基于随钻测井的地层界面识别方法

2016-02-05唐海全肖红兵

天然气勘探与开发 2016年4期

关键词：伽马电磁波方位

唐海全肖红兵李翠杨震

中国石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院

基于随钻测井的地层界面识别方法

唐海全肖红兵李翠杨震

中国石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院

随钻测井资料特别是随钻方位性测井资料在地质导向钻井中起着至关重要的作用，可以预测和判断地层界面、地层方位特征以及各向异性地层走向。通过介绍随钻电磁波电阻率仪器、方位深探测电磁波电阻率仪器和方位伽马仪器的基本结构及测量原理，结合实际应用环境，分析测量仪器在穿越地层界面时的影响因素和边界效应，进而提出利用电磁波电阻率和方位伽马曲线响应特征实现地层界面识别的方法，最后举例说明了随钻电磁波电阻率和伽马成像仪器在地层界面识别中的应用。现场应用表明，研究开发的具有边界探测能力的地质导向技术和装备，优化了井眼轨迹在储层中的位置，降低了打穿油层的风险，提高了储层钻遇率。

随钻测井测井仪器电磁波电阻率方位伽马储层界面识别地质导向

中国石油工业经过几十年的发展，多数油气田都进入开发中后期，整装油气藏的开发逐渐减少，薄互层、断块、低渗等复杂油气藏成为油气田勘探开发的主战场。复杂油气藏具有含油气面积小、构造变化快、流体性质和储层特性关系复杂等特点，对以综合录井和常规随钻测井仪器进行定位和预测地层界面的地质导向钻井技术提出了严峻挑战。国外最新研发的随钻测量仪器，例如斯伦贝谢GeoSphere［1］、贝克休斯Startrak［2］等，已具备地层前视探测和超深边界探测功能，实现地质导向技术革命性的进步，成为高效油气藏开发及先进钻井技术应用的关键。国内随钻电磁波电阻率测量仪器已经在地质导向钻井施工中普遍应用，但具有定向测量和电阻率各向异性测量能力的随钻方位电阻率、伽马成像测井仪器目前还处于研制试验阶段，未形成商业化应用产品。

胜利油田钻井院在前期感应电阻率和自然伽马组成的双参数地质导向系统研制成功的基础上，研发了以多频多深度随钻电磁波电阻率和方位伽马为核心的地质导向系统[3-4]。同时，有效突破了常规地质导向仪不具备方位性、探测深度浅等技术瓶颈，研发了随钻方位深电阻率测量系统样机，为进一步开发低品质油气藏、难动用油气藏提供了强有力的技术支撑。本文通过介绍随钻补偿电磁波电阻率、方位深探测电阻率以及方位伽马仪器结构，分析了各仪器在穿越地层界面时进行的边界探测方法及产生的边界效应，根据响应特征从测量仪器与井眼倾斜角度、地层电阻率对比度等因素进行分析，提出了实现地层界面识别的方法。通过现场应用表明，地质导向钻井过程中利用不同频率、不同探测深度和方位特征的地质测量参数可以及时的指示出地层界面的存在，更容易调整井眼轨迹并保持在期望的地层内穿行，增大储层钻遇率。

1 利用电磁波电阻率极化角预测地层界面

随钻电磁波电阻率系统在穿越地层介质时电磁波会产生衰减和相位移，并且穿越不同地层介质，电磁波产生的衰减和相位偏移也不相同，因此，可以通过测量电磁波的衰减和相位移来计算地层的电阻率和介电常数。电磁波电阻率测量仪（图1）采用2 MHz、400 kHz的工作频率，四发双收，可得到12条不同探测深度的相位差、幅度比补偿电阻率曲线及16条非补偿电阻率曲线。利用不同地层流体的电阻率差异，通过对电阻率测量结果一致性、异常性和重复性的分析，可以帮助现场工程师实时判断油气水界面或其他的液相界面。

图1 随钻电磁波电阻率系统结构示意图

随钻电磁波电阻率探测边界的原理主要是利用边界效应[5-6]，这种边界效应就是通常所说的“极化角”，利用这一特征有助于识别储层边界。极化角现象是指电磁波电阻率仪器在以小角度（小于30°）接近地层边界时，其发射的电磁波会在边界附近的地层产生一个附加电磁场，这个附加电磁场与仪器本身所激发产生的电磁场相叠加，从而增强了地层中的信号强度，导致了测量点处测量值急剧增加。由于这个附加电磁场对幅度比电阻率的影响要远小于对相位电阻率的影响，所以幅度比电阻率产生极化角现象的概率要远小于相位电阻率。

