地质导向和油藏描述:新一代LWD仪器的威力

编译:赵平 (大庆钻探工程公司测井公司)

王龙娇 (中石油昆仑燃气公司)

周利军 (大庆燃气公司)

审校:丁柱 (大庆钻探工程公司测井公司)

地质导向和油藏描述:新一代LWD仪器的威力

编译:赵平 (大庆钻探工程公司测井公司)

王龙娇 (中石油昆仑燃气公司)

周利军 (大庆燃气公司)

审校:丁柱 (大庆钻探工程公司测井公司)

一种新型深探测电磁 (EM)随钻测井 (LWD)仪的探测深度可达30 m (从井眼计算)或者更深。LWD仪所提供的探测深度可以探测整个长水平距离区域的多个地层。在3个不同水平井中测试了硬件。每口井水平段至少是600 m。新的测量装置可以识别对应于不同地质界面的多个电阻率层。在其中1口井,确定了距离井斜87°的井眼轨迹5 m垂直距离处重要的地层顶部,即在钻头距离界面75 m远时就已经预测到界面的存在。可以识别水平距离超过450 m的井段内、井眼径向距离在17～27 m的单个水平界面。这种探测能力使地质导向的可信度很高。这种测量不但可以提高地质标志之间的可比性,而且便于储层地质学家利用观测结果绘制地貌。通过应用新的深探测EM LWD仪器,可以绘制砂岩尖灭和受油田注水冲蚀影响的区域,描绘储层连通性以及识别次地震断层。这些非均质性是影响流体流动以及了解储层的重要因素。该LWD仪给出的数据比目前市场上其他仪器给出的地质信息多。地质学家和操作工程师可利用该技术提供的信息描绘和监测储层。

地质导向 油藏描述 深探测电磁随钻测井 实时数据反演 实例分析

1 前言

最初,水平井钻井是从几何学角度出发的,即把水平井放到三维目标中,极少或根本就不进行井眼轨迹的前摄调整。

从20世纪60年代起,Hayward(Meador等, 2009)建立了集钻屑描述和泥浆及钻井信息的录井系统。这些系统构成了第一代井眼导向技术。然而,由于地质情况复杂,井眼经常要横穿储层边界,导致井有很长一段处于非产层,从而影响井的生产或注入能力。

20世纪80年代,服务公司开发出井眼LWD补偿电阻率测量。根据 EM波穿越地层的衰减和相移计算电阻率 (Clark等,1988)。

地层倾角相对小时,水平和垂直电阻率可用于计算地层重要性质,如沉积岩石的电各向异性,以及理解电阻率曲线上的极化喇叭 (Soares和Coutinho,1998;Bittar等,2009)。

测井测量结果实时传输推出以后,可以实时调整井眼轨迹 (如地质导向)。

地质导向过程有三种不同的方式:

(1)被动导向。测井结果只是用于地层定位,无需改变任何井眼轨迹。

(2)主动导向。探测深度浅的测井结果用于识别地层边界。如果必要,在横越边界后调整井眼轨迹。

(3)前摄导向。综合深浅探测深度测井结果预测钻头前方的边界,相对于地层边界位置调整井眼轨迹。

根据不同传感器的探测深度和垂直分辨率,反应性的地质导向依赖地层边界或流体界面的探测(Chou等,2005)。例如,通过综合实时电阻率成像和伽马、体积密度成像,可以确定地层边界穿越井眼的方向 (Dowla等,2006)。

已经表明,探测深度极深 (多达 30 m)的EM LWD仪器探测地层边界和流体界面范围有了明显的扩大 (Seydoux等,2004),从而实现前摄地质导向。不过,由于采用轴向天线设计,仪器并非对每个方向都敏感。

随着采用横向和倾斜天线的商用EM LWD的成功推出 (Li等,2005),相对于边界位置的定向地质导向成为可能。几个服务商的定向仪器已经用于商业性地质导向,其边界探测范围一般为3～4 m。

