复杂层状地层的随钻核磁共振测井响应模拟

2021-01-14苗秀英

非常规油气 2020年6期

李新，黄科，苗秀英

(1.中国石化石油工程技术研究院，北京 100101；2.中国石油集团测井有限公司，陕西西安 710021)

随钻核磁共振测井(NMR-LWD)技术于2001年开始商业化，现已逐步成功应用于国内外油田服务[1-4]。随钻核磁共振测井相对于电缆式仪器的优势主要体现在：地层信息采集更及时，在钻井过程中获得原状地层信息，大大节约作业时间和成本[5]；作业范围更广，没有上提/下放电缆仪器对井眼角度的要求。随钻核磁共振能够获得地层孔隙度、流体饱和度，估算渗透率和孔隙结构等关键储层信息[6-8]，在地质导向[9]和地层评价中具有重要作用[10]。

页岩气等非常规油气藏的开发依赖以地质导向为核心的定向钻井技术[11-12]。地质导向技术的关键是根据测井响应确定地层性质和位置，优化井眼轨迹在优质储层中穿行[13]。随钻核磁共振测井在复杂地层组合中的响应受诸多因素的影响，例如仪器参数、运动轨迹、地层性质和组合等。早期研究主要集中在电缆核磁共振天线和仪器的运动对测井响应(横向弛豫时间T2分布)的影响[14-15]；刘双慧等模拟了电缆核磁共振测井的地层界面响应特征[16]；李新等发展了随钻核磁共振测井响应的离散计算方法[17]；孙伯勤等提出了层状地层深度维联合反演算法，对平滑的横向弛豫时间(T2)分布响应进行地层界面识别[18]。目前，对随钻核磁共振测井在复杂层状地层中不同井斜下的储层连续响应还有待研究。针对这一问题，本文开展了随钻核磁共振测井仪器在复杂水平层状地层组合的条件下、不同斜度井中的测井响应特征模拟考察，为应用核磁共振技术进行地质导向确定目标层和定量获取地层流体性质提供依据。

1 测井响应计算方法

图1 仪器运动轨迹示意和地层特征对比

通常根据视井斜角的大小，将井斜程度分为：垂直或近似垂直井(A<30°)、中等斜度井(30°80°)[19]。随钻核磁共振测井的特殊问题，决定了其敏感区域均为关于仪器中心轴对称的圆柱壳[20]。在圆柱坐标系中考虑问题更加简便。测量过程中，仪器的响应为采集时处于敏感区内的储层贡献。在斜井中，仪器响应的归一化可表示为：

(1)

式中r0——圆柱壳的内半径，m；

R0——圆柱壳的外半径，m；

L——敏感区高度，m；

SV——敏感区体积，m3；

rdrdψdzMD——剖分敏感区得到的体积元，m3；

Echo(zTVD,r,ψ)——敏感区中地层体积元对信号的贡献，%。

此圆柱坐标系随着仪器运动而变化，坐标系始终以仪器中心为原点，以钻井轨迹上过仪器中心的切线为Z轴，当视井斜角为0°时，即简化为垂直井中的形式。在互相平行的水平无限延伸均匀地层中，由于井斜的存在，同一测量深度处，不同周向位置的体积元处于周向非均匀的地层之中，敏感区参数和测量深度与真实深度(TVD)的几何关系将对随钻核磁共振测井响应产生影响。

2 地层与仪器模型的设定

本文采用正演和反演相结合的模拟流程如下：①建立地层组合模型，包括地层厚度、T2分布形态和孔隙度等参数；②建立抽象的仪器模型和探测特性；③按照不同的测量参数模拟核磁共振测井在斜井中的采集；④对测量数据进行多指数反演，得到T2分布和孔隙度响应。

2.1 层状地层组合模型

建立的地层模型具有以下特征：水平层状无限延伸地层、层内地层性质均匀、层间突变。单套地层模型的主要表征参数包括：厚度、孔隙度和地层核磁共振性质(T2分布)；深度上包含9套地层(编号由上向下)，上下两套地层为单峰T2分布，中间为具有单峰与双峰分布特征地层的复杂交互层组合，如表1和图1所示。

表1 地层模型参数

为考察不同地层厚度(薄互夹层)对核磁共振测井在斜井中的影响，第1、3、5、7、9号单峰地层厚度为1.0 m，第2、4、6、8号双峰地层逐渐增厚，分别为0.2 m、0.4 m、0.6 m、0.8 m。地层孔隙度随深度增加而交替变化，单峰地层孔隙度均为15%，双峰地层孔隙度均为25%。双峰地层的谱峰位置固定不变，分别位于12 ms和190 ms处；单峰地层谱峰位置分别为30 ms(1、5、9号)和75 ms(3、7号)。

