地質(zhì)導(dǎo)向探邊工具的基本原理及應(yīng)用

付 仕， 萬(wàn)教育， 徐廣飛， 李焱坤， 姚 斌

(1西部鉆探定向井技術(shù)服務(wù)公司 2西部鉆探克拉瑪依鉆井公司)

通過(guò)地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)和無(wú)線隨鉆測(cè)井儀器(LWD)的應(yīng)用與推廣，水平井開發(fā)逐漸由“幾何靶區(qū)”向“地質(zhì)靶區(qū)”轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)的地質(zhì)導(dǎo)向工具LWD可以隨鉆測(cè)量井下的井斜、方位、工具面等井眼參數(shù)，還能夠隨鉆測(cè)量伽馬、電阻率等地質(zhì)參數(shù)，實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛?，繪制出隨鉆測(cè)井曲線，作為地質(zhì)分析的依據(jù)，幫助現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)導(dǎo)向工程師隨時(shí)監(jiān)控地層特性和地質(zhì)參數(shù)的變化。由于LWD是在鉆開地層后，地層暴露時(shí)間短、鉆井液侵入小的情況下獲取的地質(zhì)參數(shù)，能更真實(shí)地反映井下地層巖性和流體情況，利于地質(zhì)人員對(duì)巖性特性和巖層內(nèi)流體性質(zhì)作出準(zhǔn)確判斷，為井眼軌跡提供地質(zhì)導(dǎo)向，準(zhǔn)確探明油頂并著陸，引導(dǎo)井眼軌跡在儲(chǔ)層中穿行，提高儲(chǔ)層認(rèn)識(shí)和鉆遇率，達(dá)到提高單井產(chǎn)量和開采效果的目的。

目前在國(guó)內(nèi)技服公司中廣泛使用的LWD，其電阻率測(cè)量常采用四發(fā)雙收方式，可提供不同頻率、不同深度的相位差電阻率和幅度衰減電阻率，井下存儲(chǔ)器能夠采集存儲(chǔ)更為豐富的測(cè)量信息，待儀器起出，進(jìn)行回放處理修正和完善實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

隨著地質(zhì)導(dǎo)向儀器的發(fā)展，探邊工具的出現(xiàn)又將水平井開發(fā)的目標(biāo)進(jìn)一步提高：由簡(jiǎn)單地控制軌跡在儲(chǔ)層中鉆進(jìn)提高為定量化地控制軌跡在儲(chǔ)層中的位置，以提高單井產(chǎn)能和油田的整體開發(fā)效果。國(guó)內(nèi)的常規(guī)LWD工具已經(jīng)發(fā)展較為成熟，但具備邊界探測(cè)能力的隨鉆測(cè)井探邊工具尚處于理論研究階段，國(guó)內(nèi)專家學(xué)者對(duì)其傾斜線圈等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)做了深入研究，取得了巨大的成果。國(guó)外具有方位電阻率的隨鉆探邊測(cè)量技術(shù)已經(jīng)成熟應(yīng)用，被掌握在國(guó)際三大油服公司手中，分別是斯倫貝謝的PeriScope、哈里伯頓的ADRTM和貝克休斯的AziTrakTM[1]，各家工具測(cè)量原理相似，但是在工具結(jié)構(gòu)、反演算法和輸出結(jié)果等方面具有各自的特色和專利[2]。本文以新疆油田瑪湖使用成熟的斯倫貝謝PeriScope隨鉆地層邊界測(cè)量?jī)x為代表，通過(guò)自建邊界探測(cè)模型，從定向電磁波電阻率深、淺測(cè)量差值對(duì)探邊原理進(jìn)行解釋，并介紹PeriScope探邊工具在瑪湖地區(qū)水平井中的應(yīng)用，為探邊工具提供一些建議。

一、PeriScope探邊工具的特點(diǎn)及原理

1. PeriScope的功能特點(diǎn)

斯倫貝謝公司研發(fā)的PeriScope隨鉆地層邊界測(cè)量?jī)x，是具備地層邊界探測(cè)功能的隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向工具，同樣以電磁感應(yīng)測(cè)量地層電阻率為原理，關(guān)鍵在定向電磁波，通過(guò)集成電阻率測(cè)量和方向性邊界測(cè)量，除了提供傳統(tǒng)LWD測(cè)量外，還能提供360°方向性測(cè)井、深探測(cè)地識(shí)別地層邊界和油水邊界[3]。PeriScope已經(jīng)在國(guó)內(nèi)多個(gè)大型油田成功應(yīng)用。

