基于隨鉆方位伽馬和電磁波電阻率的井下可視化地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)

王衛(wèi),倪衛(wèi)寧,王佳琦,劉寶銀,張中慶

(1.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院,北京100101;2.北京科學(xué)儀器裝備協(xié)作服務(wù)中心,北京100035；3.浙江大學(xué),浙江杭州310012)

0 引 言

地質(zhì)結(jié)構(gòu)、剩余油藏較復(fù)雜區(qū)塊因無(wú)法提前獲得地層的真實(shí)情況,許多水平井地層鉆前設(shè)計(jì)模型與實(shí)際情況相差甚遠(yuǎn),鉆井過(guò)程中因井眼軌跡調(diào)整不及時(shí),導(dǎo)致?lián)p失部分水平井段,甚至穿透底水層邊界。針對(duì)該類(lèi)問(wèn)題,工程人員先后開(kāi)展了地層等厚分析[1]、井震聯(lián)合分析[2-5]等多種方法提高地層模型精度,取得了一定的效果[6]。然而,這些技術(shù)和方法對(duì)于復(fù)雜地層具有局限性。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)分析,引起鉆遇率低或鉆井失敗的原因主要在于地層模型預(yù)測(cè)的地層特性不準(zhǔn)確,地層走向計(jì)算偏差大和地層邊界確定不及時(shí),未能準(zhǔn)確把握地層的構(gòu)造和走向。

本文綜合鉆前數(shù)據(jù)、高分辨隨鉆成像數(shù)據(jù)和具有深探測(cè)能力的電磁波電阻率測(cè)井?dāng)?shù)據(jù),提出一種地層實(shí)時(shí)可視化井眼軌跡導(dǎo)向技術(shù),從鉆前井周地層預(yù)測(cè)、鉆中精細(xì)分析與軌跡導(dǎo)向和鉆后模型精確校正入手,提高儲(chǔ)層鉆遇率,實(shí)現(xiàn)了高時(shí)效優(yōu)質(zhì)鉆井。

圖1 某井周地層三維屬性建模圖

1 井周地層預(yù)測(cè)與三維可視化建模

根據(jù)待鉆水平井周?chē)淹赉@油井的地層結(jié)構(gòu),可大致推測(cè)該井將鉆遇地層的情況,進(jìn)行井周地層構(gòu)造預(yù)測(cè)和三維空間中地層模型構(gòu)建。具體方法:①在多井小層對(duì)比的基礎(chǔ)上,對(duì)測(cè)井曲線進(jìn)行特征值識(shí)別、精細(xì)層位劃分和地層對(duì)比;②根據(jù)探井坐標(biāo)關(guān)系確定由層位劃分所得的井間層厚變化規(guī)律,通過(guò)地震切面拾取探井間地層傾角宏觀變化規(guī)律,獲得探井連井方向區(qū)域初步地層結(jié)構(gòu)參數(shù);③借助水平井導(dǎo)眼井?dāng)?shù)據(jù)(或造斜段實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)),通過(guò)井斜數(shù)據(jù)、方位數(shù)據(jù)和井位坐標(biāo)數(shù)據(jù),計(jì)算出地質(zhì)層位的垂直位移和水平位移,形成層位控制點(diǎn),采用克里金法和距離反比法[7-8]進(jìn)行構(gòu)造建模和屬性建模,從而反演出待鉆井周?chē)?60°地層的構(gòu)造、巖性和含氣性,形成地層的三維可視化[9]模型[見(jiàn)圖1(a)],達(dá)到水平井井周地層的精細(xì)預(yù)測(cè)。

導(dǎo)向過(guò)程中只要確定地質(zhì)設(shè)計(jì)的水平段方位角θ,取三維模型在方位角θ上的二維切面,即可形成可視化導(dǎo)向圖[見(jiàn)圖(1b)]。圖1直觀地展示地層的位置、深度、巖性、自然放射性物質(zhì)分布情況、地層傾角大小、走向及延伸距離,為地質(zhì)導(dǎo)向鉆頭方向調(diào)整及調(diào)整量提供定性指示。

2 精細(xì)分析與軌跡導(dǎo)向技術(shù)

