地层评价与测井技术新进展:第61届SPWLA年会综述

万金彬,白松涛,余春昊,张宇昆,李慧莹

(1.中国石油集团测井有限公司测井应用研究院,陕西西安710077;2.中国石油集团测井有限公司信息管理处,陕西西安710077)

0 引 言

第61届岩石物理学家和测井分析家协会(Society of Petrophysicists and Well Log Analysts,SPWLA)年会于2020年6月24日—7月29日分美国、英国、中国3个时区在线召开,来自全球石油公司、服务公司、科研机构、高校等600多名测井分析家、岩石物理学家参加会议。大会入选论文104篇,其中,在线交流83篇,张贴论文21篇。

大会安排了16个专题讨论:①深水油气探测;②岩石物理及岩心测试;③测井新技术;④核磁共振测井;⑤电成像测井;⑥典型案例分享;⑦地层压力和流体性质;⑧常规储层评价;⑨新工作流程;⑩大斜度井及水平井分析;非常规储层评价;声波和介电测井;地层动态监测和套管井评价;新方法应用;机器学习及智能化;套后地层评价。

1 专题学术报告交流情况

1.1 深水油气探测

Umrani等[1]利用地层流体取样测试、测井数据、井筒取心图像以及试井资料评价流体性质,精细评价墨西哥近海油田储层横向连通性。通过收集分析研究区30多个地层流体取样测试数据,建立随深度变化的压力、密度、油气比等测试图版,并与试井资料相结合,得到梯度连通性分析结果。

Jackson[2]介绍了通过旋转井壁取心获取复杂井筒环境条件下1.5 in(1)非法定计量单位,1 in=25.4 mm;1 psi=6 894.76 Pa,下同岩心的技术,并且能够对取心作业全过程进行远程监控。随着非常规储层及软地层取心需求增加,哈里伯顿等公司通过研究,形成了双取心组合仪器取样分析技术,通过提升钻头的材质、机电功率等与流体取样组合,同时获取地层压力数据、流体样本和岩心。该技术能够同时使用2个取心工具,一次下井最多可取心60颗,适用于深井中仪器推动钻杆传输作业,配套井下远程监控系统,达到了边测、边取、边探的协同工作效果,有效减少占井时间。

1.2 岩石物理及岩心测试

Menchio等[3]将常规测井、核磁共振测井与毛细管压力、核磁共振实验、X射线衍射和岩石力学资料结合,改进孔隙度计算模型,利用J函数、力学公式精确计算储层饱和度、岩石力学参数,预测压裂高度,有效解决巴西帕尔纳巴盆地隆加组的低阻油层评价难题。

Cuddy[4]指出人工智能在岩石物理学中发展潜力巨大,介绍了利用人工智能识别核磁共振T1和T2谱中隐藏的流体信息,有效区分油气。采用人工智能技术对30口井进行声波预测,在自动测井质量控制、复杂井眼测井数据校正及缺失曲线重构方面,具有较好的应用效果。

Najm等[5]介绍了3种计算水平应力的方法,包括井眼垮塌和井壁裂缝计算法、各向异性孔隙弹性应力计算法、应力应变法,能够准确计算储层的孔隙压力、最小和最大水平应力。

1.3 测井新技术

Quirein等[6]介绍了多层管柱瞬变电磁测量分析与解释技术,该技术能够进行5层套管质量检测,并利用机器学习和人工智能进行数据自动反演和模拟,较为清楚地辨别套管接箍、内部(内管壁)与外部(管状外壁)异常、管状偏心和屈曲或椭圆形变等问题。

Donald等[7]利用垂直地震剖面、多极子阵列声波以及微电阻率成像测井进行多尺度储层构造描述,在阿布扎比近海有效识别碳酸盐岩夹层。

Garcia等[8]介绍了新型电缆地层测试器的性能指标,该装备采用数字化、模块化的流体分析和取样系统,与传统技术相比,重量减轻30%,长度减少25%,探测压力和温度达20 000 psi*和200 ℃。

