地質導向探邊工具的基本原理及應用

付 仕， 萬教育， 徐廣飛， 李焱坤， 姚 斌

(1西部鉆探定向井技術服務公司 2西部鉆探克拉瑪依鉆井公司)

通過地質導向技術和無線隨鉆測井儀器(LWD)的應用與推廣，水平井開發逐漸由“幾何靶區”向“地質靶區”轉變，傳統的地質導向工具LWD可以隨鉆測量井下的井斜、方位、工具面等井眼參數，還能夠隨鉆測量伽馬、電阻率等地質參數，實時傳輸到地面，繪制出隨鉆測井曲線，作為地質分析的依據，幫助現場地質導向工程師隨時監控地層特性和地質參數的變化。由于LWD是在鉆開地層后，地層暴露時間短、鉆井液侵入小的情況下獲取的地質參數，能更真實地反映井下地層巖性和流體情況，利于地質人員對巖性特性和巖層內流體性質作出準確判斷，為井眼軌跡提供地質導向，準確探明油頂并著陸，引導井眼軌跡在儲層中穿行，提高儲層認識和鉆遇率，達到提高單井產量和開采效果的目的。

目前在國內技服公司中廣泛使用的LWD，其電阻率測量常采用四發雙收方式，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，井下存儲器能夠采集存儲更為豐富的測量信息，待儀器起出，進行回放處理修正和完善實時數據。

隨著地質導向儀器的發展，探邊工具的出現又將水平井開發的目標進一步提高：由簡單地控制軌跡在儲層中鉆進提高為定量化地控制軌跡在儲層中的位置，以提高單井產能和油田的整體開發效果。國內的常規LWD工具已經發展較為成熟，但具備邊界探測能力的隨鉆測井探邊工具尚處于理論研究階段，國內專家學者對其傾斜線圈等結構特點做了深入研究，取得了巨大的成果。國外具有方位電阻率的隨鉆探邊測量技術已經成熟應用，被掌握在國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]，各家工具測量原理相似，但是在工具結構、反演算法和輸出結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隨鉆地層邊界測量儀為代表，通過自建邊界探測模型，從定向電磁波電阻率深、淺測量差值對探邊原理進行解釋，并介紹PeriScope探邊工具在瑪湖地區水平井中的應用，為探邊工具提供一些建議。

一、PeriScope探邊工具的特點及原理

1. PeriScope的功能特點

斯倫貝謝公司研發的PeriScope隨鉆地層邊界測量儀，是具備地層邊界探測功能的隨鉆地質導向工具，同樣以電磁感應測量地層電阻率為原理，關鍵在定向電磁波，通過集成電阻率測量和方向性邊界測量，除了提供傳統LWD測量外，還能提供360°方向性測井、深探測地識別地層邊界和油水邊界[3]。PeriScope已經在國內多個大型油田成功應用。

通過該工具及配套地質建模軟件能夠計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中的構造不確定性、儲層非均質性、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導向，選擇最優方向，深度上提前預測，實時邊界成圖以及識別地層邊界或流體邊界[4]。

2. PeriScope的探邊原理和優勢

傳統的LWD在隨鉆地質導向中有兩點缺陷，一是探測深度，常規LWD深電阻率的探測深度為2～3 m，而PeriScope的邊界探測半徑能達到4～5 m；二是缺少方向性，常規LWD能探測到入層、出層，但是在不知道地層傾角和油層厚度的情況下，無法確定從上出層還是從下出層，即常規LWD能測量出邊界處的電阻率變化，但不能準確指出邊界相對于儀器的具體位置。如圖1所示，當井眼軌跡鉆入泥巖時，無論油層下傾或上傾，常規電阻率曲線(紅色圓形)均表現為由高變低的走勢，無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則能準確判斷出層位置。

圖1 軌跡鉆遇油層邊界時常規電阻率曲線與定向電阻率曲線的變化對比

圖1的模型將360°方向電磁波電阻率簡化為二維平面的上、下兩個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：方向性的實現主要依靠深、淺測量電阻率的差異。當軌跡在厚的均勻地層中鉆進時，深、淺電阻率數值相同，方向曲線為0；當地層電阻率產生差異時，方向曲線開始變化，深電阻率大于淺電阻率時，探測方向指向高阻地層；當深電阻率小于淺電阻率時，探測方向指向低阻地層。圖1(a)所示，當地層下傾，軌跡從頂出層時，向上探測的深測量小于淺測量，向上探測的方向曲線為負，指示軌跡上方為低阻層；向下探測的深測量大于淺測量，向下探測的方向曲線為正，指示軌跡下方為高阻層。軌跡逐漸地進入泥巖后，深、淺測量數值逐漸相同，完全進入均勻泥巖后，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，向上探測更早探測到地層邊界。

圖1(b)所示，當地層上傾，軌跡從底出層時，向上探測的深測量大于淺測量，向上探測的方向曲線為正，指示軌跡上方為高阻層；向下探測的深測量小于淺測量，向下探測的方向曲線為負，指示軌跡下方為低阻層。軌跡逐漸進入均勻泥巖后，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，向下探測更早探測到地層邊界。