通過(guò)該工具及配套地質(zhì)建模軟件能夠計(jì)算出工具自身即井眼軌跡到地層邊界的距離和地層邊界的延伸方向。有助于克服水平井作業(yè)中的構(gòu)造不確定性、儲(chǔ)層非均質(zhì)性、油水界面未知等諸多不利因素的影響。主要為鉆井提供地質(zhì)導(dǎo)向，選擇最優(yōu)方向，深度上提前預(yù)測(cè)，實(shí)時(shí)邊界成圖以及識(shí)別地層邊界或流體邊界[4]。

2. PeriScope的探邊原理和優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的LWD在隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向中有兩點(diǎn)缺陷，一是探測(cè)深度，常規(guī)LWD深電阻率的探測(cè)深度為2～3 m，而PeriScope的邊界探測(cè)半徑能達(dá)到4～5 m；二是缺少方向性，常規(guī)LWD能探測(cè)到入層、出層，但是在不知道地層傾角和油層厚度的情況下，無(wú)法確定從上出層還是從下出層，即常規(guī)LWD能測(cè)量出邊界處的電阻率變化，但不能準(zhǔn)確指出邊界相對(duì)于儀器的具體位置。如圖1所示，當(dāng)井眼軌跡鉆入泥巖時(shí)，無(wú)論油層下傾或上傾，常規(guī)電阻率曲線(紅色圓形)均表現(xiàn)為由高變低的走勢(shì)，無(wú)法辨別從頂或底出層，而具備定向電磁波電阻率的儀器，如PeriScope則能準(zhǔn)確判斷出層位置。

圖1 軌跡鉆遇油層邊界時(shí)常規(guī)電阻率曲線與定向電阻率曲線的變化對(duì)比

圖1的模型將360°方向電磁波電阻率簡(jiǎn)化為二維平面的上、下兩個(gè)方向的定向電磁波電阻率，以便于分析得出探邊工具的工作原理：方向性的實(shí)現(xiàn)主要依靠深、淺測(cè)量電阻率的差異。當(dāng)軌跡在厚的均勻地層中鉆進(jìn)時(shí)，深、淺電阻率數(shù)值相同，方向曲線為0；當(dāng)?shù)貙与娮杪十a(chǎn)生差異時(shí)，方向曲線開始變化，深電阻率大于淺電阻率時(shí)，探測(cè)方向指向高阻地層；當(dāng)深電阻率小于淺電阻率時(shí)，探測(cè)方向指向低阻地層。圖1(a)所示，當(dāng)?shù)貙酉聝A，軌跡從頂出層時(shí)，向上探測(cè)的深測(cè)量小于淺測(cè)量，向上探測(cè)的方向曲線為負(fù)，指示軌跡上方為低阻層；向下探測(cè)的深測(cè)量大于淺測(cè)量，向下探測(cè)的方向曲線為正，指示軌跡下方為高阻層。軌跡逐漸地進(jìn)入泥巖后，深、淺測(cè)量數(shù)值逐漸相同，完全進(jìn)入均勻泥巖后，方向曲線又回歸于0。從方向曲線的變化還可以看出，從頂出層時(shí)，向上探測(cè)更早探測(cè)到地層邊界。

圖1(b)所示，當(dāng)?shù)貙由蟽A，軌跡從底出層時(shí)，向上探測(cè)的深測(cè)量大于淺測(cè)量，向上探測(cè)的方向曲線為正，指示軌跡上方為高阻層；向下探測(cè)的深測(cè)量小于淺測(cè)量，向下探測(cè)的方向曲線為負(fù)，指示軌跡下方為低阻層。軌跡逐漸進(jìn)入均勻泥巖后，方向曲線也逐漸回0。另外，從方向曲線的變化也可以看出，從底出層時(shí)，向下探測(cè)更早探測(cè)到地層邊界。

