頁巖氣水平井LWD曲線的環(huán)境因素影響及校正方法

王瀚瑋， 夏宏泉， 陳 宇， 趙 昊

(1.油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室(西南石油大學)，四川成都 610500；2.四川長寧天然氣開發(fā)有限責任公司，四川成都 610000)

頁巖氣水平井地質導向鉆井需要根據(jù)隨鉆測井曲線(LWD)實時了解地層巖性、物性、電性和含氣性的變化特征，指導鉆頭沿優(yōu)質頁巖地層高效鉆進[1-5]。目前，我國在頁巖氣水平井隨鉆測井資料解釋和評價等方面還不夠完善，其中校正隨鉆測井曲線時仍沿用常規(guī)油氣井電纜測井的校正方法，且大多數(shù)情況下不進行環(huán)境因素影響的校正，多為定性半定量粗放型解釋，使測量值偏離原狀地層，降低了隨鉆地層評價和地質導向鉆井的精度[6-11]。為此，需要綜合考慮頁巖氣水平井隨鉆測井曲線的環(huán)境影響因素，對曲線進行校正。

威遠地區(qū)頁巖氣水平井隨鉆測井通常僅測量隨鉆伽馬、密度、中子和電阻率4類曲線。筆者首先綜合考慮對各測井曲線影響較大的環(huán)境因素(如頁巖地層的電性各向異性、相對夾角，儀器偏離間隙、井眼環(huán)境和鉆井液密度等)[11-15],然后分析各因素對測井曲線變化特征的影響，構建校正圖版，建立圖版公式化的校正模型,最后以威遠地區(qū)W2-H3頁巖氣水平井為例進行隨鉆測井曲線的環(huán)境因素影響校正，并結合室內頁巖巖心數(shù)據(jù)分析該校正模型的可行性，以提高地質導向鉆井的精度和準確性。

1 隨鉆電阻率測井曲線的環(huán)境影響因素及校正方法

1.1 隨鉆電阻率測井曲線的環(huán)境影響因素

由于隨鉆電阻率測井要求鉆頭鉆開地層后2～60 min內進行測井，鉆井液侵入對地層影響不大，儀器偏離間隙對電阻率測井曲線的影響很小，此外頁巖地層具有目標層較厚的特征(大于50.00 m)，因此可以不考慮鉆井液侵入、儀器偏離間隙和圍巖對隨鉆電阻率測井曲線的影響[13-15]。地層電性各向異性和相對夾角(井眼軌跡與地層界面的夾角)使隨鉆電阻率測井值增高，影響較大，在消除井眼環(huán)境對隨鉆電阻率的影響后[14-16]，必須分析頁巖地層電性各向異性和相對夾角的影響。

頁巖地層電性各向異性可用電阻率各向異性系數(shù)[14]表示：

(1)

式中：λ為電阻率各向異性系數(shù)；Rv和Rh分別為垂直電阻率和水平電阻率，Ω·m。

頁巖地層隨鉆電阻率通常為100～1 000 Ω·m，基于隨鉆電阻率測井原理[18]，假設頁巖儲層電阻率為666.7 Ω·m (電導率為1.5 mS/m),電阻率各向異性系數(shù)λ分別為1(各向同性)和2(各向異性)，相對夾角分別為5°，60°和80°，采用FDTD法得到頁巖地層電性各向異性和相對夾角對隨鉆電阻率測井曲線的影響曲線(見圖1)。

圖1 頁巖地層電性各向異性和相對夾角對隨鉆電阻率測井的影響特征Fig.1 Impact of electrical anisotropy and relative angle of shale formation on resistivity from LWD

從圖1可以看出，對于各向同性地層，無論相對夾角如何變化，地層中部的電阻率基本不變，但隨著相對夾角增大，在地層邊界出現(xiàn)犄角狀尖峰現(xiàn)象(邊界效應)；而對于各向異性地層，中部電阻率隨著地層傾角增大而明顯增大。

