王邦偉, 張樹東, 吉人, 賴劍

(中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司測井公司, 重慶 400021)

0 引 言

近年來,四川盆地碳酸鹽巖儲層勘探開發(fā)中大量使用了隨鉆測井和地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)。但是,對于非均質(zhì)性強(qiáng)和構(gòu)造復(fù)雜多變的碳酸鹽巖儲層[1],常規(guī)隨鉆測井儀器無法提供方向性的測量數(shù)據(jù),在追蹤儲層和軌跡控制上難度較大,且電磁波電阻率測量范圍較低(一般只能達(dá)到2 000 Ω·m),無法在高電阻率儲層中使用。與常規(guī)隨鉆測井儀相比,斯倫貝謝公司的Microscope隨鉆電阻率成像測井儀具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢[2],它能夠提供不同探測深度的側(cè)向電阻率測量(測量范圍20 000 Ω·m)和實(shí)時(shí)的方向性測量數(shù)據(jù),對井壁進(jìn)行360°掃描,獲得儲層的精密電阻率圖像,實(shí)時(shí)計(jì)算地層傾角,進(jìn)行構(gòu)造分析和裂縫識別,對于準(zhǔn)確掌握地層、儲層和構(gòu)造特征,減少鉆井風(fēng)險(xiǎn),優(yōu)化完井方式起著至關(guān)重要的作用。

1 隨鉆電阻率成像測井儀的結(jié)構(gòu)原理

斯倫貝謝公司的Microscope隨鉆電阻率成像測井儀標(biāo)準(zhǔn)分辨率擁有56個(gè)扇區(qū),超高分辨率擁有160個(gè)扇區(qū),其基本結(jié)構(gòu)由5個(gè)環(huán)形發(fā)射天線陣列、2個(gè)紐扣電極以及1個(gè)可裝卸高分辨率成像sleeve組成,2個(gè)紐扣電極呈180°安裝在鉆鋌兩側(cè)(見圖1)。鉆進(jìn)時(shí)當(dāng)儀器隨著鉆具在井下旋轉(zhuǎn),井眼周圍地層全覆蓋的電阻率成像圖實(shí)時(shí)傳送至地面[3-4]。Microscope全陣列測量可以提供2個(gè)探測深度的環(huán)形電阻率測量、4個(gè)探測深度的側(cè)向電阻率測量、4個(gè)探測深度的井眼電阻率成像以及近鉆頭井斜和方位自然伽馬測量。

聚焦側(cè)向電阻率測量時(shí),環(huán)形天線發(fā)射的電流流經(jīng)鉆鋌、井眼和地層,紐扣電極作為監(jiān)督電極;環(huán)形電阻率測量時(shí),不使用紐扣電極,環(huán)形天線既為發(fā)射器也作為接收器;近鉆頭電阻率測量時(shí),儀器底部的2個(gè)環(huán)形發(fā)射天線作為發(fā)射電極和監(jiān)督電極,電流經(jīng)過鉆頭和地層返回上部鉆柱,近鉆頭測量不聚焦。當(dāng)Rt/Rxo=10(即地層真實(shí)電阻率和沖洗帶電阻率比值為10)的情況下,Microscope隨鉆側(cè)向電阻率的徑向探測深度(淺、中、深、極深)大約是2.5、7.6、13和15 cm(1、3、5和6 in),垂直分辨率達(dá)到2 in*非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同,超高分辨率測量時(shí)其電阻率成像分辨率接近電纜成像測井FMI儀器。

圖1 Microscope隨鉆電阻率成像測井儀結(jié)構(gòu)

2 隨鉆電阻率成像地質(zhì)導(dǎo)向

2.1 地質(zhì)導(dǎo)向方法

四川盆地碳酸鹽巖儲層構(gòu)造復(fù)雜,儲層縱橫向非均質(zhì)性強(qiáng),地質(zhì)導(dǎo)向過程中鉆遇斷層或地層傾角突變等復(fù)雜狀況時(shí)難以有效追蹤儲層。Microscope隨鉆電阻率成像提供的方向性測量數(shù)據(jù)和成像數(shù)據(jù)可以幫助導(dǎo)向工程師有效地計(jì)算地層傾角、井眼軌跡和地層之間的切入角,進(jìn)行構(gòu)造分析,判斷井軌跡上切與下切地層的情況,發(fā)現(xiàn)孔洞縫的特征,用于識別儲層等,進(jìn)而根據(jù)基于構(gòu)造導(dǎo)向和基于儲層導(dǎo)向的技術(shù)方法指導(dǎo)水平井鉆進(jìn)[2]。

