙度、地层密度和中子测量值，如斯伦贝谢公司的方位密度中子测井仪ADN。

（2）通过增加声波传感器元件以获得间隙和井径参数，对密度和中子资料进行井眼和间隙校正，提供高精度的孔隙度数据，如贝克阿特拉斯公司的APLS技术。

2.4 LWD核磁共振测井

LWD核磁共振测井的突出优势在于钻井过程中实时提供渗透率信息，从而指导选择渗透率最佳路径进行钻井，提高油气生产采收率。以哈里伯顿公司第二代核磁共振随钻测井仪MRIL－WD为例，它采用在钻井方式下测量T1、移动方式下（滑眼、通井和运动钻杆等）测量T2，以此消除钻井噪音对T2测量的影响。与同类电缆测井相同，可提供孔隙度及孔隙大小、渗透率、自由及束缚流体体积等参数。

此外，LWD地层压力测试和LWD地震技术的日趋成熟，进一步完善了随钻地层评价和测井解释的内容。总体上，在继承了电缆测井仪器新技术的基础上，LWD测井最新仪器更加集中地体现了测井技术的前沿以及不同学科技术的交融。从长远角度来看，LWD测井技术将成为引领今后测井技术发展的主流方向，并为测井学科的发展注入强劲的推动力。

3 数据处理和解释技术新进展

3.1 快速模拟算法

数据处理解释需要数值模拟提供理论支撑，对于随钻仪器或随钻测量环境（HA／HZ井），目前的数值模拟研究可对复杂三维地质条件进行计算［33－40］。传统的数值模拟难点主要体现在运算速度上，大量的实验尝试使得一些快速高效的算法不断出现。比如，国内提出的快速傅里叶－汉克尔变换算法，该算法可以很好解决HA／HZ井环境电法测井计算的效率问题［41－42］，国外学者在放射性测井的模拟算法研究中也有新的突破［43－44］，这些高效的算法为随钻测井多参数联合正反演提供了保障。

3.2 倾角计算改进方法

利用随钻测井资料进行地层倾角计算的方法有多种，其中利用成像测井资料可提供最佳的精度保障。人们一直采用的倾角计算公式存在明显的误差问题，误差来源于不同测井仪器自身的探测特性，即通常谈及和使用的测量深度实际上被称为电成像深度［45］和核探测有效深度［46－47］。新的概念可以更客观地反映仪器的响应特点，改进地层倾角计算公式，降低储层真实厚度及其他岩石物理参数计算的不确定性。

3.3 测井资料预处理

在HA／HZ井条件下，测井资料预处理主要完成斜深校直、井眼轨迹绘制及方向投影等工作［17］。其中，依据最小曲率半径法可以计算井轴上每一点的真垂直深度、东西位移、南北位移、水平位移等空间位置数据［18］。目前，国内的预处理软件已经投入现场使用［48］，相关改进软件也在不断开发过程中。

3.4 数据处理新思路

传统上，电阻率线圈都被近似看作磁偶极子处理，高杰等［49］分析认为该方法转化得到的衰减电阻率误差很大，而采用严格解法转换能够显著提高信号质量；为降低非弹性伽马源分布对随钻地层密度测量的影响，于华伟等 重新建立了快中子通量、非弹型伽马扩散长度与地层密度的关系，从而提高地层密度的测量精度；为验证随钻斯通利波资料计算地层渗透率的可行性，唐晓明等［51］在理论上进行了验证，理论计算结果与岩心数据具有较好的相关性；张锋等［52］提出利用随钻脉冲中子测井，通过记录远、近探测器俘获伽马计数率比值的相对变化量，结合孔隙度资料，实现对含气饱和度的测量。这些新的尝试为随钻测井仪器的改进和数据处理提供了宝贵的借鉴资源。

3.5 解释模型研究

HA／HZ井存在各向异性，理论和实验研究都发现，电性参数、声学参数及其他许多岩石物理参数都会受到各向异性的影响［15，53，56］。同时，在客观上，这些岩石物理参数应该被描述为二维和三维的表达形式［54－58］。LWD测井解释目标是三维地质条件，这从根本上决定了随钻测井解释模型和解释方法更为客观地反映复杂地质环境。

Klein等和Kennedy等［55］在充分考虑了电性参数各向异性影响的前提下，分别推导出了宏观（测井曲线分辨率尺度）和微观（孔隙尺度）各向异性条件下的Archie公式。在三维坐标系中，由Archie公式表示的电阻率、孔隙度、饱和度等参数都以张量的形式表示，方程和未知数的个数明显增多，求解过程也变得更加复杂。

3.6 储层评价

随着相对倾角的增加，沿井眼方向LWD仪器的响应距离增大，响应时间变长，仪器可在更大程度上响应薄储层信息。随钻测井仪器的探测特征研究也表明，随钻核测井资料的分辨率优于传统直井电缆测井资料，这些特点说明随钻测井资料有利于进行薄储层评价［37－38，59－60］。