Blyth等[9]介绍了一种新型随钻声波测井仪,该仪器采用新的超声波收发和脉冲回波方法,适用于直井和水平井测量,可以获得高精度的声波反射图像,能够评价地层岩性和构造特征、反映地层倾角和岩性变化。

Bittar等[10]介绍了一种新型随钻电磁波测井仪器,该仪器采用全三轴、集成化天线结构,可在钻井过程中实时测量地层的水平/垂直电阻率、倾角和方位,提供360°方位的电阻率成像,实时为钻头提供方位信息,随钻前探范围提高到20 m。

1.4 核磁共振测井

Rojas等[11]提出利用中子/密度对核磁共振测井测得的可动流体孔隙度进行校正,应用机器学习和二维核磁共振方法计算含油饱和度,有效提高科威特某油田重晶石水基钻井液条件下的砂岩储层物性计算精度及流体评价准确率。

Saidian等[12]提出碳酸盐岩储层孔隙结构中,核磁共振T2谱反映大孔体积的截止值为847 ms,建立基于核磁共振测井的孔隙度、渗透率和饱和度模型,在伊拉克南部Rumaila油田上白垩统复杂碳酸盐岩储层中有效识别原生、次生孔隙。

Datirl等[13]在侧钻井中对比电缆核磁共振测井和随钻核磁共振测井的差异性,建立与原油黏度相关的评价方法,解释油基钻井液环境下由于钻井液侵入引起的随钻核磁共振测井和电缆核磁共振测井的时移效应,并将识别出的孔隙流体因子转化为黏度因子,与介电结合,得到新的T2截止值,能够精确估算束缚水饱和度。

1.5 电成像测井

Schlicht等[14]针对油基钻井液井筒中电阻率成像测井难以区分填充裂缝和有效裂缝的难题,提出基于相对介电常数新模型的图像反演方法,结合钻井液性质,介电常数图像能够清晰表征裂缝有效性,高值代表矿物充填,低值代表有效裂缝,并确定裂缝密度、大小及方向等参数。

Yang等[15]开展了基于高分辨率电成像资料利用人工智能增强地质相分析的研究,基于纹理相似性,采用非监督的均值自动聚类算法,划分图像中的“相”,构建多模式标准数据库并进行深度学习,为地层沉积相分类提供支持。

1.6 地层压力及流体性质

Quintero等[16]介绍了一种基于感应原理的地层水电阻率测量仪器,通过测量套管中流体的电导率,将接收器线圈处产生的电流转换为电阻率,该仪器与地层测试仪器结合,可测量0.01～65.00 Ω·m的地层水电阻率。

Piazza等[17]针对二氧化碳识别及含量计算问题,介绍了新的取样程序,可以有效监测、准确预测二氧化碳含量,也可以用于测量硫化氢等组分。

Garcia等[18]提出利用井筒中烃类和钻井液滤液之间的重力离析原理,结合三维数据径向探测近井筒油气,采用同步双泵技术分离烃类,在低渗透储层油气取样中有效辨识流体性质。

1.7 常规储层评价

Pan等[19]针对中低频电阻率设计测试3组不同含水饱和度岩石样品,得到裂缝型岩石样品复电阻率测试结果,分析电学和介电性能,得出均质岩样的IR-Sw曲线无频散、Iε-Sw曲线有一定频散的结论,为多频复电阻率测井仪的研究和开发提供支持。

Wang等[20]在岩石实验和孔隙度数值模拟的基础上,讨论孔隙类型对碳酸盐岩电性的影响,通过CT、电阻率和核磁共振联测,建立基质—溶洞模型和基质—裂缝模型等双介质模型,提出利用核磁共振测量束缚水饱和度,利用变mn方法计算碳酸盐岩储层含水饱和度,在鄂尔多斯盆地碳酸盐岩储层应用效果较好。