2.2 仪器探测特性模型

根据对随钻核磁共振测井仪的关键问题和探测特性的分析，随钻核磁共振测井仪器具有单一工作频率，敏感探测区域为圆柱壳。仪器不同时，圆柱壳大小不同，具体见表2。仪器运动方向沿钻井方向向下，钻进速度较慢，深度采样间隔5 cm进行一次CPMG数据采集(设定回波间隔TE=0.80 ms，回波个数NE=500)，两次采样间仪器完成对地层的极化。探头中心始终为仪器的深度记录点。

表2 仪器探测区模型

3 复杂水平组合地层的响应模拟与分析

首先，根据地层模型进行正演模拟，计算出剖分后的每个体积元对回波串的理想贡献；其次，在得到的理想回波串中加入随机噪声，通过随钻核磁共振测井仪在斜井中运动过程中的响应(式(1))模拟采集过程；最后，应用多指数反演算法求得包括随钻核磁共振测井的地层响应。

3.1 直井中的响应特征

直井中，测量仪器与地层界面垂直。由于地层为水平无限延伸的均匀地层，因此，探测深度对测量结果无影响，这种情况可转化为文献[15]中的模型。

如图2所示，Tool-3在地层界面处的过渡段响应明显长于另外两种仪器，即天线长度越长，T2分布上的地层界面特征越不明显，地层过渡段越长。图中第1～3道分别为Tool-1、Tool-2和Tool-3的响应；第4道为3种仪器测量得到的孔隙度曲线(蓝色：Tool-1；绿色：Tool-2；红色：Tool-3)，下同。

图2 井斜角为0°时(直井)3种仪器的地层响应

由于Tool-1和Tool-2的纵向分辨率相对较高，因此，仪器的地层和界面响应受围岩的影响较小，地层厚度为0.2 m时仍能准确反映地层孔隙度；而Tool-3得到的地层孔隙度受上下围岩的影响较大，明显低于真实值。随着地层厚度的增加，Tool-2能准确反映地层的真实T2分布形态；Tool-3得到的地层T2分布形态和孔隙度在地层厚度增加到0.6 m时，才逐渐接近模型。地层厚度达到0.8 m或者以上时，3种仪器均能准确反映储层T2分布形态和孔隙度。

3.2 斜度井中的地层组合响应

3.2.1 中斜度井中的测井响应

随着井斜角的增加，仪器与地层界面的几何关系开始变得复杂，探测深度对核磁共振测井相应的影响开始显现。井斜角为30°时，测量的深度点数略有增加(图3)。地层界面处，3种仪器的T2分布响应特征与直井时不同：地层界面没有直井中明显，底层界面过渡段变长；孔隙度曲线在地层界面处更平滑。

图3 井斜角为30°时3种仪器的地层响应

Tool-1在直井中准确反映了0.2 m厚地层的T2分布和孔隙度；而在30°的斜井中，孔隙度明显受到上下围岩的影响(围岩孔隙度低于目标层段，导致层段的低于地层真实值)，T2分布形态也开始变化。在斜井中，由于受到探测深度影响，仪器圆柱壳的敏感区域在纵向上变长，所观测到的上下围岩的信息增多，影响了测量结果。Tool-2和Tool-3受井斜角和探测深度影响更大。

随着地层厚度的增加，Tool-1和Tool-2都能准确反映地层的T2分布形态和孔隙度信息；而Tool-3在地层厚度为0.4 m和0.6 m时，所得到的地层孔隙度较直井中的响应有所改善，但仍明显低于地层真实孔隙度。

3.2.2 大斜度中的测井响应

井斜角增加到60°时，地层界面和目的层的响应更加复杂。同一模型中，测量的深度点数相比直井和30°斜井明显增多(图4)。在敏感区域与三套地层的信息复杂的几何关系的作用下，地层厚度为0.2 m时，Tool-1和Tool-2的孔隙度曲线中间出现一个下凹。Tool-1和Tool-2两种仪器在目的层中的响应特征不如30°时明显，孔隙度曲线略显粗糙，界面过渡段偏大。对于0.4 m、0.6 m和0.8 m厚的目的层，随着井斜角的增大，目的层对敏感区的贡献变大，测量结果受围岩影响减少。Tool-1和Tool-2两种仪器在目的层中的响应特征不如井斜角为30°时明显，Tool-3在这些层段比30°时清晰。

图4 井斜角为60°时3种仪器的地层响应

3.2.3 近水平井中的地层响应

井斜角为80°时，仪器趋于水平，穿过整个地层采集到的测量点数急剧增加(图5)。3种仪器的孔隙度曲线变化趋于相同。孔隙度曲线上，0.2 m厚地层的界面过渡段不如60°时明显，都出现了“凹”字形。不同层厚地层的孔隙度曲线过渡段变化形态与60°时不同，过渡段前后变化情况大于中间段。地层厚度为0.4 m时，Tool-1和Tool-2的孔隙度曲线与60°斜井的情况接近；而Tool-3受围岩的影响相对较小，高于60°斜井情况。在0.6 m和0.8 m厚地层中的Tool-3过渡段响应稍长，T2分布形态上的过渡段也更平滑。Tool-3对0.6 m和0.8 m厚的地层响应明显好于60°斜井的情况。