图2 不同倾角下电阻率曲线数值模拟图

采用双发双收介质模型对不同倾角下电阻率曲线进行正演模拟[7]，如图2所示，虚线代表衰减电阻率曲线，实线代表相位电阻率。从图2中可以看出，电阻率曲线发生突变的位置是在储层厚度为15 m的左、右两侧地层边界位置。极化角的形成和幅度大小主要受仪器与地层之间的夹角、目的层与围岩电阻率的对比度、仪器测点距边界的距离等有关。一般情况下，仪器与地层之间的夹角越小越明显，目的层与围岩电阻率的对比越大越明显，仪器测点距边界的距离越近越明显。利用电磁波电阻率测量仪的这种特性，可以判断钻头在储层中的位置，有效控制钻头在目的层中物性较好的位置穿行。

2 利用随钻电阻率仪器的方位响应识别地层界面

常规的电磁波电阻率仪器采用同轴收发线圈，响应产生的极化角对于地质构造的解释和地层界面的判断有一定帮助，但不能反映地层方位信息，对于从低阻层进入高阻层，或从高阻层进入低阻层这种不带方位测量的电磁波电阻率仪器均会产生相同类型的角峰。如图3-a线所示，测量仪器在低阻层（2 Ω·m）进入高阻层（20 Ω·m）或者由高阻层（20 Ω·m）进入低阻层（1 Ω·m）时，幅度电阻率曲线（绿色）和相位电阻率曲线（蓝色）产生的边界效应方向性相同，无法判断仪器是进层还是出层。因此，无法及时提供精确的地质导向信息，更无法明确地告诉决策者该怎样调整钻头才能以最快的速度重新回到储层中。

具有边界探测功能的方位电磁波电阻率地质导向系统，突破了常规地质导向不具备方位性和探测深度浅等技术瓶颈，可实现多频率、多倾角信号发射和多频率、多倾角信号接收，从而获得含有方位信息的电阻率和相位差测量，解决钻井过程中储层物性和油气水界面的不确定性以及地质倾角和构造的不确定性等技术难题，实现了地质导向技术的革命性进步。如图3-b所示，测量仪器由低阻层（2 Ω·m）进入高阻层（20 Ω·m）或者由高阻层（20 Ω·m）进入低阻层（1 Ω·m）时，幅度电阻率曲（绿色）和相位电阻率曲线（蓝色、红色）在靠近地层界面之前电阻率曲线已经出现分离，且产生不同方向的方位响应特征，因此可以很好地指示出地层所在方向，并提前预测地层界面的存在。

图3 普通电磁波电阻率和方位电磁波电阻率仪器响应对比图

图4所示为采用五发三收天线结构随钻方位电磁波电阻率测量系统，其中T1—T5为轴向发射天线，R1—R2为轴向接收天线，Rc为横向接收天线，边界探测采用双发单收，发射天线与接收天线对称；电阻率测量工作频率：400 kHz、2 MHz；边界探测工作频率：400 kHz、2 MHz。

图4 随钻方位电磁波电阻率系统结构示意图

随钻方位电磁波电阻率方位信号能清楚地预测和指示层界面的存在[8]。利用方位信号大小及成像资料可以反演仪器到层界面的距离，使仪器更大程度地停留在储层内，提高储层钻遇率。根据对称发射补偿和延迟补偿交叉耦合电动势信号可以更加准确快速的预测和判断层界面距离并计算得到层界面相对倾角；将方位电动势信号与400 kHz幅度电阻率信息结合生成方位电阻率信息，结合仪器工具面方位角信息进行电阻率成像，使之具备较大的探测深度，能更好地应用于地质导向[9]。

图5 随钻方位电磁波电阻率成像模拟地层模型图

图5为数值模拟采用的地层模型，泥岩地层电阻率为1 Ω·m，砂岩地层电阻率为10 Ω·m，图5-a中的储层位于层界面上方，图5-b中的储层位于层界面下方，井眼轨迹与层界面法线的相对夹角为80°（即井眼的相对井斜角为80°），分别沿着图中的井眼轨迹由储层穿过层界面进入非储层。两种地层模型中，传统的电磁波电阻率仪器响应是相同的，无法区分目的层(10 Ω·m)位于泥岩(1 Ω·m)的上方还是下方，给钻头调整带来困难，但通过方位电磁波电阻率成像能很好的解决这个问题。通过选择两条探测深度不同的电阻率曲线与横向天线Rc测得的不同方位的定向电动势曲线可以进行方位电阻率成像（蓝色代表低阻，红色代表高阻），方位电阻率具备良好的方位特性，能准确识别层界面的相对位置[10]。

图6 方位伽马边界响应示意图

图7 H1井随钻测井综合成图曲线图

由图5模拟合成的效果图可以明显地分辨出低阻层或高阻层的相对方位，消除井眼轨道与储层相对位置的不确定性，提高地质导向决策的科学性。因此，随钻方位电磁波电阻率能更好地识别地层界面和进行地质导向。

