近鉆頭方位伽馬在地質(zhì)導向中的應用

吳德山，趙雪陽，趙發(fā)展＊，趙 偉，郭軍軍

1神華地質(zhì)勘查有限責任公司，北京

2西南油氣田華油集團華天興能燃氣公司，四川 成都

3神華北電勝利能源有限公司，內(nèi)蒙古 錫林浩特

1.引言

隨著隨鉆測控技術(shù)的迅猛發(fā)展，地質(zhì)導向鉆井技術(shù)成為大斜度井、水平井和多分支井等復雜結(jié)構(gòu)井地層評價的重要手段，在煤層氣、超薄油層和頁巖氣開發(fā)中，為了使鉆頭能最大化的從煤層或油層中心通過，常常采用地質(zhì)導向，大斜度井和水平井技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于石油天然氣勘探開發(fā)鉆井作業(yè)，早期的地質(zhì)導向采用自然伽馬儀器，對于簡單的儲層，也能勉強的完成任務，但是對于斷層，起伏不定的儲層，一旦鉆頭穿出儲層，很難返回到儲層。還有一個嚴重的問題就是，由于伽馬儀器位于鉆頭后面比較遠的地方，當發(fā)現(xiàn)自然伽馬穿出地層后，進行糾正，將會損失有效的鉆井井段，而方位伽馬在被引入地質(zhì)導向后就能及時的糾正了這方面的問題。

常規(guī)定向鉆井基本依據(jù)鄰井資料和地質(zhì)設計預先確定好鉆頭路徑，根據(jù)鉆頭方向的井斜數(shù)據(jù)進行幾何導向。這種技術(shù)在目的層很厚、地質(zhì)結(jié)構(gòu)簡單時應用效果很好，但是在目的層較薄、在地質(zhì)結(jié)構(gòu)復雜的目的層層時，則導向效率很低甚至失敗。而鉆大角度井或水平井時，在薄油層或有復雜皺褶、多斷層的油藏中，一般將井深與界面如油層頂部、油水界面等保持一定的距離，常規(guī)的導向無能為力，只有用近鉆頭方位伽馬來完成地質(zhì)導向任務。

國外對于方位伽馬成像的研究走在前面，在方位伽馬的設計和研究方面已經(jīng)相對成熟，其中代表性的有：斯倫貝謝(Schlumberger)公司新一代近鉆頭方位伽馬成像系統(tǒng)IPZIG，哈里伯頓(halliburton)公司新一代近鉆頭方位伽馬成像儀器GABI，貝克休斯(Kaker Hughes)公司制造的多功能隨鉆儀器OnTrak，在世界范圍內(nèi)進行測井技術(shù)服務[1]，我國對于隨鉆方位伽馬測井儀器的研究相對落后，最近幾年，國內(nèi)有幾十家單位立項進行方位伽馬儀器的設計研究，中國石油集團測井有限公司[2]、中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院、中國石油大學在方位伽馬方面的研究取得了很大的進展[3][4]。

2.方位伽馬的構(gòu)造

自然伽馬測井儀測量的是地層中自然存在的放射性物質(zhì)放出的伽馬射線的強度。由于不同的地層自然伽馬不同，泥巖最高，砂巖，煤的自然伽馬比較低，所以用自然伽馬用來判斷地層巖性，劃分地層的有效厚度，計算泥質(zhì)含量。而方位自然伽馬與常規(guī)的自然伽馬在儀器電路上沒有本質(zhì)的區(qū)別，只是將伽馬儀器安裝在鉆鋌上，記錄不同方位的伽馬射線。方位自然有上下方位的結(jié)構(gòu)，還有4，8，16扇區(qū)的伽馬分布的儀器[5]，圖1是方位伽馬儀器結(jié)構(gòu)示意圖。

近鉆頭地質(zhì)導向系統(tǒng)提供近鉆頭方位伽馬測量數(shù)值，結(jié)合旋轉(zhuǎn)方位信息，記錄多個扇區(qū)的測量值，因此這些測量值包含了井下儀器的方位信息，通過這些實時上傳的上、下伽馬數(shù)據(jù)，可以迅速通過調(diào)整鉆頭方位使鉆具重新在儲層中穿行。