水平井成像測井響應(yīng)與直井有較大差異,地層層理在水平井成像展開圖上表現(xiàn)為視傾角低時(shí),真傾角高,然而視傾角高時(shí),真傾角不一定低。如圖2所示,①表示地層視傾角高,真傾角高;②表示視傾角低,真傾角高;③表示視傾角高,真傾角低[5]。

圖2 水平井成像展開圖上地層視傾角與真傾角的關(guān)系

Microscope隨鉆電阻率成像測井提供地層傾角實(shí)時(shí)交互解釋,其結(jié)果可以用矢量圖表示。用傾角矢量圖識別模式可以解釋鉆遇地層構(gòu)造變化細(xì)節(jié),分析構(gòu)造變化規(guī)律,預(yù)測鉆頭前方構(gòu)造變化趨勢,為地質(zhì)導(dǎo)向決策提供依據(jù)。

隨鉆成像數(shù)據(jù)的成像方式是將井壁從井眼頂部沿井周方向橫向展開(即順著鉆頭前進(jìn)的方向看,在垂直于井筒切面上,沿上—右—下—左—上順時(shí)針方向的展開圖),圖2中心代表井眼底部(或者井筒低邊),兩邊代表頂部(井筒高邊),這與傳統(tǒng)的0°～360°出圖方式不同。當(dāng)井眼軌跡下穿地層時(shí),軌跡底部首先看到該層,因此,成像圖中心首先反映這一層位的特征,然后向兩側(cè)展開,隨著井深的不斷增加,這個(gè)層位特征在成像圖上呈現(xiàn)正弦曲線形狀。

實(shí)時(shí)地質(zhì)導(dǎo)向過程中,井眼軌跡與地層的空間關(guān)系是地質(zhì)導(dǎo)向工程師最關(guān)心的問題之一,通過成像圖上正弦曲線的形狀可以準(zhǔn)確地判斷井眼軌跡是向下切入地層還是向上切入地層。同時(shí),正弦曲線的幅度大小指示著井眼軌跡與地層的切入角大小。正弦曲線幅度越小表明井眼軌跡與地層的夾角越大;隨著井眼軌跡與地層的切入角變小,地層面在井壁上展開的距離被拉得越來越長,正弦曲線的幅度變得越來越大[6-9]。

井眼軌跡與地層的夾角θ可以用三角函數(shù)關(guān)系表示,其計(jì)算公式為

θ=arctan ((a+2xb)/c)x(π/180)

(1)

式中,a為井眼直徑,m;b為儀器探測深度,m;c為成像圖上正弦曲線幅度,m。

井眼軌跡與地層的夾角θ以及上切和下切關(guān)系用于觀察井軌跡穿層情況,分析穿層的速度,實(shí)時(shí)指導(dǎo)軌跡的細(xì)微調(diào)整。

圖3 A井Microscope隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向著陸控制

2.2 隨鉆電阻率成像地質(zhì)導(dǎo)向應(yīng)用

A井是四川盆地靈音寺構(gòu)造的1口水平開發(fā)井,該井目的層為三疊系下統(tǒng)嘉陵江組嘉二3段,水平段設(shè)計(jì)850 m。巖性頂部為深褐灰色泥晶云巖;上部為灰白色石膏和褐灰色泥晶云巖互層;中上部為灰褐色泥—粉晶云巖;中部為褐灰色、灰褐色泥—粉晶灰?guī)r;中下部為褐灰色泥—粉晶云巖、土狀云巖、鮞粒云巖和灰?guī)r;下部為白色石膏夾深灰色泥質(zhì)云巖。儲層類型為裂縫-孔隙型。地層傾角變化大,斷層等復(fù)雜構(gòu)造發(fā)育,地質(zhì)導(dǎo)向難度較大。

2.2.1 著陸設(shè)計(jì)與控制

通過設(shè)計(jì)方位地震剖面分析,該井著陸井段地層整體呈上傾趨勢,預(yù)測地層傾角為上傾2.5°,隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向從1 840 m接手,垂深1 753.42 m,井斜預(yù)測66°。目的層頂部預(yù)計(jì)井深為1 942 m,垂深1 780 m,設(shè)計(jì)以7°/30 m狗腿度增斜著陸于目的層中下部位置,著陸點(diǎn)井斜89.6°,井眼軌跡與地層夾角2.9°。

