水平井地质导向中储集层边界识别与测距

李 林，滕鑫淼,2，盛利民，张明宝

（1. 中国石油集团钻井工程技术研究院; 2. 中国石油勘探开发研究院）

水平井地质导向中储集层边界识别与测距

李 林1，滕鑫淼1,2，盛利民1，张明宝1

（1. 中国石油集团钻井工程技术研究院; 2. 中国石油勘探开发研究院）

为了定量确定水平井钻井中钻具与储集层边界的距离，提出“探层测距”方法，建立了“探层测距”物理及数学模型，设计了“探层测距”电路，并通过模拟实验进行了可行性验证。“探层测距”方法为：水平井钻井随钻测量过程中，通过发射高频定向电磁波并接收反射波来探测储集层边界并测量钻具与储集层边界的距离。设计了高压窄脉冲和单频调制脉冲两种“探层测距”电路，基于电路原理建立了“探层测距”系统并采用3种介质进行了模拟实验，结果表明：采用高压窄脉冲电路时由接收波形获得的储集层“细节”更多，采用单频调制脉冲电路时接收波形更易于识别与分辨；在不同介质、不同距离条件下，采用“探层测距”方法测量的距离与实际距离的相对误差不超过5%，测量精度较高，方法可行。图8表1参11

地质导向；水平井；随钻测量；电磁波；储集层边界

0 引言

在水平井钻井中，为提高钻遇率，多采用地质导向技术[1-2]。所谓地质导向，就是利用电阻率、伽马、中子等多种测量方法引导钻具在储集层中钻进，依靠这些测量方法大多能判断出钻具及井眼（水平井或大位移井）轨迹是在储集层中还是在储集层外，但无法定量确定钻具与储集层边界的距离[3-4]。因此，在水平井地质导向中往往会出现钻具入储集层、出储集层、再入储集层、再出储集层的波浪状井眼轨迹。为了使钻具始终在储集层中钻进，本文提出一种“探层测距”方法，用以确定钻具所在储集层的边界，测出钻具与储集层边界的距离。

1 “探层测距”方法提出

煤储集层、油气储集层或覆盖储集层的盖层都具有不同的岩性，表现为不同的物理特性，如密度、伽马、电导率、介电常数等。当1束波穿过两个岩性不同的岩层时，会在岩层分界面上产生反射波[5-7]：如果这束波是机械波（例如声波或震波），将在两个密度不同的岩层分界面上产生反射波；如果这束波是电磁波，将在两个介电常数不同的岩层分界面上产生反射波。波的这一特性是“探层测距”的理论基础。

图1为“探层测距”示意图。随钻测量过程中，将发射源和反射波接收机安装在近钻头位置，沿钻具径向发射定向波束，同时用接收机接收反射回来的波束，以确定在储集层中水平钻进的钻具距上下盖层的距离，使钻具不出储集层并保持在最佳位置。钻具钻进过程中钻头破岩时的震动会产生很强的震波，如果发射源发射的是机械波，震波会干扰用于“探层测距”的机械波。而如果发射源发射电磁波，“探层测距”时就可以避开震波的干扰，反射波更易于识别。为了确定钻具是否在储集层中，还要在近钻头位置安装伽马和介电常数传感器，以实现精确的地质导向。

电磁波的能量随着频率、距离的增加按指数规律衰减[8]。通常储集层、盖层或其他岩层都是有耗介质，当电磁波穿过这些介质时会产生衰减，虽然频率越高衰减越快，但高频电磁波波长短，不易产生绕射，可以穿透非导电性介质[9]，因此进行“探层测距”时通常选用高频电磁波。为了能适用于介电常数不同、电导率不同的各类岩层，用于“探层测距”的电磁波为高频宽带电磁波：当钻具在薄储集层中或距储集层边界较近时，发射源发出超高频率（接近于微波段）电磁波，电磁波频率越高分辨率越精细；当钻具在厚储集层中或距储集层边界较远时，发射源则发出频率较低的高频率电磁波，以提高探测距离。

