水平井地質(zhì)導(dǎo)向自然伽馬探邊技術(shù)研究

蔣方貴 畢文毅 王嵩然

摘 ?????要：利用水平井開(kāi)發(fā)可以提高產(chǎn)量和采收率，高的鉆遇率保證產(chǎn)量和采收率。針對(duì)水平井軌跡和地層邊界的相對(duì)位置與自然伽馬測(cè)井值的關(guān)系進(jìn)行了研究，利用隨鉆自然伽馬測(cè)井來(lái)計(jì)算水平井井眼軌跡和地層邊界之間的距離，指導(dǎo)井眼的鉆進(jìn);進(jìn)行了薄互層中探邊方法的研究和不同儲(chǔ)蓋組合探邊方法的適用效果分析。研究表明，自然伽馬探邊在儲(chǔ)蓋巖石自然伽馬值差別較大時(shí)適應(yīng)性較好。

關(guān) ?鍵 ?詞：水平井;自然伽馬;探邊技術(shù);隨鉆測(cè)井

中圖分類號(hào)：TE243 ???????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：?A ??????文章編號(hào)： 1671-0460（2020）01-0121-04

Study on Natural Gamma Border Detection Technology

for Horizontal Wells?Geosteering

JIANG?Fang-gui， BI?Wen-yi， WANG?Song-ran

（College of Geophysics and Petroleum Resources， Yangtze University， Hubei Wuhan 430100， China）

Abstract： Horizontal well development can improve production and recovery， and high drilling rate can ensure the production and recovery. In this paper， the relationship between the relative position of horizontal well trajectory and formation boundary and natural gamma logging value was?studied. The distance between horizontal well trajectory and formation boundary was?calculated by using natural gamma logging while drilling to guide drilling. The research of edge detection method in thin interbeds and the application effect analysis of different reservoir-cap combination edge detection methods were carried out. The results?showed?that the natural gamma border detection technology had better adaptability when the difference of natural gamma values of reservoir rocks was larger.

Key words：?Horizontal well;?Natural gamma;?Border detection technology;?LWD

隨著石油工業(yè)的發(fā)展，水平井鉆井技術(shù)作為提高單井產(chǎn)量和采收率的有效手段之一，在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。隨鉆測(cè)井也廣泛應(yīng)用于指導(dǎo)水平井鉆井。地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)是用近鉆頭地質(zhì)、工程參數(shù)測(cè)量和隨鉆控制手段來(lái)保證實(shí)際井眼穿過(guò)儲(chǔ)集層并取得最佳位置。但實(shí)際鉆井施工時(shí)，未能完全按照設(shè)計(jì)的要求而存在偏差，那么在水平井評(píng)價(jià)過(guò)程中，準(zhǔn)確地判斷預(yù)測(cè)地層邊界位置，分析井眼軌跡及提高儲(chǔ)層有效鉆遇率對(duì)于提高解釋結(jié)論可信度具有重要意義^[1]。傳統(tǒng)的鉆采技術(shù)已經(jīng)無(wú)法從根本上達(dá)到提高采收率及對(duì)油田難動(dòng)用量進(jìn)行有效開(kāi)發(fā)的目的。汪忠浩和羅榮將自然伽馬測(cè)井資料與井眼軌跡到地層界面的距離作擬合，確定井眼軌跡與地層邊界中相對(duì)距離^[2]。鄭建東等人在大慶長(zhǎng)垣致密油水平井測(cè)井解釋中應(yīng)用隨鉆方位自然伽馬曲線確定井眼軌跡是否在儲(chǔ)層中^[3]。趙軍等人將導(dǎo)眼井測(cè)井曲線形態(tài)與水平井對(duì)比確定地層界面，以及水平井測(cè)井曲線波動(dòng)特性結(jié)合油藏構(gòu)造確定地層界面，來(lái)判斷井眼軌跡的相對(duì)位置^[4]。劉行軍等在鄂爾多斯盆地高伽馬儲(chǔ)層應(yīng)用自然伽馬結(jié)合自然電位和密度曲線判斷井眼軌跡與地層關(guān)系^[5]。向長(zhǎng)生等基于自然伽馬強(qiáng)度分布的原理，針對(duì)探測(cè)點(diǎn)距離地層邊界建立了一個(gè)無(wú)限均勻水平的數(shù)學(xué)解析模型，為了便于求解，在模型中采用球坐標(biāo)，大大提高了計(jì)算效率，但該模型在方位性及薄地層中還存在些許不足之處^[6]。以上諸多方法多是應(yīng)用自然伽馬曲線定性判斷井眼軌跡的相對(duì)位置，不能計(jì)算井眼軌跡與地層邊界的距離，在水平井測(cè)井解釋中不能準(zhǔn)確把握圍巖對(duì)測(cè)井資料的影響^[7]。

