高杰, 娄研, 李可赛, 赵翔

(中国石油大学(北京), 北京 102249)

0　引　言

随钻前视电阻率测井可分为近钻头电阻率测井(侧向类)和随钻电磁波传播测井。目前,近钻头仪器和常规的随钻电磁波电阻率测井仪器探测深度较浅,且方位探测能力不足,不能实现精确及时的前视探测。随钻方位电磁波电阻率测井是定向测井的关键技术,能准确及时地预测和判断界面走向方位,可极大提高随钻电磁波传播测井技术的定向探测能力、方位灵敏性和信息量[1],能够有效保证钻头在目标层中钻进,优化井眼轨迹,提高复杂储层的采收率[2]。

目前,国外各大测井公司都设计、推出了随钻方位电磁波电阻率测井仪器和随钻远探测电阻率测井仪器[3]。本文基于随钻方位电磁波电阻率测井仪器,提出所谓随钻前视电磁波电阻率测井[4],以正演模拟为手段,分析仪器参数及环境因素对随钻前视电磁波电阻率测井响应的影响规律,为随钻地层评价,尤其是地质导向提供技术支持。

1　随钻前视测井基本原理及响应特征

1.1　基本原理

以单发单收线圈系为基本结构,其中,发射线圈与仪器轴垂直,接收线圈的磁偶极矩方向与仪器轴向之间的夹角为θR(见图1)。

接收天线处的感应电动势可简化表示为V=a0+a1cosβ[5]。

图1　单发单收线圈系结构示意图

仪器接收信号随仪器方位角β呈余弦变化,因此接收信号包含地层方位信息,具有方位识辨能力。将方位地质导向信号定义为仪器方位角相对的2个方向(β和β+180°)的信号差别,即最大信号差别[6],则可定义单个发射—接收线圈对之间的方位幅度衰减(Att)和方位相位移(PS)为

Att=-10lg

PS=tan-1

(1)

实际测量中,仪器方位角在360°范围内变化;方位信号关于方位角呈余弦周期性变化,在0°和180°时取得符号相反的2个极值。因此,选取仪器方位角为0°或180°度时测井响应进行资料处理及分析工作。

1.2　界面处的测井响应

取线圈距为96 in*非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同,θR=45°,发射频率400 kHz。设置电阻率为2 Ω·m的均匀无限大地层模型,模拟得到的方位信号(Att和PS)均为0。将地层模型变更为3层模型,上下围岩层电阻率为2 Ω·m,中间目的层电阻率为20 Ω·m,厚度为6 m。模拟结果见图2。方位信号在远离地层界面处为0,随着仪器与地层界面的距离减小,其幅度逐渐增大,并在地层界面处达到峰值。综上可知,方位信号值大小与地层电阻率值的大小无必然关系,但对地层界面较为敏感。

图2　3层地层模型中的测井响应模拟结果

1.3　探测深度和前视距离的定义

基于上述分析,定义单发单收倾斜线圈系结构的探测深度DTB。在仪器靠近界面的过程中,当方位幅度衰减信号达到0.03 dB或方位相位差信号达到0.3°时,仪器距界面的距离即为方位探测深度。

前视距离LA指钻头前进方向距地层界面的距离,反映仪器在钻头前进方向具备的预测能力。钻井过程中,当随钻测井仪器探测到地层界面存在时,可以确定仪器测点到地层界面的距离DTB和井斜角α(见图3),通过式(2)计算可得LA。因此,井斜角一定的情况下,可通过减小测井零长(DBB)或增大探测深度来增大前视距离,由于工程上减小测点零长(DBB)较为困难,研究主要通过增大仪器的探测深度增大随钻前视电阻率测井的前视距离,获得更为精准及时的地质导向信息。

LA=DTB/cosα-DBB

(2)

图3　地层界面探测示意图

2　仪器参数影响分析

设计3层各向同性地层模型,围岩电阻率2 Ω·m,中间目的层电阻率为20 Ω·m,厚度为6 m,井斜角为85°。仪器的基本参数:θR=45°,源距为96 in,发射频率为400 kHz;考察不同仪器参数对测井响应的影响时,改变对应仪器参数值。

2.1　频率的影响

为考察不同频率对测井响应的影响,采用100、200、400 kHz和1、2 MHz等5个发射频率,图4为不同发射频率下的响应曲线。模拟结果显示,在地层界面附近,随着发射频率的增加,方位信号幅度增大,仪器探测深度减小;当发射频率增加到一定程度后,界面处的方位信号会出现双峰甚至震荡,影响对地层界面的判断,故仪器的发射频率应控制在合理的范围内,不宜过高。当频率取400 kHz时,探测深度为3 m。

2.2　源距的影响

为分析不同源距对测井响应的影响,设置源距取值分别为28、36、54、72、84、96 in和120 in。模拟结果见图5。随着源距增大,界面附近方位信号幅度增大,仪器探测深度也会增加,但增幅逐渐减小。当源距增大到一定范围后,增大源距不再能使信号强度增强,也不再能增加仪器探测深度。

2.3　线圈倾角的影响

为对比不同线圈倾角对测井响应的影响,接收线圈倾斜角度θR分别取0°、30°、45°、60°、75°和90°,图6为不同线圈倾角下的响应曲线。

图4　不同发射频率条件下方位幅度衰减和方位相位差信号

图5　不同源距条件下方位幅度衰减和方位相位差信号

图6　不同线圈倾角条件下方位幅度衰减和方位相位差信号

模拟结果显示,在合理范围内,接收线圈倾角越大,界面处的方位信号幅度越大,仪器探测深度也越大。但随着线圈倾角增大,接收线圈处感应电动势会减小,线圈倾角过大时,方位信号在界面处会出现震荡,造成界面识别困难。因此,综合考虑仪器对界面的灵敏度和信号强度,一般选择θR=45°倾斜线圈。

