基于隨鉆測井的地層界面識別方法

唐海全 肖紅兵 李 翠 楊 震

中國石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院

基于隨鉆測井的地層界面識別方法

唐海全 肖紅兵 李 翠 楊 震

中國石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院

隨鉆測井資料特別是隨鉆方位性測井資料在地質導向鉆井中起著至關重要的作用，可以預測和判斷地層界面、地層方位特征以及各向異性地層走向。通過介紹隨鉆電磁波電阻率儀器、方位深探測電磁波電阻率儀器和方位伽馬儀器的基本結構及測量原理，結合實際應用環(huán)境，分析測量儀器在穿越地層界面時的影響因素和邊界效應，進而提出利用電磁波電阻率和方位伽馬曲線響應特征實現地層界面識別的方法，最后舉例說明了隨鉆電磁波電阻率和伽馬成像儀器在地層界面識別中的應用。現場應用表明，研究開發(fā)的具有邊界探測能力的地質導向技術和裝備，優(yōu)化了井眼軌跡在儲層中的位置，降低了打穿油層的風險，提高了儲層鉆遇率。

隨鉆測井測井儀器電磁波電阻率方位伽馬儲層界面識別地質導向

中國石油工業(yè)經過幾十年的發(fā)展，多數油氣田都進入開發(fā)中后期，整裝油氣藏的開發(fā)逐漸減少，薄互層、斷塊、低滲等復雜油氣藏成為油氣田勘探開發(fā)的主戰(zhàn)場。復雜油氣藏具有含油氣面積小、構造變化快、流體性質和儲層特性關系復雜等特點，對以綜合錄井和常規(guī)隨鉆測井儀器進行定位和預測地層界面的地質導向鉆井技術提出了嚴峻挑戰(zhàn)。國外最新研發(fā)的隨鉆測量儀器，例如斯倫貝謝GeoSphere［1］、貝克休斯Startrak［2］等，已具備地層前視探測和超深邊界探測功能，實現地質導向技術革命性的進步，成為高效油氣藏開發(fā)及先進鉆井技術應用的關鍵。國內隨鉆電磁波電阻率測量儀器已經在地質導向鉆井施工中普遍應用，但具有定向測量和電阻率各向異性測量能力的隨鉆方位電阻率、伽馬成像測井儀器目前還處于研制試驗階段，未形成商業(yè)化應用產品。

勝利油田鉆井院在前期感應電阻率和自然伽馬組成的雙參數地質導向系統(tǒng)研制成功的基礎上，研發(fā)了以多頻多深度隨鉆電磁波電阻率和方位伽馬為核心的地質導向系統(tǒng)[3-4]。同時，有效突破了常規(guī)地質導向儀不具備方位性、探測深度淺等技術瓶頸，研發(fā)了隨鉆方位深電阻率測量系統(tǒng)樣機，為進一步開發(fā)低品質油氣藏、難動用油氣藏提供了強有力的技術支撐。本文通過介紹隨鉆補償電磁波電阻率、方位深探測電阻率以及方位伽馬儀器結構，分析了各儀器在穿越地層界面時進行的邊界探測方法及產生的邊界效應，根據響應特征從測量儀器與井眼傾斜角度、地層電阻率對比度等因素進行分析，提出了實現地層界面識別的方法。通過現場應用表明，地質導向鉆井過程中利用不同頻率、不同探測深度和方位特征的地質測量參數可以及時的指示出地層界面的存在，更容易調整井眼軌跡并保持在期望的地層內穿行，增大儲層鉆遇率。

1 利用電磁波電阻率極化角預測地層界面

隨鉆電磁波電阻率系統(tǒng)在穿越地層介質時電磁波會產生衰減和相位移，并且穿越不同地層介質，電磁波產生的衰減和相位偏移也不相同，因此，可以通過測量電磁波的衰減和相位移來計算地層的電阻率和介電常數。電磁波電阻率測量儀（圖1）采用2 MHz、400 kHz的工作頻率，四發(fā)雙收，可得到12條不同探測深度的相位差、幅度比補償電阻率曲線及16條非補償電阻率曲線。利用不同地層流體的電阻率差異，通過對電阻率測量結果一致性、異常性和重復性的分析，可以幫助現場工程師實時判斷油氣水界面或其他的液相界面。