水平井精準(zhǔn)導(dǎo)向鉆井的關(guān)鍵是鉆進(jìn)過(guò)程中鉆頭與地層邊界相對(duì)位置變化的實(shí)時(shí)確定。在井周地層預(yù)測(cè)與三維可視化建模定性約束條件下,通過(guò)對(duì)水平井實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)精細(xì)分析處理,實(shí)現(xiàn)地層走向方位、鉆頭到邊界距離定量化計(jì)算,以定量化數(shù)據(jù)精確指導(dǎo)鉆頭調(diào)整方向和調(diào)整量,結(jié)合三維成像顯示軟件形成三維可視化軌跡導(dǎo)向技術(shù)。

2.1 基于方位伽馬確定地層走向

(1)曲線響應(yīng)特征及理論基礎(chǔ)。鉆井過(guò)程中測(cè)井儀各方位伽馬探頭進(jìn)出地層的時(shí)刻不同,對(duì)地層界面的響應(yīng)反映在測(cè)井曲線上表現(xiàn)為同一地層響應(yīng)特征在各方位曲線上存在深度差(見(jiàn)圖2)。這種深度差和井眼與地層相對(duì)傾角大小相關(guān)。一般稱(chēng)方位曲線響應(yīng)高邊和低邊的深度差(方位曲線間最大深度差)叫高程差,高程差和井眼與地層相對(duì)傾角的關(guān)系滿(mǎn)足

(1)

式中,σ為井眼與地層的相對(duì)傾角;H為高程差;Del為探測(cè)直徑,是一個(gè)定值,與儀器結(jié)構(gòu)有關(guān)。

實(shí)時(shí)上傳的方位伽馬成像數(shù)據(jù)形成頂伽馬和底伽馬曲線,可以及時(shí)反映井眼與地層相對(duì)傾角,同時(shí)對(duì)地層方位也有很好的指示作用(見(jiàn)圖2)。方位伽馬測(cè)井儀器在層內(nèi)部時(shí),頂、底伽馬測(cè)量值通常維持在某一數(shù)值附近變化,當(dāng)儀器穿過(guò)層界面后,頂?shù)踪ゑR測(cè)量值又會(huì)維持在另一個(gè)數(shù)值附近變化;當(dāng)儀器從下向上穿過(guò)層界面,頂伽馬將會(huì)先于底伽馬偏離當(dāng)前層伽馬值達(dá)到層界面另一側(cè)伽馬值,高程差為負(fù)值,相反地,當(dāng)儀器從上向下穿過(guò)層界面,底伽馬將會(huì)先于頂伽馬偏離當(dāng)前層伽馬值達(dá)到層界面另一側(cè)伽馬值,高程差為正值。

圖2 方位伽馬儀器在地層邊界位置示意圖

(2)地層界面識(shí)別和高程差快速計(jì)算方法。在巖性不同的地層分界面處,地層放射性變化最為明顯,伽馬測(cè)井曲線急劇變化。為表示測(cè)井曲線的動(dòng)態(tài)性質(zhì),定義測(cè)井曲線的拐點(diǎn)為

(2)

圖3 井眼軌跡與地層相對(duì)關(guān)系圖

式中,t為深度值;G(t)為t的拐點(diǎn)函數(shù)值;f(t)為原始測(cè)井曲線測(cè)量值。拐點(diǎn)相應(yīng)的離散公式為

(3)

式中,t為采樣間隔;f為測(cè)井響應(yīng)函數(shù),令G(t)=0求得t即為界面位置。從拐點(diǎn)定義公式可以看出,拐點(diǎn)實(shí)際上為隨機(jī)信號(hào)f(t)在的二次導(dǎo)數(shù)等于0的位置,此處測(cè)井曲線變化劇烈,為不同巖性的地層分界面。

當(dāng)儀器以一定傾角穿過(guò)層界面時(shí),伽馬測(cè)井曲線的高邊、低邊遇到界面時(shí)刻不同,對(duì)應(yīng)的深度不同。記高邊界面對(duì)應(yīng)的測(cè)井深度為DT,低邊界面對(duì)應(yīng)的測(cè)井深度為DB,計(jì)算的高程差為

H=DT-DB

(4)

當(dāng)H值大于0時(shí),表示方位儀器低邊先遇到層界面,儀器以與層界面法線相對(duì)夾角小于90°的姿態(tài)穿過(guò)層界面;當(dāng)H小于0時(shí),表示方位儀器高邊先遇到層界面,儀器以與界面法線夾角大于90°的姿態(tài)穿過(guò)層界面。