3　环境因素影响分析

由于地层条件比较复杂,实际随钻测井响应受多种因素影响,需分析环境因素对测井响应的影响规律[7]。仪器参数和地层模型的选取与前述相同,在考察不同环境因素对测井响应的影响时,改变原始地层模型的对应参数,得到不同的方位信号曲线。

3.1　井斜角的影响

基本参数取值与前文相同,井斜角依次取30°、45°、60°、75°和85°,图7为模拟得到的测井响应曲线。结果显示,随着井斜角增大,方位信号幅度增大,仪器探测深度略有减小;方位信号更适用于井眼与地层界面水平或近水平的情况,即在水平井中应用效果更好。

3.2　目的层特性的影响

3.2.1电阻率对比度的影响

目的层电阻率依次取2、4、10、20、40 Ω·m和100 Ω·m。图8为模拟得到的不同电阻率对比度条件下的方位信号曲线。

随着目的层电阻率增大,储层与围岩层电阻率对比度增大,界面处的方位信号幅度和仪器探测深度均增大,边界效应更加显著。当储层电阻率增大到一定值后,方位幅度比信号(Att)在边界处仍有较好的响应变化,而方位相位差信号(PS)的峰值则不再有明显改变。方位信号在电阻率对比度为20～30时有最好的探测效果。

3.2.2层厚的影响

目的层厚度依次为0.3、0.5、1.0、2.0 m和5.0 m。模拟结果见图9。

地层厚度仅为0.3 m时,方位信号仍有明显响应,说明随钻前视电磁波测井能很好地识别薄层。当地层厚度大于1 m时方位相位差信号的峰值幅度已基本不再增大。

3.2.3电阻率各向异性的影响

目的层的电阻率各向异性使方位信号值在远离地层界面处不再为0。由于地层电阻率等参数值通常是未知的,这给界面探测带来了困难。研究发现,对称发射—接收线圈结构对地层电阻率各向异性不敏感,方位信号值在远离界面的各向异性目的层中仍保持为0,但是对界面的反应依然明显。

图7　不同井斜角条件下方位幅度衰减和方位相位差信号

图8　不同电阻率对比度条件下方位幅度衰减和方位相位差信号

图9　不同层厚条件下方位幅度衰减和方位相位差信号

图10　不同电阻率各向异性系数条件下方位幅度衰减和方位相位差信号

4　探测特性的分析与总结

取接收线圈倾斜45°,发射频率分别取400、200、100 kHz和50 kHz,源距依次取28、36、54、72、84、96 in和120 in。设置围岩电阻率为1 Ω·m,中间目的层电阻率为10 Ω·m,厚度为6 m的3层地层模型,井斜角为70°条件下探测深度模拟计算结果见图11。

模拟计算结果显示,仪器探测深度随源距的增大而增大;在大斜度井或水平井中,源距大于72 in,频率低于400 kHz的条件下,前视距离可达到3 m以上。在实际仪器设计时,需要综合考虑信号强度及仪器长度,因此,源距不可过大,频率不可过低。

图11　井斜角为70°条件下源距及频率对探测深度和前视距离的影响

5　结　论

(1) 随钻前视电磁波电阻率测井信号对界面非常敏感,能有效识别界面,在大斜度井和水平井中能探测到前方较远距离的地层界面信息,是识别地层界面,完成地质导向的一种有效可行的测井方法。

(2) 适当降低仪器发射频率、增大仪器源距可以增大仪器探测深度,但在长源距、低频率条件下,实际接收信号强度较弱,对仪器硬件要求较高,因而,设计仪器时需要综合考虑。仪器源距取72～144 in,发射频率取100～400 kHz,采用45°倾斜接收线圈时,随钻前视电磁波电阻率测井仪器的前视

距离可达3 m以上。

(3) 需要综合设计随钻前视电磁波电阻率测井仪器,既完成前视的界面探测能力,为地质导向服务,又能够完成储层参数测量,为实现对地层的综合评价服务。

参考文献:

[1]杨震, 杨锦舟, 韩来聚, 等. 随钻方位电磁波界面探测性能分析 [J]. 石油学报, 2016, 37(7): 930-938.

[2]CHEMALI R, BITTAR M, HVEDING F, et al. Integrating Images from Multiple Depths of Investigation and Quantitative Signal Inversion in Real Time for Accurate Well Placement [C]∥International Petroleum Technology Conference, Paper 12547, 2008.

[3]PRENSKY S E. Recent Developments in Logging Technology [J]. CIRP Annals-Manufacturing Technology, 2008, 57(2): 601-620.

[4]PALMER R, SILVAA, et al. A New Deep Azimuthal Resistivity LWD for Optimal Well Placement and Reservoir [C]∥SPE Saudia Arabia Section Technical Symposium, Al-Khobar, 2008.

[5]魏宝君, 田坤, 张旭, 等. 定向电磁波传播随钻测量基本理论及其在地层界面预测中的应用 [J]. 地球物理学报, 2010, 53(10): 2507-2515.

[6]RABINOVICH M, LE F, LOFTS J, et al. Deep? How Deep and What? The Vagaries and Myths of “Look Around” Deep-Resistivity Measurements While Drilling [C]∥SPWLA 52nd Annual Logging Symposium, May, 2011.

[7]LI Q, OMERAGIC D, CHOU L, et al. New Directional Electromagnetic Tool for Proactive Geosteering and Accurate Formation Evaluation while Drilling [C]∥SPWLA 46th Annual Logging Symposium, June, 2005.