方位電磁波在海上油氣勘探開發(fā)的應用及展望*

苑仁國 林昕 劉卓 陳玉山 陳波 譚偉雄

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司)

0 引 言

方位電磁波是測井技術中成熟較晚的一項隨鉆測井(Logging-While-Drilling, LWD)工藝。該技術在探測水平井地層界面和儲層油水界面所表現(xiàn)的優(yōu)異性能為行業(yè)公認，因此也被業(yè)內簡稱為“探邊”技術。Schlumberger公司于2005年推出了行業(yè)內最早商業(yè)化的方位電磁波工具PeriScope，各大油田技術服務公司相繼推出類似工具，代表性的產(chǎn)品有BakerHuges公司的AziTrack和Halliburton公司的ADR等。此后，方位電磁波技術不斷升級，經(jīng)歷了包括邊界探測(Bed-Boundary Detection)、儲層成像(Reservoir Mapping-While-Drilling)和隨鉆前視(Looking Ahead-While-Drilling)等3個階段的發(fā)展，其應用范圍從水平段拓展到著陸段甚至低斜度井[1]。

近年來，國內加大了對方位電磁波技術研究的投入力度并取得了重要進展，主要以中石油、中石化以及中海油主導的研究院所為代表。長城鉆探工程公司劉乃震等[2]提出了基于交聯(lián)天線的GW-LWD(BWR)工具，交聯(lián)天線為國內外首創(chuàng)的方位電磁波線圈串繞方式，現(xiàn)場試驗結果表明，儀器探測深度可達2 m、測量精度達到0.2 m；另外，勝利石油工程技術有限公司研發(fā)的基于正交天線的AMR工具[3]以及中海油服研發(fā)的基于雙斜正交天線的DWPR工具，均取得了不錯的現(xiàn)場試驗效果。國內的研究水平相當于第一代邊界探測技術，高級方位電磁波技術仍然被國外技術公司壟斷。

方位電磁波工具在海上油氣勘探開發(fā)中起到重要作用。以渤海油田為例，僅2020年上半年方位電磁波工具使用已達到75井次，超過2018年全年的42井次和2019年全年的74井次，其中國產(chǎn)方位電磁波工具應用16井次，占比達到21%。本文將回顧方位電磁波技術的發(fā)展歷程，介紹不同發(fā)展階段的技術特點，同時結合國內海上油氣勘探開發(fā)的應用案例進行分析。該項研究對于指導方位電磁波技術的現(xiàn)場應用和國內相關技術的自主研發(fā)具有一定的參考價值。

1 邊界探測

1.1 技術發(fā)展

方位電磁波源于陣列電磁波技術，即通過測量不同發(fā)送-接收距離的電磁波傳播衰減以及相移變化來獲取地層的電阻率信息。方位電磁波的方向性測量實現(xiàn)原理如圖1所示。圖1中，T為發(fā)射線圈，R為接收線圈。陣列電磁波測量采用的幅度比和相位差的信號獲取方式，消除了信號漂移等干擾，降低了井筒環(huán)境對儀器的影響。陣列電磁波工作頻率范圍介于2～2 000 kHz之間，發(fā)送-接收線圈的距離從幾十厘米到幾米不等[4]，相比電纜測井的感應測井技術具有分辨率高以及高角度對各向異性敏感等優(yōu)點，可準確提供地層水平電阻率(Rh)和垂直電阻率(Rv)，在地質構造相對簡單的油氣藏，陣列電磁波測井得到了廣泛的應用[5]。

圖1 方位電磁波的方向性測量實現(xiàn)原理

方位電磁波的第一代應用是邊界探測技術。其實現(xiàn)是通過調整陣列電磁波工具的發(fā)送-接收線圈角度，在測量工具旋轉過程中其接收信號產(chǎn)生方向性特征。邊界探測技術的工作頻率范圍100～200 kHz，發(fā)送-接收線圈距離從0.5～3.0 m[4]，并采用了傾斜線圈或正交線圈等設計方案(見圖2)。地層的電性差異通常由流體性質不同所導致，當不同地層之間存在明顯電性差異時，儀器探測得到的電性邊界等同于地層邊界。由于發(fā)送-接收線圈設置和地層響應特征密切相關，所以作業(yè)施工前有必要進行地層正演響應分析，以確認方位電磁波技術的適用性，同時在鉆進過程中優(yōu)化實時反演參數(shù)。

