基于随钻方位伽马和电磁波电阻率的井下可视化地质导向技术

王卫,倪卫宁,王佳琦,刘宝银,张中庆

(1.中国石化石油工程技术研究院,北京100101;2.北京科学仪器装备协作服务中心,北京100035；3.浙江大学,浙江杭州310012)

0 引 言

地质结构、剩余油藏较复杂区块因无法提前获得地层的真实情况,许多水平井地层钻前设计模型与实际情况相差甚远,钻井过程中因井眼轨迹调整不及时,导致损失部分水平井段,甚至穿透底水层边界。针对该类问题,工程人员先后开展了地层等厚分析[1]、井震联合分析[2-5]等多种方法提高地层模型精度,取得了一定的效果[6]。然而,这些技术和方法对于复杂地层具有局限性。通过现场作业分析,引起钻遇率低或钻井失败的原因主要在于地层模型预测的地层特性不准确,地层走向计算偏差大和地层边界确定不及时,未能准确把握地层的构造和走向。

本文综合钻前数据、高分辨随钻成像数据和具有深探测能力的电磁波电阻率测井数据,提出一种地层实时可视化井眼轨迹导向技术,从钻前井周地层预测、钻中精细分析与轨迹导向和钻后模型精确校正入手,提高储层钻遇率,实现了高时效优质钻井。

图1 某井周地层三维属性建模图

1 井周地层预测与三维可视化建模

根据待钻水平井周围已完钻油井的地层结构,可大致推测该井将钻遇地层的情况,进行井周地层构造预测和三维空间中地层模型构建。具体方法:①在多井小层对比的基础上,对测井曲线进行特征值识别、精细层位划分和地层对比;②根据探井坐标关系确定由层位划分所得的井间层厚变化规律,通过地震切面拾取探井间地层倾角宏观变化规律,获得探井连井方向区域初步地层结构参数;③借助水平井导眼井数据(或造斜段实测数据),通过井斜数据、方位数据和井位坐标数据,计算出地质层位的垂直位移和水平位移,形成层位控制点,采用克里金法和距离反比法[7-8]进行构造建模和属性建模,从而反演出待钻井周围360°地层的构造、岩性和含气性,形成地层的三维可视化[9]模型[见图1(a)],达到水平井井周地层的精细预测。

导向过程中只要确定地质设计的水平段方位角θ,取三维模型在方位角θ上的二维切面,即可形成可视化导向图[见图(1b)]。图1直观地展示地层的位置、深度、岩性、自然放射性物质分布情况、地层倾角大小、走向及延伸距离,为地质导向钻头方向调整及调整量提供定性指示。

2 精细分析与轨迹导向技术

水平井精准导向钻井的关键是钻进过程中钻头与地层边界相对位置变化的实时确定。在井周地层预测与三维可视化建模定性约束条件下,通过对水平井实测数据实时精细分析处理,实现地层走向方位、钻头到边界距离定量化计算,以定量化数据精确指导钻头调整方向和调整量,结合三维成像显示软件形成三维可视化轨迹导向技术。

2.1 基于方位伽马确定地层走向

(1)曲线响应特征及理论基础。钻井过程中测井仪各方位伽马探头进出地层的时刻不同,对地层界面的响应反映在测井曲线上表现为同一地层响应特征在各方位曲线上存在深度差(见图2)。这种深度差和井眼与地层相对倾角大小相关。一般称方位曲线响应高边和低边的深度差(方位曲线间最大深度差)叫高程差,高程差和井眼与地层相对倾角的关系满足

(1)

