地层各向异性对随钻方位电阻率仪器测量信号的影响

岳喜洲，马明学，李国玉

(中海油田服务股份有限公司 北京 101149)

·仪器设备与应用·

地层各向异性对随钻方位电阻率仪器测量信号的影响

岳喜洲，马明学，李国玉

(中海油田服务股份有限公司 北京 101149)

随钻方位电阻率仪器在大斜度井、水平井中测量时会受到地层电阻率各向异性的严重影响。随钻方位电阻率仪器旋转测量时，可得到地质信号和各向异性信号。文章采用数值仿真方法计算地层各向异性对仪器测量信号的影响。计算结果表明，相位差地质信号会随着地层各向异性系数的增大而减小，而幅度衰减地质信号随着各向异性系数的增大而增大。两种地质信号均会随着相对倾角的增大而增大。相对倾角较大时，地质信号峰值对应地层界面的位置。在均匀地层，各向异性信号为零，在各向异性地层中，幅度比各向异性信号随着相对倾角、各向异性系数的增大而增大。

随钻测井；方位电阻率； 地质信号；地质导向；各向异性

0 引 言

随着大斜度井、水平井大量出现，随钻地质导向与随钻测井技术得到了长足的发展。目前，国内外各大公司均有成熟的商业化随钻电磁波测井仪器，但传统随钻电阻率仪器存在探测深度浅、对方位信息不敏感等局限性。近年来，世界各大公司陆续推出随钻方位电磁波测井仪器，其补偿式结构设计、较深的探测范围与方位探测能力能更好地进行地质界面识别与储层综合评价[1-3]。

电阻率各向异性是影响电磁波测井响应的重要因素，特别是在大斜度井/水平井中，由于仪器与地层的相对倾角，造成测井响应受水平电阻率与垂直电阻率的综合影响，难以反映地层真实状况。本文通过数值仿真方法计算各向异性对随钻方位电阻率测井信号的影响规律，定义了一种新的各向异性信号，并分析了该信号在各向异性地层中的响应特征。

1 仪器结构与信号定义

国际上油服公司一般采用倾斜线圈接收信号实现方位电阻率的测量，发射线圈仍沿用轴向共轴设置，例如斯伦贝谢公司的periscope15，哈利伯顿公司的ADR仪器。地层存在各向异性时，采用这种线圈系结构的仪器测量的地质信号会失真，容易造成地层界面的误判[4]。本文提出一种新型线圈系结构，该结构测量的地质信号不会有失真现象。线圈系结构如图1所示，发射线圈和接收线圈均采用45°倾斜线圈，其中发射线圈长轴方向和钻铤的轴向夹角为45°，接收线圈长轴方向和钻铤轴向夹角为-45°。

图1 随钻方位电阻率仪器线圈系基本结构

仪器旋转一周，可得到环周向的幅度和相位信息，定义相对地层界面0°和180°时的幅度衰减和相位差为地质信号：

其中，GeoA为幅度衰减地质信号值，GeoP为相位差地质信号值，Amp1为仪器周向0°方位时的幅度值，Amp2为仪器周向180°方位时的幅度值。Phase1为仪器周向0°方位时的相位，Phase2为仪器周向180°方位时的相位。

定义相对地层界面0°和90°时的幅度衰减和相位差为各向异性信号：

其中，MA为幅度衰减各向异性信号值，MP为相位差各向异性信号值，Amp1为仪器周向0°方位时的幅度值，Amp3为仪器周向90°方位时的幅度值。Phase1为仪器周向0°方位时的相位，Phase3为仪器周向90°方位时的相位。