图1 “探层测距”示意图

2 “探层测距”方法阐述

2.1 物理及数学模型

1束电磁波在穿过介电常数不同的岩层时会产生折射与反射（见图2），入射角与反射角相等。在电磁波传播过程中，既有电场也有磁场，电场方向与波的传播方向相同，磁场方向垂直于波的传播方向。图3为“探层测距”物理模型，设电磁波在水平井井眼环空内的传播速度为v1，在储集层中的传播速度为v2，电磁波从发射天线直达接收天线（直达波）的时间为t0，储集层边界反射波与直达波的时间差为Δt。

图2 电磁波在岩层分界面上的反射和折射

图3 “探层测距”物理模型

发射天线与接收天线的距离为：

电磁波在储集层中往返传播的距离为：

天线所在平面与储集层边界的距离为：

（1）式—（3）式中，l和v1均为已知量。当钻井方式为气体钻井时，v1约为3×108m/s，近似于电磁波在真空中的传播速度；采用水基钻井液时，v1约为0.33×108m/s，近似于电磁波在纯水中的传播速度。v2可按下式计算[10-11]：

（4）式中，μ为储集层的磁导率，对于绝大部分地层，其为常数。则对于油气储集层，v2只与储集层的介电常数ε（可由随钻介电常数测量仪器测得）有关。

由上述分析可知，求出天线所在平面与储集层边界距离的关键在于测出反射波与直达波的时间差。

2.2 电路原理

为实现“探层测距”，本文设计了两种电路：高压窄脉冲“探层测距”电路（见图4）和单频调制脉冲“探层测距”电路（见图5）。

图4 高压窄脉冲“探层测距”电路

图5 单频调制脉冲“探层测距”电路

高压窄脉冲“探层测距”电路原理为：由高压窄脉冲发生器产生脉宽范围为皮秒—纳秒、幅度在100 V以上的高压窄脉冲，此脉冲传送给高频宽带发射天线，发射天线辐射出定向宽带脉冲电磁波；该电磁波遇到储集层边界时产生的反射波被接收天线收到，经高频宽带小信号放大器放大，再经互相关滤波后传送到数据处理器，在数据处理器中依据本文建立的测距模型计算得出钻具与储集层边界的距离。采用皮秒—纳秒级高压窄脉冲是为了获得较深远的探测距离和较高的分辨率。时域上的窄脉冲通常在频域上是宽带信号，为保证发射和接收信号不失真，收发天线必须是宽带的，天线的频带越宽窄脉冲反射信号越容易识别。然而，要设计出在不同应用环境和特定约束条件下具有相同增益的宽带天线有很大难度。此外，由于反射波的散射及窄脉冲信号在有耗介质中产生的群延迟，反射波会发生较大变形。

为了弥补高压窄脉冲“探层测距”电路的不足，设计了单频调制脉冲“探层测距”电路，其原理为：由单频信号发生器产生1个单频信号，单频信号经过脉冲调制（脉冲宽度要小于电磁波穿过可分辨岩层所用的时间）后由高频功率放大器放大并发送给高频微带发射天线，天线发出定向电磁波；当定向电磁波遇到储集层边界时产生反射波，反射波被接收天线收到后传给高频小信号放大器，放大后经过微带滤波器滤波再传送给数据处理器，在数据处理器中通过A/D变换将模拟信号转为数字信号，再计算出钻具与储集层边界的距离。

图6 混凝土砖块中测距接收波形

图7 清水中测距接收波形

3 “探层测距”模拟实验

依据“探层测距”物理及数学模型和电路原理，建立“探层测距”系统，并分别在混凝土砖块、清水、煤块中进行模拟实验。将发射天线和接收天线贴于被测介质一侧的平面上，被测介质另一侧为空气。由于上述3种介质与空气的介电常数存在差异，因而高频电磁波会在这些介质与空气的分界面处产生反射。

图6、图7、图8分别为采用混凝土砖块、清水、煤块进行“探层测距”时电磁波电场强度随时间变化的时域波形图。其中，图6a、图7a、图8a为采用高压窄脉冲“探层测距”电路时的接收波形图，图6b、图7b、图8b为采用单频调制脉冲“探层测距”电路时的接收波形图。由接收波形图可以得到反射波与直达波的时间差，再结合电磁波在上述3种介质中的传播速度，即可实现“探层测距”功能。表1为实验数据及结果，其中测量距离为分别采用两种电路得到的测量结果的平均值。