圖2 第一代邊界探測技術工具收-發(fā)線圈設置示意圖

儀器探測得到的方向性曲線需進一步通過反演計算轉換成電性界面位置以及距離等信息。邊界探測技術最初商業(yè)化應用時，采用了單/雙邊界的反演算法，即最多計算3層的地層模型，如圖3所示。雙邊界反演可以同時識別工具上/下圍巖的電性界面距離(上界面距離Hu和下界面距離Hd)以及3層地層電阻率值(當前地層電阻率Rh/Rv、上圍巖電阻率Ru及下圍巖電阻率Rd)[6]。在此基礎上，反演算法進一步升級為多邊界反演。多邊界反演不再局限于3層地層模型的限制，應用該算法的邊界探測技術也稱為多邊界探測技術[7]。

圖3 方位電磁波單/雙邊界反演計算示意圖

1.2 應用分析

我國海洋近海油氣資源存在成藏規(guī)律復雜、斷塊細碎以及單井控制儲量小等特征。隨著近海海域勘探程度的增高，油氣豐度降低，目標更隱蔽，儲層物性更差，勘探成效日趨下降[8]。為此，邊界探測技術被引入并應用于海上水平段地質導向鉆井施工。

李建、WU Y.M.和LI F.等[7，9-10]在南海某高含水油田開發(fā)中面臨油水關系復雜、河道砂體疊置分布不清以及低阻低滲等挑戰(zhàn)。利用多邊界探測技術可以準確反演儲層和流體分布情況，指導水平井鉆進過程中平穩(wěn)穿過泥巖夾層，實現(xiàn)追蹤優(yōu)質砂體從而提高儲層鉆遇率；將軌跡放置在砂體中上部，可以延緩水淹時間，提高水平井產(chǎn)能。

ZHANG B.Q.等[11]在渤海油田稠油開發(fā)過程中采用邊界探測技術，控制軌跡精確放置在目的層頂部約1.5 m垂深的位置，減少了閣樓油的存在，產(chǎn)能從10～20 t/d增加至50～60 t/d，實現(xiàn)鉆遇率100%并有效提高了稠油熱注采的效能。此外，MA Y.W.和YANG L.H.等[12-15]在渤海油田高含水區(qū)塊的加密井網(wǎng)開發(fā)中，采用邊界探測技術準確探測油水邊界位置，通過隨鉆軌跡調整優(yōu)化水平井軌跡位置，確保了水平井生產(chǎn)油柱高度，降低含水體積分數(shù)至2%，延長了老油田區(qū)塊的生命力。

邊界探測技術對電性邊界的識別可實現(xiàn)對復雜油氣藏環(huán)境的精細刻畫，區(qū)分油水界面、探測地層上下邊界以及識別疊置砂體分布特征等；其測量精度小于0.5 m，可用于指導鉆井軌跡的實時調整，優(yōu)化軌跡在目的層中的擺放位置，確保鉆井軌跡在目的層中延伸。該技術可以提升鉆井時效、提高鉆遇率以及保障水平井產(chǎn)能。

2 儲層成像

2.1 技術發(fā)展

儲層成像技術基于邊界探測技術發(fā)展而來，通過增加發(fā)送-接收線圈之間距離以及增加低頻電磁波信號頻率等手段得以實現(xiàn)。首先，采用分段模塊化設計將原來集成在同一條工具上的發(fā)送-接收線圈組合分成包括一個發(fā)射短節(jié)和兩到三個接收短節(jié)的組合方式(見圖4)，發(fā)射短節(jié)連接在旋轉導向工具(Rotary Steerable System, RSS)后端,線圈收發(fā)距離達到5～35 m；其次，發(fā)射短節(jié)中的信號發(fā)生采用橫向磁偶極子(Transverse Magnetic Dipole)[16-17]，增加了低頻段的信號頻率(2、6、12、24、48和96 kHz)等。