本文對(duì)前人的研究工作進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)，在其基礎(chǔ)上提出基于自然伽馬響應(yīng)特征確定井眼軌跡與地層邊界相對(duì)位置，模擬計(jì)算兩者之間相對(duì)距離的方法。根據(jù)自然伽馬測(cè)井響應(yīng)原理，模擬計(jì)算不同相對(duì)位置自然伽馬的測(cè)井特征。分析并總結(jié)該方法在不同巖性儲(chǔ)層中適應(yīng)性。

1 ?水平井砂泥巖儲(chǔ)層伽馬測(cè)井識(shí)別地層邊界原理

自然伽馬測(cè)井是基于地層中不同巖石包含放射性元素?cái)?shù)量的差異測(cè)定其天然伽馬射線強(qiáng)度的方法。通過(guò)實(shí)際的測(cè)井結(jié)果便能進(jìn)一步劃分出鉆孔的地質(zhì)剖面，進(jìn)而對(duì)剖面中砂巖泥質(zhì)進(jìn)行定量分析，并定性判斷出所側(cè)巖層的滲透性。

自然伽馬測(cè)井原理中，放射性球體在半徑為球心處的光子通量密度^[5]：

??????????（1）

無(wú)限均勻放射性地層中某點(diǎn)處的自然伽馬通量：

?????????????（2）

利用（1）和（2）式估算自然伽馬測(cè)井的探測(cè)范圍。此時(shí)用比值確定自然伽馬探測(cè)范圍：

???????????（3）

其中： ?—每克放射性元素每秒鐘平均發(fā)射光子個(gè)數(shù);

?—每克巖石中含有放射性元素的質(zhì)量，g;

?—地層的密度，g/cm³;

?—地層對(duì)光子的吸收系數(shù)，/cm。

當(dāng)時(shí)，這一比值等于0.99。自然伽馬探測(cè)器接收99%的光子都是由半徑的球體貢獻(xiàn)。若取0.15/cm，則相應(yīng)的球半徑約為30 cm。

假設(shè)均勻砂泥巖互層三層模型，上覆蓋層為泥巖，其伽馬值為GR_泥（為純巖石中自然伽馬測(cè)井值），中間為砂巖儲(chǔ)層，其伽馬值為GR_砂，厚度為H（>60 cm）。假定自然伽馬探測(cè)范圍是半徑為R=0.3 m的圓（圖1）。

如圖1（a）所示，當(dāng)水平井在儲(chǔ)層中穿行且靠近地層邊界時(shí)，需要對(duì)井眼到地層邊界的距離有精確的把控，才能確保鉆頭在儲(chǔ)層內(nèi)部穿行。自然伽馬測(cè)井儀器探測(cè)范圍由弓形區(qū)域的泥巖蓋層貢獻(xiàn)，剩余部分由砂巖儲(chǔ)層貢獻(xiàn)。分析水平井井眼在儲(chǔ)層中不同位置時(shí)伽馬測(cè)井響應(yīng)與位置的關(guān)系。假設(shè)水平井井眼距儲(chǔ)層上邊界的距離為d，井眼在上邊界之上為正，在上邊界之下為負(fù)。

若水平井井眼在儲(chǔ)層內(nèi)，伽馬測(cè)井響應(yīng)與地層邊界相對(duì)位置的關(guān)系：

（4）

（5）

式中：GR —測(cè)井響應(yīng)值，API;

GR_泥—上覆蓋層純巖石中的自然伽馬測(cè)井值，API;

GR_砂—中間儲(chǔ)層純巖石中的自然伽馬測(cè)井值，API;

R?—自然伽馬測(cè)井儀器的探測(cè)半徑，m;

d?—井眼距地層上邊界的距離，m。

2 ?水平井薄互層邊界識(shí)別方法

針對(duì)中國(guó)陸相沉積油層大多為薄互層的特點(diǎn)，進(jìn)一步研究了不同厚度下井眼和地層邊界的距離與伽馬測(cè)井值的關(guān)系。在上文中分析了厚層中（儲(chǔ)層厚度大于伽馬測(cè)井儀器探測(cè)直徑）這兩者的關(guān)系，那么在薄互層中伽馬測(cè)井響應(yīng)模型也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。將薄互層的儲(chǔ)層厚度分為小于探測(cè)半徑和大于探測(cè)半徑但小于兩倍的探測(cè)半徑兩類模型。