3. 邊界探測(cè)的影響因素

中國(guó)石油大學(xué)(華東)的魏寶君先生等人采用水平層狀各向異性介質(zhì)中的磁流源并矢Green函數(shù)對(duì)定向電磁波傳播隨鉆測(cè)量?jī)x器的響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了影響定向電磁波電阻率測(cè)量的幾個(gè)因素[5]：①線圈距。發(fā)射天線和接收天線的距離越大，穿越地層邊界時(shí)產(chǎn)生的邊界效應(yīng)越顯著，但接收信號(hào)的強(qiáng)度降低，因此線圈距并不是越大越好;②頻率。發(fā)射頻率越高，測(cè)量信號(hào)在地層邊界上的峰值越大，定向測(cè)量信號(hào)越強(qiáng)。隨著發(fā)射頻率增高，幅度比電阻率信號(hào)較相位差電阻率信號(hào)在邊界處的變化更加劇烈，邊界效應(yīng)更加顯著。頻率越低，電磁測(cè)量的探測(cè)范圍越大;③接收天線的傾角。隨著接收天線傾角的增加，幅度衰減在接近地層界面時(shí)的變化更加明顯，對(duì)地層界面的靈敏性增加，但接收信號(hào)的強(qiáng)度降低，因此接收天線的傾角并不是越大越好;④地層電阻率對(duì)比度。由于該測(cè)量?jī)x的基本原理是電磁感應(yīng)，所以更加適用于電阻率對(duì)比度較明顯、邊界過(guò)渡帶電阻率變化非緩慢的地層，目的層和圍巖層電阻率對(duì)比度越大，邊界探測(cè)能力越強(qiáng);⑤地層傾角和地層各向異性。采用對(duì)稱天線結(jié)構(gòu)可消除定向電磁測(cè)量信號(hào)在遠(yuǎn)離地層界面處對(duì)地層各向異性和地層相對(duì)傾角的依賴，當(dāng)儀器接近圍巖層時(shí)，利用定向電磁測(cè)量信號(hào)符號(hào)的改變可以及早預(yù)測(cè)未鉆低阻地層的存在及上下部位。

4. 國(guó)內(nèi)探邊工具的研發(fā)建議

目前對(duì)探邊工具工作原理的學(xué)術(shù)研究已經(jīng)較廣泛和深入，但仍無(wú)法制造具有探邊能力的LWD原因是無(wú)法實(shí)現(xiàn)定向電磁波電阻率。斯倫貝謝PeriScope是與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具配合使用的，其發(fā)射定向電磁波電阻率的過(guò)程中一直處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，其定向的原理與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向有相似之處，可以借鑒。國(guó)內(nèi)的研發(fā)可以從兩方面入手，一是借鑒旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的工作原理，與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的研發(fā)同步進(jìn)行；二是在非旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下對(duì)工具正上方、正下方兩個(gè)方向進(jìn)行地層邊界探測(cè)，實(shí)現(xiàn)“定上、下方向電阻率”實(shí)踐：通過(guò)角差將電阻率高、低邊與測(cè)斜探管的高、低邊校準(zhǔn)，可在鉆具靜止或滑動(dòng)鉆進(jìn)的情況下測(cè)量并矢量計(jì)算邊界，該結(jié)構(gòu)雖然無(wú)法實(shí)現(xiàn)360°邊界探測(cè)，無(wú)法在水平段大段復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)成熟應(yīng)用，但滑動(dòng)鉆進(jìn)下略作修改，對(duì)于指導(dǎo)軌跡著陸、認(rèn)識(shí)油層傾向、識(shí)別出入層方向等方面有重要意義和幫助。

二、實(shí)際應(yīng)用

新疆瑪湖某油田水平井使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向配合探邊工具PeriScope隨鉆邊界測(cè)量?jī)x及地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)，確保井眼按最優(yōu)化方向鉆進(jìn)，推遲見水時(shí)間，應(yīng)用效果顯著。

造斜段：該井設(shè)計(jì)百口泉頂為井深2 488 m/井斜36.5°/垂深2 476 m，而實(shí)鉆至井深2 482 m/井斜31°/垂深2 472.9 m，鉆遇一套標(biāo)志層褐色泥巖夾灰色粉砂巖，判斷鉆入百口泉組，較設(shè)計(jì)垂深提前3 m。因?yàn)榍肪?，因此將設(shè)計(jì)6°/30 m的增斜率提高至7°/30 m進(jìn)行追井斜鉆進(jìn)。

