隨鉆方位電磁波電阻率測井技術與地質導向應用

岳喜洲,馬明學,李國玉,劉小剛,劉天淋,謝濤

(1.中海油田服務股份有限公司油田技術研究院,北京101149;2.電子科技大學電子科學與工程學院,四川成都611731;3.中海石油(中國)有限公司天津分公司,天津300452)

0 引 言

在油氣藏開發中,由于地震資料分辨率較低、隨鉆核測井探測深度淺、常規隨鉆電阻率測井無方向性以及井軌跡測量誤差隨深度逐漸增大等問題,解決高角度井井眼著陸、水平井鉆井軌跡優化及地層評價等關鍵問題方面一直存在大量挑戰。快速發展的隨鉆方位電磁波電阻率測井技術,可以有效解決上述問題。隨鉆方位電磁波電阻率測井技術地層方位探測深度可達數米,通過實時數據反演軟件可定量得到儀器到地層界面的距離以及地層真電阻率,進而提前調整井軌跡,實現主動式地質導向。國外各大油服公司相繼推出各自的隨鉆方位電磁波電阻率測井儀器[1-4],在國內外多個油藏區塊獲得商業化地質導向應用。中國隨鉆方位電磁波電阻率測井技術的研發起步較晚,近年來也取得不少突破[5-7],開展了井下工具的實際井場試驗和數據處理方法研究,但尚未實現大規模成熟商用以打破國外壟斷。十余年來,在中國近海油氣田開發領域,基于隨鉆方位電磁波電阻率測井技術的高端地質導向市場完全由外方壟斷[8-10]。

2018年,中海油田服務股份有限公司自主研制了新型隨鉆方位電磁波電阻率儀器(Directional Wave Propagation Resistivity Tool,簡稱DWPR儀器),首次在新疆實際測井試驗成功。2019年以來,新型隨鉆方位電磁波電阻率儀器在渤海區域、南海東部區域實現了50余口井的商業化地質導向作業,標志著中國自主研發的隨鉆方位電磁波電阻率測井技術躋身國際前列,推動了中國在高端主動式地質導向領域的技術進步。

1 新型隨鉆方位電磁波電阻率儀器

1.1 儀器結構與探測特性

新型隨鉆方位電磁波電阻率儀器采用全對稱結構實現常規電阻率測量,采用傾斜發射-傾斜接收的雙斜正交線圈系實現方位電磁信息測量,并且同一線圈系可實現地質信號與各向異性信號同時測量[10]。DWPR儀器線圈系結構見圖1。

圖1 DWPR儀器線圈系結構圖*非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

DWPR儀器采用高頻(2 MHz)、中頻(400 kHz)和低頻(100 kHz)這3種測量頻率,可同時測量地層平均電阻率、方位電阻率、地質信號,各向異性信號及成像測井信號。在常規電阻率測量方面,采用全對稱模式測量,完全兼容中海油田服務股份有限公司常規隨鉆電阻率測井儀(ACPR)的功能[11],電阻率的測量源距、頻率和ACPR儀器保持一致,并增加了400 kHz、100 kHz下的60 in源距深方位電阻率測量功能。

DWPR儀器地層邊界探測深度可達6.8 m[12]。DWPR儀器可提供24、40、82 in和96 in源距不同探測深度的地質信號,以及24 in和96 in源距的各向異性信號。在儀器旋轉過程中,將圓周分為16個扇區,接收線圈采集儀器工具面朝向不同扇區方位時的電磁信號,獲得對應每個扇區的信號響應,實現方位信息的測量。

相位差地質信號(GP)、幅度比地質信號(GA)定義為

(1)

(2)

式中,vup為儀器工具面位于地層法向時的電動勢,mV;vdn為儀器工具面位于地層法向負方向時的電動勢,mV;angle指取復數的角度,(°)。

相位差(MP)、幅度比(MA)各向異性信號定義為

(3)

(4)

DWPR儀器完成方位電磁波電阻率和方位伽馬的集成測量,最多可完成8組方位視電阻率成像測量、16組地質信號成像測量、8組各向異性成像測量以及8扇區方位伽馬成像測量功能,對于地層邊界探測、地層電阻率各向異性評價、提取地層傾角等問題均可較好地解決。