本文考察了新型线圈系结构在双层地层中的响应特征，计算方法采用偶极子在各向异性介质中的解析解[5]。

2 各向异性对地质信号的影响

大斜度井和水平井中，地质信号可以反映出地层边界的位置及未钻遇地层的电阻率特征。电阻率各向异性会对地质信号的大小和形态产生影响，进而影响对未钻遇地层的判断。

(a) 电阻率各向异性对相位差地质信号的影响

(b) 电阻率各向异性对幅度衰减地质信号的影响图2 电阻率各向异性对地质信号的影响

由图2(a)可以看出，随着电阻率各向异性系数增大，相位差地质信号逐渐减小。在各向异性地层内，相位差地质信号的探测深度将会变小。一般而言，探测深度的定义为：双层地质模型中，地质信号大于某一阈值时对应的地层深度至地层界面的距离。电阻率各向异性系数增大到一定程度，相位差地质信号的减小程度降低。由图2(b)可以看出，幅度衰减地质信号和相位差地质信号变化趋势相反，随着地层电阻率各向异性的增大，幅度衰减地质信号增大，主要表现在地层界面处的峰值增大，远离地层界面处，幅度衰减地质信号的变化不明显，即地层电阻率各向异性对于幅度衰减地质信号的探测深度影响较小。

当仪器与地层的相对倾角改变时，测量到的地质信号也会相应改变，采用双层地层模型计算相对倾角改变时的地质信号响应。第一层地层电阻率为1 Ω·m，第二层地层水平电阻率Rh=4 Ω·m,第二层地层存在电阻率各向异性，电阻率各向异性系数为λ=2，仪器源距为96 in，发射频率100 kHz，改变仪器与地层的相对倾角，考察仪器地质信号的变化规律。

图3为地层相对倾角对地质信号的影响，图3(a)为相对倾角对相位差地质信号的影响，图3(b)为相对倾角对幅度衰减地质信号的影响规律。综合两张图可以看出，相对倾角小于75°时，地质信号在地层界面附近变化缓慢，出现“平台”特征，倾角越小，“平台”越宽。相对倾角大于75°时，地质信号峰值出现在地层界面处，可以更清晰地判断仪器与地层的相对关系。随着仪器与地层相对倾角增大，地质信号的峰值逐渐增大，在远离地层界面后，各向异性地层中的地质信号逐渐减小至零，并未受到地层各向异性的影响。

(a) 相对倾角对相位差地质信号的影响

(b) 相对倾角对幅度衰减地质信号的影响图3 相对倾角对地质信号的影响

3 地层各向异性信号

在大斜度井和水平井中，随钻电阻率仪器的测量信号往往会受到地层电阻率各向异性的严重影响，地层电阻率各向异性评价问题急需解决。在均匀横向各向异性介质中，垂直电阻率Rv、水平电阻率Rh、相对倾角与方位角4个变量定义了地层各向异性信息与仪器与地层关系。本文提出的随钻方位电阻率仪器旋转一周可以测量到多个分量电磁场信息，能够较好地反映各向异性地层特征。

(a) 相对倾角对相位差各向异性信号的影响

(b) 相对倾角对幅度衰减各向异性信号的影响图4 相对倾角对各向异性信号的影响

图4(a)中，当λ=1时，即均匀地层中，改变相对倾角，相位差各向异性信号为零。地层存在各向异性时，随着相对倾角的增大，相位差各向异性信号减小。当相对倾角大于80°时，相位差各向异性信号会随着各向异性系数的增大而增大，当相对倾角小于80°时，相位差各向异性信号随着各向异性系数的增大而减小。

总体来看，地层不存在电阻率各向异性时，相位差各向异性信号为零值，地层存在电阻率各向异性时，相位差各向异性信号为负值，信号大小和电阻率各向异性系数、相对倾角有关。

图4(b)中，当λ=1时，即均匀地层中，改变相对倾角，幅度衰减各向异性信号为零值。地层存在电阻率各向异性时，随着相对倾角的增大，幅度衰减各向异性信号增大。仪器与地层相对倾角不变时，幅度衰减各向异性信号会随着各向异性系数的增大而增大。相对倾角小于80°时，随着相对倾角的增大，幅度衰减各向异性信号增大。相对倾角大于80°时，随着相对倾角的增大，幅度衰减各向异性信号减小。