圖4 儲層成像技術鉆具組合示意圖

2015年，Schlumberger公司率先在業(yè)內實現(xiàn)儲層成像技術的商業(yè)化，業(yè)內同類型的工具有Baker Huges公司的VisiTrack和Halliburton公司的EarthStar等。

儲層成像將測量深度從4.6～6.4 m增加到 46～67 m，相比邊界探測技術的測量深度提高了近10倍。因此，儲層成像技術的應用范圍得到極大擴展。首先，儲層成像可以同勘探地震數(shù)據(jù)形成較好的互補驗證，使其研究對象不再局限于油氣產(chǎn)層的狹窄范圍；其次，儲層成像的超深探測優(yōu)勢也被用于前探測量。當?shù)貙拥碾娦越缑媾c測量工具的夾角θ小于30時[18]，儲層成像技術可提前探測到鉆頭前的地層電性特征，極大地提高了地質導向鉆井的主動性。儲層成像技術的應用情況如圖5所示。

圖5 儲層成像技術的前探測量應用

2.2 應用分析

我國近海油氣資源歷經(jīng)多年開發(fā)生產(chǎn)，老井普遍存在產(chǎn)能下降、含水增高以及出砂嚴重等現(xiàn)象。為改善現(xiàn)有井網(wǎng)布置，提高剩余儲量動用程度，區(qū)塊作業(yè)者選取部分低產(chǎn)低效井進行側鉆調整優(yōu)化。分析顯示，調整井大多存在距離斷層近、夾層發(fā)育以及存在邊底水等風險，地質不確定性極高。

為降低調整井開發(fā)的地質風險，LI W.等[19]選用儲層成像技術指導著陸作業(yè)。著陸過程中，基于儲層成像技術可提前約28 m垂深識別出目的層；在鉆頭進入目的層之前，還可探測出層厚和電阻率等關鍵參數(shù)。儲層成像技術的深探測測量極大提高了導向鉆井主動性，導向團隊根據(jù)探測結果提前優(yōu)化鉆井著陸軌跡，在地層實際埋深比設計滯后12 m的情況下一次性著陸成功，未浪費水平段進尺。在后續(xù)作業(yè)中，區(qū)塊作業(yè)者可減少導眼井部署，進一步壓縮作業(yè)費用。該案例對國內其他海域低勘探程度區(qū)塊水平井的開發(fā)具有參考價值。

3 隨鉆前視

3.1 技術發(fā)展

隨鉆前視測量技術基于儲層成像技術發(fā)展而來。邊界探測和儲層成像本質上都是向工具兩側進行探測的技術，依靠工具和地層之間的夾角位置關系實現(xiàn)前探測量。Schlumberger公司于2019年推出商業(yè)化的隨鉆前視工具IriSphere，該工具可以探測到提前于鉆頭位置約30 m地層的電性特征[20]，是業(yè)內首次實現(xiàn)物理意義上的方位電磁波前探測量。測量時，在硬件設計上將接在RSS后的發(fā)射短節(jié)的位置調整為直接連接鉆頭，在發(fā)射短節(jié)和RSS之間添加陣列電磁波電阻率(EMLWD)工具。隨鉆前視鉆具組合示意圖如圖6所示。

圖6 隨鉆前視鉆具組合示意圖

EMLWD工具可以測量已鉆地層水平電阻率，進行地層剖面分層和圍巖校正。隨鉆前視測量的探測區(qū)間分為前視、側視和后視3個部分，如圖7所示。其中，側視和后視測量的反演運算依據(jù)EMLWD工具的實際測量值進行優(yōu)化，優(yōu)化后的反演模型和參數(shù)被用來提高前視探測的精度[20-21]。將發(fā)射短節(jié)靠近鉆頭可以使方位電磁波信號更多地測量到鉆頭前的地層，通過調整橫向磁偶極子耦合產(chǎn)生的電磁波場分布情況可以提高其對鉆頭前地層的探測靈敏度。