本文介绍的新型深EM LWD仪器探测深度极深,超过30 m,并对边界位置方向敏感,能够探测整个水平地层的多个层段。

Kennedy等 (2009)和 Omeragic等 (2009)强调了这些测量对地质导向的重要性,不仅因为它能预测井眼位置地层边界,而且还能为储层地质学家提供地质信息。譬如,探测 (或绘制)并未穿过井眼的远边界。

在测量应用中,深探测结果极为重要。这些测量结果可以优化目标储层的井眼位置,从而优化产量。另外,这些测量结果对于建井周期也很重要,不用部署试验井,降低了相应成本。

由于新型深EM LWD仪器具有监测多个边界的能力,在使用过程中还发现前所未有的能力。除实时地质导向外,仪器测量结果可用于储层描述。

最近,新型深EM LWD在3口井中进行了试验。钻井过程中,对这些测量结果的反演按年代顺序排列在实时报告中,并与商用的EM LWD仪器进行了比较。

电阻率反演与密度和伽马成像进行了对比,用不同方法计算的地层倾角一致性较好。

2 实例井1

实例1是1口井中的两个砂岩储层,表示为储层A和储层B。这两个储层由层状地层分开。

设计的井眼轨迹大约以74°角穿过储层A顶部。储层A中的井段长约90～100 m,并在到达层状地层之前缓慢地造斜。在以88°倾角进入储层B顶部之前,层状地层测量深度 (MD)有望延长至70 m。

为了能在储层B(该储层具有一个估算的15 m的真实地层厚度TST)钻MD为450 m的井段,遇到储层B后,井眼倾斜将增至90°。在储层B中,井与上部的层状地层和该储层底部保持一个安全距离至关重要。

由于用附近的和邻近的几口井的资料建立了最初的地质模型,所以对该位置的地层构造相对来讲较为熟知。根据关联井和地震资料计算储层A和储层B边界位置。这些资料确定了几个可用于导航控制的控制标志。

最初的构造模型用于前期的工作计划,如地质模型用于模拟设计井眼轨迹的测井响应。模拟测井曲线的反演预测新仪器的地层识别能力。

在该井,新的深探测EM仪器在两个区间进行了测量,称区间1和区间2(它是最深的区间)。

图1所示的是对横穿储层A底部和层状隔层数据的实时反演结果。储层A顶部钻井井段超过45 m(XX550 m和XX600 m MD之间)距离,最上部与井眼轨迹的真垂直深度 (TVD)最大达到17 m。

图1 横穿第一个目标层 (储层A)的新型深探测 EM LWD实时反演 (距离表明相对于井眼轨迹的储层A的顶部和底部位置)

清晰地探测到储层A单元的底部时,井眼距离该底部的测量深度为30 m,垂直深度为7 m。底部被穿透后,距离井眼轨迹上部垂直距离7 m时还能够绘制MD为70 m的井段。

图1所示反演结果来自两个测量区间。探测范围可达30 m TVD(距井眼的径向距离),可识别出3～5个清晰的电阻率界面,这些界面可与地质标志联系起来。

常规电阻率测量结果和成像对靠近储层A底部的交互层敏感,不过,在只钻入该交互层27 m MD、4 m TVD后,常规测井曲线 (如伽马、中子和密度)基本上表现平平。

储层A和储层B之间的交互层包括低电阻率差异的多个薄层。由于差异小,商用EM LWD仪器无法对储层B顶部预先探测。相反,新型深探测EM LWD仪器测量显示该仪器有能力识别交互层。在TVD近似10 m的范围内就可探测和追踪到单个交互层 (图2)。

图2 新型深探测EM LWD测井曲线的反演 (底部),显示出对交互层的分辨能力,已被顶部电井眼成像 (顶部)所证实

图3所示的是靠近储层B的第一次探测结果,此时该层 (测量深度约XX650 m处)位于井眼轨迹测量深度75 m、垂直深度5 m。井眼进入储层B后,为了井眼轨迹位于储层B顶部,轨迹角度从87°增至90°。

