随钻方位电磁波电阻率测井技术与地质导向应用

岳喜洲,马明学,李国玉,刘小刚,刘天淋,谢涛

(1.中海油田服务股份有限公司油田技术研究院,北京101149;2.电子科技大学电子科学与工程学院,四川成都611731;3.中海石油(中国)有限公司天津分公司,天津300452)

0 引 言

在油气藏开发中,由于地震资料分辨率较低、随钻核测井探测深度浅、常规随钻电阻率测井无方向性以及井轨迹测量误差随深度逐渐增大等问题,解决高角度井井眼着陆、水平井钻井轨迹优化及地层评价等关键问题方面一直存在大量挑战。快速发展的随钻方位电磁波电阻率测井技术,可以有效解决上述问题。随钻方位电磁波电阻率测井技术地层方位探测深度可达数米,通过实时数据反演软件可定量得到仪器到地层界面的距离以及地层真电阻率,进而提前调整井轨迹,实现主动式地质导向。国外各大油服公司相继推出各自的随钻方位电磁波电阻率测井仪器[1-4],在国内外多个油藏区块获得商业化地质导向应用。中国随钻方位电磁波电阻率测井技术的研发起步较晚,近年来也取得不少突破[5-7],开展了井下工具的实际井场试验和数据处理方法研究,但尚未实现大规模成熟商用以打破国外垄断。十余年来,在中国近海油气田开发领域,基于随钻方位电磁波电阻率测井技术的高端地质导向市场完全由外方垄断[8-10]。

2018年,中海油田服务股份有限公司自主研制了新型随钻方位电磁波电阻率仪器(Directional Wave Propagation Resistivity Tool,简称DWPR仪器),首次在新疆实际测井试验成功。2019年以来,新型随钻方位电磁波电阻率仪器在渤海区域、南海东部区域实现了50余口井的商业化地质导向作业,标志着中国自主研发的随钻方位电磁波电阻率测井技术跻身国际前列,推动了中国在高端主动式地质导向领域的技术进步。

1 新型随钻方位电磁波电阻率仪器

1.1 仪器结构与探测特性

新型随钻方位电磁波电阻率仪器采用全对称结构实现常规电阻率测量,采用倾斜发射-倾斜接收的双斜正交线圈系实现方位电磁信息测量,并且同一线圈系可实现地质信号与各向异性信号同时测量[10]。DWPR仪器线圈系结构见图1。

图1 DWPR仪器线圈系结构图*非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

DWPR仪器采用高频(2 MHz)、中频(400 kHz)和低频(100 kHz)这3种测量频率,可同时测量地层平均电阻率、方位电阻率、地质信号,各向异性信号及成像测井信号。在常规电阻率测量方面,采用全对称模式测量,完全兼容中海油田服务股份有限公司常规随钻电阻率测井仪(ACPR)的功能[11],电阻率的测量源距、频率和ACPR仪器保持一致,并增加了400 kHz、100 kHz下的60 in源距深方位电阻率测量功能。

DWPR仪器地层边界探测深度可达6.8 m[12]。DWPR仪器可提供24、40、82 in和96 in源距不同探测深度的地质信号,以及24 in和96 in源距的各向异性信号。在仪器旋转过程中,将圆周分为16个扇区,接收线圈采集仪器工具面朝向不同扇区方位时的电磁信号,获得对应每个扇区的信号响应,实现方位信息的测量。

相位差地质信号(GP)、幅度比地质信号(GA)定义为

(1)

(2)

式中,vup为仪器工具面位于地层法向时的电动势,mV;vdn为仪器工具面位于地层法向负方向时的电动势,mV;angle指取复数的角度,(°)。

相位差(MP)、幅度比(MA)各向异性信号定义为

(3)

(4)

DWPR仪器完成方位电磁波电阻率和方位伽马的集成测量,最多可完成8组方位视电阻率成像测量、16组地质信号成像测量、8组各向异性成像测量以及8扇区方位伽马成像测量功能,对于地层边界探测、地层电阻率各向异性评价、提取地层倾角等问题均可较好地解决。

