基于隨鉆方位伽馬和電磁波電阻率的井下可視化地質導向技術

王衛,倪衛寧,王佳琦,劉寶銀,張中慶

(1.中國石化石油工程技術研究院,北京100101;2.北京科學儀器裝備協作服務中心,北京100035；3.浙江大學,浙江杭州310012)

0 引 言

地質結構、剩余油藏較復雜區塊因無法提前獲得地層的真實情況,許多水平井地層鉆前設計模型與實際情況相差甚遠,鉆井過程中因井眼軌跡調整不及時,導致損失部分水平井段,甚至穿透底水層邊界。針對該類問題,工程人員先后開展了地層等厚分析[1]、井震聯合分析[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,這些技術和方法對于復雜地層具有局限性。通過現場作業分析,引起鉆遇率低或鉆井失敗的原因主要在于地層模型預測的地層特性不準確,地層走向計算偏差大和地層邊界確定不及時,未能準確把握地層的構造和走向。

本文綜合鉆前數據、高分辨隨鉆成像數據和具有深探測能力的電磁波電阻率測井數據,提出一種地層實時可視化井眼軌跡導向技術,從鉆前井周地層預測、鉆中精細分析與軌跡導向和鉆后模型精確校正入手,提高儲層鉆遇率,實現了高時效優質鉆井。

圖1 某井周地層三維屬性建模圖

1 井周地層預測與三維可視化建模

根據待鉆水平井周圍已完鉆油井的地層結構,可大致推測該井將鉆遇地層的情況,進行井周地層構造預測和三維空間中地層模型構建。具體方法:①在多井小層對比的基礎上,對測井曲線進行特征值識別、精細層位劃分和地層對比;②根據探井坐標關系確定由層位劃分所得的井間層厚變化規律,通過地震切面拾取探井間地層傾角宏觀變化規律,獲得探井連井方向區域初步地層結構參數;③借助水平井導眼井數據(或造斜段實測數據),通過井斜數據、方位數據和井位坐標數據,計算出地質層位的垂直位移和水平位移,形成層位控制點,采用克里金法和距離反比法[7-8]進行構造建模和屬性建模,從而反演出待鉆井周圍360°地層的構造、巖性和含氣性,形成地層的三維可視化[9]模型[見圖1(a)],達到水平井井周地層的精細預測。

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

2 精細分析與軌跡導向技術

水平井精準導向鉆井的關鍵是鉆進過程中鉆頭與地層邊界相對位置變化的實時確定。在井周地層預測與三維可視化建模定性約束條件下,通過對水平井實測數據實時精細分析處理,實現地層走向方位、鉆頭到邊界距離定量化計算,以定量化數據精確指導鉆頭調整方向和調整量,結合三維成像顯示軟件形成三維可視化軌跡導向技術。

2.1 基于方位伽馬確定地層走向

(1)曲線響應特征及理論基礎。鉆井過程中測井儀各方位伽馬探頭進出地層的時刻不同,對地層界面的響應反映在測井曲線上表現為同一地層響應特征在各方位曲線上存在深度差(見圖2)。這種深度差和井眼與地層相對傾角大小相關。一般稱方位曲線響應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傾角的關系滿足

(1)

式中,σ為井眼與地層的相對傾角;H為高程差;Del為探測直徑,是一個定值,與儀器結構有關。

實時上傳的方位伽馬成像數據形成頂伽馬和底伽馬曲線,可以及時反映井眼與地層相對傾角,同時對地層方位也有很好的指示作用(見圖2)。方位伽馬測井儀器在層內部時,頂、底伽馬測量值通常維持在某一數值附近變化,當儀器穿過層界面后,頂底伽馬測量值又會維持在另一個數值附近變化;當儀器從下向上穿過層界面,頂伽馬將會先于底伽馬偏離當前層伽馬值達到層界面另一側伽馬值,高程差為負值,相反地,當儀器從上向下穿過層界面,底伽馬將會先于頂伽馬偏離當前層伽馬值達到層界面另一側伽馬值,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)地層界面識別和高程差快速計算方法。在巖性不同的地層分界面處,地層放射性變化最為明顯,伽馬測井曲線急劇變化。為表示測井曲線的動態性質,定義測井曲線的拐點為

(2)

圖3 井眼軌跡與地層相對關系圖

式中,t為深度值;G(t)為t的拐點函數值;f(t)為原始測井曲線測量值。拐點相應的離散公式為

(3)

式中,t為采樣間隔;f為測井響應函數,令G(t)=0求得t即為界面位置。從拐點定義公式可以看出,拐點實際上為隨機信號f(t)在的二次導數等于0的位置,此處測井曲線變化劇烈,為不同巖性的地層分界面。