實(shí)際鉆至1 916 m處,Microscope隨鉆電阻率成像實(shí)時(shí)提取地層傾角由2.5°上傾變?yōu)?.5°上傾(見圖3中位置1),此時(shí)預(yù)測井底井斜83.5°,控制井眼軌跡以5°/30 m的狗腿度繼續(xù)增斜。鉆至1 956 m處,垂深1 779.8 m,井斜88°,隨鉆電阻率值降低,GR值為較平穩(wěn)變化的低值(19～34 API),與鄰近目的層電性特征相符,判斷井眼軌跡成功著陸于目的層(見圖3中位置2)。Microscope提取地層傾角為2°上傾,預(yù)測井底井斜91°,井眼軌跡與地層夾角1°,Microscope成像圖指示井眼軌跡下切地層,正弦曲線的幅度變的越來越大,表示井眼軌跡與地層夾角越來越小,軌跡切入地層速度變緩,繼續(xù)增斜至92°,控制井眼軌跡在目的層中部鉆進(jìn)。

2.2.2 實(shí)時(shí)導(dǎo)向控制

實(shí)時(shí)導(dǎo)向過程中,由于地層傾角的變化以及可能鉆遇的復(fù)雜構(gòu)造帶影響,井眼軌跡難以始終保持在儲層中的最佳位置,及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常并準(zhǔn)確判斷井眼軌跡與地層的空間關(guān)系是地質(zhì)導(dǎo)向成功的關(guān)鍵。導(dǎo)向過程中需要根據(jù)儲層的變化實(shí)時(shí)調(diào)整模型,控制井眼軌跡回到儲層中去。

A井目的層巖性為云巖,最佳儲層視厚度2 m,儲層上部為視厚度1.5 m的灰?guī)r層,灰?guī)r上面為高伽馬的灰質(zhì)泥巖薄層,儲層下部為視厚度5 m的致密灰?guī)r和云巖層。該井在1 956 m處著陸后在儲層中緩慢下切鉆進(jìn),井眼軌跡位于儲層下部。鉆至2 393 m處時(shí),ROP和氣測值出現(xiàn)突變,Microscope側(cè)向電阻率值突然升高(見圖4中位置4所示),從200 Ω·m左右升至20 000 Ω·m左右,成像圖顯示井眼軌跡正快速下切地層。提取的地層傾角由4.7°上傾變?yōu)?°上傾,變化不大。分析認(rèn)為井眼軌跡可能已經(jīng)穿底進(jìn)入下部灰?guī)r層,也可能出現(xiàn)局部微斷層,井眼軌跡切入上部灰?guī)r層,需要進(jìn)一步證實(shí)。保持井斜95°鉆進(jìn)至2 420 m左右時(shí),成像圖顯示井眼軌跡從下切變?yōu)樯锨械貙?繼續(xù)鉆進(jìn)至2 430 m左右自然伽馬值升高至80～90 API,電阻率下降至10 Ω·m左右(見圖4中位置5),巖性為泥質(zhì)灰?guī)r和灰質(zhì)泥巖,Microscope顯示井眼軌跡保持上切地層姿態(tài)。判斷在2 393 m處鉆遇了微斷層,井眼軌跡從目的層底部直接切入頂部灰?guī)r,然后繼續(xù)上切進(jìn)入了上部高伽馬的灰質(zhì)泥巖層。

控制井斜由95°逐步下降,期間地層傾角由上傾5°逐漸變緩為上傾0.5°～1°。成像圖顯示在2 540 m左右井眼軌跡開始下切地層,在2 600 m左右再次鉆遇高伽馬的泥質(zhì)灰?guī)r段,地層出現(xiàn)鏡像重復(fù)段(見圖4中位置5和6所示)。繼續(xù)降斜下切,鉆進(jìn)至2 650 m處,氣測值升至18%且保持穩(wěn)定,巖屑顯示為云巖,電阻率值下降至100～200 Ω·m,伽馬值20～25 API,判斷井眼軌跡重新返回目的層云巖儲層(見圖4中位置8所示)。此時(shí)地層上傾1.5°,井斜89.5°,復(fù)合鉆進(jìn),利用地層自然增斜能力控制井眼軌跡在目的層中繼續(xù)鉆進(jìn)。

