利用随钻电阻率仪器方位响应识别地层界面

1、基于随钻电磁波电阻率和伽马测井仪器的地 层界面识别方法 唐海全，肖红兵，杨震 (中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东 东营 257017 ) 摘要： 随钻测井资料特别是随钻方位性测井资料在地质导向钻井中起着至关重要的作用，可以预测和判断地 层界面、地层方位特征以及各向异性地层走向。介绍了随钻电磁波电阻率仪器、方位深探测电磁波电阻率仪 器和方位伽马仪器的基本结构以及测量原理；分析了测量仪器在穿越地层界面时的影响因素和边界效应，进 而提出了利用电磁波电阻率和方位伽马曲线响应特征实现地层界面识别的方法，最后举例说明了随钻电磁波 电阻率和伽马成像仪器在地层界面识别中的应用。现场应用表明，研究

2、开发的具有边界探测能力的地质导向 技术和装备，优化了井眼轨迹在储层中的位置，降低了打穿油层的风险，提高了储层钻遇率。关键词： 随钻测井；电阻率测井；方位伽马；储层；界面识别；地质导向Recognizing Method of Formation Interface Based on Electromagnetic Wave Resistivity andAzimuthal Gamma Ray Logging Tools While DrillingTANG Hai-quan, XIAO Hong-bing, YANG Zhen( Drilling Technology Research Ins

3、titute, SINOPEC Shengli Petroleum Engineering Co. Ltd., Dongying, Shandong, 257017, China)Abstract: LWD data especially with the azimuthal logging data, plays an important role in geosteering. It can predict the formation interface, stratigraphic position features and anisotropic formations directio

4、n. This paper briefly describes the basic structures and working principle of several instruments, such as electromagnetic wave resistivity tool, azimuthal resistivity tool and azimuthal gamma ray tool. Then, analyses the boundary detection and response principles of the measurement tools penetratin

5、g through formation boundaries and further proposes the methods for achieving the formation of interface recognition based on response characteristics. Finally, describes the application effects of the resistivity and imaging gamma ray tools in the formation interface identification. Field applicati

6、on shows that with boundary detection capability geosteering technology and equipment, can optimize location of the well trajectory in reservoirs, reduce the risk penetrated reservoir and improve reservoir drilling rate.Key words: LWD; resistivity log; azimuthal gamma ray; reservoir; interface recog

7、nition; geosteering0 引言中国石油工业经过几十年的发展，很多油田开始进入开发中后期，整装油藏开发逐渐减 少，薄互层、断块、低渗等复杂油气藏成为油田勘探开发的主战场。复杂油气藏具有含油面 积小、构造变化快、流体性质和储层特性关系复杂等特点，对以综合录井和常规LWD仪器进行定位和预测地层界面的地质导向钻井技术提出了严峻挑战。国外最新研发的随钻测量仪器， 例如斯伦贝谢 GeoSphere1 、贝克休斯 Startrak 2 等，已具备地层前视探测和超深边界探测功 能，实现地质导向技术革命性的进步，成为高效油气藏开发及先进钻井技术应用的关键。国 内随钻电磁波电阻率测量仪器已经在地质

8、导向钻井施工中普遍应用，但具有定向测量和电阻 率各向异性测量能力的随钻方位电阻率、伽马成像测井仪器目前还处于研制试验阶段，未形 成商业化应用产品。胜利钻井院在前期感应电阻率和自然伽马组成的双参数地质导向系统研制成功的基础 上，研发了以多频多深度随钻电磁波电阻率和方位伽马为核心的地质导向系统 3,4 。同时，有 效突破了常规地质导向不具备方位性、探测深度浅等技术瓶颈，研发了随钻方位深电阻率测 量系统样机，为进一步开发低品质油气藏、难动用油气藏提供了强有力的技术支撑。本文首先介绍了随钻补偿电磁波电阻率、方位深探测电阻率以及方位伽马仪器结构，分析了各仪器 在穿越地层界面时进行边界探测方法及产生的边界

