王瀚瑋， 夏宏泉， 陳 宇， 趙 昊

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西南石油大學(xué))，四川成都 610500；2.四川長(zhǎng)寧天然氣開發(fā)有限責(zé)任公司，四川成都 610000)

頁(yè)巖氣水平井地質(zhì)導(dǎo)向鉆井需要根據(jù)隨鉆測(cè)井曲線(LWD)實(shí)時(shí)了解地層巖性、物性、電性和含氣性的變化特征，指導(dǎo)鉆頭沿優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖地層高效鉆進(jìn)[1-5]。目前，我國(guó)在頁(yè)巖氣水平井隨鉆測(cè)井資料解釋和評(píng)價(jià)等方面還不夠完善，其中校正隨鉆測(cè)井曲線時(shí)仍沿用常規(guī)油氣井電纜測(cè)井的校正方法，且大多數(shù)情況下不進(jìn)行環(huán)境因素影響的校正，多為定性半定量粗放型解釋，使測(cè)量值偏離原狀地層，降低了隨鉆地層評(píng)價(jià)和地質(zhì)導(dǎo)向鉆井的精度[6-11]。為此，需要綜合考慮頁(yè)巖氣水平井隨鉆測(cè)井曲線的環(huán)境影響因素，對(duì)曲線進(jìn)行校正。

威遠(yuǎn)地區(qū)頁(yè)巖氣水平井隨鉆測(cè)井通常僅測(cè)量隨鉆伽馬、密度、中子和電阻率4類曲線。筆者首先綜合考慮對(duì)各測(cè)井曲線影響較大的環(huán)境因素(如頁(yè)巖地層的電性各向異性、相對(duì)夾角，儀器偏離間隙、井眼環(huán)境和鉆井液密度等)[11-15],然后分析各因素對(duì)測(cè)井曲線變化特征的影響，構(gòu)建校正圖版，建立圖版公式化的校正模型,最后以威遠(yuǎn)地區(qū)W2-H3頁(yè)巖氣水平井為例進(jìn)行隨鉆測(cè)井曲線的環(huán)境因素影響校正，并結(jié)合室內(nèi)頁(yè)巖巖心數(shù)據(jù)分析該校正模型的可行性，以提高地質(zhì)導(dǎo)向鉆井的精度和準(zhǔn)確性。

1 隨鉆電阻率測(cè)井曲線的環(huán)境影響因素及校正方法

1.1 隨鉆電阻率測(cè)井曲線的環(huán)境影響因素

由于隨鉆電阻率測(cè)井要求鉆頭鉆開地層后2～60 min內(nèi)進(jìn)行測(cè)井，鉆井液侵入對(duì)地層影響不大，儀器偏離間隙對(duì)電阻率測(cè)井曲線的影響很小，此外頁(yè)巖地層具有目標(biāo)層較厚的特征(大于50.00 m)，因此可以不考慮鉆井液侵入、儀器偏離間隙和圍巖對(duì)隨鉆電阻率測(cè)井曲線的影響[13-15]。地層電性各向異性和相對(duì)夾角(井眼軌跡與地層界面的夾角)使隨鉆電阻率測(cè)井值增高，影響較大，在消除井眼環(huán)境對(duì)隨鉆電阻率的影響后[14-16]，必須分析頁(yè)巖地層電性各向異性和相對(duì)夾角的影響。

頁(yè)巖地層電性各向異性可用電阻率各向異性系數(shù)[14]表示：

(1)

式中：λ為電阻率各向異性系數(shù)；Rv和Rh分別為垂直電阻率和水平電阻率，Ω·m。

頁(yè)巖地層隨鉆電阻率通常為100～1 000 Ω·m，基于隨鉆電阻率測(cè)井原理[18]，假設(shè)頁(yè)巖儲(chǔ)層電阻率為666.7 Ω·m (電導(dǎo)率為1.5 mS/m),電阻率各向異性系數(shù)λ分別為1(各向同性)和2(各向異性)，相對(duì)夾角分別為5°，60°和80°，采用FDTD法得到頁(yè)巖地層電性各向異性和相對(duì)夾角對(duì)隨鉆電阻率測(cè)井曲線的影響曲線(見圖1)。

圖1 頁(yè)巖地層電性各向異性和相對(duì)夾角對(duì)隨鉆電阻率測(cè)井的影響特征Fig.1 Impact of electrical anisotropy and relative angle of shale formation on resistivity from LWD

從圖1可以看出，對(duì)于各向同性地層，無論相對(duì)夾角如何變化，地層中部的電阻率基本不變，但隨著相對(duì)夾角增大，在地層邊界出現(xiàn)犄角狀尖峰現(xiàn)象(邊界效應(yīng))；而對(duì)于各向異性地層，中部電阻率隨著地層傾角增大而明顯增大。

