水平井地质导向自然伽马探边技术研究

蒋方贵 毕文毅 王嵩然

摘      要：利用水平井开发可以提高产量和采收率，高的钻遇率保证产量和采收率。针对水平井轨迹和地层边界的相对位置与自然伽马测井值的关系进行了研究，利用随钻自然伽马测井来计算水平井井眼轨迹和地层边界之间的距离，指导井眼的钻进;进行了薄互层中探边方法的研究和不同储盖组合探边方法的适用效果分析。研究表明，自然伽马探边在储盖岩石自然伽马值差别较大时适应性较好。

关  键  词：水平井;自然伽马;探边技术;随钻测井

中图分类号：TE243        文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2020）01-0121-04

Study on Natural Gamma Border Detection Technology

for Horizontal Wells Geosteering

JIANG Fang-gui， BI Wen-yi， WANG Song-ran

（College of Geophysics and Petroleum Resources， Yangtze University， Hubei Wuhan 430100， China）

Abstract： Horizontal well development can improve production and recovery， and high drilling rate can ensure the production and recovery. In this paper， the relationship between the relative position of horizontal well trajectory and formation boundary and natural gamma logging value was studied. The distance between horizontal well trajectory and formation boundary was calculated by using natural gamma logging while drilling to guide drilling. The research of edge detection method in thin interbeds and the application effect analysis of different reservoir-cap combination edge detection methods were carried out. The results showed that the natural gamma border detection technology had better adaptability when the difference of natural gamma values of reservoir rocks was larger.

Key words： Horizontal well; Natural gamma; Border detection technology; LWD

隨着石油工业的发展，水平井钻井技术作为提高单井产量和采收率的有效手段之一，在世界范围内得到广泛应用。随钻测井也广泛应用于指导水平井钻井。地质导向技术是用近钻头地质、工程参数测量和随钻控制手段来保证实际井眼穿过储集层并取得最佳位置。但实际钻井施工时，未能完全按照设计的要求而存在偏差，那么在水平井评价过程中，准确地判断预测地层边界位置，分析井眼轨迹及提高储层有效钻遇率对于提高解释结论可信度具有重要意义^[1]。传统的钻采技术已经无法从根本上达到提高采收率及对油田难动用量进行有效开发的目的。汪忠浩和罗荣将自然伽马测井资料与井眼轨迹到地层界面的距离作拟合，确定井眼轨迹与地层边界中相对距离^[2]。郑建东等人在大庆长垣致密油水平井测井解释中应用随钻方位自然伽马曲线确定井眼轨迹是否在储层中^[3]。赵军等人将导眼井测井曲线形态与水平井对比确定地层界面，以及水平井测井曲线波动特性结合油藏构造确定地层界面，来判断井眼轨迹的相对位置^[4]。刘行军等在鄂尔多斯盆地高伽马储层应用自然伽马结合自然电位和密度曲线判断井眼轨迹与地层关系^[5]。向长生等基于自然伽马强度分布的原理，针对探测点距离地层边界建立了一个无限均匀水平的数学解析模型，为了便于求解，在模型中采用球坐标，大大提高了计算效率，但该模型在方位性及薄地层中还存在些许不足之处^[6]。以上诸多方法多是应用自然伽马曲线定性判断井眼轨迹的相对位置，不能计算井眼轨迹与地层边界的距离，在水平井测井解释中不能准确把握围岩对测井资料的影响^[7]。

本文对前人的研究工作进行了系统的总结，在其基础上提出基于自然伽马响应特征确定井眼轨迹与地层边界相对位置，模拟计算两者之间相对距离的方法。根据自然伽马测井响应原理，模拟计算不同相对位置自然伽马的测井特征。分析并总结该方法在不同岩性储层中适应性。

1  水平井砂泥岩储层伽马测井识别地层边界原理

自然伽马测井是基于地层中不同岩石包含放射性元素数量的差异测定其天然伽马射线强度的方法。通过实际的测井结果便能进一步划分出钻孔的地质剖面，进而对剖面中砂岩泥质进行定量分析，并定性判断出所侧岩层的渗透性。

自然伽马测井原理中，放射性球体在半径为球心处的光子通量密度^[5]：

          （1）

无限均匀放射性地层中某点处的自然伽马通量：

             （2）

利用（1）和（2）式估算自然伽马测井的探测范围。此时用比值确定自然伽马探测范围：

           （3）

其中：  —每克放射性元素每秒鐘平均发射光子个数;

 —每克岩石中含有放射性元素的质量，g;

 —地层的密度，g/cm³;

 —地层对光子的吸收系数，/cm。

当时，这一比值等于0.99。自然伽马探测器接收99%的光子都是由半径的球体贡献。若取0.15/cm，则相应的球半径约为30 cm。

假设均匀砂泥岩互层三层模型，上覆盖层为泥岩，其伽马值为GR_泥（为纯岩石中自然伽马测井值），中间为砂岩储层，其伽马值为GR_砂，厚度为H（>60 cm）。假定自然伽马探测范围是半径为R=0.3 m的圆（图1）。

如图1（a）所示，当水平井在储层中穿行且靠近地层边界时，需要对井眼到地层边界的距离有精确的把控，才能确保钻头在储层内部穿行。自然伽马测井仪器探测范围由弓形区域的泥岩盖层贡献，剩余部分由砂岩储层贡献。分析水平井井眼在储层中不同位置时伽马测井响应与位置的关系。假设水平井井眼距储层上边界的距离为d，井眼在上边界之上为正，在上边界之下为负。