為了進一步研究相對夾角和地層電性各向異性對隨鉆電阻率測井曲線的影響，分析了不同相對夾角下隨鉆電阻率在各向異性地層中的變化規(guī)律(見圖2)。

圖2 隨鉆電阻率值受頁巖地層各向異性和相對夾角影響的變化規(guī)律Fig.2 The way of impacts of electrical anisotropy and relative angle of shale formation on resistivity from LWD

從圖2可以看出：若地層不存在電性各向異性且相對夾角為0°，隨鉆電阻率測井能夠準確反映地層真實的電阻率；若地層存在各向異性和相對夾角，地層電性各向異性對隨鉆電阻率影響較大。其中，當相對夾角一定時，隨鉆電阻率隨地層各向異性增大而增大；當?shù)貙与娦愿飨虍愋砸欢〞r，隨鉆電阻率隨相對夾角增大而增大，尤其是相對夾角大于50°時增大更為顯著。

1.2 隨鉆電阻率測井曲線的環(huán)境影響校正方法

基于上述分析，在對頁巖氣水平井隨鉆電阻率曲線進行解釋時，必須考慮地層電性各向異性和相對夾角所的共同影響，并對其進行校正。

視電阻率是水平電阻率和垂直電阻率的合成值[19]，一般情況下，水平電阻率小于或等于垂直電阻率，測井評價中通常將水平電阻率作為地層的真電阻率，視電阻率越接近水平電阻率，則越能真實反映地層實際的電性特征。假設與地層界面平行方向為宏觀各向同性，基于式(1)，通過幾何推導可得頁巖地層視電阻率與水平電阻率之比為：

(2)

式中：Ra為地層視電阻率，Ω·m；θ為相對夾角，(°)。

根據(jù)式(2)的計算結果，可繪制出隨鉆電阻率測井曲線受地層各向異性和相對夾角影響的校正圖版(見圖3)，隨鉆電阻率校正值=地層視電阻率值/圖版的縱坐標(地層視電阻率與水平電阻率之比)。

圖3 地層電性各向異性和相對夾角影響的校正圖版Fig.3 The calibration chart for electrical anisotropy and relative angles

2 隨鉆核測井的環(huán)境影響因素及校正方法

隨鉆密度、中子和伽馬測井儀器均采用了放射性源核探測器，都屬于隨鉆核測井，下面依次分析環(huán)境因素對這3種隨鉆測井曲線的影響及校正方法。

2.1 隨鉆密度測井

儀器偏心處于井眼的長軸方向，傳感器到井壁的最大距離為儀器的偏離間隙[11]。在頁巖氣水平井中，儀器產(chǎn)生偏離間隙會導致隨鉆密度實測值減小。儀器存在偏離間隙時所測量的密度為隨鉆密度測井值(實測值)，同一地層中儀器不存在偏離間隙時所測量的密度作為隨鉆密度校正值(密度校正值)，研究發(fā)現(xiàn)，隨鉆密度校正值與隨鉆密度測井值的差值和儀器偏離間隙呈良好的線性關系，且不同的井眼形狀會使隨鉆密度測井值產(chǎn)生不同程度的偏離。常見的井眼形狀可以分為圓形、橢圓形和槽形[14]，因此建立3種井眼形狀下隨鉆密度測井曲線受儀器偏離間隙影響的校正圖版(見圖4)。

圖4為3種井眼形狀下隨鉆密度校正值與隨鉆密度測井值的差值和儀器偏離間隙的交會圖，每種情況下，密度誤差都隨儀器偏離間隙增大或隨鉆密度測井值與鉆井液密度差值的增大而增大。

圖4 不同井眼形狀下儀器偏離間隙為0～38.1 mm時的校正圖版Fig.4 The calibration chart for instrument deviation between 0-38.1 mm under different wellbore shapes

以橢圓形井眼為例，隨鉆密度測井值受儀器偏離間隙影響的校正公式為：

(3)