(3)地層走向方位計(jì)算方法。鉆井過(guò)程中獲得的地層傾角是井眼軸線方向與地層界面法線方向的夾角,需將其轉(zhuǎn)換成地層與水平面夾角。圖3是井眼軌跡—地層相對(duì)關(guān)系示意圖,地層與井眼軌跡其他相對(duì)關(guān)系同樣滿(mǎn)足以上公式。地層視傾角計(jì)算滿(mǎn)足

γ=α-β

(5)

式中,γ為地層視傾角;α為從圖像中提取得到地層與井眼軌跡相對(duì)夾角;β為井斜角。當(dāng)γ>0時(shí),地層為下傾地層;當(dāng)γ<0時(shí),地層為上傾地層;用α-90可以判定上切和下切,當(dāng)(α-90)<0下切;當(dāng)(α-90>0)上切。

2.2 電磁波電阻率反演地層邊界

隨鉆電磁波電阻率測(cè)井儀器具有探測(cè)深度深、測(cè)量數(shù)據(jù)豐富的優(yōu)勢(shì),通常測(cè)量多個(gè)探測(cè)深度的電阻率曲線。在水平井中,不同探測(cè)深度電阻率曲線的差異反映了儀器探測(cè)范圍內(nèi)地層電阻率變化,層界面的存在、層間電阻率差異、儀器距層邊界的距離變化都會(huì)導(dǎo)致電阻率測(cè)量曲線發(fā)生不同程度的離散,甚至產(chǎn)生邊界極化。隨鉆電磁波電阻率測(cè)井曲線分離受儀器本身結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作頻率、地層傾角、層邊界距離、界面兩側(cè)電阻率等多種影響因素約束,滿(mǎn)足關(guān)聯(lián)關(guān)系

(6)

圖4 地層模型實(shí)時(shí)校正(時(shí)刻1:按井周地層預(yù)測(cè)模型鉆進(jìn))

式中,DIFF表示電阻率曲線分離程度大小;∝為正比關(guān)系符號(hào);Rs、Rt分別表示界面兩側(cè)電阻率大小;σ表示儀器軸向與地層界面法線方向夾角;L表示發(fā)射線圈到儀器中點(diǎn)的距離;DTB表示測(cè)量點(diǎn)到層邊界距離;S表示兩個(gè)接收線圈間距。

曲線分離關(guān)聯(lián)公式表明,分離值大小與井眼所在層及上下圍巖電阻率、鉆頭距離地層邊界位置、地層的傾角有關(guān)系,且這些關(guān)系相互耦合與制約,除地層傾角可采用方位伽馬計(jì)算獲得外,其他參數(shù)不能直接從測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)中獲得。本文通過(guò)迭代構(gòu)造地層模型響應(yīng)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)差值的平方和形式為目標(biāo)函數(shù),采用梯度下降方法,迭代計(jì)算地層模型參數(shù)的改變量以使其響應(yīng)值逐步逼近實(shí)測(cè)值,直至滿(mǎn)足給定的迭代收斂條件。假定y為實(shí)測(cè)的測(cè)井曲線數(shù)據(jù),S為地層模型參數(shù)正演響應(yīng)曲線,構(gòu)造損失函數(shù)

(7)

式中,x為待反演參數(shù)(原狀地層電阻率、各向異性系數(shù)或?qū)舆吔缇嚯x等);m為測(cè)井曲線條數(shù);Si(x)為參數(shù)x與測(cè)井響應(yīng)間轉(zhuǎn)換關(guān)系函數(shù);yi表示實(shí)際測(cè)井響應(yīng)對(duì)應(yīng)的第i條曲線(i大于向量x長(zhǎng)度)。設(shè)置井周地層預(yù)測(cè)值相匹配的邊界條件,采用梯度下降算法求解目標(biāo)函數(shù),獲得地層參數(shù)x。

3 地層模型精確校正

井周地層預(yù)測(cè)與三維可視化建模是基于地震、鄰井?dāng)?shù)據(jù)建立,作為鉆前模型和地層邊界反演約束條件,并用于確定地層大致走向。實(shí)時(shí)測(cè)井時(shí),根據(jù)水平井隨鉆實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),通過(guò)方位伽馬計(jì)算地層傾角和方位角,隨鉆電磁波電阻率反演地層傾角、邊界距、地層電阻率等。在反演的傾角與方位伽馬計(jì)算的地層傾角相互驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,增加邊界距離、地層電阻率等隨水平井鉆井進(jìn)程變化定量參數(shù),實(shí)時(shí)校正井周地層預(yù)測(cè)模型,使之與隨鉆數(shù)據(jù)相匹配,克服鄰井無(wú)法預(yù)估地層橫向變化、地震數(shù)據(jù)無(wú)法分辨薄層的困難,為精準(zhǔn)導(dǎo)向提供數(shù)據(jù)支持。