為了進(jìn)一步研究相對(duì)夾角和地層電性各向異性對(duì)隨鉆電阻率測(cè)井曲線的影響，分析了不同相對(duì)夾角下隨鉆電阻率在各向異性地層中的變化規(guī)律(見圖2)。

圖2 隨鉆電阻率值受頁(yè)巖地層各向異性和相對(duì)夾角影響的變化規(guī)律Fig.2 The way of impacts of electrical anisotropy and relative angle of shale formation on resistivity from LWD

從圖2可以看出：若地層不存在電性各向異性且相對(duì)夾角為0°，隨鉆電阻率測(cè)井能夠準(zhǔn)確反映地層真實(shí)的電阻率；若地層存在各向異性和相對(duì)夾角，地層電性各向異性對(duì)隨鉆電阻率影響較大。其中，當(dāng)相對(duì)夾角一定時(shí)，隨鉆電阻率隨地層各向異性增大而增大；當(dāng)?shù)貙与娦愿飨虍愋砸欢〞r(shí)，隨鉆電阻率隨相對(duì)夾角增大而增大，尤其是相對(duì)夾角大于50°時(shí)增大更為顯著。

1.2 隨鉆電阻率測(cè)井曲線的環(huán)境影響校正方法

基于上述分析，在對(duì)頁(yè)巖氣水平井隨鉆電阻率曲線進(jìn)行解釋時(shí)，必須考慮地層電性各向異性和相對(duì)夾角所的共同影響，并對(duì)其進(jìn)行校正。

視電阻率是水平電阻率和垂直電阻率的合成值[19]，一般情況下，水平電阻率小于或等于垂直電阻率，測(cè)井評(píng)價(jià)中通常將水平電阻率作為地層的真電阻率，視電阻率越接近水平電阻率，則越能真實(shí)反映地層實(shí)際的電性特征。假設(shè)與地層界面平行方向?yàn)楹暧^各向同性，基于式(1)，通過幾何推導(dǎo)可得頁(yè)巖地層視電阻率與水平電阻率之比為：

(2)

式中：Ra為地層視電阻率，Ω·m；θ為相對(duì)夾角，(°)。

根據(jù)式(2)的計(jì)算結(jié)果，可繪制出隨鉆電阻率測(cè)井曲線受地層各向異性和相對(duì)夾角影響的校正圖版(見圖3)，隨鉆電阻率校正值=地層視電阻率值/圖版的縱坐標(biāo)(地層視電阻率與水平電阻率之比)。

圖3 地層電性各向異性和相對(duì)夾角影響的校正圖版Fig.3 The calibration chart for electrical anisotropy and relative angles

2 隨鉆核測(cè)井的環(huán)境影響因素及校正方法

隨鉆密度、中子和伽馬測(cè)井儀器均采用了放射性源核探測(cè)器，都屬于隨鉆核測(cè)井，下面依次分析環(huán)境因素對(duì)這3種隨鉆測(cè)井曲線的影響及校正方法。

2.1 隨鉆密度測(cè)井

儀器偏心處于井眼的長(zhǎng)軸方向，傳感器到井壁的最大距離為儀器的偏離間隙[11]。在頁(yè)巖氣水平井中，儀器產(chǎn)生偏離間隙會(huì)導(dǎo)致隨鉆密度實(shí)測(cè)值減小。儀器存在偏離間隙時(shí)所測(cè)量的密度為隨鉆密度測(cè)井值(實(shí)測(cè)值)，同一地層中儀器不存在偏離間隙時(shí)所測(cè)量的密度作為隨鉆密度校正值(密度校正值)，研究發(fā)現(xiàn)，隨鉆密度校正值與隨鉆密度測(cè)井值的差值和儀器偏離間隙呈良好的線性關(guān)系，且不同的井眼形狀會(huì)使隨鉆密度測(cè)井值產(chǎn)生不同程度的偏離。常見的井眼形狀可以分為圓形、橢圓形和槽形[14]，因此建立3種井眼形狀下隨鉆密度測(cè)井曲線受儀器偏離間隙影響的校正圖版(見圖4)。

圖4為3種井眼形狀下隨鉆密度校正值與隨鉆密度測(cè)井值的差值和儀器偏離間隙的交會(huì)圖，每種情況下，密度誤差都隨儀器偏離間隙增大或隨鉆密度測(cè)井值與鉆井液密度差值的增大而增大。

圖4 不同井眼形狀下儀器偏離間隙為0～38.1 mm時(shí)的校正圖版Fig.4 The calibration chart for instrument deviation between 0-38.1 mm under different wellbore shapes

以橢圓形井眼為例，隨鉆密度測(cè)井值受儀器偏離間隙影響的校正公式為：

(3)