1.2 DWPR儀器典型響應特征

1.2.1方位電阻率成像特征

傳統電阻率測井曲線的測量模式可保證新一代方位電磁波電阻率儀器與上一代儀器的輸出相匹配。DWPR儀器的測量內容包含了常規隨鉆電阻率測井儀器測量到的信息。由22、36 in線圈距的ZZ分量測量組合得到幅值比和相位差電阻率,并且根據傾斜接收線圈R3、R3′的測量信息,提取一組等效60 in源距的電阻率曲線和圖像,得到深、中、淺3組電阻率測量信息。

圖2為3層模型中電阻率曲線及其方位成像圖。圖2中由上到下,第1道為視電阻率曲線,RP36H、RP60M分別為高頻36 in源距相位差電阻率、中頻60 in源距相位差電阻率曲線;第3道為方位電阻率成像,RP60M-IMG為中頻60 in源距相位差電阻率成像,U、R、D、L分別為儀器工具面上、右、下、左方位;第4道GR-IMG為方位伽馬成像;第5道為地層模型,模型中上、下圍巖電阻率為1 Ω·m,中間目的層電阻率為10 Ω·m,紅色曲線為井眼軌跡。由圖2可見,電阻率曲線在地層界面附近出現極化角現象,但電阻率曲線不能提供地層方位信息。方位伽馬成像由于探測深度較淺,只能在穿過地層界面時呈現正弦或余弦特征。方位電阻率成像由于探測深度更遠,能指示未鉆遇地層的方位和電阻率特征,在臨近界面時,方位電阻率成像早于方位伽馬成像出現變化,可以實現地層預判。

圖2 3層模型中電阻率曲線及其方位成像圖

1.2.2方位地質信號特征

地質信號由單發單收線圈系產生,由式(1)和式(2)可得到相位差和幅度比2個地質信號。儀器旋轉一周,可以得到方位地質信號成像圖像。圖3為DWPR儀器方位地質信號成像響應特征圖。

圖3中由上到下,第1道為視電阻率曲線;第2道為深度;第3道為地質信號,GP96L表示低頻96 in源距相位差地質信號,GA82M表示中頻82 in源距幅度比地質信號;第4道為方位地質信號成像,GP96L-IMG表示低頻96 in源距相位差地質信號成像;第5道GR-IMG表示方位伽馬成像;第6道為地層模型,模型中上、下圍巖電阻率為1 Ω·m,中間目的層電阻率為10 Ω·m。由圖3可見,當儀器從上往下由上部泥巖進入砂巖時,地質信號是正值,并在地層界面處達到最大值。當儀器從上往下由中部砂巖接近底部泥巖時,地質信號由正值轉為負值,最接近底部泥巖時,負值最大。而儀器從下往上由砂巖接近上部泥巖時,地質信號也為正值,接近地層界面處,地質信號絕對值增大。儀器位于儲層中部時,信號強度超過探測門限,地質信號成像顯示出方位響應,可直觀指示下部地層存在低電阻率界面。

圖3 方位地質信號成像響應特征圖

1.2.3各向異性成像特征

在均勻橫向各向同性介質中,垂直電阻率、水平電阻率、相對傾角與方位角這4個變量定義了地層各向異性信息與儀器及地層關系。HAGIWARA[13]早已證明,無論采用多少條常規傳播電阻率測井曲線(在各種頻率及線圈距組合下的相位差和幅值比電阻率),基于物理原理,無法同時求解上述4個變量。

對于新一代方位電磁波電阻率儀器,由于同時測量到除ZZ外的其他多個分量,所以可求解出那些未知參數。儀器旋轉時,依靠傾斜發射線圈T2、T2′和傾斜接收線圈R3、R3′的組合,可提供高、中頻24 in源距各向異性信號和中、低頻96 in源距各向異性信號。當地層存在各向異性時,儀器旋轉一周所得幅度和相位各向異性成像顯示為對稱的條帶狀。