著陸：設(shè)計(jì)目的層頂為井深2 732 m，垂深2 604.16 m，井斜77.5°。實(shí)鉆自井深2 708 m開始電阻率由18～20 Ω·m逐漸上升至井深2 730 m的40～55 Ω·m，最終確定實(shí)鉆井深2 720 m為目的層頂，垂深2 599.85 m，井斜77.9°。根據(jù)探邊工具測(cè)量曲線反演得到地質(zhì)模型(圖2)，判斷此時(shí)的油層傾角為下傾2°～3°，如按設(shè)計(jì)的下傾4°鉆進(jìn)，軌跡將離油頂越來(lái)越遠(yuǎn)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)距油頂3～3.5 m的方案要求，遂以安全造斜率及時(shí)的將井斜在井深2 768 m處上調(diào)至87°，并且將井深2 768 m定為地質(zhì)A點(diǎn)：進(jìn)入主力油層后，井斜調(diào)整至與油層傾角一致。開始水平段鉆進(jìn)。

水平段：鉆進(jìn)至井深2 940 m/井斜86.8°時(shí)，電阻率P40H微降至30 Ω·m，方向性曲線由中值0開始逐漸趨于正值，DTB小于2 m，表明軌跡逐漸靠近儲(chǔ)層頂部。該部位地層傾角變化較陡，結(jié)合邊界反演及隨鉆曲線指示，地層傾角約為5°下傾，后續(xù)持續(xù)降斜至84.5°，調(diào)整軌跡逐步回到儲(chǔ)層高電阻率部位，電阻率值逐步上升至35～40 Ω·m，方向性曲線逐漸趨于中值。

圖2 PeriScope邊界探測(cè)功能在著陸時(shí)的應(yīng)用

后續(xù)水平段根據(jù)PeriScope隨鉆測(cè)井及反演計(jì)算油層傾角繼續(xù)變陡至6.5°，現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)向師及定向工程師調(diào)整井斜逐漸降至83.5°，使井眼軌跡始終與油頂保持基本平行，始終控制DTB在3 m左右，鉆完1 206 m水平段，最終完鉆井深4 008 m。

該井實(shí)鉆與設(shè)計(jì)A點(diǎn)垂深相差3 m，如果按原設(shè)計(jì)鉆進(jìn)不可避免會(huì)鉆入泥巖，憑借PeriScope邊界探測(cè)隨鉆測(cè)井的成功應(yīng)用，使水平段軌跡在地質(zhì)靶窗中穿行，確保油層鉆遇率達(dá)到98%以上。

三、認(rèn)識(shí)與建議

(1)探邊工具的應(yīng)用使水平井安全、高效著陸，減少地質(zhì)循環(huán)，提高鉆進(jìn)時(shí)效；獨(dú)特的定向測(cè)量，對(duì)流體和地層界面高度敏感，確定井眼相對(duì)儲(chǔ)層邊界的位置，指示最佳鉆井方向，提高了優(yōu)質(zhì)油層鉆遇率，減少產(chǎn)水量，延長(zhǎng)了油井的壽命，使產(chǎn)量最大化，提高采收率；探測(cè)深度大，早期預(yù)警便于及時(shí)決策，可探測(cè)并避開水層；細(xì)化油藏模型，更精確地預(yù)測(cè)儲(chǔ)量，鉆更少的井來(lái)達(dá)到生產(chǎn)目標(biāo)，開發(fā)以前被認(rèn)為不經(jīng)濟(jì)的邊際油氣層。

(2)探邊工具與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向配合在新疆油田瑪湖地區(qū)得到規(guī)模應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)規(guī)模增儲(chǔ)和快速上產(chǎn)，2016～2017年瑪湖地區(qū)水平井中約50口使用了探邊工具，依靠其定量化地控制井眼軌跡在油層中的位置，使絕大多數(shù)水平段軌跡與油層頂部邊界保持3 m左右的間距，壓縮井眼和蓋層之間的“剩余油”空間，有效提高單井產(chǎn)能，最大限度地提高油藏最終采收率。

(3)國(guó)內(nèi)研發(fā)探邊工具可以從兩方面入手：借鑒旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的工作原理，與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向研發(fā)同步進(jìn)行；在非旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)對(duì)工具正上方、正下方兩個(gè)方向的地層邊界探測(cè)。