Chaudhary等[21]提出碳酸盐岩和碎屑岩的T2截止值分别为52.0 ms和25.5 ms,建立不同岩性连续的黏土束缚水、毛细管束缚水、可动流体计算模型及标准,将地层的表面弛豫(ρs=0.069)和形状因子(Fs=2.5)进行标准化,计算孔隙大小,结果与扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM) 图像的孔隙大小吻合。

Boualam等[22]为准确计算威利斯顿盆地三岔口地区巴肯油气田下部Three Forks组的含水饱和度,介绍了3种方法:①利用地层元素测井计算矿物和颗粒密度,将T2截止值定为8 ms,利用核磁共振测井资料计算孔隙度、黏土束缚水和自由流体,结合多频阵列介电测井信息,建立不同的岩石物理相,通过分相计算得到非均质地层的含水饱和度;②利用介电测井计算含水饱和度;③利用机器学习和深度学习算法,结合常规测井曲线计算含水饱和度。

1.8 大斜度井及水平井

Maggs等[23]针对大斜度井测井几何效应复杂影响因素校正的难点,在挪威海域1口井的薄砂岩和页岩地层中,根据电磁波电阻率及方位自然伽马成像资料,利用曲线差异快速反演出地层几何形态,进行测井曲线属性快速地层建模,可以直观表征地层方位角和径向边界信息。介绍超深(100～225 ft(2)非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同)随钻方位电磁波电阻率测井仪器,并利用多孔电磁波电阻率三维反演数据映射复杂的地质体,展示了3口井中三维反演的效果,并与一维、二维效果进行对比分析,结果表明,利用三维反演对储层的认识更精确。

Wielemake等[24]针对水平井地层非均质性表征难题,利用核磁共振测井评价储层的孔隙度和渗透率变化,发现薄层中流体可动性好的层段,利用声波远探测获得地层横向连续性数据,在数百米的范围内追踪多个反射层,确定地层与井筒距离。

Donald等[25]提出一种新的电缆工艺,该系统由轮式导管和角度导向装置组成,通过整体输送电缆,在降低阻力的同时,确保每次测井传感器定位和方向最佳,定向测量显著提高数据质量。

1.9 非常规储层油气评价

Dash等[26]通过分析非常规储层岩心的油气饱和度误差来源,对比分析保真取样和常规取样的结果,提出岩心核磁共振扫描T1—T2谱能提供准确的储层含水饱和度。对300～360 K温度条件下的干酪根模拟,II型干酪根接触角由58°增加到114°,由不成熟转换到过成熟,干酪根的润湿性会直接影响多相流体的流动特性及产水、产油层的电阻率数值。针对低电阻率页岩气储层,建立了高成熟度干酪根地层的复杂电导率模型,该模型考虑了碳质干酪根的体积占比、尺寸分布和有效长径比,利用元素测井获得石墨化干酪根的体积占比,利用电导率和介电常数给出石墨质干酪根的迂曲指数、矿化度和孔隙分布,计算地层含水饱和度和干酪根的含量。

Mathur等[27]使用12 MHz核磁共振实验装置测量在储层温度和压力条件下,纳米级孔隙为主的页岩储层中的气体含量,通过模拟地层条件,同时从岩样两侧注入甲烷使孔隙空间饱和,持续监测气体压力,使用T1—T2谱扫描测量流体饱和度,与传统测量方法相比,可以增加30%～50%的天然气储量。

Parashar等[28]对印度尼西亚南苏门答腊盆地非常规地热储层进行微电阻率成像测井,基于微电阻率成像测井的形态识别有效裂缝,得到岩石结构特征和模式、地应力。通过观察,该储层裂缝主要走向是南北向,裂缝宽度1～8 mm,有效识别该盆地地热储层的裂缝性质和甜点层段。

Vinegar等[29]针对早期有机质成熟过程中双孔隙富含有机质白垩地层的岩石物理响应特征进行阐述,核磁共振双峰表明扩散耦合由强到弱的转变,能够有效分辨微晶孔空间和大孔空间。针对非常规储层中的润湿性问题,利用核磁共振将孔隙网络划分为油湿、水湿和混合湿3类,小孔隙为水湿,大孔隙为油湿。