Figure 1.Structure of Oriented GR and distribution schematic diagram of measuring sector 圖1.方位伽馬結(jié)構(gòu)和測量扇區(qū)分布示意圖

常規(guī)的GR 地質(zhì)導向系統(tǒng)，由于自然伽馬距離鉆頭的距離很遠，當鉆頭穿出地層后才能探測到信息，因此，損失了比較長的有效鉆井進尺，而且憑經(jīng)驗調(diào)整鉆頭，很難在復雜地層獲得滿意的結(jié)果。具有方位特性的近鉆頭地質(zhì)導向系統(tǒng)由于測量零長相對較小，克服了常規(guī)地質(zhì)導向系統(tǒng)的不足?，F(xiàn)場定向井工程師利用獲得的實時測量參數(shù)，能夠及時識別儲層頂部巖性信息、識別地層變化，通過方位特性測量，確定鉆具在儲層中的位置，隨時調(diào)整井眼軌跡，使軌跡沿油層展布方向鉆進，保證油層鉆遇率。斯倫貝謝、哈利伯頓、貝克休斯等油服公司先后研發(fā)了近鉆頭地質(zhì)導向系統(tǒng)。圖2是常規(guī)伽馬與近鉆頭方位伽馬在穿過儲層示意圖。

3.近鉆頭方位伽馬儀器的構(gòu)造

對于水平井來說，位于儲集層上面和下面的地層是泥巖，儲集層與上下圍巖的自然伽馬差異比較大，對于常規(guī)的砂巖薄地層，泥巖的自然伽馬值高于砂巖的自然伽馬值，對于普通的自然伽馬儀器，當鉆頭從儲層的上部或下部穿出時，自然伽馬值發(fā)生變化，操作工程師只能根據(jù)反饋的信息判斷鉆頭穿出儲集層，而不能判斷是從儲集層的頂部還是底部穿出，對于方位伽馬儀器，當方位伽馬在儲集層中穿行時，伽馬值比較低，而且變化范圍比較??；當方位伽馬從儲集層中上部穿出進入上部泥巖地層時，由于上伽馬接收來自泥巖的射線大于下伽馬伽馬接收來自泥巖的射線，所以就出現(xiàn)上、下伽馬射線的分離，即上伽馬大于下伽馬，操作工程師通過一定的方式調(diào)整鉆頭的方向，使鉆頭重新返回地層；當方位伽馬從儲集層中穿出進入下部泥巖地層時，由于下伽馬接收來自泥巖的射線大于上伽馬接收來自泥巖的射線，同樣出現(xiàn)下、上伽馬射線的分離，即上伽馬小于下伽馬，操作工程師通過一定的方式調(diào)整鉆頭的方向，使鉆頭重新返回地層；所以用方位伽馬能很好的判斷鉆頭在儲層的位置，使鉆井的水平有效段大大的增加[6][7]。圖3是方位伽馬儀器穿出穿進儲集層伽馬變化示意圖以及上下伽馬曲線變化圖。

Figure 2.(a)Defect of Ordinary oriented by GR;(b)Advantage of near bit oriented by GR 圖2.(a)常規(guī)伽馬地質(zhì)導向的缺點；(b)近鉆頭方位伽馬導向的優(yōu)點

Figure 3.Two GR curveschanging diagram of LWD tool go out and go in thin sandstone 圖3.方位伽馬儀器穿出穿進砂巖層伽馬變化示意圖

