隨鉆方位自然伽馬成像測井在地質(zhì)導(dǎo)向中的應(yīng)用

李安宗, 駱慶鋒, 李留, 范宇翔, 宋森, 王珺

(中國石油集團(tuán)測井有限公司, 陜西 西安 710077)

0 引 言

地質(zhì)導(dǎo)向鉆井是根據(jù)鉆井施工時實時測量的地層信息,判斷鉆頭鉆遇的地層,及時調(diào)整鉆進(jìn)軌跡。實時測量的信息包括地質(zhì)參數(shù)以及工程參數(shù),地質(zhì)導(dǎo)向儀器中最常用的地質(zhì)參數(shù)為自然伽馬和電阻率等。利用地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)可保證鉆頭盡可能地在有利儲層內(nèi)鉆進(jìn),達(dá)到提高產(chǎn)量和采收率的目的[1]。

隨鉆方位自然伽馬成像測井技術(shù)采用多個自然伽馬傳感器,探測效率高,其測量結(jié)果具有方位特性,除了識別巖性、計算泥質(zhì)含量等常規(guī)自然伽馬測井應(yīng)用外,實時傳輸數(shù)據(jù)可以作為地質(zhì)導(dǎo)向重要資料[2]。本文基于中國石油集團(tuán)測井有限公司自主研制的隨鉆方位自然伽馬成像測井儀器,研究了儀器在鉆遇不同地層的響應(yīng)特征,并在現(xiàn)場應(yīng)用中通過對儀器方位探測的地層自然伽馬數(shù)據(jù)進(jìn)行成像處理及實時分析,對地層進(jìn)行更好地評價與認(rèn)識,結(jié)合其他資料指導(dǎo)水平井施工,較好地實現(xiàn)了地質(zhì)導(dǎo)向目的。

1 隨鉆方位自然伽馬成像測井儀

1.1 儀器結(jié)構(gòu)及功能

中國石油集團(tuán)測井有限公司自主研制的隨鉆方位自然伽馬成像測井儀目前有4.75 in*非法定計量單位,1 in=2.54 cm,下同和6.75 in這2種外徑尺寸規(guī)格,其中4.75 in儀器有3個自然伽馬傳感器,在鉆鋌同一截面相互間隔120°偏心放置(見圖1),6.75 in儀器有4個自然伽馬傳感器,在鉆鋌同一截面相互間隔90°偏心放置,結(jié)合磁力計系統(tǒng)獲取傳感器在旋轉(zhuǎn)過程中的方位位置,從而實現(xiàn)井筒不同方位自然伽馬數(shù)據(jù)測量。2種儀器滑動鉆進(jìn)時都能提供4個扇區(qū)的方位自然伽馬測量值,并實時上傳,作為地質(zhì)導(dǎo)向服務(wù)時的判斷依據(jù),確保鉆頭盡可能在儲層內(nèi)鉆進(jìn);儀器復(fù)合鉆進(jìn)時提供16個扇區(qū)的方位自然伽馬測量值,并存儲在井下儀器的內(nèi)存中,經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和成像顯示可以提供地層方位自然伽馬成像圖[3]。

圖1 4.75 in隨鉆方位自然伽馬成像測井儀器示意圖

1.2 儀器電路組成

隨鉆方位自然伽馬成像測井儀主要由電源模塊、磁力計模塊、自然伽馬傳感器、信號處理電路等組成。儀器將自然伽馬傳感器的測量信號,經(jīng)電平隔離轉(zhuǎn)換后進(jìn)入ARM處理器的高端定時/計數(shù)器口進(jìn)行采集;磁力計系統(tǒng)的輸出經(jīng)過處理后進(jìn)入片外ADC模塊,對工具面信息進(jìn)行采集,同時采集振動與溫度信息對工具面角進(jìn)行校正。系統(tǒng)將采集的信息處理成16扇區(qū)數(shù)據(jù)存儲在井下儀器中,并將上下左右4個扇區(qū)數(shù)據(jù)經(jīng)通信模塊傳送到MWD系統(tǒng),調(diào)制編碼后傳送到地面系統(tǒng)。