图3 新型深探测EM测量结果的实时反演

储层B的首次探测是在井眼以下垂直深度5 m和进入储层B后测量深度75 m。

新型深探测EM LWD仪器测量的另一个重要应用是可以绘制储层或界面的连续性。图4为商用EM测量结果 (绘制了近100 m测量深度的储层B顶部)的反演。

图4 显示绘制储层B顶部的商用EM LWD测量结果的实时反演

采用新型深探测EM LWD仪器,可在超过550 m的距离 (从位于顶部垂直距离5 m、测量深度为XX650 m开始,经过XX725 m处的着陆点,一直到总深度X1200 m、距离顶部垂直距离17 m的井底范围)绘制该层的顶部,如图5所示。

由于注水,储层下面垂直深度大约15 m处可能是低阻层。由于在试验井中观察到低阻层段,所以这种解释得到了支持。解释归因于指状水侵。

反演用于观测几个重要特征:

◇追踪储层B顶部——位于井眼轨迹之上垂直深度17 m处;

◇识别位于垂直深度XX750 m处低阻界面,大多数在井眼轨迹以下垂直深度20 m处;

◇在井钻进和钻出地层时,详细描述轨迹下面的低阻层。

新型深探测EM LWD仪器反演的构造信息将用于设计该油田未来井眼导向。综合该信息与地震和生产数据之后,构造信息的区域推广对于更新地质模型、改进总体解释将是一个重要的输入量。

图5 新型深探测EM测量结果的实时反演,显示储层B顶部的绘图情况 (低阻层归因于存在注水)

3 实例井2

新型深探测EM LWD第二次测试是在1口复杂地质构造的注入井中进行的。

注入井的导向目标是在薄泥夹层砂岩层穿过约750 m距离。

设计的井眼轨迹在套管鞋处倾斜88°,然后增至90°,在砂岩层C钻井大约180 m。横穿C和D之间的界面之后,井眼轨迹将在砂岩层D内部继续240 m(图6)。设计轨迹的最后300 m将在砂岩层C和D的内层中钻进。

一旦穿过水平井段的中心,电阻率对比大的储层上部距离该井的垂直距离超过30 m,准确详细地绘制砂岩层C和D之间的边界 (图6)就是最大的导向挑战。

该井反演结果证明,反演程序识别单层的能力决定于层厚和围岩电阻率差异。在高阻层测量时获得了最好的结果,正如传播电阻率测量结果。

对于该井来说,在两个测量区间完成了新型深探测EM测量,即区间1和区间2(它是最深的区间)。

图6所示的是最短区间的测量结果的反演。这些测量结果可以解决离井眼轨迹近的薄层,但该环境下,探测深度极为有限,大约5 m。反演结果与井眼电成像一致。

图6 下部:新型深探测EM LWD在最短区间的测量结果的反演。井眼最初导向砂岩C,然后横穿至砂岩D。上部:井眼电成像

井眼最初在C储层内部导向,在测量深度大约为XX170 m处穿过该储层底部。穿过C/D泥岩夹层后,砂岩D也被穿透,但穿过砂岩D底部的井眼,在测量深度为XX265 m处接触的主要是含水砂岩层。反演给出了含水砂岩层的位置,但是由于与泥岩内层的电阻率差异不大,问题还不能完全解决。

图7为短间距和中等间距的深EM LWD仪器测量结果的反演。尽管该环境下这些测量区间的最大探测深度约为10 m,但是该反演仍能给出相对好的地层分辨率。

图7 下部:短区间和中等区间中新型深探测EM测量结果的反演。井眼最初导向砂岩C,然后横穿砂岩D(地表S4之下)。上部:井眼电成像

与图6中反演对比,图7中的反演显示了更多的信息,如地层边界的连续性和地层分辨率,这些信息可以降低复杂地质情况中井眼的地层位置的不确定性。几乎所有超过10 m TVD的界面都可被记录下来。砂岩C中的内表面可被识别和绘制。

图8为所有测量区间的深探测EM LWD测量结果的反演。这些测量结果证明新仪器探测深度较深,但地层边界分辨率降低 (与图6和图7中的反演相比)。观察到图8中反演的最重要的特点是整个井段上都可识别出几乎所有重要的地质界面。例如,在超过250 m MD的距离时就可以识别储层C底部表面。