圖3展示了鉆頭從上部圍巖進入砂巖層然后再出砂巖層底部穿出又從底部進入砂巖層后又從頂部穿出后的上下伽馬值的變化圖，A 段為方位伽馬儀器在圍巖中，上下伽馬儀器接收到的射線基本相同，所以兩條曲線重合，圍巖地層中泥巖含量相對比較高，與砂巖儲集層相比，圍巖地層為高伽馬值，B段，鉆頭逐漸進入儲層，上伽馬探頭接收來自地層的自然伽馬射線高于下伽馬探頭接收的自然伽馬射線，所以曲線出現(xiàn)分離，C段，鉆頭完全進入儲集層，2個探頭接收的自然伽馬射線基本相同，所以曲線重合，D段，曲線從儲集層底部穿出，上伽馬探頭接收的伽馬射線低于下伽馬接收的伽馬射線，曲線分離，E段，鉆頭完全進入底部圍巖地層中，上下自然伽馬值相同，而且高于儲集層的自然伽馬值，F(xiàn)段，鉆頭從底部圍巖進入儲集層，上伽馬探頭接收的伽馬射線低于下伽馬探頭接收的伽馬射線，曲線分離，G 段，鉆頭完全進入儲集層，上下伽馬探頭接收的伽馬射線值基本相同，但是其值低于圍巖的自然伽馬值，H段，鉆頭逐漸又穿出儲集層，上伽馬探頭接收的伽馬射線值高于下伽馬探頭接收的伽馬射線值，曲線分離，I段，鉆頭完全穿出儲集層進入圍巖，上下伽馬探頭接收的射線相同，曲線重合，其值高于儲集層的伽馬射線。

4.方位伽馬成像

現(xiàn)在貝克休斯公司的地質(zhì)導向儀器為4扇區(qū)伽馬儀器，通過接收4扇區(qū)的伽馬值，當儀器穿進和穿出儲集層時，伽馬值在井壁剖面上4個方向有不同的值，從而進行方位伽馬成像，在圖像上表現(xiàn)為正弦曲線，根據(jù)正弦曲線最大值的方向就可以判斷從儲集層穿出還是從圍巖進入儲集層。伽馬成像儀器從圍巖進入儲集層，伽馬成像圖上正弦曲線為最大值，當方位伽馬儀器從儲層穿出進入圍巖時，伽馬成像圖上正弦曲線為最小值，在鉆井過程中，根據(jù)伽馬成像最大值的方向，上下伽馬值的差異，氣測變化量的變化等信息，操作員隨時調(diào)整鉆頭的方位，使鉆頭從儲層穿過，極大的提高鉆遇率，有極大的經(jīng)濟效益。

在圖4中，第1道是鉆頭的方位變化圖，第二道GRAUX 是上伽馬值，GRADX 是下伽馬值，第三道是自然伽馬平均值，第4道是方位伽馬成像圖，第5道是深度道，第六道是根據(jù)地震資料預測的地質(zhì)剖面以及鉆頭實際穿過儲集層的軌跡(紅粗線)。

Figure 4.Oriented GR image of LWD tool go out and go in thin sandstone 圖4.方位伽馬儀器穿出穿進薄砂巖層伽馬成像示意圖

5.應用舉例

在任何地方，砂巖的自然伽馬遠遠小于泥巖的自然伽馬，圖5是某井的測井曲線圖，在3197.5處，鉆頭從砂巖進入泥巖層，上伽馬從砂巖進入泥巖比下伽馬進入泥巖要晚，所以下伽馬值比同一深度的上伽馬值低，當方位伽馬全部進入泥巖后，上下伽馬就基本相同，同時在電阻率曲線上也出現(xiàn)相位電阻率大于幅度電阻率，綜合分析判斷，在3203.5 m，鉆頭全部從砂巖進入泥巖。

圖6是神華集團在湖南開發(fā)頁巖氣的保頁4XF井方位伽馬測井曲線圖，該方位伽馬為四方位伽馬探頭，即上下左右四個探頭，可以形成伽馬成像，根據(jù)上下伽馬的特點，方位伽馬引導鉆頭在頁巖中穿行，從氣測值看出，在整個斜井段，氣測高值占80%以上，所以，根據(jù)方位伽馬取得了比較好的鉆井效果，另外，四方位伽馬用于計算地層的傾角，對于指導鉆頭的鉆進起到很大的作用。

Figure 5.Two GR curves and resistivity curves changing diagram of orient tool go out and go in reservoir 圖5.方位伽馬儀器穿過儲集層后伽馬變化曲線圖

