編譯:孫顯宏 (長城鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院)

審校:于秀娥 (長城鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院)

超深度電阻率測井儀和方位電阻率測井儀組合的地質(zhì)導(dǎo)向

編譯:孫顯宏 (長城鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院)

審校:于秀娥 (長城鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院)

地質(zhì)導(dǎo)向就是應(yīng)用實(shí)時地質(zhì)評價數(shù)據(jù),主動對井眼軌跡進(jìn)行控制,以保證鉆井成功中靶,提高油層的鉆遇率。而傳統(tǒng)的隨鉆測量波形傳輸儀器只能采集到井眼周圍的平均電阻率數(shù)據(jù),沒有任何方向性。在理想條件下,能探測6 m范圍的方位電阻率測井儀被加到底部鉆具總成上。深度電阻率測井儀、常規(guī)傳播電阻率測井儀和方位電阻率測井儀的組合有助于確定油井在油層的最佳產(chǎn)油位置,并能在復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行地質(zhì)導(dǎo)向。尤其是這種測試組合能區(qū)別泥巖是來自于測試儀之上還是來自于測試儀之下。文章介給出三種儀器在北海油田應(yīng)用的實(shí)例。

水平井 隨鉆測量 電阻率測井儀 地質(zhì)導(dǎo)向 地層評價

1 前言

挪威國際石油公司美國標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會經(jīng)營的Grane油田位于北海區(qū)塊,距西北部近200 km。該油田從2003年投產(chǎn)至2008年5月累積采油百萬桶。該油藏是古新世年代、濁積巖大粒砂巖、由泥巖封閉油藏。油層發(fā)育從細(xì)粒到中粒,中粒發(fā)育良好,是均質(zhì)砂巖儲油層,油氣顯示良好,油層孔隙度30%～33%,一般滲透率能達(dá)到5～10 D(1 D= 1.02μm2)。

實(shí)踐已經(jīng)證明,在鉆水平井過程中會鉆遇泥巖,尤其是靠近油層時更易鉆遇泥巖。Grane油田為高黏度 (12 mPa·s)的生物降解油,原油密度為895 kg/m3,靠近油層的地層水的密度為1 018 kg/m3。由于較小的密度差,在整個油田的油水界面以上形成了一個很長的地幔過渡帶,這個過渡帶在測井曲線上表現(xiàn)十分清楚。

Grane油田的排驅(qū)方案是前期以注氣為主,后期注水以維持地層壓力。注氣井的注氣噴嘴安置在構(gòu)造高的地方,以將油向下推至生產(chǎn)井,而注水井的注水器安置在構(gòu)造低的地方,以把殘余油向上推至生產(chǎn)井。根據(jù)油藏模擬研究,水平井的最佳位置在油水界面之上真垂直深度為9 m的位置。預(yù)計油藏底部邊界的構(gòu)造位置高于油水界面,生產(chǎn)井布置在靠近油藏底部的位置,由于油與水之間的密度差較小,在大范圍的采油和注氣后會引起油水界面波動。注氣后可能把局部殘余的稠油擠到水層。當(dāng)出現(xiàn)這種情況,更多的下滲水受壓后,會沿著砂巖的底部從局部成形的頁巖構(gòu)造流域溢出。

在北海油田,在油水界面9 m以上,一直用超深傳播電阻率對井下鉆柱進(jìn)行地質(zhì)導(dǎo)向,這個測井儀帶有1個軸向發(fā)送器和2個軸向接收器,兩個接收器距離發(fā)送器分別為12 m和17 m。當(dāng)該測井儀鉆遇傾斜的油藏時,仍然能精確地保持這個距離,但該儀器缺乏方向性,在常規(guī)梯度測試時會受到來自油層下部的泥巖的干擾,而使測量信息混亂。將帶有方位敏感性的測井儀加到下井儀器串上可提高儀器的地質(zhì)導(dǎo)向能力。這種測井儀是標(biāo)準(zhǔn)的軸向傳播電阻率測井儀,儀器上加有2個能產(chǎn)生方位讀數(shù)的正交接收器。紅色天線用于方位測量,外部兩個是軸向發(fā)送器,內(nèi)部兩個是正交的接收器。這兩個正交接收器間隔22 in(1 in=25.4 mm),和軸上的兩個接收器間隔是8 in。所有的測量都有相同的測量點(diǎn) (接收器的中心)。外部發(fā)送器距離測量點(diǎn)36 in,測量系統(tǒng)是均勻?qū)ΨQ排列的。