2 鉆遇不同地層的響應(yīng)特征

通常情況下,當(dāng)隨鉆方位自然伽馬成像測井儀器在儲層中鉆進(jìn)時,儀器測量的上、下、左、右自然伽馬曲線重合;當(dāng)儀器鉆遇傾斜地層時,測量的上、下、左、右自然伽馬曲線在不同深度出現(xiàn)峰位,峰位位置能反映地層界面位置;當(dāng)儀器鉆遇斷層時,測量的上、下、左、右自然伽馬曲線在斷層處各出現(xiàn)峰位,峰位位置能反映斷層斷塊界面位置[4]。

2.1 自然伽馬傳感器旋轉(zhuǎn)時測量響應(yīng)數(shù)值模擬

常規(guī)自然伽馬測井儀器是利用1個自然伽馬傳感器在井筒中測量地層自然伽馬總放射性強度,而隨鉆方位自然伽馬成像測井儀是在隨鉆過程中利用多個自然伽馬傳感器,在數(shù)據(jù)采集時通過記錄不同傳感器在不同扇區(qū)內(nèi)自然伽馬計數(shù)實現(xiàn)井筒方位測量。鉆井施工時鉆盤鉆速大都在50～100 r/min,如果用60 r/min計算,儀器在井下每秒旋轉(zhuǎn)360°,儀器采用16扇區(qū)數(shù)據(jù)格式,那么每個扇區(qū)對應(yīng)的角度為22.5°。

通過計算模型得到了自然伽馬傳感器在儀器旋轉(zhuǎn)時的測量響應(yīng)。模型采用4個相同的自然伽馬傳感器,傳感器NaI晶體尺寸Φ25.4 mm×120 mm,放置在鉆鋌的同一截面,傳感器蓋板厚度6.5 mm,在鉆鋌的固定位置放置1個放射性點源(137CS,放射性強度為10 μCi)。順時針旋轉(zhuǎn)鉆鋌180°,通過模擬計算,能夠看出晶體1、2、3、4在鉆鋌旋轉(zhuǎn)時計數(shù)的響應(yīng)情況,隨著傳感器與點源的距離變化,各個傳感器計數(shù)峰位也隨之變化(見圖2)。

目前自然伽馬測井儀刻度都采用API單位,API是根據(jù)美國石油學(xué)會在休斯敦大學(xué)建立的自然伽馬刻度井確定。但由于井眼尺寸及刻度環(huán)境變化等原因,不能滿足大部分尺寸隨鉆自然伽馬測井儀器刻度。國外相關(guān)公司對此進(jìn)行了研究,建立新的刻度方法,可以實現(xiàn)不同尺寸隨鉆自然伽馬測井儀器的刻度,同時使電纜和隨鉆自然伽馬測量值更加一致[5-6]。隨鉆方位自然伽馬成像測井儀測量值的精度受刻度影響較大,因此儀器出廠前在石油工業(yè)測井計量站自然伽馬標(biāo)準(zhǔn)井中進(jìn)行了刻度,確保了儀器的測量精度。

2.2 儀器鉆遇傾斜地層

圖2 自然伽馬傳感器布局及不同傳感器計數(shù)變化圖

利用計算模型,模擬儀器鉆遇傾斜地層不同位置處4個方位的自然伽馬計數(shù),利用得到的數(shù)據(jù)及插值方法可得出方位自然伽馬成像圖[7][見圖3(a)]。儀器從低自然伽馬地層進(jìn)入高自然伽馬地層時,如圖3(a)所示1點,其自然伽馬成像圖A點為儀器探測器在1點位置處探測到下部井筒出現(xiàn)的自然伽馬值突然增高,反映到成像圖中可見顏色突變,說明儀器在鉆進(jìn)過程中下部遇到高自然伽馬地層;成像圖B點處顏色突變,表示儀器在鉆進(jìn)過程中探測到上部井筒也出現(xiàn)高自然伽馬值,井筒四周其他方向自然伽馬亦呈高值狀態(tài)。綜合以上現(xiàn)象說明,儀器整體進(jìn)入高放射性地層。儀器從高自然伽馬地層進(jìn)入低自然伽馬地層時,如圖3(a)中所示2點,成像圖C點、D點處的突變分別反映了儀器在鉆進(jìn)中依次探測到井筒下部、井筒上部自然伽馬值降低,分析可見儀器已穿過高放射性地層,進(jìn)入低自然伽馬地層[8]。