圖1 隨鉆電磁波電阻率系統(tǒng)結構示意圖

隨鉆電磁波電阻率探測邊界的原理主要是利用邊界效應[5-6]，這種邊界效應就是通常所說的“極化角”，利用這一特征有助于識別儲層邊界。極化角現象是指電磁波電阻率儀器在以小角度（小于30°）接近地層邊界時，其發(fā)射的電磁波會在邊界附近的地層產生一個附加電磁場，這個附加電磁場與儀器本身所激發(fā)產生的電磁場相疊加，從而增強了地層中的信號強度，導致了測量點處測量值急劇增加。由于這個附加電磁場對幅度比電阻率的影響要遠小于對相位電阻率的影響，所以幅度比電阻率產生極化角現象的概率要遠小于相位電阻率。

圖2 不同傾角下電阻率曲線數值模擬圖

采用雙發(fā)雙收介質模型對不同傾角下電阻率曲線進行正演模擬[7]，如圖2所示，虛線代表衰減電阻率曲線，實線代表相位電阻率。從圖2中可以看出，電阻率曲線發(fā)生突變的位置是在儲層厚度為15 m的左、右兩側地層邊界位置。極化角的形成和幅度大小主要受儀器與地層之間的夾角、目的層與圍巖電阻率的對比度、儀器測點距邊界的距離等有關。一般情況下，儀器與地層之間的夾角越小越明顯，目的層與圍巖電阻率的對比越大越明顯，儀器測點距邊界的距離越近越明顯。利用電磁波電阻率測量儀的這種特性，可以判斷鉆頭在儲層中的位置，有效控制鉆頭在目的層中物性較好的位置穿行。

2 利用隨鉆電阻率儀器的方位響應識別地層界面

常規(guī)的電磁波電阻率儀器采用同軸收發(fā)線圈，響應產生的極化角對于地質構造的解釋和地層界面的判斷有一定幫助，但不能反映地層方位信息，對于從低阻層進入高阻層，或從高阻層進入低阻層這種不帶方位測量的電磁波電阻率儀器均會產生相同類型的角峰。如圖3-a線所示，測量儀器在低阻層（2 Ω·m）進入高阻層（20 Ω·m）或者由高阻層（20 Ω·m）進入低阻層（1 Ω·m）時，幅度電阻率曲線（綠色）和相位電阻率曲線（藍色）產生的邊界效應方向性相同，無法判斷儀器是進層還是出層。因此，無法及時提供精確的地質導向信息，更無法明確地告訴決策者該怎樣調整鉆頭才能以最快的速度重新回到儲層中。

具有邊界探測功能的方位電磁波電阻率地質導向系統(tǒng)，突破了常規(guī)地質導向不具備方位性和探測深度淺等技術瓶頸，可實現多頻率、多傾角信號發(fā)射和多頻率、多傾角信號接收，從而獲得含有方位信息的電阻率和相位差測量，解決鉆井過程中儲層物性和油氣水界面的不確定性以及地質傾角和構造的不確定性等技術難題，實現了地質導向技術的革命性進步。如圖3-b所示，測量儀器由低阻層（2 Ω·m）進入高阻層（20 Ω·m）或者由高阻層（20 Ω·m）進入低阻層（1 Ω·m）時，幅度電阻率曲（綠色）和相位電阻率曲線（藍色、紅色）在靠近地層界面之前電阻率曲線已經出現分離，且產生不同方向的方位響應特征，因此可以很好地指示出地層所在方向，并提前預測地層界面的存在。