測井儀完全正交安裝的優(yōu)越性是對于均質(zhì)地層接不到任何信號,直到油層邊界的反應(yīng)超過儀器的噪音 (接近于0.01μV)時,該系統(tǒng)才有反應(yīng)。實(shí)際上,用于記錄數(shù)據(jù)的儀器與軸向傳播電阻測井儀并不是一個整體,但對深度已經(jīng)進(jìn)行了調(diào)整,以使兩種測井儀的結(jié)果一致。方位測井儀可以發(fā)射400 kHz和2 MHz的電磁波,但僅400 kHz的數(shù)據(jù)用于研究和地質(zhì)導(dǎo)向。正交接受器也能接收間隔較短的軸向發(fā)射器的信號,但這些測量數(shù)據(jù)或許不用于地質(zhì)導(dǎo)向。在理想條件下 (有阻油層和傳導(dǎo)性圍巖),圍巖的檢測深度大約是6 m,盡管測量系統(tǒng)僅有2 m長。而這種油層并不代表理想油層。油層的傾角在方位接收器上產(chǎn)生信號,此信號將限制檢測深度。為了提高檢測深度,策略就是估計傾角產(chǎn)生的信號,并從儀器響應(yīng)中除去這種干擾信號。既要提高目標(biāo)深度推算值的精確度,又要提高目標(biāo)方位的準(zhǔn)確性。

2 井眼軌跡的響應(yīng)因素

圖1是用于分析實(shí)際井眼的地幔過渡帶電阻率梯度模型。這個灰色電阻率測量剖面是地幔過渡帶模型。深度比例是真垂直深度。在該油田常用幾個不同的梯度模型。

軸向傳播電阻率曲線是長間隔排到400 kHz的衰減測量值和來自相同系統(tǒng)的2 MHz相位差測量值。以此比例,這兩條曲線很難與模型曲線區(qū)分。相比之下,四條超深度曲線可清楚地分辨出來?？拷退缑?所有四種深度視電阻率響應(yīng)值比模型電阻率要高,這是受極化影響的結(jié)果。換句話說,這個層的高阻值是由于受分布的角突影響的結(jié)果。較短的常規(guī)傳播電阻率曲線評定該模型時把它當(dāng)做平滑曲線,但超深度測井儀曲線 (較長)在此比例上具有相對突起的邊界。灰色曲線是方位測井儀的信號強(qiáng)度,此曲線在計算機(jī)模擬中與電阻率曲線使用相同的對數(shù)標(biāo)尺,但在油田測試中使用線性比例尺繪制電阻率曲線。在只有簡單的兩層情況下,曲線的峰值將在巖層的分界面上。

然而,在這種情況下,當(dāng)分界面分布著一個較寬的傾斜度時,該峰值就會出現(xiàn)在坡度的中間位置。在油水界面2 m以上信號強(qiáng)度最大,大約能達(dá)到2μV。在出現(xiàn)斷層的油水界面,油層電阻為每米100Ω,水層電阻為每米0.5Ω,將會出現(xiàn)8 μV的信號強(qiáng)度,在油水分界面上會出現(xiàn)電阻率峰值。井眼的軌跡目標(biāo)在油水界面9 m(真垂直深度)以上,并用紅線表示。在9 m處對應(yīng)的方位信號強(qiáng)度大約為0.078μV,可檢測的最小信號必須超過0.010μV的噪音平均值。用于方位測量的指示 (這里沒有畫出)將垂直向下指示出接近油水界面并在測井儀之下的低阻層。然而,大約在1 783 m的位置信號強(qiáng)度幾乎是零,也就是在該點(diǎn)方向指示將轉(zhuǎn)換到更新點(diǎn)。在這個零交叉點(diǎn)之上,井眼上方泥巖的影響響應(yīng)比電阻率梯度和井眼下方水的影響響應(yīng)更強(qiáng)烈。方向信號強(qiáng)度為零和信號方向改變的點(diǎn)通常稱之為電中點(diǎn)。這個電中點(diǎn)是非常重要的一個地質(zhì)特征。