9、效应，根据响应特征从测量仪器与井眼倾 斜角度、地层电阻率对比度等因素进行分析, 提出了实现地层界面识别的方法。通过现场应用表明，地质导向钻井过程中利用不同频率、不同探测深度和方位特征的地质测量参数可以及 时的指示出地层界面的存在，更容易的调整井眼轨迹并保持在期望的地层内穿行，增大储层 钻遇率。1 利用电磁波电阻率极化角预测地层界面随钻电磁波电阻率系统在穿越地层介质时电磁波将产生衰减和相位移，并且穿越不同地 层介质，电磁波产生的衰减和相位偏移也不相同，因此，可以通过测量电磁波的衰减和相位 移来计算地层的电阻率和介电常数。如图 1 所示，电磁波电阻率测量仪采用 2MHz、400kHz 的 工作频率

10、，四发双收，可得到 12 条不同探测深度的相位差、幅度比补偿电阻率曲线及 16 条 非补偿电阻率曲线。利用不同地层流体的电阻率差异，通过对电阻率测量结果一致性、异常 性和重复性的分析，可以帮助现场工程师实时判断油水界面或其他的液相界面。随钻电磁波电阻率探测边界的原理主要是利用了边界效应 5,6 ，这种边界效应就是通常所 说的“极化角” ，利用这一特征有助于识别储层边界。极化角现象是电磁波电阻率仪器在以小 角度（小于 30）接近地层边界时，其发射的电磁波会在边界附近的地层产生一个附加电磁 场，这个附加电磁场与仪器本身所激发产生的电磁场相叠加，从而增强了地层中的信号强度， 导致了测量点处测量值的急

11、剧增加。由于这个附加的电磁场对幅度比电阻率的影响要远小于 对相位电阻率的影响，所以对产生极化角现象的概率来说，幅度比电阻率要远小于相位电阻 率。图 2 不同倾角下电阻率曲线数值模拟如图 2所示，是采用双发双收介质模型对不同倾角下电阻率曲线进行的正演模拟 7 ，虚线代表衰减电阻率曲线，实线代表相位电阻率。从图中可以看出，电阻率曲线发生突变的位置 是在储层厚度为 15 米的左、右两侧地层边界位置。极化角的形成和幅度大小主要受仪器与地 层之间的夹角、目的层与围岩电阻率的对比度、仪器测点距边界的距离等有关。一般情况下 仪器与地层之间的夹角越小越明显 , 目的层与围岩电阻率的对比越大越明显, 仪器测点距

12、边界的距离越近越明显。利用电磁波电阻率测量仪的这种特性，可以判断钻头在油藏中的位置， 有效控制钻头在目的层中油藏物性较好的位置穿行。借助于这一特性，在薄油层水平井开发 中得到了很好的应用。2 利用随钻电阻率仪器方位响应识别地层界面 常规的电磁波电阻率仪器采用同轴收发线圈，响应产生的极化角对于地质构造的解释和 地层界面的判断有一定帮助，但不能反映地层方位信息，对于是从低阻层进入高阻层，或从 高阻层进入低阻层，这种不带方位测量的电磁波电阻率仪器均产生相同类型角峰。如图3（ a）所示， 测量仪器在低阻 （2.m）进入高阻 （ 20 .m）或者由高阻 （ 20 .m）进入低阻 （1 .m） 时幅度电阻

13、率曲线（绿色）和相位电阻率曲线（蓝色）产生的边界效应的方向性相同，无法 判断进层或者出层。因此，无法明确的告诉决策者该怎样调整钻头才能以最快的速度重新回 到储层中，无法及时提供精确的地质导向信息。具有边界探测功能的方位电磁波电阻率地质导向系统，突破了常规地质导向不具备方位 性、探测深度浅等技术瓶颈，实现了地质导向技术的革命性进步。可实现多频率、多倾角信 号发射和多频率、多倾角信号接收，获得含有方位信息的电阻率和相位差测量，解决钻井过 程中油藏物性和油水界面的不确定性以及地质倾角和构造的不确定性等技术难题。如图 3（ b）b）方位电磁波电阻率仪器响应所示， 测量仪器由低阻 （2.m）进入高阻 （