随钻测井实时性的特点决定了时间推移测井和侵入机理研究是必要且可行的，司马立强等［61］提出采用中子孔隙度时间推移法可以有效识别储层流体界面；田中元等［62］利用时间推移电阻率测井资料系统地研究了泥浆的侵入特性，为侵入影响校正提供了重要依据。此外，随钻成像测井资料与随钻密度、中子测井资料相互结合，可以综合进行岩性识别、构造分析、次生孔隙识别及相关定量评价［63］。

3.7 LWD测井解释思路

虽然随钻测井响应的环境影响因素更加复杂多样，但所有的影响因素并非在相同时刻存在并对测井响应结果造成影响。所以，解释过程中关键要识别出特定环境下的主要和次要因素，并对更低一级的因素做必要的简化处理。

例如，当井斜角大于某一值时（如30°），各向异性和仪器偏心的影响应当被考虑；围岩影响固然与储层厚度有关，但还要受到各种测井方法、仪器探测深度的控制，深探测曲线应率先进行围岩影响校正。LWD测井资料还有一个典型特点，即资料中含有相当程度的方位信息，即便是相同的井眼和地层条件，仪器朝向不同带来的结果也存在较大差异，所以在进行LWD测井资料解释时，首先应该确定出相对精确方位信息，在此基础上对其他影响因素的影响作出判断。

综合来看，随钻测井解释对资料采集过程、仪器特性、处理方法和流程等前提信息的认知要求更高，盲目进行解释很可能遗漏某些重要信息，而这样的信息很有可能正是提高随钻测井解释水平和解释精度的关键。

3.8 解释流程

由于技术垄断，现有可共享的实质性解释流程及经验资源相对匮乏。以斯伦贝谢公司随钻电阻率地层评价技术作为代表，经过多年的积累，目前该公司已经建立起随钻电阻率测井资料自动解释平台，该平台可以实现模型自动优选和计算对比，提取主要影响因素予以校正；对于多种影响因素难以区别的问题，采用人机交互处理方式，实现相应判别和校正工作。该平台能够完成对井眼、侵入、各向异性、围岩、介电效应等环境因素的校正，适应了大多数随钻测井解释要求［25，64］。

4 发展方向及建议

最近2年，中国的随钻测井技术发展迅速，并已取得一些阶段性成绩。但是在整体上，国内外的随钻测井技术差距仍然明显。同时，相关的技术展会反馈信息也表明，国外的技术服务公司愈加重视对其核心技术的保密措施，国内测井技术实现跨越式发展的难度越来越大。因此，为实现我国随钻测井技术的整体进步和长足发展，除了继续加强对仪器设计、数据传输等方面的研发力度外，从随钻测井地层评价技术的要求出发，今后应在以下4个方面做出切实努力。

（1）进一步加强对随钻测井仪器设计、原理、结构、测量及钻井施工条件的理解，弄清仪器获取地层参数的过程。

（2）加大数值模拟研究的力度和深度，继续开发快速高效的算法，从而强化对三维复杂地质条件下测井响应结果的领会能力。同时，模拟研究和解释工作应该更加注重多因素影响，并从仪器测量环境的背景信息出发，做必要的简化处理。

（3）在理论和实验方面，深化对岩石物理参数在三维空间内分布特征进行定量表述的能力，在更加复杂的三维测井解释模型和解释方法上加强研究，并注重其方法求解的可行性，带动相应测井方法和技术的进步。

（4）尽快制定出便于参考和使用的随钻测井解释经验及流程，开发并完善随钻测井地层评价软件平台。

5 结 论

（1）随钻测井技术正在引领测井技术步入一个新的时代，同时，也正在带给我们一个新的思维变革。认清随钻测井技术服务的特点，由传统相对独立的测井解释和钻井解释 向测、钻井一体化解释的工作思路转变。

（2）清醒认识并立足于随钻测井环境，实现由传统直井解释思维向随钻解释思维的转变，即从传统上垂直、对称、各向同性、均质等地层条件向夹角任意、非对称、各向异性、非均质的地层条件过渡。

（3）从传统交叉学科、行业技术向更高一级的交互学科、融合技术方向发展。

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Logging While Drilling Formation Evaluation Technique：Issues，Advances and Trends

SIMA Liqiang，LI Yang
（Southwest Petroleum University，Chengdu，Sichuan 610500，China）

The dominant application of logging while drillling（LWD）data is geosteering（especially for drilling series）and formation evaluation.Recently，with the great progress in both tool’s performance and theorical methods，the studied key points are gradually moving to LWD formation evaluation technique.Based on the numerical hard work by the previous researchers，indicated is that the difficulties of LWD formation evaluation technique are the following 5aspects：instrument design，measurement pattern，environmental impact，interpretation model and parameter calculation.Analyzed are applications of LWD formation evaluation technique in resistivity log，acoustic log，nuclear log and NMR log.Introduced are the new trends in LWD data processing and quantitative interpretation.In view of abundant numerical simulation，illustrated qualitatively are the prominent issues in LWD log response interpretation.Pointed out is the trend of LWD formation evaluation technique，and it should be helpful for other scholars in petrophysical field.

logging while drillling（LWD），data processing，formation evaluation，trend，quantitative research

P631.84 文献标识码：A

2011－06－13 本文编辑 王小宁）

侯庆功，男，1963年生，高级工程师，从事测井方面的研究工作。