式中：ρb為隨鉆密度測(cè)井值，kg/L；Mw為鉆井液密度，kg/L；ρbc為隨鉆密度校正值,kg/L；Sf為儀器偏離間隙，mm。

校正隨鉆密度測(cè)井曲線時(shí)，首先判斷井眼類型(圓形、橢圓形或槽形)，然后結(jié)合式(3),利用線性內(nèi)插法可得頁(yè)巖氣水平井隨鉆密度校正曲線。

2.2 隨鉆中子測(cè)井

隨鉆測(cè)井儀器難以居中和井眼直徑影響了隨鉆中子測(cè)井值的準(zhǔn)確性。井眼發(fā)生擴(kuò)徑或儀器存在偏離間隙下所測(cè)量的中子值為隨鉆中子測(cè)井值(實(shí)測(cè)值)，同一地層中井眼未發(fā)生擴(kuò)徑或儀器不存在偏離間隙時(shí)所測(cè)量的中子值作為隨鉆中子校正值(校正后的隨鉆中子值)，可得隨鉆中子測(cè)井值受井眼直徑和儀器偏離間隙影響的校正圖版(見圖5和圖6)。從圖5和圖6可以看出，井眼擴(kuò)徑和儀器偏離間隙增大，均使隨鉆中子測(cè)井值升高。

圖5 井眼直徑影響的校正圖版Fig.5 The calibration chart for impacts of wellbore diameter

圖6 儀器偏離間隙影響的校正圖版Fig.6 The calibration chart for instrument deviation

以隨鉆中子測(cè)井的井眼校正為例進(jìn)行具體說明，圖5中的11條曲線為隨鉆中子校正曲線(Ncd)，其曲線參數(shù)對(duì)應(yīng)的取值在0%～50%。假設(shè)隨鉆中子測(cè)井值為20%、井徑為330.2 mm，可以畫一條垂直于縱坐標(biāo)為330.2 mm的直線，與橫坐標(biāo)為20%的垂線交于一點(diǎn)，該點(diǎn)位于2條隨鉆中子校正曲線之間(分別為15%和20%)。將井徑330.2 mm代入這2條曲線的擬合方程中，可得出2個(gè)對(duì)應(yīng)的隨鉆中子值為16.5%和22.0%，則有坐標(biāo)點(diǎn)(16.5%，15.0%)、(22.0%，20.0%)和隨鉆中子校正坐標(biāo)(20%，隨鉆中子校正值)，通過線性插值可求出隨鉆中子校正值為18.18%。同理，可進(jìn)行儀器偏離間隙影響校正。

以隨鉆中子校正曲線所對(duì)應(yīng)的值為10%和20%為例，利用最優(yōu)擬合法可得消除井眼直徑影響的隨鉆中子曲線的校正公式為：

式中：Ncd為消除井眼直徑影響后的隨鉆中子值；d為井眼直徑，mm。

以隨鉆中子校正曲線所對(duì)應(yīng)的值為10%和20%為例，利用最優(yōu)擬合法可得消除儀器偏離間隙影響的隨鉆中子曲線的校正公式為：

(5)

式中：Ncs為消除儀器偏離間隙影響后的隨鉆中子值。

利用上述圖版和擬合公式可得頁(yè)巖氣水平井隨鉆中子測(cè)井的校正曲線。

2.3 隨鉆伽馬測(cè)井

在頁(yè)巖氣水平井中，儀器對(duì)頁(yè)巖氣隨鉆伽馬測(cè)井值的影響并不明顯[20]，環(huán)境影響因素主要為：1)鉆井液中的氯化鉀會(huì)導(dǎo)致實(shí)測(cè)伽馬值整體偏高[8]；2)鉆井液會(huì)吸收來自頁(yè)巖地層中的伽馬射線，隨著鉆井液密度增大和井徑擴(kuò)大，隨鉆伽馬測(cè)井值低于原狀地層。參考隨鉆中子和隨鉆密度校正圖版的構(gòu)建方法，建立隨鉆伽馬校正圖版(見圖7和圖8)，以消除鉆井液中氯化鉀含量和井眼直徑對(duì)隨鉆伽馬測(cè)井曲線的影響。

圖7 氯化鉀含量影響的校正圖版Fig.7 The calibration chart for impacts of KCl

圖8 鉆井液密度影響的校正圖版Fig.8 The calibration chart for impacts of drilling fluid density

圖7為氯化鉀含量影響的校正圖版，將隨鉆伽馬測(cè)井值減去圖版中縱坐標(biāo)的校正量可計(jì)算出校正的隨鉆伽馬值。以氯化鉀含量為20%為例，利用最優(yōu)擬合方法可得伽馬校正量公式為：

ΔGR=-0.000 5d2+0.506 9d-69.882 1 (6)