式中,σ为井眼与地层的相对倾角;H为高程差;Del为探测直径,是一个定值,与仪器结构有关。

实时上传的方位伽马成像数据形成顶伽马和底伽马曲线,可以及时反映井眼与地层相对倾角,同时对地层方位也有很好的指示作用(见图2)。方位伽马测井仪器在层内部时,顶、底伽马测量值通常维持在某一数值附近变化,当仪器穿过层界面后,顶底伽马测量值又会维持在另一个数值附近变化;当仪器从下向上穿过层界面,顶伽马将会先于底伽马偏离当前层伽马值达到层界面另一侧伽马值,高程差为负值,相反地,当仪器从上向下穿过层界面,底伽马将会先于顶伽马偏离当前层伽马值达到层界面另一侧伽马值,高程差为正值。

图2 方位伽马仪器在地层边界位置示意图

(2)地层界面识别和高程差快速计算方法。在岩性不同的地层分界面处,地层放射性变化最为明显,伽马测井曲线急剧变化。为表示测井曲线的动态性质,定义测井曲线的拐点为

(2)

图3 井眼轨迹与地层相对关系图

式中,t为深度值;G(t)为t的拐点函数值;f(t)为原始测井曲线测量值。拐点相应的离散公式为

(3)

式中,t为采样间隔;f为测井响应函数,令G(t)=0求得t即为界面位置。从拐点定义公式可以看出,拐点实际上为随机信号f(t)在的二次导数等于0的位置,此处测井曲线变化剧烈,为不同岩性的地层分界面。

当仪器以一定倾角穿过层界面时,伽马测井曲线的高边、低边遇到界面时刻不同,对应的深度不同。记高边界面对应的测井深度为DT,低边界面对应的测井深度为DB,计算的高程差为

H=DT-DB

(4)

当H值大于0时,表示方位仪器低边先遇到层界面,仪器以与层界面法线相对夹角小于90°的姿态穿过层界面;当H小于0时,表示方位仪器高边先遇到层界面,仪器以与界面法线夹角大于90°的姿态穿过层界面。

(3)地层走向方位计算方法。钻井过程中获得的地层倾角是井眼轴线方向与地层界面法线方向的夹角,需将其转换成地层与水平面夹角。图3是井眼轨迹—地层相对关系示意图,地层与井眼轨迹其他相对关系同样满足以上公式。地层视倾角计算满足

γ=α-β

(5)

式中,γ为地层视倾角;α为从图像中提取得到地层与井眼轨迹相对夹角;β为井斜角。当γ>0时,地层为下倾地层;当γ<0时,地层为上倾地层;用α-90可以判定上切和下切,当(α-90)<0下切;当(α-90>0)上切。

2.2 电磁波电阻率反演地层边界

随钻电磁波电阻率测井仪器具有探测深度深、测量数据丰富的优势,通常测量多个探测深度的电阻率曲线。在水平井中,不同探测深度电阻率曲线的差异反映了仪器探测范围内地层电阻率变化,层界面的存在、层间电阻率差异、仪器距层边界的距离变化都会导致电阻率测量曲线发生不同程度的离散,甚至产生边界极化。随钻电磁波电阻率测井曲线分离受仪器本身结构参数、工作频率、地层倾角、层边界距离、界面两侧电阻率等多种影响因素约束,满足关联关系

(6)

图4 地层模型实时校正(时刻1:按井周地层预测模型钻进)

式中,DIFF表示电阻率曲线分离程度大小;∝为正比关系符号;Rs、Rt分别表示界面两侧电阻率大小;σ表示仪器轴向与地层界面法线方向夹角;L表示发射线圈到仪器中点的距离;DTB表示测量点到层边界距离;S表示两个接收线圈间距。

曲线分离关联公式表明,分离值大小与井眼所在层及上下围岩电阻率、钻头距离地层边界位置、地层的倾角有关系,且这些关系相互耦合与制约,除地层倾角可采用方位伽马计算获得外,其他参数不能直接从测井数据中获得。本文通过迭代构造地层模型响应数据与实测数据差值的平方和形式为目标函数,采用梯度下降方法,迭代计算地层模型参数的改变量以使其响应值逐步逼近实测值,直至满足给定的迭代收敛条件。假定y为实测的测井曲线数据,S为地层模型参数正演响应曲线,构造损失函数