圖4和圖5是實(shí)時(shí)導(dǎo)向中地層模型精確校正更新的過(guò)程。自下而上第1道為深度道,以水平位移作為索引;第2道為地層剖面道,不同顏色代表不同電阻率值;第3道為實(shí)時(shí)測(cè)井電阻率曲線道;第4道為反演模型在正演電阻率曲線道,用于與第3道對(duì)比,評(píng)價(jià)反演計(jì)算精度;第5道為成像測(cè)井道。

圖5 地層模型實(shí)時(shí)校正(時(shí)刻2:鉆遇地震未能分辨的薄層,對(duì)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)更新)

圖6 X井聯(lián)合反演導(dǎo)向圖

圖4是著陸前根據(jù)井周地層預(yù)測(cè)技術(shù)獲得可視化三維模型在水平井鉆井方位上的二維切面。儀器在厚層鉆進(jìn),測(cè)井曲線與當(dāng)前模擬曲線高度一致(第3道與第4道對(duì)比),可見(jiàn)根據(jù)鄰井、導(dǎo)眼井和地震數(shù)據(jù)建立的模型在宏觀區(qū)域(厚層)與真實(shí)情況符合。圖5是鉆遇薄層段。根據(jù)反演結(jié)果實(shí)時(shí)對(duì)模型更新與校正,從成像道、電阻率曲線道均可判斷井眼鉆遇薄層,而薄層在宏觀初始模型上并沒(méi)有體現(xiàn),通過(guò)反演參數(shù)可提前得到薄層的厚度、邊界位置、電阻率變化以及地層傾角變化。根據(jù)反演結(jié)果對(duì)初始模型進(jìn)行局部精細(xì)化調(diào)整,能夠直觀準(zhǔn)確顯示井眼軌跡(鉆頭)與地層界面的位置關(guān)系,指導(dǎo)鉆井過(guò)程中鉆頭調(diào)整策略的制定。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

某頁(yè)巖氣探井地層傾角存在較大的變化,采用方位伽馬和電磁波電阻率隨鉆測(cè)井進(jìn)行井眼軌跡控制。該井目的層沉積類(lèi)型主要為一套辮狀河三角洲沉積體系。沉積構(gòu)造為低幅度披覆背斜基礎(chǔ)上的構(gòu)造巖性圈閉,地層層序不確定性較高,地層發(fā)育橫向連續(xù)性一般,中間小層,紋層變化較大。由于缺少鄰井參考,初始建模采用了導(dǎo)眼井伽馬特征分析結(jié)合地震層位約束三維的建模技術(shù),利用方位伽馬實(shí)時(shí)反演地層傾角、電磁波電阻率實(shí)時(shí)反演地層邊界位置(見(jiàn)圖6)。圖6中自下向上第1道為反演得到地層剖面道;第2道為深度道,以水平位移為索引;第3道、第4道為電阻率曲線道;第5道為反演得到的距井眼軌跡最近的上下邊界距離道。反演得到的地層模型正演模擬曲線與實(shí)際測(cè)井響應(yīng)曲線一致,反演計(jì)算精度高,反演結(jié)果與實(shí)際鉆遇地層基本吻合,通過(guò)反演結(jié)果指示的邊界距離、地層傾角、地層電阻率變化極大加快了鉆井進(jìn)度。

5 結(jié) 論

(1)方位伽馬與電磁波電阻率組合地質(zhì)導(dǎo)向,能夠快速準(zhǔn)確地反映出地層的變化,精準(zhǔn)指導(dǎo)鉆井施工。

(2)在復(fù)雜地層中鉆井施工,基于多井約束三維反演地層技術(shù)實(shí)現(xiàn)了地層的全方位精確描述和可視化,為鉆井施工提供了精細(xì)的地層鉆前預(yù)測(cè),也為工程人員可視化地層鉆井提供了可能。

(3)三維地層可視化技術(shù)與近鉆頭儀器、地層遠(yuǎn)探測(cè)儀器及旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向儀器整合,對(duì)未來(lái)自動(dòng)鉆井技術(shù)發(fā)展具有重要的意義。