李 林，滕鑫淼,2，盛利民，張明寶

（1. 中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院; 2. 中國石油勘探開發(fā)研究院）

水平井地質(zhì)導(dǎo)向中儲(chǔ)集層邊界識(shí)別與測(cè)距

李 林1，滕鑫淼1,2，盛利民1，張明寶1

（1. 中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院; 2. 中國石油勘探開發(fā)研究院）

為了定量確定水平井鉆井中鉆具與儲(chǔ)集層邊界的距離，提出“探層測(cè)距”方法，建立了“探層測(cè)距”物理及數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了“探層測(cè)距”電路，并通過模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了可行性驗(yàn)證。“探層測(cè)距”方法為：水平井鉆井隨鉆測(cè)量過程中，通過發(fā)射高頻定向電磁波并接收反射波來探測(cè)儲(chǔ)集層邊界并測(cè)量鉆具與儲(chǔ)集層邊界的距離。設(shè)計(jì)了高壓窄脈沖和單頻調(diào)制脈沖兩種“探層測(cè)距”電路，基于電路原理建立了“探層測(cè)距”系統(tǒng)并采用3種介質(zhì)進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：采用高壓窄脈沖電路時(shí)由接收波形獲得的儲(chǔ)集層“細(xì)節(jié)”更多，采用單頻調(diào)制脈沖電路時(shí)接收波形更易于識(shí)別與分辨；在不同介質(zhì)、不同距離條件下，采用“探層測(cè)距”方法測(cè)量的距離與實(shí)際距離的相對(duì)誤差不超過5%，測(cè)量精度較高，方法可行。圖8表1參11

地質(zhì)導(dǎo)向；水平井；隨鉆測(cè)量；電磁波；儲(chǔ)集層邊界

0 引言

在水平井鉆井中，為提高鉆遇率，多采用地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)[1-2]。所謂地質(zhì)導(dǎo)向，就是利用電阻率、伽馬、中子等多種測(cè)量方法引導(dǎo)鉆具在儲(chǔ)集層中鉆進(jìn)，依靠這些測(cè)量方法大多能判斷出鉆具及井眼（水平井或大位移井）軌跡是在儲(chǔ)集層中還是在儲(chǔ)集層外，但無法定量確定鉆具與儲(chǔ)集層邊界的距離[3-4]。因此，在水平井地質(zhì)導(dǎo)向中往往會(huì)出現(xiàn)鉆具入儲(chǔ)集層、出儲(chǔ)集層、再入儲(chǔ)集層、再出儲(chǔ)集層的波浪狀井眼軌跡。為了使鉆具始終在儲(chǔ)集層中鉆進(jìn)，本文提出一種“探層測(cè)距”方法，用以確定鉆具所在儲(chǔ)集層的邊界，測(cè)出鉆具與儲(chǔ)集層邊界的距離。

1 “探層測(cè)距”方法提出

煤儲(chǔ)集層、油氣儲(chǔ)集層或覆蓋儲(chǔ)集層的蓋層都具有不同的巖性，表現(xiàn)為不同的物理特性，如密度、伽馬、電導(dǎo)率、介電常數(shù)等。當(dāng)1束波穿過兩個(gè)巖性不同的巖層時(shí)，會(huì)在巖層分界面上產(chǎn)生反射波[5-7]：如果這束波是機(jī)械波（例如聲波或震波），將在兩個(gè)密度不同的巖層分界面上產(chǎn)生反射波；如果這束波是電磁波，將在兩個(gè)介電常數(shù)不同的巖層分界面上產(chǎn)生反射波。波的這一特性是“探層測(cè)距”的理論基礎(chǔ)。

圖1為“探層測(cè)距”示意圖。隨鉆測(cè)量過程中，將發(fā)射源和反射波接收機(jī)安裝在近鉆頭位置，沿鉆具徑向發(fā)射定向波束，同時(shí)用接收機(jī)接收反射回來的波束，以確定在儲(chǔ)集層中水平鉆進(jìn)的鉆具距上下蓋層的距離，使鉆具不出儲(chǔ)集層并保持在最佳位置。鉆具鉆進(jìn)過程中鉆頭破巖時(shí)的震動(dòng)會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的震波，如果發(fā)射源發(fā)射的是機(jī)械波，震波會(huì)干擾用于“探層測(cè)距”的機(jī)械波。而如果發(fā)射源發(fā)射電磁波，“探層測(cè)距”時(shí)就可以避開震波的干擾，反射波更易于識(shí)別。為了確定鉆具是否在儲(chǔ)集層中，還要在近鉆頭位置安裝伽馬和介電常數(shù)傳感器，以實(shí)現(xiàn)精確的地質(zhì)導(dǎo)向。