圖3 幾種典型地層自然伽馬成像響應(yīng)特征

2.3 儀器多次鉆遇傾斜地層

圖3(b)為多次鉆遇傾斜地層方位自然伽馬成像圖。當(dāng)儀器多次鉆遇高自然伽馬地層時,根據(jù)圖3(b)中計算模型,儀器先后2次進(jìn)入高自然伽馬地層,其中1和2點響應(yīng)特征與2.2中的描述一致;3點井眼軌跡從高自然伽馬地層下部地層進(jìn)入,與1點響應(yīng)特征相反;4點從高自然伽馬地層上面穿出,與2點響應(yīng)特征相反。通過分析自然伽馬成像圖測井特征,可以判斷井眼與地層的接觸關(guān)系。

2.4 儀器鉆遇斷層

當(dāng)儀器鉆遇斷層時,斷層方位自然伽馬成像圖與傾斜地層方位自然伽馬成像圖存在很大差異,斷層傾斜角度對方位自然伽馬成像圖有很大影響,斷塊傾角越大,斷塊成像圖在軸向展布越大[見圖3(c)]。

2.5 儀器鉆遇不同傾斜角地層

在井斜為90°、地層厚度一定的情況下,假設(shè)地層傾斜角度分別為5°、10°、20°和30°,模擬儀器鉆遇地層不同位置處4個方位的自然伽馬計數(shù),利用得到的數(shù)據(jù)及插值方法得出方位自然伽馬成像圖[見圖3(d)]。由圖3(d)可以看出,在井斜為90°時,地層傾斜角度越小,方位自然伽馬成像圖展布范圍越大,地層傾斜角度對方位自然伽馬成像圖影響很大。

3 應(yīng)用實例

隨鉆方位自然伽馬成像測井儀自樣機研制成功以來,在標(biāo)準(zhǔn)井進(jìn)行了測試,驗證了儀器的一致性與重復(fù)性。在長慶、青海、四川、吉林、塔里木等油田進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用,儀器總?cè)刖畷r間1 710 h,實鉆進(jìn)尺4 976 m,全程工作正常,發(fā)揮了儀器實時地質(zhì)導(dǎo)向功能,體現(xiàn)了儀器在大斜度井/水平井施工中的技術(shù)優(yōu)勢。

3.1 知新××井現(xiàn)場應(yīng)用

知新××井屬于勘探評價井,之前已完成導(dǎo)眼井段施工,附近參考鄰井資料較少,地層復(fù)雜。井眼軌跡在水平段多次進(jìn)入泥巖后,已經(jīng)無法準(zhǔn)確判斷井眼與泥巖地層的接觸關(guān)系。在該井段采用隨鉆方位自然伽馬成像測井儀進(jìn)行鉆后測井作業(yè),測量井段長度400 m(見圖4)。從圖4可以看出,儀器測量的4條方位自然伽馬測井曲線形態(tài)基本一致,在巖性較純的砂巖井段,曲線基本重合。在砂泥巖地層交界處出現(xiàn)曲線分離,根據(jù)不同方位自然伽馬測量值可以判斷出井眼軌跡與砂泥巖地層的接觸關(guān)系。在圖4中A點,上下自然伽馬測井曲線分離,上自然伽馬值明顯低于下自然伽馬值,同時根據(jù)隨鉆方位自然伽馬成像測井成像圖特征,可以判斷井眼從上部砂巖層進(jìn)入下部泥巖層。

圖4 知新××井方位自然伽馬測井曲線及成像圖

3.2 永頁××井現(xiàn)場應(yīng)用

永頁××井是1口重點頁巖氣開發(fā)井,目的層為龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖氣層,隨鉆方位自然伽馬成像測井儀主要進(jìn)行水平段現(xiàn)場施工作業(yè),為現(xiàn)場地質(zhì)導(dǎo)向提供服務(wù)?，F(xiàn)場服務(wù)儀器入井時間約410 h,作業(yè)井段長7 201 m,全程儀器工作穩(wěn)定可靠,及時反映地層巖性變化,滿足實時地質(zhì)導(dǎo)向施工需求。在儀器入井前,井眼已經(jīng)從目的層底部穿出到五峰組地層,經(jīng)過井眼軌跡調(diào)整,在A點處從五峰組回到龍馬溪組,在B點處又從龍馬溪組穿到五峰組,隨鉆方位自然伽馬成像測井圖特征明顯,整個施工過程中為地質(zhì)導(dǎo)向人員提供了準(zhǔn)確的隨鉆方位自然伽馬成像測井資料,為鉆井決策提供了可靠的依據(jù)(見圖5)。