一類薄層：儲(chǔ)層厚度H小于伽馬探測(cè)半徑（如圖2，假設(shè)H=0.25?m）。

二類薄層：儲(chǔ)層厚度H大于伽馬探測(cè)半徑R且小于兩倍半徑（如圖3，H=0.5?m）。

假設(shè)儲(chǔ)層厚度為0.25 m，當(dāng)水平井在儲(chǔ)層穿行時(shí)，伽馬測(cè)井響應(yīng)會(huì)受到上下圍巖的影響。自然伽馬測(cè)井儀器探測(cè)范圍由上下弓形的泥巖區(qū)域加上中間砂巖區(qū)域組成。此時(shí)，伽馬測(cè)井響應(yīng)與地層邊界相對(duì)位置關(guān)系為：當(dāng)儲(chǔ)層厚度介于探測(cè)半徑與探測(cè)直徑之間時(shí)，伽馬測(cè)井響應(yīng)模型有兩種。其一，井眼位置靠近地層邊界時(shí)（d+R<H），自然伽馬測(cè)井儀器探測(cè)范圍由弓形區(qū)域的泥巖和剩余部分的砂巖貢獻(xiàn)。如圖3中井眼位置1。此時(shí)響應(yīng)方程與在厚層中式（7）是一致的：

?（7）

其二，井眼位置在儲(chǔ)層中間部分時(shí)（d?+R>H），此時(shí)自然伽馬儀器探測(cè)范圍包含了上下兩個(gè)部分弓形的泥巖和中間部分的砂巖。響應(yīng)方程與一類薄層中式（6）的一致。

根據(jù)響應(yīng)方程可以在鉆進(jìn)過(guò)程中結(jié)合伽馬測(cè)井值確定地層邊界相對(duì)井眼位置，進(jìn)而可以做出恰當(dāng)?shù)你@進(jìn)決策。在建立地層模型時(shí)，假設(shè)地層是各向同性，認(rèn)為地層具有對(duì)稱性，建立的方程也是儲(chǔ)層中點(diǎn)以上計(jì)算方法。在根據(jù)伽馬測(cè)井值確定地層邊界相對(duì)位置時(shí)，是具有多解的。即確定上邊界或是下邊界的相對(duì)位置。也可以結(jié)合自然伽馬曲線形態(tài)和其他測(cè)井方法判斷是上邊界或是下邊界。

3 ?多種儲(chǔ)蓋類型中的應(yīng)用

表1為儲(chǔ)層巖石主要礦物組分的自然伽馬值。

圖4給出了在多種儲(chǔ)蓋類型中井眼位置與自然伽馬的關(guān)系。其中圖4（a）是碳酸鹽巖儲(chǔ)層以泥巖為蓋層時(shí)井眼位置與自然伽馬值的關(guān)系，圖4（b）是砂礫巖儲(chǔ)層和膏鹽類蓋層組合時(shí)井眼位置與自然伽馬值的關(guān)系，圖4（c）是變質(zhì)巖類中片麻巖儲(chǔ)層井眼位置與自然伽馬值的關(guān)系，圖4（d）是火成巖類中花崗巖儲(chǔ)層井眼位置與自然伽馬值的關(guān)系。從圖中可以看出，儲(chǔ)蓋巖石類別的自然伽馬值差別越小，對(duì)確定地層邊界相對(duì)位置越不利。實(shí)際測(cè)井存在測(cè)量誤差或自然伽馬的漲落誤差，根本無(wú)法計(jì)算地層邊界的位置。此探邊方法對(duì)于儲(chǔ)層與蓋層自然伽馬值相近的儲(chǔ)蓋組合是不適用的。

此外，在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中隨鉆自然伽馬探邊技術(shù)測(cè)量精度可能會(huì)受到諸多因素的影響，如放射性測(cè)量的統(tǒng)計(jì)漲落、儀器自身的振動(dòng)、電源的穩(wěn)定性及環(huán)境溫度等，因此在研制自然伽馬測(cè)量?jī)x時(shí)應(yīng)格外注意。

4 ?結(jié)論

精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)儲(chǔ)層邊界及把握水平井井眼位置對(duì)于水平井生產(chǎn)開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要?；谝陨蟽蓚€(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，本文提出了一種利用自然伽馬響應(yīng)特征在隨鉆過(guò)程中實(shí)時(shí)確定井眼軌跡與地層邊界相對(duì)位置的方法，對(duì)其不同位置處的伽馬測(cè)井特征進(jìn)行了模擬，分析了該方法在不同巖性儲(chǔ)層中適應(yīng)性。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水平井在儲(chǔ)層中穿行且靠近地層邊界時(shí)，需要對(duì)井眼到地層邊界的距離有精確的把控，才能確保鉆頭在儲(chǔ)層內(nèi)部穿行;同時(shí)，儲(chǔ)蓋組合自然伽馬差值越大，應(yīng)用自然伽馬探邊方法效果越好。此探邊方法對(duì)于儲(chǔ)層與蓋層自然伽馬值相近的儲(chǔ)蓋組合是不適用的。利用自然伽馬測(cè)井曲線確定井眼位置，判斷水平井的相對(duì)位置，為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和控制、調(diào)整水平段軌跡，提高油層鉆遇率，提供一種新思路。

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