3 利用随钻方位伽马判断地层界面

常规自然伽马测量不具有测量方位信息能力，只能显示钻头处于储层还是非储层中，一旦由于地层变化或者其他原因钻头钻出储层之后，不能及时指导定向工程师引导钻头重新回到储层中去。随钻方位伽马/伽马成像仪器，记录多个结合旋转方位信息的扇区测量数值，因此这些测量值包含了井下仪器的方位信息，通过这些实时上传的上、下伽马数据，可以迅速通过调整钻头方位使钻具重新在储层中穿行。随钻方位伽马测井通过测量不同方位扇区的地层自然放射性，从而得到2、4、8或16个扇区的自然伽马值，通过进一步处理可以得到方位伽马成像，从而实现地质导向、地层边界识别，更准确的地质参数的实时评价等功能。

如图6所示，随钻测量仪器从顶部进层时，下伽马值首先降低，然后上伽马值降低；从顶部出层时，上伽马值首先升高，然后下伽马值升高；从底部进层时，上伽马值首先降低，然后下伽马值降低；从底部出层时，下伽马值首先升高，然后上伽马值升高；完全进层或出层后，上、下伽马值基本一致[11-12]。

4 应用实例分析

图7是某H1井随钻方位伽马、电磁波电阻率及伽马成像资料在不同地层中的应用实例。由于该井开发的是厚油层顶部剩余油储量，目标层上下均为致密泥岩盖层，油层薄且油层倾角的不确定性较大，而且设计要求A、B靶点的垂深距离油层顶界面的垂向距离不超过1.0 m，这就限制了B靶点在实际施工中只能有很小的垂深变化范围，从而相对增加了水平段的井眼轨迹控制难度。在这次应用中，通过随钻电磁波电阻率、方位伽马以及伽马成像的边界效应综合及时发现边界，工程上及时调整，使轨迹快速返回目标层。

机械钻速从深度2 741.0 m开始降低，不同探测深度的电磁波电阻率曲线出现明显的分离（探测深度深）、方位伽马曲线并未出现分离（探测深度浅），说明仪器四周小范围内地层的电阻均值较低，较大范围内的地层电阻均值较大，造成此现象的原因是仪器贴近油层界面。暂停钻进后，从循环上返的岩屑和气测值判断，得到了印证。由于测量仪器挂接在动力钻具之后，虽然仪器显示正在接近非储层界面但还未穿出油层，但由于仪器参数测量点距离钻头有10 m的距离，预测钻头很有可能已经接触油层底部，因此必须及时调整井眼轨迹才能避免钻头穿出油层；在井深2 748.6 m处，方位下伽马测量值逐渐大于上伽马值并出现明显分离，地层界面自然伽马成像明显，此后方位伽马值基本一致，并保持高值，而电磁波电阻率保持低值，可判断钻头在深度2 751.0 m附近穿出油层，在深度2 761.0 m后重新进入油层。但由于井斜调整过大，导致钻头在2 772.5 m贴近储层顶部，此时及时对井眼轨迹进行微调，确保井眼一直在目的层中穿行直到完钻。

随钻电磁波电阻率和伽马测井仪器在钻头进入地层以及钻出地层时，显示了仪器测量参数实时性的优势，为及时采取相应措施赢得了时间。

5 结论

1）水平井施工中，随钻电磁波电阻率测井在地层界面上容易出现极化角现象，有助于地层分界面的判断，但极化角的形成以及幅度的大小受钻井环境影响因素较大，很难判断井眼轨道与待钻地层的相对位置。

2）随钻方位伽马曲线和伽马图像可以替代常规伽马测井实时测量地层岩性，分辨上下界面的岩性特征，形成伽马成像测井图像，更好地指导水平井地质导向施工。

3）随钻方位电磁波电阻率仪器对地层界面具有良好的指示和预测作用，更准确地确定储层边界位置，利用方位电磁波定向曲线还可以判断出地层界面与仪器的相对方位，及时准确地调整钻头钻进方向，确保进入储层的最佳时机。

4）通过与常规地质导向系统的应用对比，具有边界探测能力的地质导向系统更易实现对地层特性的判断和钻头在储层内穿行的精确控制，为开发后期的高含水油田、薄油气藏、断块油气藏等复杂油气藏的勘探开发提供有力的技术支撑。

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[2]Baker Hughes.Logging While Drilling[EB/OL].(2012-08-10) [2016-04-10].https://www.bakerhughes.com/products-andservices/drilling/drilling-services/logging-while-drillinglwd-services.

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（修改回稿日期 2016-10-22 编辑陈玲）

国家重点研发计划“大直径随钻测井系统装备研制与示范作业”（编号：2016YFC0302800）、国家科技重大专项“低渗透油气田高效开发钻完井技术”（编号：2016ZX05021）。