電磁波的能量隨著頻率、距離的增加按指數(shù)規(guī)律衰減[8]。通常儲(chǔ)集層、蓋層或其他巖層都是有耗介質(zhì)，當(dāng)電磁波穿過這些介質(zhì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生衰減，雖然頻率越高衰減越快，但高頻電磁波波長短，不易產(chǎn)生繞射，可以穿透非導(dǎo)電性介質(zhì)[9]，因此進(jìn)行“探層測(cè)距”時(shí)通常選用高頻電磁波。為了能適用于介電常數(shù)不同、電導(dǎo)率不同的各類巖層，用于“探層測(cè)距”的電磁波為高頻寬帶電磁波：當(dāng)鉆具在薄儲(chǔ)集層中或距儲(chǔ)集層邊界較近時(shí)，發(fā)射源發(fā)出超高頻率（接近于微波段）電磁波，電磁波頻率越高分辨率越精細(xì)；當(dāng)鉆具在厚儲(chǔ)集層中或距儲(chǔ)集層邊界較遠(yuǎn)時(shí)，發(fā)射源則發(fā)出頻率較低的高頻率電磁波，以提高探測(cè)距離。

圖1 “探層測(cè)距”示意圖

2 “探層測(cè)距”方法闡述

2.1 物理及數(shù)學(xué)模型

1束電磁波在穿過介電常數(shù)不同的巖層時(shí)會(huì)產(chǎn)生折射與反射（見圖2），入射角與反射角相等。在電磁波傳播過程中，既有電場(chǎng)也有磁場(chǎng)，電場(chǎng)方向與波的傳播方向相同，磁場(chǎng)方向垂直于波的傳播方向。圖3為“探層測(cè)距”物理模型，設(shè)電磁波在水平井井眼環(huán)空內(nèi)的傳播速度為v1，在儲(chǔ)集層中的傳播速度為v2，電磁波從發(fā)射天線直達(dá)接收天線（直達(dá)波）的時(shí)間為t0，儲(chǔ)集層邊界反射波與直達(dá)波的時(shí)間差為Δt。

圖2 電磁波在巖層分界面上的反射和折射

圖3 “探層測(cè)距”物理模型

發(fā)射天線與接收天線的距離為：

電磁波在儲(chǔ)集層中往返傳播的距離為：

天線所在平面與儲(chǔ)集層邊界的距離為：

（1）式—（3）式中，l和v1均為已知量。當(dāng)鉆井方式為氣體鉆井時(shí)，v1約為3×108m/s，近似于電磁波在真空中的傳播速度；采用水基鉆井液時(shí)，v1約為0.33×108m/s，近似于電磁波在純水中的傳播速度。v2可按下式計(jì)算[10-11]：

（4）式中，μ為儲(chǔ)集層的磁導(dǎo)率，對(duì)于絕大部分地層，其為常數(shù)。則對(duì)于油氣儲(chǔ)集層，v2只與儲(chǔ)集層的介電常數(shù)ε（可由隨鉆介電常數(shù)測(cè)量儀器測(cè)得）有關(guān)。

由上述分析可知，求出天線所在平面與儲(chǔ)集層邊界距離的關(guān)鍵在于測(cè)出反射波與直達(dá)波的時(shí)間差。

2.2 電路原理

為實(shí)現(xiàn)“探層測(cè)距”，本文設(shè)計(jì)了兩種電路：高壓窄脈沖“探層測(cè)距”電路（見圖4）和單頻調(diào)制脈沖“探層測(cè)距”電路（見圖5）。