3. 邊界探測的影響因素

中國石油大學(華東)的魏寶君先生等人采用水平層狀各向異性介質中的磁流源并矢Green函數對定向電磁波傳播隨鉆測量儀器的響應進行數值模擬，得到了影響定向電磁波電阻率測量的幾個因素[5]：①線圈距。發射天線和接收天線的距離越大，穿越地層邊界時產生的邊界效應越顯著，但接收信號的強度降低，因此線圈距并不是越大越好;②頻率。發射頻率越高，測量信號在地層邊界上的峰值越大，定向測量信號越強。隨著發射頻率增高，幅度比電阻率信號較相位差電阻率信號在邊界處的變化更加劇烈，邊界效應更加顯著。頻率越低，電磁測量的探測范圍越大;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的變化更加明顯，對地層界面的靈敏性增加，但接收信號的強度降低，因此接收天線的傾角并不是越大越好;④地層電阻率對比度。由于該測量儀的基本原理是電磁感應，所以更加適用于電阻率對比度較明顯、邊界過渡帶電阻率變化非緩慢的地層，目的層和圍巖層電阻率對比度越大，邊界探測能力越強;⑤地層傾角和地層各向異性。采用對稱天線結構可消除定向電磁測量信號在遠離地層界面處對地層各向異性和地層相對傾角的依賴，當儀器接近圍巖層時，利用定向電磁測量信號符號的改變可以及早預測未鉆低阻地層的存在及上下部位。

4. 國內探邊工具的研發建議

目前對探邊工具工作原理的學術研究已經較廣泛和深入，但仍無法制造具有探邊能力的LWD原因是無法實現定向電磁波電阻率。斯倫貝謝PeriScope是與旋轉導向工具配合使用的，其發射定向電磁波電阻率的過程中一直處于旋轉狀態，其定向的原理與旋轉導向有相似之處，可以借鑒。國內的研發可以從兩方面入手，一是借鑒旋轉導向的工作原理，與旋轉導向的研發同步進行；二是在非旋轉狀態下對工具正上方、正下方兩個方向進行地層邊界探測，實現“定上、下方向電阻率”實踐：通過角差將電阻率高、低邊與測斜探管的高、低邊校準，可在鉆具靜止或滑動鉆進的情況下測量并矢量計算邊界，該結構雖然無法實現360°邊界探測，無法在水平段大段復合鉆進時成熟應用，但滑動鉆進下略作修改，對于指導軌跡著陸、認識油層傾向、識別出入層方向等方面有重要意義和幫助。

二、實際應用

新疆瑪湖某油田水平井使用旋轉導向配合探邊工具PeriScope隨鉆邊界測量儀及地質導向技術，確保井眼按最優化方向鉆進，推遲見水時間，應用效果顯著。

造斜段：該井設計百口泉頂為井深2 488 m/井斜36.5°/垂深2 476 m，而實鉆至井深2 482 m/井斜31°/垂深2 472.9 m，鉆遇一套標志層褐色泥巖夾灰色粉砂巖，判斷鉆入百口泉組，較設計垂深提前3 m。因為欠井斜，因此將設計6°/30 m的增斜率提高至7°/30 m進行追井斜鉆進。

著陸：設計目的層頂為井深2 732 m，垂深2 604.16 m，井斜77.5°。實鉆自井深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，最終確定實鉆井深2 720 m為目的層頂，垂深2 599.85 m，井斜77.9°。根據探邊工具測量曲線反演得到地質模型(圖2)，判斷此時的油層傾角為下傾2°～3°，如按設計的下傾4°鉆進，軌跡將離油頂越來越遠，無法實現距油頂3～3.5 m的方案要求，遂以安全造斜率及時的將井斜在井深2 768 m處上調至87°，并且將井深2 768 m定為地質A點：進入主力油層后，井斜調整至與油層傾角一致。開始水平段鉆進。

水平段：鉆進至井深2 940 m/井斜86.8°時，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層頂部。該部位地層傾角變化較陡，結合邊界反演及隨鉆曲線指示，地層傾角約為5°下傾，后續持續降斜至84.5°，調整軌跡逐步回到儲層高電阻率部位，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邊界探測功能在著陸時的應用

后續水平段根據PeriScope隨鉆測井及反演計算油層傾角繼續變陡至6.5°，現場導向師及定向工程師調整井斜逐漸降至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。

該井實鉆與設計A點垂深相差3 m，如果按原設計鉆進不可避免會鉆入泥巖，憑借PeriScope邊界探測隨鉆測井的成功應用，使水平段軌跡在地質靶窗中穿行，確保油層鉆遇率達到98%以上。

三、認識與建議

(1)探邊工具的應用使水平井安全、高效著陸，減少地質循環，提高鉆進時效；獨特的定向測量，對流體和地層界面高度敏感，確定井眼相對儲層邊界的位置，指示最佳鉆井方向，提高了優質油層鉆遇率，減少產水量，延長了油井的壽命，使產量最大化，提高采收率；探測深度大，早期預警便于及時決策，可探測并避開水層；細化油藏模型，更精確地預測儲量，鉆更少的井來達到生產目標，開發以前被認為不經濟的邊際油氣層。

(2)探邊工具與旋轉導向配合在新疆油田瑪湖地區得到規模應用，實現規模增儲和快速上產，2016～2017年瑪湖地區水平井中約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，有效提高單井產能，最大限度地提高油藏最終采收率。

(3)國內研發探邊工具可以從兩方面入手：借鑒旋轉導向的工作原理，與旋轉導向研發同步進行；在非旋轉狀態下實現對工具正上方、正下方兩個方向的地層邊界探測。