當儀器以一定傾角穿過層界面時,伽馬測井曲線的高邊、低邊遇到界面時刻不同,對應的深度不同。記高邊界面對應的測井深度為DT,低邊界面對應的測井深度為DB,計算的高程差為

H=DT-DB

(4)

當H值大于0時,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夾角小于90°的姿態穿過層界面;當H小于0時,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°的姿態穿過層界面。

(3)地層走向方位計算方法。鉆井過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,需將其轉換成地層與水平面夾角。圖3是井眼軌跡—地層相對關系示意圖,地層與井眼軌跡其他相對關系同樣滿足以上公式。地層視傾角計算滿足

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夾角;β為井斜角。當γ>0時,地層為下傾地層;當γ<0時,地層為上傾地層;用α-90可以判定上切和下切,當(α-90)<0下切;當(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井儀器具有探測深度深、測量數據豐富的優勢,通常測量多個探測深度的電阻率曲線。在水平井中,不同探測深度電阻率曲線的差異反映了儀器探測范圍內地層電阻率變化,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導致電阻率測量曲線發生不同程度的離散,甚至產生邊界極化。隨鉆電磁波電阻率測井曲線分離受儀器本身結構參數、工作頻率、地層傾角、層邊界距離、界面兩側電阻率等多種影響因素約束,滿足關聯關系

(6)

圖4 地層模型實時校正(時刻1:按井周地層預測模型鉆進)

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

曲線分離關聯公式表明,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、地層的傾角有關系,且這些關系相互耦合與制約,除地層傾角可采用方位伽馬計算獲得外,其他參數不能直接從測井數據中獲得。本文通過迭代構造地層模型響應數據與實測數據差值的平方和形式為目標函數,采用梯度下降方法,迭代計算地層模型參數的改變量以使其響應值逐步逼近實測值,直至滿足給定的迭代收斂條件。假定y為實測的測井曲線數據,S為地層模型參數正演響應曲線,構造損失函數

(7)

式中,x為待反演參數(原狀地層電阻率、各向異性系數或層邊界距離等);m為測井曲線條數;Si(x)為參數x與測井響應間轉換關系函數;yi表示實際測井響應對應的第i條曲線(i大于向量x長度)。設置井周地層預測值相匹配的邊界條件,采用梯度下降算法求解目標函數,獲得地層參數x。

3 地層模型精確校正

井周地層預測與三維可視化建模是基于地震、鄰井數據建立,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。實時測井時,根據水平井隨鉆實測數據,通過方位伽馬計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算的地層傾角相互驗證的基礎上,增加邊界距離、地層電阻率等隨水平井鉆井進程變化定量參數,實時校正井周地層預測模型,使之與隨鉆數據相匹配,克服鄰井無法預估地層橫向變化、地震數據無法分辨薄層的困難,為精準導向提供數據支持。

圖4和圖5是實時導向中地層模型精確校正更新的過程。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道為實時測井電阻率曲線道;第4道為反演模型在正演電阻率曲線道,用于與第3道對比,評價反演計算精度;第5道為成像測井道。

圖5 地層模型實時校正(時刻2:鉆遇地震未能分辨的薄層,對模型進行實時更新)

圖6 X井聯合反演導向圖

圖4是著陸前根據井周地層預測技術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,測井曲線與當前模擬曲線高度一致(第3道與第4道對比),可見根據鄰井、導眼井和地震數據建立的模型在宏觀區域(厚層)與真實情況符合。圖5是鉆遇薄層段。根據反演結果實時對模型更新與校正,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有體現,通過反演參數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。根據反演結果對初始模型進行局部精細化調整,能夠直觀準確顯示井眼軌跡(鉆頭)與地層界面的位置關系,指導鉆井過程中鉆頭調整策略的制定。

4 現場應用效果分析

某頁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井進行井眼軌跡控制。該井目的層沉積類型主要為一套辮狀河三角洲沉積體系。沉積構造為低幅度披覆背斜基礎上的構造巖性圈閉,地層層序不確定性較高,地層發育橫向連續性一般,中間小層,紋層變化較大。由于缺少鄰井參考,初始建模采用了導眼井伽馬特征分析結合地震層位約束三維的建模技術,利用方位伽馬實時反演地層傾角、電磁波電阻率實時反演地層邊界位置(見圖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際測井響應曲線一致,反演計算精度高,反演結果與實際鉆遇地層基本吻合,通過反演結果指示的邊界距離、地層傾角、地層電阻率變化極大加快了鉆井進度。

5 結 論

(1)方位伽馬與電磁波電阻率組合地質導向,能夠快速準確地反映出地層的變化,精準指導鉆井施工。

(2)在復雜地層中鉆井施工,基于多井約束三維反演地層技術實現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的地層鉆前預測,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與近鉆頭儀器、地層遠探測儀器及旋轉導向儀器整合,對未來自動鉆井技術發展具有重要的意義。