式中：ΔGR為伽馬校正量，API。

圖8為鉆井液密度影響的校正圖版，將隨鉆伽馬測(cè)井值乘以校正因子可計(jì)算出校正的隨鉆伽馬值。以井眼直徑φ311.1 mm為例，利用最優(yōu)擬合方法可得校正因子公式為：

0.353 1Mw+1.221 9

(7)

式中：Z為校正因子(校正的隨鉆伽馬值與隨鉆伽馬測(cè)井值之比)。

利用上述圖版和擬合公式，可得頁(yè)巖氣水平井隨鉆伽馬測(cè)井的校正曲線。由于部分頁(yè)巖氣水平井在水平段鉆進(jìn)中采用的是油基鉆井液，不含氯化鉀，因此可以不進(jìn)行校正。

3 實(shí)例分析

研究發(fā)現(xiàn)，威遠(yuǎn)地區(qū)頁(yè)巖氣水平井中部分井段會(huì)產(chǎn)生螺紋井眼[21]，導(dǎo)致隨鉆測(cè)井曲線產(chǎn)生明顯的高低起伏鋸齒狀變化，不能準(zhǔn)確反映鉆遇地層的實(shí)際特征，給測(cè)井解釋和地質(zhì)導(dǎo)向鉆井帶來嚴(yán)重影響，因此需要利用傅里葉變化進(jìn)行頻譜分析，采用低通濾波器消除螺紋井眼對(duì)隨鉆測(cè)井曲線的影響[2]。

消除螺紋井眼的影響后，采用上述各圖版公式化的校正模型對(duì)隨鉆測(cè)井曲線進(jìn)行環(huán)境因素影響的校正。W2-H3井水平段使用斯倫貝謝公司多功能隨鉆測(cè)井儀器(EcoScope)進(jìn)行地質(zhì)導(dǎo)向鉆井，采用油基鉆井液鉆進(jìn)，鉆井液密度為1.6～2.0 kg/L且不含氯化鉀，可以不進(jìn)行校正；3 400.00～3 450.00 m

井段對(duì)應(yīng)的地層傾角為3°～4°，井斜角為96°～98°，地層各向異性較大，井眼形狀為橢圓形，發(fā)生擴(kuò)徑，井徑為228.6～233.7 mm(鉆頭直徑為215.9 mm)，結(jié)合室內(nèi)頁(yè)巖巖心測(cè)得的數(shù)據(jù)與校正后的隨鉆測(cè)井值進(jìn)行對(duì)比，分析該校正模型的準(zhǔn)確性(見圖9)。

圖9 頁(yè)巖氣水平井隨鉆測(cè)井曲線的校正結(jié)果Fig.9 The calibration chart of LWD curves in horizontal shale gas wells

從圖9可以看出：鉆井液密度增大，導(dǎo)致頁(yè)巖地層隨鉆伽馬測(cè)井值減??；不同井眼形狀下儀器偏離間隙增大或鉆井液密度減小,均可導(dǎo)致頁(yè)巖地層隨鉆密度測(cè)井值不同程度地減?。痪畯胶蛢x器偏離間隙增大，導(dǎo)致頁(yè)巖地層隨鉆中子測(cè)井值增大；地層電性各向異性和相對(duì)夾角增大，導(dǎo)致頁(yè)巖地層隨鉆電阻率測(cè)井值增大。校正后的隨鉆伽馬和密度值高于實(shí)測(cè)值，隨鉆中子值和電阻率均低于實(shí)測(cè)值。校正后的結(jié)果與室內(nèi)頁(yè)巖巖心測(cè)量值相吻合，能夠較好地反映頁(yè)巖地層的實(shí)際地質(zhì)特征。

4 結(jié) 論

1) 頁(yè)巖氣水平井隨鉆測(cè)井曲線受環(huán)境因素影響較大，必須對(duì)其進(jìn)行合理校正，從而提高隨鉆地層評(píng)價(jià)和地質(zhì)導(dǎo)向鉆井的精度和準(zhǔn)確性。

2) 隨著鉆井液中氯化鉀含量或鉆井液密度增大，隨鉆伽馬值所受影響增大；隨著儀器偏離間隙增大或鉆井液密度減小，隨鉆密度所受影響增大；隨著井徑增大或儀器偏離間隙增大，隨鉆中子值所受影響增大；隨著地層各向異性或相對(duì)夾角增大，隨鉆電阻率所受影響增大。校正后的隨鉆密度和伽馬值比實(shí)測(cè)值高，隨鉆電阻率和中子值比實(shí)測(cè)值低。

3) 當(dāng)存在螺紋井眼時(shí)，隨鉆測(cè)井曲線會(huì)產(chǎn)生明顯的高低起伏鋸齒狀變化，此時(shí)先要消除(校正)螺紋井眼對(duì)隨鉆測(cè)井曲線的影響。

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