总体来看，地层不存在电阻率各向异性时，幅度衰减各向异性信号为零值，地层存在电阻率各向异性时，幅度衰减各向异性信号为正值，信号大小和电阻率各向异性系数、相对倾角有关。

综上所述，相位差各向异性信号和幅度衰减各向异性信号均能直观地指示地层电阻率各向异性，二者的信号强度和地层电阻率各向异性、相对倾角具有良好的相关关系，其中，幅度衰减各向异性信号对于各向异性系数有更好的对应关系，可进一步用于各向异性地层评价中。

4 结 论

1)地层电阻率各向异性对地质信号峰值和边界探测深度均有影响。随着地层各向异性系数增大，相位差地质信号峰值减小，地层边界探测深度减小。随着地层各向异性系数增大，幅度衰减地质信号峰值增大，地层边界探测深度基本不变。

2)仪器与地层相对倾角会对地质信号产生重要影响，随着倾角的增大，地质信号的峰值逐渐增大。当相对倾角较小时，地质信号在地层界面附近呈现“平台”形状，相对倾角较大时，地质信号的峰值对应地层界面的位置。

3)本文定义的新的各向异性信号，信号值在均匀地层中为零，在各向异性地层中不为零。各向异性信号强度和电阻率各向异性系数、相对倾角具有良好的相关关系，能够进一步用于各向异性地层评价中。

[1] Donald Hawkins, Numan Phettongkam, Nitiwut Nakchamnan. Optimizing well placement in geosteering using an azimuthal resistivity tool in complex thin bed reservoirs in the gulf of Thailand[J]. SPWLA 56th Annual Logging Symposium, July 2015,18-22.

[2] PALMER R,SILVAVA．A new deep azimuthal resistivity LWD for optimal well placement and reservoir[R],SPE 120811,2008

[3] Tsili Wang, Roland Chemali. Real-time formation imaging, dip, and azimuth while drilling from compensated deep directional resistivity [J]. SPWLA 48th Annual Logging Symposium, June 3-6, 2007

[4] Qiming Li, Dzevat Omeragic. New directional electromagnetic tool for proactive geostreering and accurate formation evaluation while drilling [J]. SPWLA 46th Annual Logging Symposium, June 26-29, 2005

[5] 徐建华.层状媒质中的电磁场与电磁波[M].北京，石油工业出版社，1997：183-188.

Influence of Formation Anisotropy on the Response of Directional Resistivity Tools While Drilling

YUE Xizhou, MA Mingxue, LI Guoyu

(ChinaOilfieldServicesCompanyLimited,Beijing101149,China)

The measuring response of the directional resistivity logging tool while drilling is seriously influenced by the formation resistivity anisotropy in high angle wells and horizontal wells. The geo-signal and anisotropic signal are obtained while the directional resistivity tool rotates. The response of the tool to formation anisotropy is calculated through the numerical simulation method. Simulation results show that the phase difference geo-signal value will decrease with the increase of formation anisotropy coefficient, and amplitude attenuation geo-signal increases with the increase of the anisotropic coefficient. Two kinds of geo-signal values will be increase with the increasing of relative angle. While relatively large dip angle, the signal peak corresponds to the location of the geological strata interface. The anisotropic signal is zero in homogeneous formation, and the amplitude anisotropic signal increases with the increase of the relative angle and the electrical anisotropy coefficient in anisotropic formation.

logging while drilling; directional resistivity; geological signal;geosteering; resistivity anisotropy

岳喜洲，男，1983年生，工程师，2009年毕业于中国石油大学(华东)地球探测与信息技术专业，现主要从事随钻电磁波仪器研发工作。E-mail：yuexzh@cosl.com.cn

TE271

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2096-0077(2016)06-0055-04

2016-01-28 编辑：高红霞)