水平井地質導向自然伽馬探邊技術研究

蔣方貴 畢文毅 王嵩然

摘 ?????要：利用水平井開發可以提高產量和采收率，高的鉆遇率保證產量和采收率。針對水平井軌跡和地層邊界的相對位置與自然伽馬測井值的關系進行了研究，利用隨鉆自然伽馬測井來計算水平井井眼軌跡和地層邊界之間的距離，指導井眼的鉆進;進行了薄互層中探邊方法的研究和不同儲蓋組合探邊方法的適用效果分析。研究表明，自然伽馬探邊在儲蓋巖石自然伽馬值差別較大時適應性較好。

關 ?鍵 ?詞：水平井;自然伽馬;探邊技術;隨鉆測井

中圖分類號：TE243 ???????文獻標識碼：?A ??????文章編號： 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

隨著石油工業的發展，水平井鉆井技術作為提高單井產量和采收率的有效手段之一，在世界范圍內得到廣泛應用。隨鉆測井也廣泛應用于指導水平井鉆井。地質導向技術是用近鉆頭地質、工程參數測量和隨鉆控制手段來保證實際井眼穿過儲集層并取得最佳位置。但實際鉆井施工時，未能完全按照設計的要求而存在偏差，那么在水平井評價過程中，準確地判斷預測地層邊界位置，分析井眼軌跡及提高儲層有效鉆遇率對于提高解釋結論可信度具有重要意義^[1]。傳統的鉆采技術已經無法從根本上達到提高采收率及對油田難動用量進行有效開發的目的。汪忠浩和羅榮將自然伽馬測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距離^[2]。鄭建東等人在大慶長垣致密油水平井測井解釋中應用隨鉆方位自然伽馬曲線確定井眼軌跡是否在儲層中^[3]。趙軍等人將導眼井測井曲線形態與水平井對比確定地層界面，以及水平井測井曲線波動特性結合油藏構造確定地層界面，來判斷井眼軌跡的相對位置^[4]。劉行軍等在鄂爾多斯盆地高伽馬儲層應用自然伽馬結合自然電位和密度曲線判斷井眼軌跡與地層關系^[5]。向長生等基于自然伽馬強度分布的原理，針對探測點距離地層邊界建立了一個無限均勻水平的數學解析模型，為了便于求解，在模型中采用球坐標，大大提高了計算效率，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用自然伽馬曲線定性判斷井眼軌跡的相對位置，不能計算井眼軌跡與地層邊界的距離，在水平井測井解釋中不能準確把握圍巖對測井資料的影響^[7]。

本文對前人的研究工作進行了系統的總結，在其基礎上提出基于自然伽馬響應特征確定井眼軌跡與地層邊界相對位置，模擬計算兩者之間相對距離的方法。根據自然伽馬測井響應原理，模擬計算不同相對位置自然伽馬的測井特征。分析并總結該方法在不同巖性儲層中適應性。

1 ?水平井砂泥巖儲層伽馬測井識別地層邊界原理

自然伽馬測井是基于地層中不同巖石包含放射性元素數量的差異測定其天然伽馬射線強度的方法。通過實際的測井結果便能進一步劃分出鉆孔的地質剖面，進而對剖面中砂巖泥質進行定量分析，并定性判斷出所側巖層的滲透性。

自然伽馬測井原理中，放射性球體在半徑為球心處的光子通量密度^[5]：

??????????（1）

無限均勻放射性地層中某點處的自然伽馬通量：

?????????????（2）

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

???????????（3）

其中： ?—每克放射性元素每秒鐘平均發射光子個數;

?—每克巖石中含有放射性元素的質量，g;

?—地層的密度，g/cm³;

?—地層對光子的吸收系數，/cm。

當時，這一比值等于0.99。自然伽馬探測器接收99%的光子都是由半徑的球體貢獻。若取0.15/cm，則相應的球半徑約為30 cm。

假設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井值），中間為砂巖儲層，其伽馬值為GR_砂，厚度為H（>60 cm）。假定自然伽馬探測范圍是半徑為R=0.3 m的圓（圖1）。

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

若水平井井眼在儲層內，伽馬測井響應與地層邊界相對位置的關系：

（4）

（5）

式中：GR —測井響應值，API;

GR_泥—上覆蓋層純巖石中的自然伽馬測井值，API;

GR_砂—中間儲層純巖石中的自然伽馬測井值，API;

R?—自然伽馬測井儀器的探測半徑，m;

d?—井眼距地層上邊界的距離，m。

2 ?水平井薄互層邊界識別方法

針對中國陸相沉積油層大多為薄互層的特點，進一步研究了不同厚度下井眼和地層邊界的距離與伽馬測井值的關系。在上文中分析了厚層中（儲層厚度大于伽馬測井儀器探測直徑）這兩者的關系，那么在薄互層中伽馬測井響應模型也會發生相應的變化。將薄互層的儲層厚度分為小于探測半徑和大于探測半徑但小于兩倍的探測半徑兩類模型。

一類薄層：儲層厚度H小于伽馬探測半徑（如圖2，假設H=0.25?m）。

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

假設儲層厚度為0.25 m，當水平井在儲層穿行時，伽馬測井響應會受到上下圍巖的影響。自然伽馬測井儀器探測范圍由上下弓形的泥巖區域加上中間砂巖區域組成。此時，伽馬測井響應與地層邊界相對位置關系為：當儲層厚度介于探測半徑與探測直徑之間時，伽馬測井響應模型有兩種。其一，井眼位置靠近地層邊界時（d+R<H），自然伽馬測井儀器探測范圍由弓形區域的泥巖和剩余部分的砂巖貢獻。如圖3中井眼位置1。此時響應方程與在厚層中式（7）是一致的：

?（7）

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

根據響應方程可以在鉆進過程中結合伽馬測井值確定地層邊界相對井眼位置，進而可以做出恰當的鉆進決策。在建立地層模型時，假設地層是各向同性，認為地層具有對稱性，建立的方程也是儲層中點以上計算方法。在根據伽馬測井值確定地層邊界相對位置時，是具有多解的。即確定上邊界或是下邊界的相對位置。也可以結合自然伽馬曲線形態和其他測井方法判斷是上邊界或是下邊界。

3 ?多種儲蓋類型中的應用

表1為儲層巖石主要礦物組分的自然伽馬值。

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

此外，在實際測量過程中隨鉆自然伽馬探邊技術測量精度可能會受到諸多因素的影響，如放射性測量的統計漲落、儀器自身的振動、電源的穩定性及環境溫度等，因此在研制自然伽馬測量儀時應格外注意。

4 ?結論

精準地預測儲層邊界及把握水平井井眼位置對于水平井生產開發來說至關重要。基于以上兩個關鍵問題，本文提出了一種利用自然伽馬響應特征在隨鉆過程中實時確定井眼軌跡與地層邊界相對位置的方法，對其不同位置處的伽馬測井特征進行了模擬，分析了該方法在不同巖性儲層中適應性。模擬結果發現，當水平井在儲層中穿行且靠近地層邊界時，需要對井眼到地層邊界的距離有精確的把控，才能確保鉆頭在儲層內部穿行;同時，儲蓋組合自然伽馬差值越大，應用自然伽馬探邊方法效果越好。此探邊方法對于儲層與蓋層自然伽馬值相近的儲蓋組合是不適用的。利用自然伽馬測井曲線確定井眼位置，判斷水平井的相對位置，為準確預測和控制、調整水平段軌跡，提高油層鉆遇率，提供一種新思路。

參考文獻：

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