隨鉆電阻率地層邊界響應(yīng)特征分析及應(yīng)用

李勇華， 楊錦舟， 楊 震， 孫晨皓, 余福春

(1.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營 257017；2.澳大利亞新南威爾士大學(xué)石油工程學(xué)院，悉尼 2052；3.中石化勝利石油工程有限公司塔里木分公司，新疆庫爾勒 841600)

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隨鉆電阻率地層邊界響應(yīng)特征分析及應(yīng)用

李勇華1， 楊錦舟1， 楊 震1， 孫晨皓2, 余福春3

(1.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營 257017；2.澳大利亞新南威爾士大學(xué)石油工程學(xué)院，悉尼 2052；3.中石化勝利石油工程有限公司塔里木分公司，新疆庫爾勒 841600)

針對大斜度井、水平井隨鉆電阻率測井過程中隨鉆電阻率受地層界面影響大、極化效應(yīng)明顯的問題，從電磁場基本理論出發(fā)，建立了層狀地層模型，利用數(shù)值模擬方法模擬了隨鉆電阻率測井儀以水平姿態(tài)穿過不同電阻率地層界面時的響應(yīng)特征，分析了地層界面附近隨鉆電阻率測井儀的響應(yīng)規(guī)律，總結(jié)了極化效應(yīng)的產(chǎn)生前提和影響因素。結(jié)果表明，隨鉆電阻率測井儀的線圈距越大、工作頻率越高，極化效應(yīng)越顯著，相位差電阻率與幅度比電阻率相比受極化效應(yīng)的影響更明顯。以永X斷塊A井為例，介紹了隨鉆電阻率地層邊界響應(yīng)特征在地質(zhì)導(dǎo)向鉆井中的應(yīng)用情況。研究結(jié)果表明，在地質(zhì)模型較為確定的情況下，可以利用隨鉆電阻率曲線的極化現(xiàn)象判斷地層界面，進行地質(zhì)導(dǎo)向。

隨鉆電磁波；界面響應(yīng)；極化效應(yīng)；界面預(yù)測；地質(zhì)模型

隨著油田勘探開發(fā)程度的提高以及生產(chǎn)的需要，大斜度井、水平井越來越多[1-2]。在大斜度井、水平井測井過程中，隨鉆電磁波電阻率響應(yīng)受地層界面影響非常大，極化效應(yīng)明顯，這與常規(guī)感應(yīng)測井儀器有很大不同[3]。極化效應(yīng)在實際電阻率測井資料中的表現(xiàn)主要有2點:界面處響應(yīng)曲線出現(xiàn)明顯的極化角[4-5]和界面附近不同頻率或不同線圈距的電阻率曲線互相分離。利用極化效應(yīng)可以判斷和預(yù)測鉆頭在已知地質(zhì)模型中的位置，及時調(diào)整井眼軌跡，從而進行地質(zhì)導(dǎo)向[6-9]。實際隨鉆測井過程中發(fā)現(xiàn)，在某些大斜度井或水平井中，電阻率曲線并沒有出現(xiàn)極化角，給地質(zhì)導(dǎo)向帶來一定不利影響。為此，筆者從基本電磁場理論出發(fā)，對層狀地層模型中的隨鉆電阻率測井儀響應(yīng)進行了模擬，分析了地層界面附近隨鉆電阻率測井儀的響應(yīng)規(guī)律，總結(jié)了極化效應(yīng)的產(chǎn)生前提和影響因素，并結(jié)合實際隨鉆電阻率測井資料和常規(guī)電測井資料分析了極化效應(yīng)對不同隨鉆電磁波電阻率曲線的影響，為更好地將其應(yīng)用于地質(zhì)導(dǎo)向和地層評價提供了理論依據(jù)。

1 物理模型與數(shù)值模擬方法

對于層狀各向異性地層模型(見圖1，圖中的μm，σm和εm分別表示m層的地層磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率和介電常數(shù))，可以將隨鉆電阻率測井儀的天線簡化為磁偶極子[10-13]，忽略地層的層狀各向異性，可以應(yīng)用并矢格林函數(shù)表示任意方向磁偶極子的電磁場z向的分量：

圖1 層狀地層模型Fig.1 Model for layered formations

(1)

(2)

根據(jù)麥克斯韋方程組可以得到電磁場的切向分量(Er，Eθ)、(Hr，Hθ)與z向分量的關(guān)系:

(3)

(4)

根據(jù)式(1)—式(4)可以求得層狀地層模型中的電磁場分布。由于層狀地層的層狀界面存在反射和透射，因此可將地層中的電磁波表示為入射波、反射波和透射波的疊加。