圖4 高壓窄脈沖“探層測(cè)距”電路

圖5 單頻調(diào)制脈沖“探層測(cè)距”電路

高壓窄脈沖“探層測(cè)距”電路原理為：由高壓窄脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈寬范圍為皮秒—納秒、幅度在100 V以上的高壓窄脈沖，此脈沖傳送給高頻寬帶發(fā)射天線，發(fā)射天線輻射出定向?qū)拵}沖電磁波；該電磁波遇到儲(chǔ)集層邊界時(shí)產(chǎn)生的反射波被接收天線收到，經(jīng)高頻寬帶小信號(hào)放大器放大，再經(jīng)互相關(guān)濾波后傳送到數(shù)據(jù)處理器，在數(shù)據(jù)處理器中依據(jù)本文建立的測(cè)距模型計(jì)算得出鉆具與儲(chǔ)集層邊界的距離。采用皮秒—納秒級(jí)高壓窄脈沖是為了獲得較深遠(yuǎn)的探測(cè)距離和較高的分辨率。時(shí)域上的窄脈沖通常在頻域上是寬帶信號(hào)，為保證發(fā)射和接收信號(hào)不失真，收發(fā)天線必須是寬帶的，天線的頻帶越寬窄脈沖反射信號(hào)越容易識(shí)別。然而，要設(shè)計(jì)出在不同應(yīng)用環(huán)境和特定約束條件下具有相同增益的寬帶天線有很大難度。此外，由于反射波的散射及窄脈沖信號(hào)在有耗介質(zhì)中產(chǎn)生的群延遲，反射波會(huì)發(fā)生較大變形。

為了彌補(bǔ)高壓窄脈沖“探層測(cè)距”電路的不足，設(shè)計(jì)了單頻調(diào)制脈沖“探層測(cè)距”電路，其原理為：由單頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生1個(gè)單頻信號(hào)，單頻信號(hào)經(jīng)過脈沖調(diào)制（脈沖寬度要小于電磁波穿過可分辨巖層所用的時(shí)間）后由高頻功率放大器放大并發(fā)送給高頻微帶發(fā)射天線，天線發(fā)出定向電磁波；當(dāng)定向電磁波遇到儲(chǔ)集層邊界時(shí)產(chǎn)生反射波，反射波被接收天線收到后傳給高頻小信號(hào)放大器，放大后經(jīng)過微帶濾波器濾波再傳送給數(shù)據(jù)處理器，在數(shù)據(jù)處理器中通過A/D變換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，再計(jì)算出鉆具與儲(chǔ)集層邊界的距離。

圖6 混凝土磚塊中測(cè)距接收波形

圖7 清水中測(cè)距接收波形

3 “探層測(cè)距”模擬實(shí)驗(yàn)

依據(jù)“探層測(cè)距”物理及數(shù)學(xué)模型和電路原理，建立“探層測(cè)距”系統(tǒng)，并分別在混凝土磚塊、清水、煤塊中進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。將發(fā)射天線和接收天線貼于被測(cè)介質(zhì)一側(cè)的平面上，被測(cè)介質(zhì)另一側(cè)為空氣。由于上述3種介質(zhì)與空氣的介電常數(shù)存在差異，因而高頻電磁波會(huì)在這些介質(zhì)與空氣的分界面處產(chǎn)生反射。

圖6、圖7、圖8分別為采用混凝土磚塊、清水、煤塊進(jìn)行“探層測(cè)距”時(shí)電磁波電場(chǎng)強(qiáng)度隨時(shí)間變化的時(shí)域波形圖。其中，圖6a、圖7a、圖8a為采用高壓窄脈沖“探層測(cè)距”電路時(shí)的接收波形圖，圖6b、圖7b、圖8b為采用單頻調(diào)制脈沖“探層測(cè)距”電路時(shí)的接收波形圖。由接收波形圖可以得到反射波與直達(dá)波的時(shí)間差，再結(jié)合電磁波在上述3種介質(zhì)中的傳播速度，即可實(shí)現(xiàn)“探層測(cè)距”功能。表1為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果，其中測(cè)量距離為分別采用兩種電路得到的測(cè)量結(jié)果的平均值。

由圖6—圖8可知：采用高壓窄脈沖“探層測(cè)距”電路時(shí)由接收到的波形獲得的儲(chǔ)集層“細(xì)節(jié)”更多，能識(shí)別介質(zhì)內(nèi)部的微小縫隙，例如由圖7a顯示波形識(shí)別到了煤層中的割理；采用單頻調(diào)制脈沖“探層測(cè)距”電路時(shí)接收到的波形特征更為明顯，形態(tài)更為“包絡(luò)”，更易于識(shí)別與分辨。根據(jù)兩種電路的特點(diǎn)，高壓窄脈沖“探層測(cè)距”電路更適用于測(cè)量較大的距離，單頻調(diào)制脈沖“探層測(cè)距”電路更適用于測(cè)量較小的距離。