圖5 永頁××井隨鉆方位自然伽馬成像測井曲線及成像圖

3.3 乾××井現(xiàn)場應(yīng)用

乾××井是1口重點水平井探井,為了攻關(guān)區(qū)域薄層資源產(chǎn)能,準(zhǔn)備外前緣預(yù)測儲量目標(biāo)。

現(xiàn)場服務(wù)水平段采用隨鉆方位自然伽馬成像測井儀作業(yè)1 090 m,儀器入井時間約610 h,全程儀器工作穩(wěn)定可靠,及時反映地層巖性的變化。通過實時隨鉆方位自然伽馬測井?dāng)?shù)據(jù),結(jié)合錄井信息,快速準(zhǔn)確判斷井眼與地層接觸關(guān)系,及時調(diào)整井眼軌跡,保證井眼軌跡最大程度在目的層中穿行(見圖6)。

圖6 乾××井隨鉆方位自然伽馬成像測井曲線及成像圖

整個施工過程中為地質(zhì)導(dǎo)向人員提供了準(zhǔn)確的方位自然伽馬測井資料,為井眼軌跡調(diào)整提供了可靠的依據(jù),克服了參考鄰井資料少、地震分辨低、地層薄以及水平段長等難題,充分發(fā)揮了隨鉆測井、錄井和導(dǎo)向綜合服務(wù)的優(yōu)勢,在目的層厚度不足2 m的情況下,實現(xiàn)砂體鉆遇率90%。

4 結(jié)論與認(rèn)識

(1) 利用地質(zhì)導(dǎo)向建模軟件,分析得到了隨鉆方位自然伽馬成像測井儀器在鉆遇(多次鉆遇)傾斜地層、斷層、不同傾斜角地層時儀器響應(yīng)特征,為實時地質(zhì)導(dǎo)向提供理論依據(jù)。

(2) 在地質(zhì)導(dǎo)向過程中,利用實時隨鉆方位自然伽馬成像測井資料可以對水平井鉆探進(jìn)行實時追蹤,及時判斷鉆遇地層的邊界位置并調(diào)整井眼軌跡真正實現(xiàn)地質(zhì)導(dǎo)向。

(3) 隨鉆方位自然伽馬成像測井儀器已經(jīng)在青海、四川、塔里木、吉林等油田推廣應(yīng)用,提高儀器的地質(zhì)及工程適應(yīng)性將是今后工作的重點方向。

參考文獻(xiàn):

[1] 郝以嶺, 杜志強. OnTrak隨鉆測井資料在冀東油田地質(zhì)導(dǎo)向中的應(yīng)用 [J]. 測井技術(shù), 2009, 33(2): 148-153.

[2] 王珺, 陳鵬, 駱慶鋒, 等. 隨鉆方位伽馬測井儀器設(shè)計與試驗 [J]. 地球物理學(xué)進(jìn)展, 2016, 33(1): 476-481.

[3] 李安宗, 李傳偉, 朱軍, 等. 方位伽馬與側(cè)向電阻率隨鉆成像測井技術(shù)研究 [C]∥第九屆中俄測井國際學(xué)術(shù)交流會, 圣彼得堡, 2016.

[4] 袁超. 隨鉆方位伽馬測井方法基礎(chǔ)研究 [D]. 北京: 中國石油大學(xué), 2012.

[5] INANC F, MCCLESKEY M. Gamma Ray API Definition-related Issues, Model Based LWD Tool Characterization and Calibration [C]∥ SPWLA 58th Annual Logging Symposium, 2017.

[6] MOAKE G L. Characterizing Natural Gamma Ray Tools Without The API Calibration Formation [C]∥SPWLA 58th Annual Logging Symposium, 2017.

[7] 雍世和, 張超謨. 測井?dāng)?shù)據(jù)處理與綜合解釋 [M]. 東營: 中國石油大學(xué)出版社, 1996.

[8] 劉海峰, 于學(xué)強, 周明生. 水平鉆井測井地質(zhì)導(dǎo)向方法研究 [J]. 化學(xué)工程與裝備, 2009(8): 115-116.