Barnes等[30]针对页岩油渗流难题,利用三维核磁共振技术测量页岩油稳态渗透率,CT扫描识别和排除有微裂纹的柱塞样,核磁共振成像持续监测注入流量以及压力,进而计算渗透率。该技术已成功应用于Wolfcamp、Eagleford、Vaca等多个页岩区块。利用核磁共振T1—T2谱图版分辨地层流体,开发了无监督学习算法来分离不同的T1—T2谱孔隙流体信息,提取流体的孔隙度和饱和度、流动性、孔隙大小及地层润湿性,与岩心测量测试结果对比,一致性较好。

1.10 声波和介电测井

Skelt等[31]介绍了雪佛龙能源技术公司非线性声波近井筒地层测量技术,设计了新型发射、接收及保护装置,能够测量井周非均质体的散射波振幅,用于预测井眼稳定性或出砂量、评价非常规储层天然微裂缝。

Syofyan等[32]通过井眼图像评价(电缆测井和随钻测井)、斯通利波和深剪切声波评价、岩心观测、岩心常规分析、生产试验、地震属性分析、区域地质和钻井分析,评价碳酸盐岩储层裂缝类型、裂缝方向和裂缝产状等,井震结合,提取不整合面和断层信息。

Liu等[33]介绍了利用识别井旁天然裂缝、溶洞等反射层的常用单井横波成像方法进行水力压裂评价,提出了一套改进的横波成像噪声抑制方法,通过对比水力压裂前后的偏移图像,可以观察到沿井壁裂缝,与分辨率低但探测距离较远的微地震成像相结合,对水力压裂进行评价。

1.11 地层动态监测及套管井评价

Guivarch等[34]利用热中子俘获截面测井得到地层含水饱和度,评价未水淹区域,与采用电阻率计算的饱和度比较,估算冲洗带饱和度指数n值的变化差异,指示储层水淹程度。

Kohli等[35]利用套管井脉冲中子孔隙度、地层元素、随钻电磁波电阻率测井结合,精细评价荷兰盆地白垩系储层的剩余油分布。

Reolon等[36]利用基于多分辨率图像聚类(MRGC)算法,通过分析目的层声波和超声测井曲线及图像,将MRGC算法集成到贝叶斯框架中,通过熵计算获得水泥胶结程度及不确定度,快速准确获得水泥胶结分类,自动进行水泥充填定量评估。

Vaitekaitis等[37]研制一种具有存储能力、体积小的新型多探测器脉冲中子测井仪,能够改变采集工序、减少测井时间,用于监测套管井饱和度变化,可作为套管井流量检测的补充。

1.12 机器学习及智能化

Elshahawi等[38]介绍了一种井下电缆测井远程控制方案,该方案优化了数据传输带宽,通过自动压缩数据,提供现场技术支持,有效提高知识共享及协作能力,降低运营成本,减少现场人员数量。

Gonzalez等[39]通过机器学习分析三维CT图像和二维照片的岩石结构特征,对岩石物理流动单元分类,有效提高渗透率计算精度,可辅助进行岩心—岩屑的深度归位,适用于岩石组分和孔隙结构复杂的砂岩地层。

Lin等[40]开发了一种基于物理驱动的机器学习方法,通过建立神经网络对声波偶极子频散数据进行反演,利用训练模型增强标记并提取不同的离散模式。该方法不需要钻井液横波、地层横波等基础信息,适用于层理发育、应力或裂缝复杂的各向异性地层,在复杂井眼环境进行测试,比传统的偶极声波处理结果精度更高。

Parashar等[41]将微电阻率图像转换为孔隙度图像,结合核磁共振T1、T2弛豫特征,将突变点作为有效孔径大小的界限,建立基于机器学习的高分辨率测井相解释方法,在东爪哇盆地马杜拉海峡地区上新世生物碎屑灰岩中高孔隙度高渗透层段精细划分地层旋回序列。