圖1曲線上的點(diǎn)指示了在9 m對應(yīng)點(diǎn)值。然而,其他與傾角無關(guān)的導(dǎo)電對象也將對儀器的反應(yīng)有影響。這些對象通常是一些泥巖,當(dāng)鉆頭不可避免地鉆遇泥巖層時,這種情況將被證實(shí)。本研究的目標(biāo)就是聯(lián)合應(yīng)用三種測井儀 (深度電阻率、軸向傳播電阻率和方位電阻率)來確定周圍環(huán)境,選擇有效的途徑使所鉆井眼成為最佳的油層產(chǎn)油通道。為了確定電導(dǎo)率響應(yīng)部分是由傾角引起的,并確定哪部分是由于鉆井過程中受其他的負(fù)面影響源引起的,為了提高方位數(shù)據(jù)的質(zhì)量,嘗試著消除傾角因素的影響。方法是用常規(guī)的軸向傳播電阻率來確定梯度曲線上的校正點(diǎn),然后在這個點(diǎn)上減去信號強(qiáng)度值。舉一個例子,圖1在油水界面之上9 m這點(diǎn),軸向傳播2 MHz電磁波相位差測得電阻值是20Ω,400 kHz電磁波幅度衰減測得電阻值是19 Ω,這時估計方向信號強(qiáng)度在0.078μV左右,然后從測量出的方位強(qiáng)度信號中減去這個數(shù)值。

3 水平井?dāng)?shù)據(jù)采集和技術(shù)分析

油層鉆2個水平井,每口井都有其特征,圖2現(xiàn)場數(shù)據(jù)包括來自三個儀器的數(shù)據(jù)資料。傳統(tǒng)的傳播電阻率儀器有4個曲線要繪制:Ra2ML(長間距2 MHz幅度衰減電阻率)、Rp2ML(長間距的2 MHz相位差電阻率)、Ra4kL(400 kHz長間距幅度衰減電阻率)和Rp4kL(400 kHz長間距相位差電阻率)。僅400 kHz衰減和2 MHz相位差的響應(yīng)用于解釋。超深井下測井儀也繪制4種曲線:

Ra50k(50 kHz衰減電阻率)、Rp50k(50 kHz相位差電阻率)、Ra20k(20 kHz衰減電阻率)、Rp20k(20 kHz相位差電阻率)。

圖1 Grane油田電阻率梯度模型的深度、軸向和方位傳播電阻率測量值,目標(biāo)深度在油水界面以上9.0 m,深度比例是真垂直深度

方位信號強(qiáng)度記數(shù)點(diǎn) (bin#)在中間(bin#=7和8)表明信號直接來源于井底,測試數(shù)字為0和15表明信號來源于井眼之上,測試數(shù)字在8～15之間表明信號來源于井眼軌跡的左邊。這個信號強(qiáng)度的比例尺 (在圖1上為0～400)變化很大。自然伽馬射線曲線在測井曲線下部,作為參考。在圖2的2 680 m處,2 MHz相位差電阻率接近期望值20Ω。400 kHz衰減電阻率大約為30 Ω,這個數(shù)值比預(yù)期值高,但并不合理。無論如何,這個超深度測量儀除了預(yù)期測量電阻率梯度和下面的水層之外,還能探測出電導(dǎo)率。這些異常電導(dǎo)率大多是油層中夾的泥巖層所致,這是常見的情況。這個最深度的測量能感覺到30 m遠(yuǎn)的電導(dǎo)率,也就是儀器能感應(yīng)到一個巨大的定容比熱容。方位電阻率測井儀的響應(yīng)大約是0.12μV,將超過預(yù)期的0.078μV,這是因?yàn)闄z測到了另外的電導(dǎo)率。bin#在刻度中間表明電導(dǎo)率層在工具下方,在2 640 m附近地帶,bin#數(shù)字突然上升到高值15,表明電導(dǎo)層在工具之上,這很有可能是油層中夾泥巖層。超深測井儀的響應(yīng)小表明這不是油層頂部。在圖2中信號強(qiáng)度受電阻率梯度的影響將使峰值有減少的趨向。當(dāng)電導(dǎo)層在工具下面時,修正后信號強(qiáng)度減少,當(dāng)檢測到電導(dǎo)層在工具之上時,將會增加信號強(qiáng)度。在工具之下的傾斜度和工具之上的泥巖互相競爭導(dǎo)致圖2中方位信號峰值強(qiáng)度降低。