(7)

式中,x为待反演参数(原状地层电阻率、各向异性系数或层边界距离等);m为测井曲线条数;Si(x)为参数x与测井响应间转换关系函数;yi表示实际测井响应对应的第i条曲线(i大于向量x长度)。设置井周地层预测值相匹配的边界条件,采用梯度下降算法求解目标函数,获得地层参数x。

3 地层模型精确校正

井周地层预测与三维可视化建模是基于地震、邻井数据建立,作为钻前模型和地层边界反演约束条件,并用于确定地层大致走向。实时测井时,根据水平井随钻实测数据,通过方位伽马计算地层倾角和方位角,随钻电磁波电阻率反演地层倾角、边界距、地层电阻率等。在反演的倾角与方位伽马计算的地层倾角相互验证的基础上,增加边界距离、地层电阻率等随水平井钻井进程变化定量参数,实时校正井周地层预测模型,使之与随钻数据相匹配,克服邻井无法预估地层横向变化、地震数据无法分辨薄层的困难,为精准导向提供数据支持。

图4和图5是实时导向中地层模型精确校正更新的过程。自下而上第1道为深度道,以水平位移作为索引;第2道为地层剖面道,不同颜色代表不同电阻率值;第3道为实时测井电阻率曲线道;第4道为反演模型在正演电阻率曲线道,用于与第3道对比,评价反演计算精度;第5道为成像测井道。

图5 地层模型实时校正(时刻2:钻遇地震未能分辨的薄层,对模型进行实时更新)

图6 X井联合反演导向图

图4是着陆前根据井周地层预测技术获得可视化三维模型在水平井钻井方位上的二维切面。仪器在厚层钻进,测井曲线与当前模拟曲线高度一致(第3道与第4道对比),可见根据邻井、导眼井和地震数据建立的模型在宏观区域(厚层)与真实情况符合。图5是钻遇薄层段。根据反演结果实时对模型更新与校正,从成像道、电阻率曲线道均可判断井眼钻遇薄层,而薄层在宏观初始模型上并没有体现,通过反演参数可提前得到薄层的厚度、边界位置、电阻率变化以及地层倾角变化。根据反演结果对初始模型进行局部精细化调整,能够直观准确显示井眼轨迹(钻头)与地层界面的位置关系,指导钻井过程中钻头调整策略的制定。

4 现场应用效果分析

某页岩气探井地层倾角存在较大的变化,采用方位伽马和电磁波电阻率随钻测井进行井眼轨迹控制。该井目的层沉积类型主要为一套辫状河三角洲沉积体系。沉积构造为低幅度披覆背斜基础上的构造岩性圈闭,地层层序不确定性较高,地层发育横向连续性一般,中间小层,纹层变化较大。由于缺少邻井参考,初始建模采用了导眼井伽马特征分析结合地震层位约束三维的建模技术,利用方位伽马实时反演地层倾角、电磁波电阻率实时反演地层边界位置(见图6)。图6中自下向上第1道为反演得到地层剖面道;第2道为深度道,以水平位移为索引;第3道、第4道为电阻率曲线道;第5道为反演得到的距井眼轨迹最近的上下边界距离道。反演得到的地层模型正演模拟曲线与实际测井响应曲线一致,反演计算精度高,反演结果与实际钻遇地层基本吻合,通过反演结果指示的边界距离、地层倾角、地层电阻率变化极大加快了钻井进度。

5 结 论

(1)方位伽马与电磁波电阻率组合地质导向,能够快速准确地反映出地层的变化,精准指导钻井施工。

(2)在复杂地层中钻井施工,基于多井约束三维反演地层技术实现了地层的全方位精确描述和可视化,为钻井施工提供了精细的地层钻前预测,也为工程人员可视化地层钻井提供了可能。

(3)三维地层可视化技术与近钻头仪器、地层远探测仪器及旋转导向仪器整合,对未来自动钻井技术发展具有重要的意义。