Souza等[42]基于多分辨率图像聚类算法的无监督分类方法进行岩相分析,生成自组织图,从电阻率测井图像中提取结构相,形成巴西东北部深水硅质碎屑岩的砾岩相、砂岩相、夹层相、页岩滑塌相4个岩相。

1.13 套后地层评价

Busaidy等[43]针对井下出砂检测难题,介绍了新型井下砂检仪器。通过压电传感器检测砂粒撞击产生的震动,利用分布式探测器探测得到噪声信息,经公式转换得到出砂量,在井筒中安装砂粒流动检测装置,低出砂量情况下检测结果表现出较好的一致性。

Valstar[44]介绍了一种无需取出油管即可获取套管厚度测井数据方法,用于监测腐蚀程度。在油管安装之前,测量声幅提供管柱实际厚度;在油管安装后,在油管内部进行电磁厚度测井,可得到管柱状态。通过将超声探测和电磁探测相结合进行测井,并与原始套管测井曲线进行比较,以确定管柱是否发生腐蚀。

Olivares等[45]介绍了墨西哥北部地区3个套管井储层评价案例,综合利用套管、自然伽马、中子、密度、声波和脉冲中子测井,在致密储层中进行气体识别,避免了可能出现的卡钻、落鱼和井眼废弃问题。采用脉冲中子测量方法对套管井储层进行评价,明确区域注产情况,帮助油田有效提高采收率。

2 讨论和体会

2.1 年会基本情况

年会受到新冠疫情影响,81篇论文通过网络视频进行交流。其中,3篇涉及深水油气探测,8篇涉及岩石物理与岩心测试,13篇涉及测井新技术,10篇涉及核磁共振、电成像及阵列声波等成像测井,7篇涉及典型案例及新的工作流程,7篇涉及地层压力及流体性质分析,5篇涉及常规储层评价,3篇涉及大斜度及水平井,8篇涉及非常规油气评价,8篇涉及地层动态监测、套管井评价及套后地层评价,10篇涉及新方法及智能化。

斯伦贝谢公司、哈里伯顿公司及贝克休斯公司论文成果发布占比超过50%(见图1),中国共计发布4篇,其中,2篇来自中国石油勘探开发研究院,1篇来自中国海洋石油集团有限公司,1篇来自吉林大学。

2.2 国际测井先进装备技术研发进展明显

国际测井技术发展多元化。斯伦贝谢公司的扫描电缆测井技术、随钻测井技术一直在业界领先,本届年会讨论了近几年新装备的应用,例如二维核磁共振测井、新型电缆地层测试等;哈里伯顿公司推出了新的高分辨率油基钻井液成像仪,贝克休斯公司介绍了多管柱电磁测量技术。

2.3 机器学习及智能化作为新的专题进行研讨

该届年会将机器学习及智能化解释作为专题进行研讨。以斯伦贝谢公司为代表的智能化远程测井进展明显,一些高校将机器学习用于岩心图像分析及岩石物理性质评价;以斯伦贝谢公司、哈里伯顿公司为代表的改进型神经网络应用能够有效提高储层参数精度;同时开发了新的深度学习方法对电成像、偶极子声波测井进行地质及工程参数的自动计算。

2.4 测井评价技术进展明显,成像资料处理深度挖掘效果突出

该届年会新仪器、新技术配套的测井评价成果丰富,研究领域广泛,出现了大量基于不同目标储层的新测井分析方法与理论。建立实验与测井关联的二维核磁共振、声波频散、电成像及介电图像分析流程,展现了成像测井资料在含镁地层、非常规储层及复杂储层中精细评价优势。这些方法紧密结合储层实际,既有理论依据也具有很强的实用性与可靠性。其中,涉及非常规储层测井评价的论文21篇(会议正式交流8篇,张贴论文13篇),非常规储层的测井评价依然是测井评价的难点和热点。