3 隨鉆電阻率成像測井解釋

3.1 裂縫、小斷層

根據(jù)裂縫的形成機(jī)理,可以將裂縫分為天然裂縫和誘導(dǎo)裂縫。天然裂縫分布不規(guī)則,主要為高導(dǎo)縫,在隨鉆電阻率成像圖中表現(xiàn)為深色(黑色)正弦曲線,為鉆井泥漿侵入或泥質(zhì)充填所致,一般構(gòu)成良好的儲層;另一種為高電阻率縫,隨鉆電阻率成像圖中表現(xiàn)為高阻(淺色-白色)正弦曲線,通常充填方解石,一般不具有儲集性[10-12]。誘導(dǎo)裂縫是由于鉆井過程中鉆具振動或者泥漿與地應(yīng)力不平衡造成的壓裂縫,這類裂縫一般沒有儲集性,其徑向延伸都不大。Microscope提供了不同徑向探測深度的高分辨率圖像,根據(jù)深淺電阻率成像的差別可以準(zhǔn)確的區(qū)分鉆井誘導(dǎo)縫和天然裂縫。

圖4 A井Microscope隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向?qū)崟r(shí)導(dǎo)向模型

A井Microscope隨鉆電阻率成像測井解釋裂縫發(fā)育層段共計(jì)8 m,發(fā)育3個(gè)小段層,裂縫走向主要為北北東—南南西向,小斷層走向?yàn)楸北蔽鳌夏蠔|向。表1是典型的圖像特征解釋。

3.2 溶蝕孔洞、溶蝕洞穴

四川盆地的裂縫-孔洞型儲層中,裂縫具有良好的溝通作用,部分溶蝕孔洞常沿著裂縫發(fā)育。溶蝕孔洞在Microscope成像圖上表現(xiàn)為高導(dǎo)(黑色)的分散的斑點(diǎn)狀或串珠狀,溶蝕洞穴的特征則更為明顯,表現(xiàn)為深色的大塊狀[13-14]。

B井為四川盆地高石梯構(gòu)造1口重點(diǎn)水平開發(fā)井,目的層為震旦系燈影組燈四段,地層巖性主要為

表1A井Microscope隨鉆電阻率成像解釋

灰色、深灰色白云巖,灰色泥粉晶白云巖和藻疊層白云巖和深灰色砂質(zhì)云巖。該井溶蝕孔洞發(fā)育,Microscope成像測井解釋溶蝕孔洞發(fā)育段累計(jì)216 m,其中有兩處溶蝕洞穴(見圖5和圖6)。

以上對孔洞縫的識別可以較好地解釋鉆遇儲層的發(fā)育情況,分析儲層的品質(zhì),在地質(zhì)導(dǎo)向中用于追蹤儲層,提高有效儲層的鉆遇率和水平井的產(chǎn)量。

圖5 B井溶蝕孔洞圖像特征 圖6 B井溶蝕洞穴圖像特征

圖7 B井井眼崩落圖像特征

3.3 井眼崩落

在直井中,井眼崩落方位指示當(dāng)前最小水平主應(yīng)力方位,與當(dāng)前地層最大水平主應(yīng)力方位垂直。在水平井中,三軸地應(yīng)力的大小很復(fù)雜,井眼崩落影響因素也復(fù)雜,是否與地應(yīng)力有關(guān)需要根據(jù)具體情況分析。

圖7所示為B井井眼崩落特征圖像,該井下段井眼崩落明顯,Microscope成像測井解釋井眼崩落井段158 m,5 715～5 718 m井段可能是與地應(yīng)力有關(guān)的井壁崩落,這種崩落通常在打開地層初期比較微弱。

4 結(jié) 論

(1) Microscope高分辨率隨鉆電阻率成像可以有效地應(yīng)用于四川盆地碳酸鹽巖復(fù)雜儲層的地質(zhì)導(dǎo)向,地層傾角的準(zhǔn)確實(shí)時(shí)提取、井眼軌跡與地層切入角的準(zhǔn)確解釋和非均質(zhì)儲層的精確識別,保證了地質(zhì)導(dǎo)向決策的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。

(2) Microscope高分辨率隨鉆電阻率成像可以較好地解釋地層層理、裂縫及充填情況、溶蝕孔洞、小斷層、井眼崩落等地質(zhì)特征。

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