1.2 DWPR仪器典型响应特征

1.2.1方位电阻率成像特征

传统电阻率测井曲线的测量模式可保证新一代方位电磁波电阻率仪器与上一代仪器的输出相匹配。DWPR仪器的测量内容包含了常规随钻电阻率测井仪器测量到的信息。由22、36 in线圈距的ZZ分量测量组合得到幅值比和相位差电阻率,并且根据倾斜接收线圈R3、R3′的测量信息,提取一组等效60 in源距的电阻率曲线和图像,得到深、中、浅3组电阻率测量信息。

图2为3层模型中电阻率曲线及其方位成像图。图2中由上到下,第1道为视电阻率曲线,RP36H、RP60M分别为高频36 in源距相位差电阻率、中频60 in源距相位差电阻率曲线;第3道为方位电阻率成像,RP60M-IMG为中频60 in源距相位差电阻率成像,U、R、D、L分别为仪器工具面上、右、下、左方位;第4道GR-IMG为方位伽马成像;第5道为地层模型,模型中上、下围岩电阻率为1 Ω·m,中间目的层电阻率为10 Ω·m,红色曲线为井眼轨迹。由图2可见,电阻率曲线在地层界面附近出现极化角现象,但电阻率曲线不能提供地层方位信息。方位伽马成像由于探测深度较浅,只能在穿过地层界面时呈现正弦或余弦特征。方位电阻率成像由于探测深度更远,能指示未钻遇地层的方位和电阻率特征,在临近界面时,方位电阻率成像早于方位伽马成像出现变化,可以实现地层预判。

图2 3层模型中电阻率曲线及其方位成像图

1.2.2方位地质信号特征

地质信号由单发单收线圈系产生,由式(1)和式(2)可得到相位差和幅度比2个地质信号。仪器旋转一周,可以得到方位地质信号成像图像。图3为DWPR仪器方位地质信号成像响应特征图。

图3中由上到下,第1道为视电阻率曲线;第2道为深度;第3道为地质信号,GP96L表示低频96 in源距相位差地质信号,GA82M表示中频82 in源距幅度比地质信号;第4道为方位地质信号成像,GP96L-IMG表示低频96 in源距相位差地质信号成像;第5道GR-IMG表示方位伽马成像;第6道为地层模型,模型中上、下围岩电阻率为1 Ω·m,中间目的层电阻率为10 Ω·m。由图3可见,当仪器从上往下由上部泥岩进入砂岩时,地质信号是正值,并在地层界面处达到最大值。当仪器从上往下由中部砂岩接近底部泥岩时,地质信号由正值转为负值,最接近底部泥岩时,负值最大。而仪器从下往上由砂岩接近上部泥岩时,地质信号也为正值,接近地层界面处,地质信号绝对值增大。仪器位于储层中部时,信号强度超过探测门限,地质信号成像显示出方位响应,可直观指示下部地层存在低电阻率界面。

图3 方位地质信号成像响应特征图

1.2.3各向异性成像特征

在均匀横向各向同性介质中,垂直电阻率、水平电阻率、相对倾角与方位角这4个变量定义了地层各向异性信息与仪器及地层关系。HAGIWARA[13]早已证明,无论采用多少条常规传播电阻率测井曲线(在各种频率及线圈距组合下的相位差和幅值比电阻率),基于物理原理,无法同时求解上述4个变量。

对于新一代方位电磁波电阻率仪器,由于同时测量到除ZZ外的其他多个分量,所以可求解出那些未知参数。仪器旋转时,依靠倾斜发射线圈T2、T2′和倾斜接收线圈R3、R3′的组合,可提供高、中频24 in源距各向异性信号和中、低频96 in源距各向异性信号。当地层存在各向异性时,仪器旋转一周所得幅度和相位各向异性成像显示为对称的条带状。

