地層各向異性對隨鉆方位電阻率儀器測量信號的影響

岳喜洲，馬明學，李國玉

(中海油田服務股份有限公司 北京 101149)

·儀器設(shè)備與應用·

地層各向異性對隨鉆方位電阻率儀器測量信號的影響

岳喜洲，馬明學，李國玉

(中海油田服務股份有限公司 北京 101149)

隨鉆方位電阻率儀器在大斜度井、水平井中測量時會受到地層電阻率各向異性的嚴重影響。隨鉆方位電阻率儀器旋轉(zhuǎn)測量時，可得到地質(zhì)信號和各向異性信號。文章采用數(shù)值仿真方法計算地層各向異性對儀器測量信號的影響。計算結(jié)果表明，相位差地質(zhì)信號會隨著地層各向異性系數(shù)的增大而減小，而幅度衰減地質(zhì)信號隨著各向異性系數(shù)的增大而增大。兩種地質(zhì)信號均會隨著相對傾角的增大而增大。相對傾角較大時，地質(zhì)信號峰值對應地層界面的位置。在均勻地層，各向異性信號為零，在各向異性地層中，幅度比各向異性信號隨著相對傾角、各向異性系數(shù)的增大而增大。

隨鉆測井；方位電阻率； 地質(zhì)信號；地質(zhì)導向；各向異性

0 引 言

隨著大斜度井、水平井大量出現(xiàn)，隨鉆地質(zhì)導向與隨鉆測井技術(shù)得到了長足的發(fā)展。目前，國內(nèi)外各大公司均有成熟的商業(yè)化隨鉆電磁波測井儀器，但傳統(tǒng)隨鉆電阻率儀器存在探測深度淺、對方位信息不敏感等局限性。近年來，世界各大公司陸續(xù)推出隨鉆方位電磁波測井儀器，其補償式結(jié)構(gòu)設(shè)計、較深的探測范圍與方位探測能力能更好地進行地質(zhì)界面識別與儲層綜合評價[1-3]。

電阻率各向異性是影響電磁波測井響應的重要因素，特別是在大斜度井/水平井中，由于儀器與地層的相對傾角，造成測井響應受水平電阻率與垂直電阻率的綜合影響，難以反映地層真實狀況。本文通過數(shù)值仿真方法計算各向異性對隨鉆方位電阻率測井信號的影響規(guī)律，定義了一種新的各向異性信號，并分析了該信號在各向異性地層中的響應特征。

1 儀器結(jié)構(gòu)與信號定義

國際上油服公司一般采用傾斜線圈接收信號實現(xiàn)方位電阻率的測量，發(fā)射線圈仍沿用軸向共軸設(shè)置，例如斯倫貝謝公司的periscope15，哈利伯頓公司的ADR儀器。地層存在各向異性時，采用這種線圈系結(jié)構(gòu)的儀器測量的地質(zhì)信號會失真，容易造成地層界面的誤判[4]。本文提出一種新型線圈系結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)測量的地質(zhì)信號不會有失真現(xiàn)象。線圈系結(jié)構(gòu)如圖1所示，發(fā)射線圈和接收線圈均采用45°傾斜線圈，其中發(fā)射線圈長軸方向和鉆鋌的軸向夾角為45°，接收線圈長軸方向和鉆鋌軸向夾角為-45°。

圖1 隨鉆方位電阻率儀器線圈系基本結(jié)構(gòu)

儀器旋轉(zhuǎn)一周，可得到環(huán)周向的幅度和相位信息，定義相對地層界面0°和180°時的幅度衰減和相位差為地質(zhì)信號：

其中，GeoA為幅度衰減地質(zhì)信號值，GeoP為相位差地質(zhì)信號值，Amp1為儀器周向0°方位時的幅度值，Amp2為儀器周向180°方位時的幅度值。Phase1為儀器周向0°方位時的相位，Phase2為儀器周向180°方位時的相位。

定義相對地層界面0°和90°時的幅度衰減和相位差為各向異性信號：

其中，MA為幅度衰減各向異性信號值，MP為相位差各向異性信號值，Amp1為儀器周向0°方位時的幅度值，Amp3為儀器周向90°方位時的幅度值。Phase1為儀器周向0°方位時的相位，Phase3為儀器周向90°方位時的相位。

本文考察了新型線圈系結(jié)構(gòu)在雙層地層中的響應特征，計算方法采用偶極子在各向異性介質(zhì)中的解析解[5]。

2 各向異性對地質(zhì)信號的影響

大斜度井和水平井中，地質(zhì)信號可以反映出地層邊界的位置及未鉆遇地層的電阻率特征。電阻率各向異性會對地質(zhì)信號的大小和形態(tài)產(chǎn)生影響，進而影響對未鉆遇地層的判斷。

(a) 電阻率各向異性對相位差地質(zhì)信號的影響

(b) 電阻率各向異性對幅度衰減地質(zhì)信號的影響圖2 電阻率各向異性對地質(zhì)信號的影響

由圖2(a)可以看出，隨著電阻率各向異性系數(shù)增大，相位差地質(zhì)信號逐漸減小。在各向異性地層內(nèi)，相位差地質(zhì)信號的探測深度將會變小。一般而言，探測深度的定義為：雙層地質(zhì)模型中，地質(zhì)信號大于某一閾值時對應的地層深度至地層界面的距離。電阻率各向異性系數(shù)增大到一定程度，相位差地質(zhì)信號的減小程度降低。由圖2(b)可以看出，幅度衰減地質(zhì)信號和相位差地質(zhì)信號變化趨勢相反，隨著地層電阻率各向異性的增大，幅度衰減地質(zhì)信號增大，主要表現(xiàn)在地層界面處的峰值增大，遠離地層界面處，幅度衰減地質(zhì)信號的變化不明顯，即地層電阻率各向異性對于幅度衰減地質(zhì)信號的探測深度影響較小。