以勝利油田研制的多頻隨鉆電阻率測井儀MRC(見圖2)為測井儀模型進行數(shù)值模擬，該測井儀有2 MHz和400 kHz 2種工作頻率，長線圈距(發(fā)射天線到測井儀記錄點的距離)為914.4 mm，短線圈距為558.8 mm，接收線圈間距為228.6 mm，可以測量幅度比電阻率和相位差電阻率。

圖2 多頻隨鉆電阻率測井儀結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure of a multi-frequency resistivity LWD tool

2 界面響應(yīng)特征分析及數(shù)值模擬

2.1 大斜度井或水平井界面響應(yīng)特征

隨鉆電阻率測井儀利用交流電的互感原理測量地層的電阻率，發(fā)射線圈發(fā)射一定頻率和幅度的正弦交流電，在周圍介質(zhì)中形成交變電磁場，在線圈結(jié)構(gòu)一定的條件下，接收線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢與地層的電導(dǎo)率相關(guān)。根據(jù)幾何因子理論，介質(zhì)可看成由無數(shù)個截面積為drdz、半徑為r的單元圓環(huán)組成，它們在發(fā)射線圈的激勵下產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流。測井儀經(jīng)過不同電阻率地層界面時，不考慮反射，單元感應(yīng)電流環(huán)也經(jīng)過不同電阻率地層界面，根據(jù)歐姆定律，界面兩側(cè)的電場不同，會在界面兩側(cè)造成電荷積累(如圖3所示)，相當(dāng)于增加了一個與發(fā)射信號同頻率的附加發(fā)射源，使接收線圈的信號發(fā)生變化。由電動勢信號轉(zhuǎn)換成電阻率信號時，根據(jù)理論轉(zhuǎn)換圖版，在電阻性地層中，電動勢較小的變化會引起電阻率較大的變化，從而產(chǎn)生極化角等邊界響應(yīng)特征。

圖3 界面響應(yīng)機理示意Fig.3 Mechanism of formation interface response

2.2 界面響應(yīng)數(shù)值模擬

地層模型為電阻率分別為4和40 Ω·m的地層組成的層狀介質(zhì)模型，應(yīng)用上述數(shù)值模擬方法模擬隨鉆電阻率測井儀以接近水平姿態(tài)穿過不同電阻率地層界面時的響應(yīng)特征，得到8條電阻率曲線，如圖4所示(圖中虛線為真實電阻率，Pha36為線圈距914.4 mm(36 in)的相位差電阻率，Pha22為線圈距558.8 mm(22 in)的相位差電阻率，Amp36為線圈距914.4 mm(36 in)的幅度比電阻率，Amp22為線圈距558.8 mm(22 in)的幅度比電阻率)。

從圖4可以看出，在不同電阻率地層界面附近，相位差電阻率出現(xiàn)了明顯的“極化角”，幅度比電阻率“極化角”不明顯； 2 MHz工作頻率下相位差電阻率曲線“極化角”的幅度大于400 kHz工作頻率下“極化角”的幅度；長線圈距響應(yīng)曲線的“極化角”幅度大于短線圈距響應(yīng)曲線的“極化角”幅度。因此，在同樣地層條件下，相位差電阻率曲線比幅度比電阻率曲線更容易出現(xiàn)“極化角”，工作頻率越高、線圈距越大越容易出現(xiàn)“極化角”。

圖4 界面響應(yīng)數(shù)值模擬結(jié)果Fig.4 Numerical simulation result of interface responses

從圖4還可以看出，除了不同電阻率地層界面附近出現(xiàn)明顯的“極化角”外，8條電阻率曲線在界面附近彼此分離。這是因為8條電阻率曲線的探測深度不同，因此受圍巖的影響也不同，且探測深度越大，受圍巖的影響越大。由于隨鉆電阻率測井儀的探測深度隨著地層電阻率變化而變化，地層電阻率越大，其探測深度越大，因此電阻率曲線的分離程度受地層電阻率的影響。在已知地層模型的情況下，可以根據(jù)不同探測深度電阻率曲線的交會反演預(yù)測鉆頭到地層界面的距離，進行精確地質(zhì)導(dǎo)向。

由圖4可知，在數(shù)值模擬中，電阻率曲線很容易出現(xiàn)“極化角”，但實際的隨鉆電阻率測井資料中，“極化角”現(xiàn)象卻并不十分常見，這是因為在數(shù)值模擬過程中采用的是階躍模型，即電阻率在地層界面位置處發(fā)生突變，直接由一個電阻率變到另外一個電阻率，但實際地層電阻率的變化往往是漸變的，這在很大程度上消弱了極化角的幅度。