式中：ρb為隨鉆密度測井值，kg/L；Mw為鉆井液密度，kg/L；ρbc為隨鉆密度校正值,kg/L；Sf為儀器偏離間隙，mm。

校正隨鉆密度測井曲線時，首先判斷井眼類型(圓形、橢圓形或槽形)，然后結合式(3),利用線性內插法可得頁巖氣水平井隨鉆密度校正曲線。

2.2 隨鉆中子測井

隨鉆測井儀器難以居中和井眼直徑影響了隨鉆中子測井值的準確性。井眼發(fā)生擴徑或儀器存在偏離間隙下所測量的中子值為隨鉆中子測井值(實測值)，同一地層中井眼未發(fā)生擴徑或儀器不存在偏離間隙時所測量的中子值作為隨鉆中子校正值(校正后的隨鉆中子值)，可得隨鉆中子測井值受井眼直徑和儀器偏離間隙影響的校正圖版(見圖5和圖6)。從圖5和圖6可以看出，井眼擴徑和儀器偏離間隙增大，均使隨鉆中子測井值升高。

圖5 井眼直徑影響的校正圖版Fig.5 The calibration chart for impacts of wellbore diameter

圖6 儀器偏離間隙影響的校正圖版Fig.6 The calibration chart for instrument deviation

以隨鉆中子測井的井眼校正為例進行具體說明，圖5中的11條曲線為隨鉆中子校正曲線(Ncd)，其曲線參數(shù)對應的取值在0%～50%。假設隨鉆中子測井值為20%、井徑為330.2 mm，可以畫一條垂直于縱坐標為330.2 mm的直線，與橫坐標為20%的垂線交于一點，該點位于2條隨鉆中子校正曲線之間(分別為15%和20%)。將井徑330.2 mm代入這2條曲線的擬合方程中，可得出2個對應的隨鉆中子值為16.5%和22.0%，則有坐標點(16.5%，15.0%)、(22.0%，20.0%)和隨鉆中子校正坐標(20%，隨鉆中子校正值)，通過線性插值可求出隨鉆中子校正值為18.18%。同理，可進行儀器偏離間隙影響校正。

以隨鉆中子校正曲線所對應的值為10%和20%為例，利用最優(yōu)擬合法可得消除井眼直徑影響的隨鉆中子曲線的校正公式為：

式中：Ncd為消除井眼直徑影響后的隨鉆中子值；d為井眼直徑，mm。

以隨鉆中子校正曲線所對應的值為10%和20%為例，利用最優(yōu)擬合法可得消除儀器偏離間隙影響的隨鉆中子曲線的校正公式為：

(5)

式中：Ncs為消除儀器偏離間隙影響后的隨鉆中子值。

利用上述圖版和擬合公式可得頁巖氣水平井隨鉆中子測井的校正曲線。

2.3 隨鉆伽馬測井

在頁巖氣水平井中，儀器對頁巖氣隨鉆伽馬測井值的影響并不明顯[20]，環(huán)境影響因素主要為：1)鉆井液中的氯化鉀會導致實測伽馬值整體偏高[8]；2)鉆井液會吸收來自頁巖地層中的伽馬射線，隨著鉆井液密度增大和井徑擴大，隨鉆伽馬測井值低于原狀地層。參考隨鉆中子和隨鉆密度校正圖版的構建方法，建立隨鉆伽馬校正圖版(見圖7和圖8)，以消除鉆井液中氯化鉀含量和井眼直徑對隨鉆伽馬測井曲線的影響。

圖7 氯化鉀含量影響的校正圖版Fig.7 The calibration chart for impacts of KCl

圖8 鉆井液密度影響的校正圖版Fig.8 The calibration chart for impacts of drilling fluid density

圖7為氯化鉀含量影響的校正圖版，將隨鉆伽馬測井值減去圖版中縱坐標的校正量可計算出校正的隨鉆伽馬值。以氯化鉀含量為20%為例，利用最優(yōu)擬合方法可得伽馬校正量公式為：