14、 20 .m）或者由高阻 （ 20 .m）进入低阻 （1 .m） 时幅度电阻率曲（绿色）和相位电阻率曲线（蓝色、红色）在靠近地层界面之前电阻率曲线 已经出现分离，且产生不同方向的方位响应特征，因此可以很好的指示出地层所在方向，并 提前预测地层界面的存在。（ a）普通电磁波电阻率仪器响应图 3 普通电磁波电阻率和方位电磁波电阻率仪器响应对比T1-T5 为发射400kHz、如图 4 所示，是采用五发三收天线结构随钻方位电磁波电阻率测量系统，其中 轴向发射天线， R1-R2 为轴向接收天线， Rc 为横向接收天线，边界探测采用双发单收， 天线关于接收天线对称；电阻率测量工作频率：400kHz、 2M

15、Hz；边界探测工作频率： 及成像资料可以反演仪器到层界面距离，使仪器更大程度地停留在储层内，提高储层开发程 度。根据对称发射补偿和延迟补偿交叉耦合电动势信号可以更加准确快速的预测和判断层界 面距离并计算得到层界面相对倾角；将方位电动势信号与 400kHz 幅度电阻率信息结合生成方 位电阻率信息，结合仪器工具面方位角信息进行电阻率成像，使之具备较大的探测深度，能 更好的应用于地质导向 9 。按照地层模型合成方位电磁波电阻率的实现公式如下：8 。利用方位信号大小图 4 随钻方位电磁波电阻率系统结构示意图随钻方位电磁波电阻率方位信号能清楚地预测和指示层界面的存在利用 TE 波与 TM波分解及数，推导

16、波数域中电磁场法向分量在地层中分布规律，然后利 用法向分量与水平分量的关系，得到电磁场水平分量，最后得到仪器周围地层电磁场分布， 转换成仪器电阻率和定向电动势。Ezsin ddzzz0J1()eikzv z zkzvHz i Mv 0 J0( )eikzhz zd Mh cos d z z 0 2J1( )eikzh z zdkzviv2kzhih其中： 为磁导率， H/m； 为工作频率， rad/m ； M h、 M v分别为水平磁矩和垂直磁矩， A.m2； 为方位角； Jn（）为 n阶 Bessel 函数； 为积分变量； kzv 、 kzh分别为纵向波数和径向波数； v 、 h 分别为垂直

17、电导率和水平电导率， S/m。图 5 为数值模拟采用的地层模型，泥岩地层电阻率为1.m，砂岩地层电阻率为 10 .m，图 5（ a）储层位于层界面上方，图 5（ b）储层位于层界面下方，井眼轨迹与层界面法线的相 对夹角为 80（ 即井眼的相对井斜角为 80 ） ，分别沿着图中的井眼轨迹由储层穿过层界面进 入非储层。两种地层模型中， 传统的电磁波电阻率仪器响应是相同的， 无法区分目的层 （10 .m） 位于泥岩 （1 .m）的上方还是下方，给钻头调整带来困难，但通过方位电磁波电阻率成像能很 好的解决这个问题。通过选择两条探测深度不同的电阻率曲线与横向天线Rc 测得的不同方位的定向电动势曲线可以进

18、行方位电阻率成像（蓝色代表低阻，红色代表高阻） ，方位电阻率具 备良好的方位特性，能准确识别层界面的相对位置 10 。（a）储层位于层界面上方（ b）储层位于层界面下方图 5 随钻方位电磁波电阻率成像模拟由图 5 模拟合成的效果图可以明显地分辨出低阻层或高阻层的相对方位，消除井眼轨道与储层相对位置的不确定性，提高地质导向决策的科学性。因此，随钻方位电磁波电阻率能 更好地识别地层界面和进行地质导向。3 利用随钻方位伽马资料判断地层界面常规自然伽马测量不具有测量方位信息能力，只能显示钻头处于储层还是非储层中，一 旦由于地层变化或者其他原因钻头钻出储层之后，不能及时指导定向工程师引导钻头重新回 到储

19、层中去。随钻方位伽马 / 伽马成像仪器，记录多个结合旋转方位信息的扇区测量数值，因 此这些测量值包含了井下仪器的方位信息，通过这些实时上传的上、下伽马数据，可以迅速 通过调整钻头方位使钻具重新在储层中穿行。随钻方位伽马测井通过测量不同方位扇区的地 层自然放射性，从而得到 2、4、8或 16个扇区的自然伽马值，通过进一步处理可以得到方位 伽马成像，从而实现地质导向、地层边界识别，更为准确的地质参数的实时评价等功能。如图 6 所示，随钻测量仪器从顶部进层时，下伽马值首先降低，然后上伽马值降低；从 顶部出层时，上伽马值首先抬起，然后下伽马值抬起；从底部进层时，上伽马值首先降低， 然后下伽马值降低；从