若水平井井眼在储层内，伽马测井响应与地层边界相对位置的关系：

（4）

（5）

式中：GR —測井响应值，API;

GR_泥—上覆盖层纯岩石中的自然伽马测井值，API;

GR_砂—中间储层纯岩石中的自然伽马测井值，API;

R —自然伽马测井仪器的探测半径，m;

d —井眼距地层上边界的距离，m。

2  水平井薄互层边界识别方法

针对中国陆相沉积油层大多为薄互层的特点，进一步研究了不同厚度下井眼和地层边界的距离与伽马测井值的关系。在上文中分析了厚层中（储层厚度大于伽马测井仪器探测直径）这两者的关系，那么在薄互层中伽马测井响应模型也会发生相应的变化。将薄互层的储层厚度分为小于探测半径和大于探测半径但小于两倍的探测半径两类模型。

一类薄层：储层厚度H小于伽马探测半径（如图2，假设H=0.25 m）。

二类薄层：储层厚度H大于伽马探测半径R且小于两倍半径（如图3，H=0.5 m）。

假设储层厚度为0.25 m，当水平井在储层穿行时，伽马测井响应会受到上下围岩的影响。自然伽马测井仪器探测范围由上下弓形的泥岩区域加上中间砂岩区域组成。此时，伽马测井响应与地层边界相对位置关系为：当储层厚度介于探测半径与探测直径之间时，伽马测井响应模型有两种。其一，井眼位置靠近地层边界时（d+R<H），自然伽马测井仪器探测范围由弓形区域的泥岩和剩余部分的砂岩贡献。如图3中井眼位置1。此时响应方程与在厚层中式（7）是一致的：

 （7）

其二，井眼位置在储层中间部分时（d +R>H），此时自然伽马仪器探测范围包含了上下两个部分弓形的泥岩和中间部分的砂岩。响应方程与一类薄层中式（6）的一致。

根据响应方程可以在钻进过程中结合伽马测井值确定地层边界相对井眼位置，进而可以做出恰当的钻进决策。在建立地层模型时，假设地层是各向同性，认为地层具有对称性，建立的方程也是储层中点以上计算方法。在根据伽马测井值确定地层边界相对位置时，是具有多解的。即确定上边界或是下边界的相对位置。也可以结合自然伽马曲线形态和其他测井方法判断是上边界或是下边界。

3  多种储盖类型中的应用

表1为储层岩石主要矿物组分的自然伽马值。

图4给出了在多种储盖类型中井眼位置与自然伽马的关系。其中图4（a）是碳酸盐岩储层以泥岩为盖层时井眼位置与自然伽马值的关系，图4（b）是砂砾岩储层和膏盐类盖层组合时井眼位置与自然伽马值的关系，图4（c）是变质岩类中片麻岩储层井眼位置与自然伽马值的关系，图4（d）是火成岩类中花岗岩储层井眼位置与自然伽马值的关系。从图中可以看出，储盖岩石类别的自然伽马值差别越小，对确定地层边界相对位置越不利。实际测井存在测量误差或自然伽马的涨落误差，根本无法计算地层边界的位置。此探边方法对于储层与盖层自然伽马值相近的储盖组合是不适用的。

此外，在实际测量过程中随钻自然伽马探边技术测量精度可能会受到诸多因素的影响，如放射性测量的统计涨落、仪器自身的振动、电源的稳定性及环境温度等，因此在研制自然伽马测量仪时应格外注意。

4  结论

精准地预测储层边界及把握水平井井眼位置对于水平井生产开发来说至关重要。基于以上两个关键问题，本文提出了一种利用自然伽马响应特征在随钻过程中实时确定井眼轨迹与地层边界相对位置的方法，对其不同位置处的伽马测井特征进行了模拟，分析了该方法在不同岩性储层中适应性。模拟结果发现，当水平井在储层中穿行且靠近地层边界时，需要对井眼到地层边界的距离有精确的把控，才能确保钻头在储层内部穿行;同时，储盖组合自然伽马差值越大，应用自然伽马探边方法效果越好。此探边方法对于储层与盖层自然伽马值相近的储盖组合是不适用的。利用自然伽马测井曲线确定井眼位置，判断水平井的相对位置，为准确预测和控制、调整水平段轨迹，提高油层钻遇率，提供一种新思路。

参考文献：

[1]范英锋，冷洪涛，赵昕.井眼轨迹分析在水平井测井解释评价中的应用[J].内蒙古石油化工，2009，35（20）：27-29.

[2]汪中浩，易觉非，赵乾富，陈新林，宋帆.水平井测井资料地质解释应用[J].江汉石油学院学报，2004（03）：70-72+6.

[3]罗荣，李双林，崔光.水平井井眼轨迹分析及其应用探讨[J].中外能源，2012，17（07）：53-56

[4]郑建东，朱建华，闫伟林.大庆长垣扶余致密油水平井测井解释[J].测井技术，2019，43（01）：53-57.

[5]赵军，海川.水平井测井解释中井眼轨迹与油藏关系分析技术[J].测井技术，2004（02）：145-147+154-179.

[6]刘行军，杨新宏，何小菊，吴建华，孟庆夺.陇东致密区水平井井眼轨迹与地层关系[J].西南石油大学学报（自然科学版），2017，39（05）：51-60.