图4为典型砂泥岩互层模型中的仪器响应。图4中从上到下,第1道为深度;第2道为电阻率曲线,Rh表示地层水平电阻率,Rv表示地层垂直电阻率,RP36M、RA36M分别表示中频36 in源距相位差电阻率、中频36 in源距幅度比电阻率曲线;第3道MP24H-IMG为各向异性成像,MP24H-IMG表示高频24 in源距相位各向异性成像;第4道RA36M-IMG为方位电阻率成像;第5道GA96L-IMG为方位地质信号成像;第6道为地层模型,模型中第1、3、5层为各向同性地层,电阻率为1 Ω·m,第2层为各向异性地层,水平电阻率为5 Ω·m,垂直电阻率为10 Ω·m,第4层为各向同性地层,电阻率为10 Ω·m。由图4可知,当井眼轨迹过地层界面附近时,方位地质信号成像显示明显正、余弦特征,直观显示出地层界面方位信息;同时电阻率成像显示地层高、低电阻率特征;受地层边界影响,各向异性成像显示正、余弦特征;当进入各向异性地层时,各向异性成像显示明显对称条带,指示出各向异性存在;而在各向同性地层中,各向异性成像无明显特征。

图4 典型砂泥岩互层模型中的仪器响应

2 边界距离反演

2.1 反演算法

仪器响应和地层参数之间的关系可用数学函数表示为

(5)

式中,y为测井响应;n∈[1,N]为测井曲线数;i∈[1,M]为地层层数;j∈[1,M-1]为层界面个数;σh为水平电导率,S/m;σv为垂直电导率,S/m;DTB为仪器与地层界面的距离,m;α为仪器与地层相对倾角,(°)。利用测井响应反演地层参数,问题可归结为最小二乘问题,其目标函数为

(6)

式中,O为目标函数;yn为第n个测量值;N为测量值个数;f(x)为数值模拟测量值;x为地层参数向量,即待反演地层参数。

为提高算法的收敛性和稳定性,采用阻尼正则化的方法对上式进行求解

(A′A+λI)Δx=A′b

(7)

式中,A为雅可比矩阵,A′为雅可比矩阵的转置;λ为正则化因子;I为单位矩阵;Δx为待反演参数增量;b为目标函数残差。

2.2 地质导向应用实例

2019年起,DWPR仪器在渤海区域、南海东部多个油田使用50余井次,总进尺超过20 000 m,应用根据边界距离反演算法编制的实时边界反演地质导向软件,该仪器在水平井地质导向以及大斜度井的精准着陆均获得了成功应用。图5为渤海X1井地质导向测量结果。图5中从上到下,第1道为伽马曲线,GRU、GRD、GRC分别表示上方位伽马、下方位伽马、平均伽马;第2道GR-IMG为方位伽马成像;第3道为深度;第4道为电阻率曲线,RP22H、RP22M、RP36M分别表示高频22 in源距相位差电阻率、中频22 in源距相位差电阻率曲线、中频36 in源距相位差电阻率曲线;第4道为实时反演结果。

图5 渤海X1井地质导向测量结果

渤海X1井位于渤海油田某背斜构造带上,前期钻井揭示储层单层厚度变化较大,从不足1 m到大于20 m,薄储层所占比例较大。下部存在水淹情况,常规随钻测井由于探测深度浅、无方向性等限制,难以满足油藏开发需求。馆陶组油层电阻率在100 Ω·m左右,围岩电阻率在2 Ω·m左右,储层厚度在10 m左右。应用DWPR仪器,在目的层内达到了接近7 m的边界探测深度,证明该仪器实际性能达到了设计指标。该井实钻过程中,通过实时反演地层边界位置,及时调整井斜角度,避免了钻出储层或钻遇下部水淹层,提高钻井效率和油藏的有效开发面积。

3 结 论

(1)DWPR仪器可提供常规随钻电阻率曲线,同时扩充了方位电阻率成像功能,可直观显示地层电阻率界面及方位信息。

(2)DWPR仪器可获取多频多源距方位地质信号,信息丰富,互为补充;其独特的各向异性信号定义方式,可直观展示各向异性图像,指示地层电阻率各向异性。

(3)针对该仪器的测量信号开发了实时边界反演地质导向软件,实现了多层介质中的地层电阻率和边界距离联合反演。在渤海区域、南海东部等地区五十余口井的作业实例,证明了仪器和地质导向软件的稳定性和可靠性。