20、底部出层时，下伽马值首先抬起，然后上伽马值抬起；完全进层或出 层后，上、下伽马值基本一致 11,12 。图 6 方位伽马边界响应示意图4 应用实例分析图 7 是某 H1 井随钻方位伽马、 电磁波电阻率及伽马成像资料在不同地层中应用实例。 由 于该井开发的是厚油层顶部剩余油储量，目标层上下均为致密泥岩盖层，油层薄且油层倾角 的不确定性较大，而且设计要求 A、B 靶点垂深距离油层顶界面的垂向距离不超过1.0m，这就限制了 B 靶点在实际施工中只能有很小的垂深变化范围，从而相对增加了水平段的井眼轨 迹控制难度。在这次应用中，通过随钻电磁波电阻率、方位伽马以及伽马成像的边界效应综 合及时发现边界，工程

21、上及时调整，使轨迹快速返回目标层。从深度 2741.0m 开始机械钻速开始降低，不同探测深度的电磁波电阻率曲线出现明显的 分离（探测深度深） 、方位伽马曲线并未出现分离（探测深度浅） ，说明在仪器较小范围内地 层电阻均值较低，较大范围内地层电阻均值较大，造成此现象原因是仪器贴近油层界面。暂 停钻进后，从循环上返的岩屑和气测值判断，同样得到证明。由于测量仪器挂接在动力钻具 之后，虽然此时仪器显示正在接近非储层界面但还未穿出油层，但仪器参数测量点距离钻头 仍有 10m 的距离，预测此时钻头很有可能已经接触油层底部，因此必须及时调整井眼轨迹才 能避免钻头穿出油层；在井深 2748.6m 处，方位下伽

22、马测量值逐渐大于上伽马值并出现明显分离，地层界面自然伽马成像明显，此后方位伽马值基本一致、保持高值，电磁波电阻率保 持低值，判断钻头深度在 2751.0m 附近穿出油层，在 2761.0m 后重新进入油层。但由于井斜 调整过大，导致钻头在 2772.5m 贴近储层顶部，此时及时对井眼轨迹进行微调，确保井眼一 直在目的层穿行直到完钻。随钻电磁波电阻率和伽马测井仪器在实时钻探地层进入以及钻出界面时，显示了仪器测 量参数实时性的优势，为及时采取相应措施赢得了时间。图7 H1 井随钻测井综合成图曲线5 结论（1）在水平井施工中，随钻电磁波电阻率测井在地层界面上容易出现极化角现象，有助 于地层分界面的判

23、断，但极化角的形成以及幅度的大小受钻井环境影响因素较大，多数情况 下很难判断井眼轨道与待钻地层的相对位置。（2）利用随钻方位伽马曲线和伽马图像，不但可以替代常规伽马测井，实时测量地层岩 性，还能够分辨上下界面的岩性特征，形成伽马成像测井图像，便于对地层特征的观察和识 别，更好的指导水平井地质导向施工。（3）随钻方位电磁波电阻率仪器对地层界面具有良好的指示和预测作用，可以更准确的 确定储集层边界的位置，利用方位电磁波定向曲线还可以判断出地层界面与仪器的相对方位， 从而及时准确的调整钻头钻进方向，确保进入储层的最佳时机。（4）通过与常规地质导向系统应用对比，具有边界探测能力的地质导向系统更能实现对

24、 地层特性的判断和钻头在储层内穿行精确控制，可为高含水开发后期的油田区块，以及薄油 藏、断块油藏等复杂油气藏的勘探开发提供有力的技术支撑。特别是在目前低油价时期，在 现场生产中具有广泛应用价值。参考文献1Schlumberger. Logging While Drilling (LWD) & Measurements While Drilling (MWD)ServicesEB/OL.23Baker Hughes. Logging While DrillingEB/OL. and-services/drilling/drilling-services/logging-while-drilling-lwd-services 闫振来，韩来聚，李作会，等胜利油田地质导向钻井技术研究与应用J 钻采工艺， 2008，31(1)