图8 给出多个地层边界位置的反演讨论。所有区间的新型深探测EM LWD测量结果都可用于反演

4 实例井3

对于该井来说,在三个测量间距上进行新型深EM测量:区间1、区间2和最深的区间3。

结果表明较深区间EM测量结果 (即区间3)更重要,因为它可增大探测深度,有利于实时地质导向决策。

该井设计考虑将水注入到海滨深水油田的储层。该储层构造复杂,有几个连通层。计划向上部和下部砂岩体注水以确保相邻生产井水力连通效率。

图9为根据地震数据建水的构造地质模型。设计的轨迹总是距离两个单独通道的底部很近,起初在下部砂岩中穿行150 m MD,然后在上部砂岩中穿行300 m MD。

图9 下部:设计井3的构造地质模型。上部:地震数据和解释

和前两个实例不同的是,并不了解这口井不同储层间的地质构造关系。根据两个不同速度模型解释地震数据,一种模型针对一个通道,以改进补偿井相互关系。

要用新型深探测EM LWD测量结果绘制以下地质目标:

◇确定下面砂岩的顶部和基地,确定其厚度,期待达到最大值5 m TST,因为试验井遇到2 m TST的储层厚度;

◇绘制油/水界面及其相对于下部砂岩基地的位置;

◇探测接近下部砂岩外尖灭处的另一个较浅储层的存在;

◇描绘两个砂岩体的内部界面;

◇描述中间通道层以确定两个储层的连通性。

设计的井眼轨迹如下:

◇在XX233 m MD处以井斜86°从套管鞋钻出后,接近下部砂岩的顶部,达到下部砂岩的基地,同时连续监测储层性质变化;

◇从下部砂岩底部,在超过50 m MD处使倾斜由86°变为89.3°,横穿下部砂岩的顶部、中间通道区域和下部砂岩的底部,连续监测相对于砂岩底部的油水界面位置;

◇遇到上部砂岩底部后,井将呈水平方向。

在XX230m MD处开始地质导向操作。预计在遇到下部砂岩之前可能要钻50 m泥岩。然而,所钻泥岩超过70 m后,任何实时LWD测量结果中都观测不到下部砂岩储层。这是第一次怀疑井眼轨迹太高而无法穿过下部砂岩,因此,井斜从90°降至88°。

井眼在 XX300 m MD处穿过低阻砂岩(1.0Ω·m)(厚度小于1 m TST)。该砂岩的总长度11 m MD。尽管解释为属于下部储层的含水砂岩层,但是该砂岩太薄,无法与目标储层联系起来。

测量区间不同的深探测EM LWD测量结果的反演表明在测量的径向探测范围内 (该环境下多达30 m)不存在下部厚砂岩。井眼轨迹以上存在一个薄高阻砂岩。确定上部砂岩存在后,把井斜从90°增加至93°来优化井眼轨迹以横穿两个通道间的地层。

在钻前模拟期间,注意到由于低电阻率差异,接近于油水界面和上部储层底部的导向会很困难。因此,穿过中间通道区域后,决定在内部和接近于上部砂岩的高阻部分导向。通过将井斜降至90°获得了成功。

在XX780 m MD处,深探测EM LWD反演显示基底导电层正在接近井眼轨迹,这反应了地震解释预测的上部储层尖灭的存在。为了避免横穿进入底部泥岩,将井眼倾斜又增至96°,但井眼最终在XX845 m MD处触及上部砂岩的底部,这可能是存在次等地震断层的缘故。

根据所有三个区间深探测EM LMD测量结果的反演识别出上部砂岩储层之上的高阻砂岩。这与期望的较浅储层一致,不过,并不能完全分辨该储层的边界。

5 结论

三个现场测试表明新型深探测EM测量结果径向探测深度为30 m(从井眼起)。深探测EM测量结果的反演可以探测总垂直距离为60 m范围的地层边界。

综合新型深探测EM仪和商用EM仪的测量结果可以识别沿井眼轨迹的多个地质特征。远地层边界的识别对于增强地质导向能力很重要。

这些现场测试所获得的认识可应用到更进一步的工作计划和钻井作业中。

资料来源于美国《SPWLA 51stAnnual Logging Symposium》2010年6月

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.11.013

2010-10-08)