圖5為4種不同地層模型的相位差電阻率模擬結(jié)果，所用測井儀的源距為914.4 mm、工作頻率為2 MHz。4種地層模型為：由電阻率4和40 Ω·m地層組成的階躍模型；在階躍模型中間插入0.3 m厚電阻率8 Ω·m過渡層的地層模型；在階躍模型中間插入0.5 m厚電阻率8 Ω·m過渡層的地層模型；在階躍模型中間插入厚度均為0.1 m、電阻率分別為8，12，16，20和30 Ω·m地層組成漸變地層模型。

圖5 不同地層模型相位差電阻率模擬結(jié)果Fig.5 Numerical simulation result of phase-difference resistivity under different formation models

由圖5可知，過渡層和漸變層極大弱化了電阻率曲線的“極化角”。此外地層對比度、鉆井液的侵入也會弱化電阻率曲線的“極化角”。因此，利用隨鉆電阻率測井資料進行地質(zhì)導(dǎo)向時，需要與伽馬、方位中子密度測井資料相結(jié)合，進行綜合分析。

3 應(yīng)用實例

圖6 永X斷塊A井地層模型及實鉆井眼軌跡Fig.6 Formation model and borehole trajectory of Well A in Yong X Fault Block

該井地質(zhì)導(dǎo)向鉆井作業(yè)有以下難點：按照井眼軌道設(shè)計過斷層即進入油層，是否從油層的頂部進入不確定；油層中間有泥巖夾層；為了分段開采，要求鉆穿整套油層。該井鉆至井深3 050.00 m 下入多頻多線圈距隨鉆電阻率測井儀MRC進行地質(zhì)導(dǎo)向。該井地質(zhì)導(dǎo)向分為3個階段：

1) 過斷層進入油層。E2d2層主要為灰色泥巖夾灰色粉砂巖，自然伽馬值約50 API，電阻率大于10 Ω·m。該井鉆至井深3 356.00 m時，自然伽馬值從90 API左右開始降低，Pha36-2M及Pha22-2M電阻率開始逐步升高(見圖7)，表明鉆頭已進入目的層，與設(shè)計軌道相比，提前30.00 m(井深)進入目的層，此時井斜角小于90°，繼續(xù)增斜鉆進。

圖7 過斷層進入油層時的測井曲線Fig.7 Logging curve in the penetration of pay zone through faults

2) 鉆出油層。該井鉆至井深3 400.00 m時，自然伽馬值升高，Pha36-2M和Pha22-2M電阻率開始逐步降低，2條電阻率曲線明顯分離(見圖8)，表明此時鉆頭逐步離開油層，需要調(diào)整井眼軌跡。對比進入油層點的垂深下降1.20 m，油層厚度應(yīng)該大于3.00 m，判斷是穿過斷層后在油層下部進入目的層，已經(jīng)從油層底部鉆出，需要全力增斜，增斜鉆至井深3 434.00 m重新進入油層。

圖8 鉆出油層時的測井曲線Fig.8 Logging curve in formations out of pay zone

3) 鉆遇泥巖夾層。該井在3 500.00～3 540.00 m井段鉆遇泥巖夾層，為了穿透整套油層，在井斜角大于90°的情況下繼續(xù)鉆至井深3 548.50 m穿過泥巖夾層，Pha36-2M電阻率曲線出現(xiàn)了明顯的“極化角”(見圖9)。結(jié)合自然伽馬測井?dāng)?shù)據(jù)，判斷鉆頭進入油層。

圖9 穿過泥巖夾層時的測井曲線Fig.9 Logging curve in penetration of mudstone interbed

在3 510.00～3 560.00 m井段隨鉆測井過程中，隨鉆電阻率曲線出現(xiàn)了明顯的分離情況，并在井深3 548.50 m處存在明顯的“極化角”，且長線圈距電阻率曲線“極化角”的幅度大于短線圈距，利用這些響應(yīng)特征可以進行地質(zhì)導(dǎo)向。