圖3 普通電磁波電阻率和方位電磁波電阻率儀器響應對比圖

圖4所示為采用五發(fā)三收天線結構隨鉆方位電磁波電阻率測量系統(tǒng)，其中T1—T5為軸向發(fā)射天線，R1—R2為軸向接收天線，Rc為橫向接收天線，邊界探測采用雙發(fā)單收，發(fā)射天線與接收天線對稱；電阻率測量工作頻率：400 kHz、2 MHz；邊界探測工作頻率：400 kHz、2 MHz。

圖4 隨鉆方位電磁波電阻率系統(tǒng)結構示意圖

隨鉆方位電磁波電阻率方位信號能清楚地預測和指示層界面的存在[8]。利用方位信號大小及成像資料可以反演儀器到層界面的距離，使儀器更大程度地停留在儲層內，提高儲層鉆遇率。根據對稱發(fā)射補償和延遲補償交叉耦合電動勢信號可以更加準確快速的預測和判斷層界面距離并計算得到層界面相對傾角；將方位電動勢信號與400 kHz幅度電阻率信息結合生成方位電阻率信息，結合儀器工具面方位角信息進行電阻率成像，使之具備較大的探測深度，能更好地應用于地質導向[9]。

圖5 隨鉆方位電磁波電阻率成像模擬地層模型圖

圖5為數值模擬采用的地層模型，泥巖地層電阻率為1 Ω·m，砂巖地層電阻率為10 Ω·m，圖5-a中的儲層位于層界面上方，圖5-b中的儲層位于層界面下方，井眼軌跡與層界面法線的相對夾角為80°（即井眼的相對井斜角為80°），分別沿著圖中的井眼軌跡由儲層穿過層界面進入非儲層。兩種地層模型中，傳統(tǒng)的電磁波電阻率儀器響應是相同的，無法區(qū)分目的層(10 Ω·m)位于泥巖(1 Ω·m)的上方還是下方，給鉆頭調整帶來困難，但通過方位電磁波電阻率成像能很好的解決這個問題。通過選擇兩條探測深度不同的電阻率曲線與橫向天線Rc測得的不同方位的定向電動勢曲線可以進行方位電阻率成像（藍色代表低阻，紅色代表高阻），方位電阻率具備良好的方位特性，能準確識別層界面的相對位置[10]。

圖6 方位伽馬邊界響應示意圖

圖7 H1井隨鉆測井綜合成圖曲線圖

由圖5模擬合成的效果圖可以明顯地分辨出低阻層或高阻層的相對方位，消除井眼軌道與儲層相對位置的不確定性，提高地質導向決策的科學性。因此，隨鉆方位電磁波電阻率能更好地識別地層界面和進行地質導向。

3 利用隨鉆方位伽馬判斷地層界面

常規(guī)自然伽馬測量不具有測量方位信息能力，只能顯示鉆頭處于儲層還是非儲層中，一旦由于地層變化或者其他原因鉆頭鉆出儲層之后，不能及時指導定向工程師引導鉆頭重新回到儲層中去。隨鉆方位伽馬/伽馬成像儀器，記錄多個結合旋轉方位信息的扇區(qū)測量數值，因此這些測量值包含了井下儀器的方位信息，通過這些實時上傳的上、下伽馬數據，可以迅速通過調整鉆頭方位使鉆具重新在儲層中穿行。隨鉆方位伽馬測井通過測量不同方位扇區(qū)的地層自然放射性，從而得到2、4、8或16個扇區(qū)的自然伽馬值，通過進一步處理可以得到方位伽馬成像，從而實現地質導向、地層邊界識別，更準確的地質參數的實時評價等功能。

如圖6所示，隨鉆測量儀器從頂部進層時，下伽馬值首先降低，然后上伽馬值降低；從頂部出層時，上伽馬值首先升高，然后下伽馬值升高；從底部進層時，上伽馬值首先降低，然后下伽馬值降低；從底部出層時，下伽馬值首先升高，然后上伽馬值升高；完全進層或出層后，上、下伽馬值基本一致[11-12]。