由表1可知，在不同介質(zhì)、不同距離條件下，測(cè)量距離與實(shí)際距離的相對(duì)誤差不超過5%，測(cè)量精度較高，本文提出的“探層測(cè)距”方法可行。

圖8 煤塊中測(cè)距接收波形

表1 “探層測(cè)距”實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果

4 結(jié)論

利用本文提出的“探層測(cè)距”方法及設(shè)計(jì)的“探層測(cè)距”系統(tǒng)，可以確定鉆具所在儲(chǔ)集層的邊界，測(cè)出鉆具與儲(chǔ)集層邊界的距離，并實(shí)現(xiàn)地質(zhì)導(dǎo)向功能，具有如下特點(diǎn)：①抗干擾性強(qiáng)。采用高頻電磁波，可有效避免井下其他信號(hào)的干擾，尤其是井下工具機(jī)械震動(dòng)的影響。②分辨率高。發(fā)射的電磁波頻率較高，波長較短，分辨率可達(dá)厘米級(jí)，實(shí)現(xiàn)精確測(cè)距。③探測(cè)距離短。高頻電磁波在地層中隨距離增大衰減劇烈，因而本文提出的“探層測(cè)距”方法更適用于短距離探測(cè)。

分別采用混凝土磚塊、清水、煤塊進(jìn)行了“探層測(cè)距”模擬實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：本文提出的“探層測(cè)距”方法測(cè)量精度高，可行性強(qiáng)。

符號(hào)注釋：

Ei，Er，Et——入射波、反射波和折射波的電場(chǎng)強(qiáng)度幅值，V/m；Hi，Hr，Ht——入射波、反射波和折射波的磁場(chǎng)強(qiáng)度振幅值，A/m；θi，θr，θt——入射角、反射角和折射角，（°）；l——發(fā)射天線與接收天線的距離，m；L——電磁波在儲(chǔ)集層中往返傳播的距離，m；d——天線所在平面與儲(chǔ)集層邊界的距離，m；v1——電磁波在水平井井眼環(huán)空內(nèi)的傳播速度，m/s；v2——電磁波在儲(chǔ)集層中的傳播速度，m/s；t0——直達(dá)波時(shí)間，s；Δt——反射波與直達(dá)波時(shí)間差，s；μ——儲(chǔ)集層的磁導(dǎo)率，H/m；ε——儲(chǔ)集層的介電常數(shù)，F(xiàn)/m。

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Identification and ranging of reservoir boundary in horizontal well geo-steering

Li Lin1, Teng Xinmiao1,2, Sheng Limin1, Zhang Mingbao1
(1. CNPC Drilling Research Institute, Beijing 100083, China; 2. PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Beijing 100083, China)

To make quantitative measurement of the distance between the drilling tool and the reservoir boundary in horizontal well drilling, this paper presented the method of “l(fā)ayer-detection ranging”, established the physical and mathematic models and designed the circuit supporting the method. Moreover, the simulation experiment was made to verify the method’s feasibility. With the method, the reservoir boundary was detected and the distance between it and the drilling tool was measured through transmitting directional high-frequency electromagnetic waves and receiving reflection waves, in process of measurement while drilling (MWD) in the horizontal well drilling. Two “l(fā)ayer-detection ranging” circuits, i.e. high-voltage narrow pulse and single frequency modulating pulse, were designed. Based on the circuit theory, a “l(fā)ayer-detection ranging” system was established and three media were used for simulation experiment. The results show that: more details of the reservoir are acquired from

waveforms using the high-voltage narrow pulse circuit, and the received waveforms are more easily identified and discriminated using the single frequency modulating pulse circuit; under the conditions of different media and distances, the relative error between the true distance and the distance measured with the“l(fā)ayer-detection ranging” method is less than 5%, suggesting that the method is reliable.

geo-steering; horizontal well; MWD; electromagnetic wave; reservoir boundary

TE927

A

李林（1955-），男，山西襄垣人，中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院高級(jí)工程師，主要從事井下信息測(cè)量與傳輸方面的研究工作。地址：北京市海淀區(qū)學(xué)院路20號(hào)，中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院井下控制工程所，郵政編碼：100083。E-mail：lilin0307dri@ cnpc.com.cn

2013-09-04

2013-11-20

（編輯 胡葦瑋 繪圖 劉方方）

1000-0747(2014)01-0108-04

10.11698/PED.2014.01.14

國家科技重大專項(xiàng)“電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)及遠(yuǎn)距離穿針技術(shù)與裝備”（2008ZX05036-004）