該井在完鉆后進行了感應(yīng)電阻率測井，參考井眼軌跡，建立了地層模型，分別模擬了隨鉆電阻率測井響應(yīng)與感應(yīng)電阻率測井響應(yīng)，模擬結(jié)果與實測結(jié)果吻合(見圖10)。值得注意的是，長線圈距極化角的幅度與理論極化角的幅度存在一定差別，這是因為電阻率測量值在達到幾百甚至上千歐姆·米的情況下，由測井儀測得的電導(dǎo)率轉(zhuǎn)換為電阻率的誤差會達到30%以上。模擬發(fā)現(xiàn)，在該井地層條件下雙感應(yīng)電阻率測井曲線在井深3 548.50 m處的“極化角”不明顯，而且深、中感應(yīng)電阻率曲線基本重合，這與理論模擬曲線一致，說明常規(guī)感應(yīng)電阻率測井由于工作頻率低，極化效應(yīng)不明顯。隨鉆電阻率測井儀測得的兩條電阻率曲線則分離嚴重，且在井深3 548.50 m處長線圈距曲線“極化角”明顯，這與上文的分析是一致的。

結(jié)合地層模型可以發(fā)現(xiàn)，由于受極化效應(yīng)影響，長線圈距(Pha36)電阻率高于地層真實電阻率，短線圈距電阻率(Pha22)接近于地層真實電阻率，因此在利用隨鉆電阻率測井資料評價地層時，應(yīng)特別注意極化效應(yīng)的影響，從而選擇適當(dāng)?shù)碾娮杪蕼y井曲線進行地層評價。

圖10 模擬電阻率曲線與實測電阻曲線的對比Fig.10 Comparison between simulated and measured resistivity curves

4 結(jié) 論

1) 對于確定的地層，隨鉆電阻率測井儀的線圈距越大、工作頻率越高，地層界面的極化效應(yīng)越顯著。由于極化效應(yīng)的影響，隨鉆電阻率測井曲線在層界面附近會出現(xiàn)“極化角”和長短線圈距電阻率曲線分離的響應(yīng)特征，利用這些響應(yīng)特征可以預(yù)測和判斷界面位置。

2) 大斜度井或水平井的隨鉆電阻率測井曲線由于受極化效應(yīng)的影響，使測得的地層電阻率與地層真實電阻率存在一定偏差。因此，應(yīng)選擇極化效應(yīng)小的電阻率測井曲線或者對極化效應(yīng)進行校正后來評價地層。

3) 常規(guī)隨鉆電阻率測井儀在地質(zhì)模型較為確定的情況下可以進行地質(zhì)導(dǎo)向，但由于其不具備方位特性，有效探測深度較小，在較為復(fù)雜地層條件下的應(yīng)用受到一定限制。因此，應(yīng)研發(fā)具備更大探測深度和能測方位的隨鉆電磁波測井儀。

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[編輯 劉文臣]

The Analysis and Application of Formation Interface Response Characteristics of the Resistivity LWD Tool

LI Yonghua1, YANG Jinzhou1, YANG Zhen1, SUN Chenhao2， YU Fuchun3

(1.DrillingTechnologyResearchInstituteofSinopecShengliOilfieldServiceCorporation,Dongying,Shandong，257017,China; 2.SchoolofPetroleumEngineering,UniversityofNewSouthWales,Sydney, 2052,Australia；3.TarimBranch,SinopecShengliOilfieldServiceCorporation,Korla,Xinjiang,841600,China)

During resistivity logging while drilling (resistivity LWD) in highly deviated or horizontal wells, the resistivity is significantly affected by the formation interface and dramatic polarization effects can occur. According to the fundamental theory of electromagnetic fields, a model for layered formations was established, and numerical simulations were used to simulate the response when the resistivity LWD tool was horizontally penetrating the interface among formations with different resistivity. In this way, the response patterns of the resistivity LWD tool were analyzed and the preconditions and influencing factors of polarization effects were summarized. The results show that more significant polarization effect will be shown under larger coil spacing and higher working frequency of the tool. Comparing the amplitude difference resistivity, phase difference resistivity is more susceptible to polarization effects. Taking Well A in Yong-X Fault Block as an example, the applications of formation interface response characteristics from resistivity LWD tool were presented. It was indicated that polarization effects of resistivity LWD logs can be used to identify formation interfaces at given specific geological models to facilitate geosteering.

electromagnetic logging while drilling; interface response; polarization effects; interface prediction; geological model

2015-11-18；改回日期：2016-08-10。

李勇華(1977—)，男，湖南長沙人，2000年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院電子儀器及測量技術(shù)專業(yè)，高級工程師，主要從事隨鉆測控儀器研發(fā)與應(yīng)用。E-mail：7776lyh@sina.com。

國家科技重大專項課題“低滲透油氣深層高溫高壓隨鉆測控技術(shù)”(編號：2016ZX05021001)資助。

10.11911/syztjs.201606019

P631.811

A

1001-0890(2016)06-0111-06