Figure6.Oriented GR well-logging curves graph in shale gasreservoir in Baoye4XFin Baojing,Hunan 圖6.湖南頁巖氣保頁4XF井方位伽馬測井圖

6.普通自然伽馬與方位伽馬在性能上的比較

6.1.近鉆頭方位伽馬的優(yōu)勢

普通自然伽馬儀器，由于儀器結(jié)構(gòu)的原因，接收的自然伽馬來自探測器周圍地層的伽馬射線，在測井曲線幅值上為平均貢獻，當使用普通的自然伽馬進行地質(zhì)導向時，根據(jù)伽馬值的大小可以判斷鉆頭當前進入儲集層或離開了油氣儲藏層，但是無法準確判斷是從儲層的上方還是下方進入儲層或離開儲集層，為鉆頭的調(diào)整增加了很大的難度，在復雜的地層，經(jīng)常出現(xiàn)丟掉儲層的情況，使鉆遇率大大降低。

方位伽馬儀器，可以接受不同方向的自然伽馬量，在水平井或大斜度井鉆井中一般采用上伽馬、下伽馬2個不同方向伽馬數(shù)據(jù)的變化，能夠根據(jù)上下伽馬數(shù)據(jù)變化趨勢的差異，以及上下感應電阻率的配合，判斷儀器將從儲集層的上方或下方離開儲層，定向人員收到通過泥漿傳到地面的信號后及時對鉆頭做出調(diào)整，使鉆頭返回儲集層。方位伽馬在實時的鉆進中，可以記錄八個不同扇區(qū)的地層伽馬數(shù)據(jù)，可以生成軌跡成像圖，通過成像數(shù)據(jù)圖像的連續(xù)性特征可以判斷地層是否出現(xiàn)斷層，根據(jù)圖像上正弦的最大值與最小值的指向，可以反映出鉆頭從儲層上部還是下部穿出儲集層，根據(jù)正弦值的大小以及井眼的尺寸，可以得到斷層的視傾角信息，對于提高儲層的鉆遇率有非常重要的意義。

6.2.近鉆頭方位伽馬與常規(guī)方法在成本、效率等方面的因素分析

現(xiàn)在的地質(zhì)導向，對于復雜的儲層，基本上都會選擇近鉆頭方位伽馬，由于它的特點決定了近鉆頭自然伽馬與常規(guī)方法的伽馬在成本上和效率上的不同，近鉆頭自然伽馬在儲集層上下的變化非常明顯，操作員會及時對鉆頭作出調(diào)整，所以能夠優(yōu)化水平井在儲層中的位置，降低鉆井地質(zhì)風險，提高鉆井效率，實現(xiàn)單井產(chǎn)量最大化和投資收益的最大化。單位進尺成本越來越低，導向效率會越來越高。

6.3.近鉆頭方位伽馬最新進展及展望

由于近鉆頭方位伽馬的在地質(zhì)導向中有著無法替代的優(yōu)點，尤其在薄層，復雜儲層進行水平井鉆井，必須使用近鉆頭地質(zhì)導向，世界許多油田服務公司基本上都在使用近鉆頭地質(zhì)導向進行國際服務，我國在近鉆頭方位伽馬研究方面也有重大突破，為我國薄儲層復雜儲層石油開采有重要的意義。

7.結(jié)論

1)近鉆頭地質(zhì)導向系統(tǒng)方位伽馬和井斜一體化設計，實現(xiàn)近鉆頭地質(zhì)參數(shù)與工程參數(shù)集成測量，能實時監(jiān)測地層特征信息、辨別地層變化，測量的參數(shù)具有方位特性確定儲集層邊界的位置，對于調(diào)整井眼軌跡，提高儲層鉆遇率有重要的意義。

2)近鉆頭方位伽馬測量儀，能夠確定地層界面和劃分巖性，對地層物性進行初步評價，準確控制井眼軌跡，滿足定向軌跡測量和地質(zhì)導向的要求，在降低水平井測井費用上取得明顯效益。

3)方位伽馬成像結(jié)合上伽馬下伽馬值的差異為地質(zhì)導向提供實時導向依據(jù)。