圖2 水平井剖面,在2 640 m可以檢測到頁巖,點(diǎn) (0～15)顯示了方位角信號的方向,當(dāng)AP Rnv的信號強(qiáng)度在毫微伏數(shù)量級時,點(diǎn)0和15在井眼的頂部,點(diǎn)7和8在井底

圖3是修正后的結(jié)果,估算出只受泥巖影響的結(jié)果。另外,在一個三層模型中當(dāng)頂層和底層影響相當(dāng)時,出現(xiàn)一個信號強(qiáng)度零交叉點(diǎn),這點(diǎn)叫電中點(diǎn),零交叉點(diǎn)能在圖2(1 783 m處)綜合數(shù)據(jù)中觀察到。

另外一個測井部分如圖4,在這種情況下,伽馬曲線顯示井眼軌跡穿過一個小泥巖層。電阻率測量曲線顯示出導(dǎo)電響應(yīng)和高值突起,這與以一個高傾角進(jìn)入一個導(dǎo)電層的測量結(jié)果是一致的 (巖層邊界和井眼軌跡的夾角接近于90°)。方位伽馬曲線也顯示出這一個高角度進(jìn)入。方向信號強(qiáng)度顯示出兩個高峰,一個是進(jìn)入泥巖時,另一個是離開泥巖時。鉆柱進(jìn)入泥巖底部,然后穿過泥巖底部回到油層。在井眼軌跡上面的電導(dǎo)層和下面的電阻層將具有相同的方向,它將與bin#數(shù)值是一致的。如果該井眼軌跡已經(jīng)穿過油層的底部并從頂部返回砂巖層,該信號強(qiáng)度將達(dá)到電中點(diǎn),并且bin#是變化的。

圖3 圖2中除去傾角影響后的數(shù)據(jù)

圖4 鉆遇泥巖和離開泥巖時產(chǎn)生的方位峰值

圖5進(jìn)一步顯示了井眼軌跡。在鉆入泥巖段3 788 m深度后,繼續(xù)水平鉆進(jìn)24 m鉆遇高飽和水的砂巖區(qū)。這段砂巖區(qū)有一個常規(guī)淺的軸向電阻率,近似1Ω,以及一個急劇降低的超深電阻率。借助伽馬值和各向異性的增加可以識別出泥巖段。常規(guī)傳播電阻率測井儀所測電阻率值能清楚地區(qū)分指示出泥巖的各向異性。如果測井儀相對于各向異性地層是水平放置,那么方位測量對各向異性并沒有響應(yīng)。在3 778 m到3 812 m的測量深度,電阻率值逐漸增加表明水的飽和度逐漸降低。當(dāng)鉆到3 800 m油氣層時常規(guī)的軸向傳播電阻率測量值迅速增高,方位信號強(qiáng)度在相同的區(qū)段3 801 m處達(dá)到極大值,約為2.5μV。這個極大的邊界峰值在1 Ω的含水層和20Ω的油層之間大約為6μV。圖5達(dá)到的極小峰值表明這并不是一個突變的油層邊界,而是一個飽和水的漸變過渡帶。一旦鉆遇的是電阻層,bin#顯示導(dǎo)電濕層在井眼軌跡之下。隨著水平鉆進(jìn)的深入,電阻率隨著含水飽和度的升高而逐漸降低。方位信號強(qiáng)度的峰值很寬,最大值約為3μV。導(dǎo)電層仍然顯示在井眼軌跡之下。在3 860 m處鉆遇一個泥頁巖層。如圖5左側(cè)邊緣頁巖所示,這個泥巖層可通過上升的伽馬值和各向異性識別出來。