由图6—图8可知：采用高压窄脉冲“探层测距”电路时由接收到的波形获得的储集层“细节”更多，能识别介质内部的微小缝隙，例如由图7a显示波形识别到了煤层中的割理；采用单频调制脉冲“探层测距”电路时接收到的波形特征更为明显，形态更为“包络”，更易于识别与分辨。根据两种电路的特点，高压窄脉冲“探层测距”电路更适用于测量较大的距离，单频调制脉冲“探层测距”电路更适用于测量较小的距离。

由表1可知，在不同介质、不同距离条件下，测量距离与实际距离的相对误差不超过5%，测量精度较高，本文提出的“探层测距”方法可行。

图8 煤块中测距接收波形

表1 “探层测距”实验数据及结果

4 结论

利用本文提出的“探层测距”方法及设计的“探层测距”系统，可以确定钻具所在储集层的边界，测出钻具与储集层边界的距离，并实现地质导向功能，具有如下特点：①抗干扰性强。采用高频电磁波，可有效避免井下其他信号的干扰，尤其是井下工具机械震动的影响。②分辨率高。发射的电磁波频率较高，波长较短，分辨率可达厘米级，实现精确测距。③探测距离短。高频电磁波在地层中随距离增大衰减剧烈，因而本文提出的“探层测距”方法更适用于短距离探测。

分别采用混凝土砖块、清水、煤块进行了“探层测距”模拟实验。结果表明：本文提出的“探层测距”方法测量精度高，可行性强。

符号注释：

Ei，Er，Et——入射波、反射波和折射波的电场强度幅值，V/m；Hi，Hr，Ht——入射波、反射波和折射波的磁场强度振幅值，A/m；θi，θr，θt——入射角、反射角和折射角，（°）；l——发射天线与接收天线的距离，m；L——电磁波在储集层中往返传播的距离，m；d——天线所在平面与储集层边界的距离，m；v1——电磁波在水平井井眼环空内的传播速度，m/s；v2——电磁波在储集层中的传播速度，m/s；t0——直达波时间，s；Δt——反射波与直达波时间差，s；μ——储集层的磁导率，H/m；ε——储集层的介电常数，F/m。

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Identification and ranging of reservoir boundary in horizontal well geo-steering

Li Lin1, Teng Xinmiao1,2, Sheng Limin1, Zhang Mingbao1
(1. CNPC Drilling Research Institute, Beijing 100083, China; 2. PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Beijing 100083, China)

To make quantitative measurement of the distance between the drilling tool and the reservoir boundary in horizontal well drilling, this paper presented the method of “layer-detection ranging”, established the physical and mathematic models and designed the circuit supporting the method. Moreover, the simulation experiment was made to verify the method’s feasibility. With the method, the reservoir boundary was detected and the distance between it and the drilling tool was measured through transmitting directional high-frequency electromagnetic waves and receiving reflection waves, in process of measurement while drilling (MWD) in the horizontal well drilling. Two “layer-detection ranging” circuits, i.e. high-voltage narrow pulse and single frequency modulating pulse, were designed. Based on the circuit theory, a “layer-detection ranging” system was established and three media were used for simulation experiment. The results show that: more details of the reservoir are acquired from

waveforms using the high-voltage narrow pulse circuit, and the received waveforms are more easily identified and discriminated using the single frequency modulating pulse circuit; under the conditions of different media and distances, the relative error between the true distance and the distance measured with the“layer-detection ranging” method is less than 5%, suggesting that the method is reliable.

geo-steering; horizontal well; MWD; electromagnetic wave; reservoir boundary

TE927

A

李林（1955-），男，山西襄垣人，中国石油集团钻井工程技术研究院高级工程师，主要从事井下信息测量与传输方面的研究工作。地址：北京市海淀区学院路20号，中国石油集团钻井工程技术研究院井下控制工程所，邮政编码：100083。E-mail：lilin0307dri@ cnpc.com.cn

2013-09-04

2013-11-20

（编辑 胡苇玮 绘图 刘方方）

1000-0747(2014)01-0108-04

10.11698/PED.2014.01.14

国家科技重大专项“电磁波随钻测量系统及远距离穿针技术与装备”（2008ZX05036-004）