ΔGR=-0.000 5d2+0.506 9d-69.882 1 (6)

式中：ΔGR為伽馬校正量，API。

圖8為鉆井液密度影響的校正圖版，將隨鉆伽馬測井值乘以校正因子可計算出校正的隨鉆伽馬值。以井眼直徑φ311.1 mm為例，利用最優(yōu)擬合方法可得校正因子公式為：

0.353 1Mw+1.221 9

(7)

式中：Z為校正因子(校正的隨鉆伽馬值與隨鉆伽馬測井值之比)。

利用上述圖版和擬合公式，可得頁巖氣水平井隨鉆伽馬測井的校正曲線。由于部分頁巖氣水平井在水平段鉆進中采用的是油基鉆井液，不含氯化鉀，因此可以不進行校正。

3 實例分析

研究發(fā)現(xiàn)，威遠地區(qū)頁巖氣水平井中部分井段會產(chǎn)生螺紋井眼[21]，導致隨鉆測井曲線產(chǎn)生明顯的高低起伏鋸齒狀變化，不能準確反映鉆遇地層的實際特征，給測井解釋和地質導向鉆井帶來嚴重影響，因此需要利用傅里葉變化進行頻譜分析，采用低通濾波器消除螺紋井眼對隨鉆測井曲線的影響[2]。

消除螺紋井眼的影響后，采用上述各圖版公式化的校正模型對隨鉆測井曲線進行環(huán)境因素影響的校正。W2-H3井水平段使用斯倫貝謝公司多功能隨鉆測井儀器(EcoScope)進行地質導向鉆井，采用油基鉆井液鉆進，鉆井液密度為1.6～2.0 kg/L且不含氯化鉀，可以不進行校正；3 400.00～3 450.00 m

井段對應的地層傾角為3°～4°，井斜角為96°～98°，地層各向異性較大，井眼形狀為橢圓形，發(fā)生擴徑，井徑為228.6～233.7 mm(鉆頭直徑為215.9 mm)，結合室內頁巖巖心測得的數(shù)據(jù)與校正后的隨鉆測井值進行對比，分析該校正模型的準確性(見圖9)。

圖9 頁巖氣水平井隨鉆測井曲線的校正結果Fig.9 The calibration chart of LWD curves in horizontal shale gas wells

從圖9可以看出：鉆井液密度增大，導致頁巖地層隨鉆伽馬測井值減小；不同井眼形狀下儀器偏離間隙增大或鉆井液密度減小,均可導致頁巖地層隨鉆密度測井值不同程度地減??；井徑和儀器偏離間隙增大，導致頁巖地層隨鉆中子測井值增大；地層電性各向異性和相對夾角增大，導致頁巖地層隨鉆電阻率測井值增大。校正后的隨鉆伽馬和密度值高于實測值，隨鉆中子值和電阻率均低于實測值。校正后的結果與室內頁巖巖心測量值相吻合，能夠較好地反映頁巖地層的實際地質特征。

4 結 論

1) 頁巖氣水平井隨鉆測井曲線受環(huán)境因素影響較大，必須對其進行合理校正，從而提高隨鉆地層評價和地質導向鉆井的精度和準確性。

2) 隨著鉆井液中氯化鉀含量或鉆井液密度增大，隨鉆伽馬值所受影響增大；隨著儀器偏離間隙增大或鉆井液密度減小，隨鉆密度所受影響增大；隨著井徑增大或儀器偏離間隙增大，隨鉆中子值所受影響增大；隨著地層各向異性或相對夾角增大，隨鉆電阻率所受影響增大。校正后的隨鉆密度和伽馬值比實測值高，隨鉆電阻率和中子值比實測值低。

3) 當存在螺紋井眼時，隨鉆測井曲線會產(chǎn)生明顯的高低起伏鋸齒狀變化，此時先要消除(校正)螺紋井眼對隨鉆測井曲線的影響。

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