图1 第61届SPWLA年会论文来源单位占比

在成像资料深度挖掘方面,哈里伯顿等公司针对核磁共振测井仪器上提测量过程中数据失真、井筒复杂环境、数据传输等问题,通过技术创新,有效压缩数据并使其更易于传输,改进孔隙度和孔径分布算法;斯伦贝谢等公司针对油基钻井液成像资料,提出图像处理新模型,识别有效裂缝,基于纹理特征,采用机器学习方法,划分连续图像中的地质相。

2.5 测井基础理论、岩石物理分析技术与手段更丰富

从该届大会论文看,国际大的石油公司、大的服务公司及涉及石油的综合大学基础理论方法研究超前,形成的解释方法、解释模型得到很好地应用,如利用核磁共振计算润湿性、低阻油气层识别、薄层评价、地应力计算等。纳米级数字岩石物理技术及多尺度分析,极大提高了非常规复杂储层研究水平。在测井基础研究与岩石物理实验方面,中国与外国相比仍有较大差距。

2.6 地层测试及套后评价技术愈发得到重视

该届年会的另一个特点就是地层测试技术已经引起了岩石物理学家与测井分析家的重视,围绕地层压力和流体测试,年会上共交流论文1篇。哈里伯顿公司介绍了一种基于感应原理的地层水电阻率测量校正传感器,用来准确测量地层水电阻率。斯伦贝谢公司针对二氧化碳识别及含量计算问题,介绍了新的取样程序,准确预测二氧化碳含量。在套后评价方面,斯伦贝谢公司介绍了新型井下砂检仪器,分享无需取出油管即可获取套管厚度、监测腐蚀程度的技术。

3 结论和建议

(1)加快测井新技术新装备的研发与应用。近年来中国测井装备在性能指标上有了进一步提高,基本满足深层、深水、复杂储层及非常规油气的常规及部分特殊测井项目需要,但对比外国电缆及随钻测井技术,仍存在新的差距。因此,要持续开展重点新装备与新技术的研发与应用,做好关键技术研究。通过新技术新装备的研发,提高仪器可靠性与精度,进一步提高测井行业在国际市场的竞争力,提高解决复杂储层测井评价能力与水平。

(2)关注井筒完整性、储层保护及生产测试的新技术研发。随着复杂及非常规油气勘探开发的逐步深入,大斜度井、水平井以及复杂井况的直井越来越多。为减少油气井事故的发生,复杂井筒质量检测、地层测试及井筒完整性评价是油田产能建设的重中之重,需要关注并发展复杂井型、井眼、井液条件下的地层流体取样技术,光纤测井技术及大斜度、水平井固井质量及套管质量评价、射孔压裂作业有效性测试及分析等。尤其是在非常规储层大井丛工厂化作业的全生命周期产能建设中,这些技术急需大力发展,建立相关标准,配套系列装备。

(3)重视成像测井资料深度处理技术研发和在非常规油气及新能源中的应用。成像测井在推动油田低、超低渗透率及致密油气解释中发挥重要作用,但在页岩油等非常规油气中仍需要进一步发挥多维高分辨特点,深化算法研究。重点在成像图谱处理、二维核磁共振、地层元素以及声波远探测方面需要攻关研究和技术提升,挖掘隐含地层及流体信息,持续深化成像深度融合评价方法,延展成像资料应用领域。

(4)加强测井数据智能化采集、处理解释评价技术研究,搭建智能化处理解释平台。自动化远程测井、智能化测井分析是本届年会的特色,斯伦贝谢公司道尔研究中心已经将相关人工智能处理算法用于多口实际测井资料处理,智能化测井时代已经开启。从本届年会发表的论文可以看出,机器学习在岩石物理、常规测井解释及成像图像分析中越来越重要。中国需要加快研究测井采集、配套处理的智能化算法,同时需要借助大数据、人工智能等信息科学技术,打造智能测井及应用平台,加快测井数字化转型,助推测井生产组织方式变革。