4 應用實例分析

圖7是某H1井隨鉆方位伽馬、電磁波電阻率及伽馬成像資料在不同地層中的應用實例。由于該井開發(fā)的是厚油層頂部剩余油儲量，目標層上下均為致密泥巖蓋層，油層薄且油層傾角的不確定性較大，而且設計要求A、B靶點的垂深距離油層頂界面的垂向距離不超過1.0 m，這就限制了B靶點在實際施工中只能有很小的垂深變化范圍，從而相對增加了水平段的井眼軌跡控制難度。在這次應用中，通過隨鉆電磁波電阻率、方位伽馬以及伽馬成像的邊界效應綜合及時發(fā)現邊界，工程上及時調整，使軌跡快速返回目標層。

機械鉆速從深度2 741.0 m開始降低，不同探測深度的電磁波電阻率曲線出現明顯的分離（探測深度深）、方位伽馬曲線并未出現分離（探測深度淺），說明儀器四周小范圍內地層的電阻均值較低，較大范圍內的地層電阻均值較大，造成此現象的原因是儀器貼近油層界面。暫停鉆進后，從循環(huán)上返的巖屑和氣測值判斷，得到了印證。由于測量儀器掛接在動力鉆具之后，雖然儀器顯示正在接近非儲層界面但還未穿出油層，但由于儀器參數測量點距離鉆頭有10 m的距離，預測鉆頭很有可能已經接觸油層底部，因此必須及時調整井眼軌跡才能避免鉆頭穿出油層；在井深2 748.6 m處，方位下伽馬測量值逐漸大于上伽馬值并出現明顯分離，地層界面自然伽馬成像明顯，此后方位伽馬值基本一致，并保持高值，而電磁波電阻率保持低值，可判斷鉆頭在深度2 751.0 m附近穿出油層，在深度2 761.0 m后重新進入油層。但由于井斜調整過大，導致鉆頭在2 772.5 m貼近儲層頂部，此時及時對井眼軌跡進行微調，確保井眼一直在目的層中穿行直到完鉆。

隨鉆電磁波電阻率和伽馬測井儀器在鉆頭進入地層以及鉆出地層時，顯示了儀器測量參數實時性的優(yōu)勢，為及時采取相應措施贏得了時間。

5 結論

1）水平井施工中，隨鉆電磁波電阻率測井在地層界面上容易出現極化角現象，有助于地層分界面的判斷，但極化角的形成以及幅度的大小受鉆井環(huán)境影響因素較大，很難判斷井眼軌道與待鉆地層的相對位置。

2）隨鉆方位伽馬曲線和伽馬圖像可以替代常規(guī)伽馬測井實時測量地層巖性，分辨上下界面的巖性特征，形成伽馬成像測井圖像，更好地指導水平井地質導向施工。

3）隨鉆方位電磁波電阻率儀器對地層界面具有良好的指示和預測作用，更準確地確定儲層邊界位置，利用方位電磁波定向曲線還可以判斷出地層界面與儀器的相對方位，及時準確地調整鉆頭鉆進方向，確保進入儲層的最佳時機。

4）通過與常規(guī)地質導向系統(tǒng)的應用對比，具有邊界探測能力的地質導向系統(tǒng)更易實現對地層特性的判斷和鉆頭在儲層內穿行的精確控制，為開發(fā)后期的高含水油田、薄油氣藏、斷塊油氣藏等復雜油氣藏的勘探開發(fā)提供有力的技術支撐。

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（修改回稿日期 2016-10-22 編輯 陳玲）

國家重點研發(fā)計劃“大直徑隨鉆測井系統(tǒng)裝備研制與示范作業(yè)”（編號：2016YFC0302800）、國家科技重大專項“低滲透油氣田高效開發(fā)鉆完井技術”（編號：2016ZX05021）。

唐海全，1982年生，工程師，碩士；主要從事隨鉆測井數據處理及軟件開發(fā)工作。地址：（257017）山東省東營市東營區(qū)北一路827號勝利油田鉆井院。電話：（0546）6383243。E-mail：tanghq007@163.com