當儀器與地層的相對傾角改變時，測量到的地質(zhì)信號也會相應改變，采用雙層地層模型計算相對傾角改變時的地質(zhì)信號響應。第一層地層電阻率為1 Ω·m，第二層地層水平電阻率Rh=4 Ω·m,第二層地層存在電阻率各向異性，電阻率各向異性系數(shù)為λ=2，儀器源距為96 in，發(fā)射頻率100 kHz，改變儀器與地層的相對傾角，考察儀器地質(zhì)信號的變化規(guī)律。

圖3為地層相對傾角對地質(zhì)信號的影響，圖3(a)為相對傾角對相位差地質(zhì)信號的影響，圖3(b)為相對傾角對幅度衰減地質(zhì)信號的影響規(guī)律。綜合兩張圖可以看出，相對傾角小于75°時，地質(zhì)信號在地層界面附近變化緩慢，出現(xiàn)“平臺”特征，傾角越小，“平臺”越寬。相對傾角大于75°時，地質(zhì)信號峰值出現(xiàn)在地層界面處，可以更清晰地判斷儀器與地層的相對關(guān)系。隨著儀器與地層相對傾角增大，地質(zhì)信號的峰值逐漸增大，在遠離地層界面后，各向異性地層中的地質(zhì)信號逐漸減小至零，并未受到地層各向異性的影響。

(a) 相對傾角對相位差地質(zhì)信號的影響

(b) 相對傾角對幅度衰減地質(zhì)信號的影響圖3 相對傾角對地質(zhì)信號的影響

3 地層各向異性信號

在大斜度井和水平井中，隨鉆電阻率儀器的測量信號往往會受到地層電阻率各向異性的嚴重影響，地層電阻率各向異性評價問題急需解決。在均勻橫向各向異性介質(zhì)中，垂直電阻率Rv、水平電阻率Rh、相對傾角與方位角4個變量定義了地層各向異性信息與儀器與地層關(guān)系。本文提出的隨鉆方位電阻率儀器旋轉(zhuǎn)一周可以測量到多個分量電磁場信息，能夠較好地反映各向異性地層特征。

(a) 相對傾角對相位差各向異性信號的影響

(b) 相對傾角對幅度衰減各向異性信號的影響圖4 相對傾角對各向異性信號的影響

圖4(a)中，當λ=1時，即均勻地層中，改變相對傾角，相位差各向異性信號為零。地層存在各向異性時，隨著相對傾角的增大，相位差各向異性信號減小。當相對傾角大于80°時，相位差各向異性信號會隨著各向異性系數(shù)的增大而增大，當相對傾角小于80°時，相位差各向異性信號隨著各向異性系數(shù)的增大而減小。

總體來看，地層不存在電阻率各向異性時，相位差各向異性信號為零值，地層存在電阻率各向異性時，相位差各向異性信號為負值，信號大小和電阻率各向異性系數(shù)、相對傾角有關(guān)。

圖4(b)中，當λ=1時，即均勻地層中，改變相對傾角，幅度衰減各向異性信號為零值。地層存在電阻率各向異性時，隨著相對傾角的增大，幅度衰減各向異性信號增大。儀器與地層相對傾角不變時，幅度衰減各向異性信號會隨著各向異性系數(shù)的增大而增大。相對傾角小于80°時，隨著相對傾角的增大，幅度衰減各向異性信號增大。相對傾角大于80°時，隨著相對傾角的增大，幅度衰減各向異性信號減小。

總體來看，地層不存在電阻率各向異性時，幅度衰減各向異性信號為零值，地層存在電阻率各向異性時，幅度衰減各向異性信號為正值，信號大小和電阻率各向異性系數(shù)、相對傾角有關(guān)。

綜上所述，相位差各向異性信號和幅度衰減各向異性信號均能直觀地指示地層電阻率各向異性，二者的信號強度和地層電阻率各向異性、相對傾角具有良好的相關(guān)關(guān)系，其中，幅度衰減各向異性信號對于各向異性系數(shù)有更好的對應關(guān)系，可進一步用于各向異性地層評價中。

4 結(jié) 論

1)地層電阻率各向異性對地質(zhì)信號峰值和邊界探測深度均有影響。隨著地層各向異性系數(shù)增大，相位差地質(zhì)信號峰值減小，地層邊界探測深度減小。隨著地層各向異性系數(shù)增大，幅度衰減地質(zhì)信號峰值增大，地層邊界探測深度基本不變。

2)儀器與地層相對傾角會對地質(zhì)信號產(chǎn)生重要影響，隨著傾角的增大，地質(zhì)信號的峰值逐漸增大。當相對傾角較小時，地質(zhì)信號在地層界面附近呈現(xiàn)“平臺”形狀，相對傾角較大時，地質(zhì)信號的峰值對應地層界面的位置。

3)本文定義的新的各向異性信號，信號值在均勻地層中為零，在各向異性地層中不為零。各向異性信號強度和電阻率各向異性系數(shù)、相對傾角具有良好的相關(guān)關(guān)系，能夠進一步用于各向異性地層評價中。

[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] 徐建華.層狀媒質(zhì)中的電磁場與電磁波[M].北京，石油工業(yè)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，工程師，2009年畢業(yè)于中國石油大學(華東)地球探測與信息技術(shù)專業(yè)，現(xiàn)主要從事隨鉆電磁波儀器研發(fā)工作。E-mail：yuexzh@cosl.com.cn

TE271

A

2096-0077(2016)06-0055-04

2016-01-28 編輯：高紅霞)