圖5 鉆水平段時因油層中水侵到井眼而使含水飽和度降低

圖6 在井眼軌跡下方和左側(cè)探測到的泥巖層

圖6的數(shù)據(jù)來自于第二口水平井。在2 632 m處井眼接近泥巖層,所有的電阻率曲線都有反應(yīng)。當(dāng)常規(guī)傳播電阻率曲線顯示低阻層響應(yīng)時,超深電阻率曲線顯示一個突起的峰值響應(yīng),在50 kHz相位差電阻率曲線通過該層看起來似乎沒有反應(yīng)。方位測量的信號強(qiáng)度峰值大約在0.32μV,這相當(dāng)于近似1.6 m的距離。這種泥巖顯然是在井眼之下,而當(dāng)泥巖的影響明顯超過梯度的影響時,bin#變動兩個點(diǎn)到左邊。這表明泥巖在井眼下邊,稍微偏左,而穩(wěn)定的伽馬曲線響應(yīng)顯示井眼軌跡并沒有穿透泥巖。

在這種情況下,超深電阻率曲線數(shù)據(jù)顯示電阻率值比油層其他區(qū)域電阻率要低。超深電阻率值繼續(xù)降低直到淺處測量也開始檢測到泥巖。在該點(diǎn),超深電阻率測量曲線開始有一個突起的響應(yīng)。就在方位信號強(qiáng)度開始顯示其峰值之前,在穩(wěn)定的水平面下方有一個由傾角引起的小的下降,這是井眼之下的傾角和井眼之上泥巖之間的電中點(diǎn),將其作為早期的參考點(diǎn)。從井眼底部到頂部bin#的改變等價于方位信號強(qiáng)度測量中符號的改變。

如圖7,鉆遇了水飽和度變化的泥巖帶。在3 765～3 786 m,方向信號強(qiáng)度增加,意味著鉆具從下部靠近導(dǎo)電層。在相同的層帶,在3 788 m穿過泥巖之前常規(guī)傳播電阻率顯著降低至約1Ω,該方位和常規(guī)傳播電阻率值正反應(yīng)了 Heimdal砂巖含水飽和度的增加,可能是由于氣頂?shù)挠绊懚鹩退缑娴木植孔兓?。? 803 m鉆出泥巖后,方位電阻率測量數(shù)據(jù)顯示在井眼之下有導(dǎo)電層,直至3 820 m。這個常規(guī)視電阻率曲線的分離再次證明了泥巖的非均質(zhì)性。井眼軌跡穿過泥巖的頂部沿著同一側(cè)返回砂巖層。在泥巖的內(nèi)側(cè)方向顯示器給出井眼上方的電導(dǎo)率,然而,這僅僅檢測到泥巖電導(dǎo)率的變化,并不是油層的電阻值。當(dāng)方位測井儀開始對3 800 m的砂巖電阻有響應(yīng)的時候,bin#數(shù)返回顯示在井眼下部的導(dǎo)電層與井眼之上的電阻層是相當(dāng)?shù)摹?/p>

圖7 鉆遇水飽和度變化的泥巖

4 結(jié)論

三個電阻率測井儀常用于油層地質(zhì)導(dǎo)向,它們是超深電阻率測井儀、常規(guī)傳播電阻率測井儀和方位電阻率測井儀。油層含水飽和度變化導(dǎo)致電阻率大約從300Ω (油層頂部)變化到0.5Ω (油水界面以下)。需要用超深測井儀從最佳的井眼軌跡(油水界面以上9 m)中來確定大規(guī)模的電阻率結(jié)構(gòu)。淺測量常用于分析近井眼的電阻率變化。

方位測量能確定導(dǎo)電層的方向,顯然,井眼之上的導(dǎo)電層與井眼下面的電層有不同的校正方法。當(dāng)接觸面在井眼之下時,三種電阻率測井儀的綜合分析能識別出泥巖層。通常,使用傳播電阻率測量值來估測方位電阻測量儀對油田電阻率變化的反應(yīng)。從觀察到的方位信號強(qiáng)度減去傾斜的強(qiáng)度信號就能得到一個距導(dǎo)電層比較準(zhǔn)確的距離。結(jié)果較好地解釋了井眼之上或井眼附近的導(dǎo)電層。

資料來源于美國《SPE 115675》

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.5.008

2009-03-05)