圖4為典型砂泥巖互層模型中的儀器響應。圖4中從上到下,第1道為深度;第2道為電阻率曲線,Rh表示地層水平電阻率,Rv表示地層垂直電阻率,RP36M、RA36M分別表示中頻36 in源距相位差電阻率、中頻36 in源距幅度比電阻率曲線;第3道MP24H-IMG為各向異性成像,MP24H-IMG表示高頻24 in源距相位各向異性成像;第4道RA36M-IMG為方位電阻率成像;第5道GA96L-IMG為方位地質信號成像;第6道為地層模型,模型中第1、3、5層為各向同性地層,電阻率為1 Ω·m,第2層為各向異性地層,水平電阻率為5 Ω·m,垂直電阻率為10 Ω·m,第4層為各向同性地層,電阻率為10 Ω·m。由圖4可知,當井眼軌跡過地層界面附近時,方位地質信號成像顯示明顯正、余弦特征,直觀顯示出地層界面方位信息;同時電阻率成像顯示地層高、低電阻率特征;受地層邊界影響,各向異性成像顯示正、余弦特征;當進入各向異性地層時,各向異性成像顯示明顯對稱條帶,指示出各向異性存在;而在各向同性地層中,各向異性成像無明顯特征。

圖4 典型砂泥巖互層模型中的儀器響應

2 邊界距離反演

2.1 反演算法

儀器響應和地層參數之間的關系可用數學函數表示為

(5)

式中,y為測井響應;n∈[1,N]為測井曲線數;i∈[1,M]為地層層數;j∈[1,M-1]為層界面個數;σh為水平電導率,S/m;σv為垂直電導率,S/m;DTB為儀器與地層界面的距離,m;α為儀器與地層相對傾角,(°)。利用測井響應反演地層參數,問題可歸結為最小二乘問題,其目標函數為

(6)

式中,O為目標函數;yn為第n個測量值;N為測量值個數;f(x)為數值模擬測量值;x為地層參數向量,即待反演地層參數。

為提高算法的收斂性和穩定性,采用阻尼正則化的方法對上式進行求解

(A′A+λI)Δx=A′b

(7)

式中,A為雅可比矩陣,A′為雅可比矩陣的轉置;λ為正則化因子;I為單位矩陣;Δx為待反演參數增量;b為目標函數殘差。

2.2 地質導向應用實例

2019年起,DWPR儀器在渤海區域、南海東部多個油田使用50余井次,總進尺超過20 000 m,應用根據邊界距離反演算法編制的實時邊界反演地質導向軟件,該儀器在水平井地質導向以及大斜度井的精準著陸均獲得了成功應用。圖5為渤海X1井地質導向測量結果。圖5中從上到下,第1道為伽馬曲線,GRU、GRD、GRC分別表示上方位伽馬、下方位伽馬、平均伽馬;第2道GR-IMG為方位伽馬成像;第3道為深度;第4道為電阻率曲線,RP22H、RP22M、RP36M分別表示高頻22 in源距相位差電阻率、中頻22 in源距相位差電阻率曲線、中頻36 in源距相位差電阻率曲線;第4道為實時反演結果。

圖5 渤海X1井地質導向測量結果

渤海X1井位于渤海油田某背斜構造帶上,前期鉆井揭示儲層單層厚度變化較大,從不足1 m到大于20 m,薄儲層所占比例較大。下部存在水淹情況,常規隨鉆測井由于探測深度淺、無方向性等限制,難以滿足油藏開發需求。館陶組油層電阻率在100 Ω·m左右,圍巖電阻率在2 Ω·m左右,儲層厚度在10 m左右。應用DWPR儀器,在目的層內達到了接近7 m的邊界探測深度,證明該儀器實際性能達到了設計指標。該井實鉆過程中,通過實時反演地層邊界位置,及時調整井斜角度,避免了鉆出儲層或鉆遇下部水淹層,提高鉆井效率和油藏的有效開發面積。

3 結 論

(1)DWPR儀器可提供常規隨鉆電阻率曲線,同時擴充了方位電阻率成像功能,可直觀顯示地層電阻率界面及方位信息。

(2)DWPR儀器可獲取多頻多源距方位地質信號,信息豐富,互為補充;其獨特的各向異性信號定義方式,可直觀展示各向異性圖像,指示地層電阻率各向異性。

(3)針對該儀器的測量信號開發了實時邊界反演地質導向軟件,實現了多層介質中的地層電阻率和邊界距離聯合反演。在渤海區域、南海東部等地區五十余口井的作業實例,證明了儀器和地質導向軟件的穩定性和可靠性。