圖7 隨鉆前視測量的探測區(qū)間劃分

3.2 應用分析

中國南海的深部海域是我國海上未來油氣資源接替的潛力區(qū)[8]。由于中深部地震資料勘探品質差、溫度及壓力條件復雜導致鉆井工程施工難度大，例如對高壓層頂面位置的預測不準確，鉆井過程中因聯(lián)通不同壓力地層而導致井漏或井壁坍塌等復雜情況的發(fā)生，降低了鉆井作業(yè)時效。

前期應對方案中使用了包括垂直地震剖面(Vertical Seismic Profile,VSP)的電纜VSP和隨鉆VSP等探測方法。VSP測量方案可以識別厚度大于15 m的高壓層，但是當?shù)貙雍穸刃∮?0 m時則無法識別。YANG H.J.等[22]在中國南海樂東氣田應用隨鉆前視技術可提前6 m垂深探測到高壓砂巖薄層頂面，并根據(jù)探測結果及時中完下套管。鉆探結果證實隨鉆前視技術的預測垂深誤差小于1 m。隨鉆前視技術在超壓層深度預測中的應用情況如圖8所示。

圖8 隨鉆前視技術在超壓層深度預測中的應用

隨鉆前視技術目前主要用于低斜度探井高壓層的界面位置預測，其精度小于1 m。相比隨鉆地震技術而言，其前探測量精度高，對于薄層識別等具有明顯優(yōu)勢，可以與隨鉆地震技術有效互補。該技術被區(qū)塊作業(yè)者列為“六位一體預監(jiān)測”的核心技術之一[23]，在未來深海高溫超壓油氣資源地質工程一體化開發(fā)中不可或缺。

4 總結及展望

(1)方位電磁波已經(jīng)歷了3代技術升級。邊界探測技術對地層電性界面的識別探測精度小于0.5 m，可用于指導水平段軌跡位置擺放的精確控制；儲層成像技術的探測深度比邊界探測提高了近10倍，可以和勘探地震數(shù)據(jù)形成對照校正，提高了對儲層特征的認識；隨鉆前視技術首次在物理上實現(xiàn)了方位電磁波的前探測量，可以和隨鉆地震等技術形成有效互補。3代技術實現(xiàn)了從水平段到著陸段再到低斜度井的各斜度全覆蓋。

(2)方位電磁波是未來海洋油氣勘探開發(fā)的關鍵技術之一。方位電磁波技術已被廣泛應用于國內4個海域：在我國北部及東部海域的老區(qū)塊調整井開發(fā)、低勘探區(qū)風險開發(fā)井等，利用該技術可以優(yōu)化鉆井軌跡、識別復雜油水特征以及提高水平井產(chǎn)能等；該技術在南海高溫超壓深水勘探開發(fā)中被用于預測高壓層界面位置，其精度小于1 m。方位電磁波為海洋油氣資源從近?？碧睫D向深水深層與高溫高壓領域提供了技術保障。

(3)多方法聯(lián)合是未來方位電磁波技術的重要應用方向。方位電磁波技術受地層電性分布特征影響嚴重，不適用于高電阻率以及電性特征變化不明顯的地層環(huán)境。但是，該技術解決了地震測量技術精度不足等問題，可以和地震測量形成有效的技術互補。通過多方法聯(lián)合形成的多源信息、多角度和全方位精細預測是未來方位電磁波技術的應用趨勢。

(4)發(fā)展具有自主產(chǎn)權的方位電磁波技術具有重要意義。方位電磁波已分別實現(xiàn)了向兩側、向前的深探測，國外技術公司目前正研究同時具備向兩個方向深探測的第四代技術。建議國內研究機構在現(xiàn)有的單/雙邊界反演算法的基礎上繼續(xù)深化多邊界反演算法研究，提高復雜地層的模型適應性，為儲層成像和隨鉆前視奠定算法基礎；硬件上，在現(xiàn)有邊界探測工具的基礎上循序漸進地開展儲層成像和隨鉆前視的技術攻關。