高杰, 婁研, 李可賽, 趙翔

(中國(guó)石油大學(xué)(北京), 北京 102249)

0　引　言

隨鉆前視電阻率測(cè)井可分為近鉆頭電阻率測(cè)井(側(cè)向類)和隨鉆電磁波傳播測(cè)井。目前,近鉆頭儀器和常規(guī)的隨鉆電磁波電阻率測(cè)井儀器探測(cè)深度較淺,且方位探測(cè)能力不足,不能實(shí)現(xiàn)精確及時(shí)的前視探測(cè)。隨鉆方位電磁波電阻率測(cè)井是定向測(cè)井的關(guān)鍵技術(shù),能準(zhǔn)確及時(shí)地預(yù)測(cè)和判斷界面走向方位,可極大提高隨鉆電磁波傳播測(cè)井技術(shù)的定向探測(cè)能力、方位靈敏性和信息量[1],能夠有效保證鉆頭在目標(biāo)層中鉆進(jìn),優(yōu)化井眼軌跡,提高復(fù)雜儲(chǔ)層的采收率[2]。

目前,國(guó)外各大測(cè)井公司都設(shè)計(jì)、推出了隨鉆方位電磁波電阻率測(cè)井儀器和隨鉆遠(yuǎn)探測(cè)電阻率測(cè)井儀器[3]。本文基于隨鉆方位電磁波電阻率測(cè)井儀器,提出所謂隨鉆前視電磁波電阻率測(cè)井[4],以正演模擬為手段,分析儀器參數(shù)及環(huán)境因素對(duì)隨鉆前視電磁波電阻率測(cè)井響應(yīng)的影響規(guī)律,為隨鉆地層評(píng)價(jià),尤其是地質(zhì)導(dǎo)向提供技術(shù)支持。

1　隨鉆前視測(cè)井基本原理及響應(yīng)特征

1.1　基本原理

以單發(fā)單收線圈系為基本結(jié)構(gòu),其中,發(fā)射線圈與儀器軸垂直,接收線圈的磁偶極矩方向與儀器軸向之間的夾角為θR(見圖1)。

接收天線處的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可簡(jiǎn)化表示為V=a0+a1cosβ[5]。

圖1　單發(fā)單收線圈系結(jié)構(gòu)示意圖

儀器接收信號(hào)隨儀器方位角β呈余弦變化,因此接收信號(hào)包含地層方位信息,具有方位識(shí)辨能力。將方位地質(zhì)導(dǎo)向信號(hào)定義為儀器方位角相對(duì)的2個(gè)方向(β和β+180°)的信號(hào)差別,即最大信號(hào)差別[6],則可定義單個(gè)發(fā)射—接收線圈對(duì)之間的方位幅度衰減(Att)和方位相位移(PS)為

Att=-10lg

PS=tan-1

(1)

實(shí)際測(cè)量中,儀器方位角在360°范圍內(nèi)變化;方位信號(hào)關(guān)于方位角呈余弦周期性變化,在0°和180°時(shí)取得符號(hào)相反的2個(gè)極值。因此,選取儀器方位角為0°或180°度時(shí)測(cè)井響應(yīng)進(jìn)行資料處理及分析工作。

1.2　界面處的測(cè)井響應(yīng)

取線圈距為96 in*非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同,θR=45°,發(fā)射頻率400 kHz。設(shè)置電阻率為2 Ω·m的均勻無限大地層模型,模擬得到的方位信號(hào)(Att和PS)均為0。將地層模型變更為3層模型,上下圍巖層電阻率為2 Ω·m,中間目的層電阻率為20 Ω·m,厚度為6 m。模擬結(jié)果見圖2。方位信號(hào)在遠(yuǎn)離地層界面處為0,隨著儀器與地層界面的距離減小,其幅度逐漸增大,并在地層界面處達(dá)到峰值。綜上可知,方位信號(hào)值大小與地層電阻率值的大小無必然關(guān)系,但對(duì)地層界面較為敏感。

圖2　3層地層模型中的測(cè)井響應(yīng)模擬結(jié)果

1.3　探測(cè)深度和前視距離的定義

基于上述分析,定義單發(fā)單收傾斜線圈系結(jié)構(gòu)的探測(cè)深度DTB。在儀器靠近界面的過程中,當(dāng)方位幅度衰減信號(hào)達(dá)到0.03 dB或方位相位差信號(hào)達(dá)到0.3°時(shí),儀器距界面的距離即為方位探測(cè)深度。

前視距離LA指鉆頭前進(jìn)方向距地層界面的距離,反映儀器在鉆頭前進(jìn)方向具備的預(yù)測(cè)能力。鉆井過程中,當(dāng)隨鉆測(cè)井儀器探測(cè)到地層界面存在時(shí),可以確定儀器測(cè)點(diǎn)到地層界面的距離DTB和井斜角α(見圖3),通過式(2)計(jì)算可得LA。因此,井斜角一定的情況下,可通過減小測(cè)井零長(zhǎng)(DBB)或增大探測(cè)深度來增大前視距離,由于工程上減小測(cè)點(diǎn)零長(zhǎng)(DBB)較為困難,研究主要通過增大儀器的探測(cè)深度增大隨鉆前視電阻率測(cè)井的前視距離,獲得更為精準(zhǔn)及時(shí)的地質(zhì)導(dǎo)向信息。

LA=DTB/cosα-DBB

(2)

圖3　地層界面探測(cè)示意圖

2　儀器參數(shù)影響分析

設(shè)計(jì)3層各向同性地層模型,圍巖電阻率2 Ω·m,中間目的層電阻率為20 Ω·m,厚度為6 m,井斜角為85°。儀器的基本參數(shù):θR=45°,源距為96 in,發(fā)射頻率為400 kHz;考察不同儀器參數(shù)對(duì)測(cè)井響應(yīng)的影響時(shí),改變對(duì)應(yīng)儀器參數(shù)值。

2.1　頻率的影響

為考察不同頻率對(duì)測(cè)井響應(yīng)的影響,采用100、200、400 kHz和1、2 MHz等5個(gè)發(fā)射頻率,圖4為不同發(fā)射頻率下的響應(yīng)曲線。模擬結(jié)果顯示,在地層界面附近,隨著發(fā)射頻率的增加,方位信號(hào)幅度增大,儀器探測(cè)深度減小;當(dāng)發(fā)射頻率增加到一定程度后,界面處的方位信號(hào)會(huì)出現(xiàn)雙峰甚至震蕩,影響對(duì)地層界面的判斷,故儀器的發(fā)射頻率應(yīng)控制在合理的范圍內(nèi),不宜過高。當(dāng)頻率取400 kHz時(shí),探測(cè)深度為3 m。

2.2　源距的影響

為分析不同源距對(duì)測(cè)井響應(yīng)的影響,設(shè)置源距取值分別為28、36、54、72、84、96 in和120 in。模擬結(jié)果見圖5。隨著源距增大,界面附近方位信號(hào)幅度增大,儀器探測(cè)深度也會(huì)增加,但增幅逐漸減小。當(dāng)源距增大到一定范圍后,增大源距不再能使信號(hào)強(qiáng)度增強(qiáng),也不再能增加儀器探測(cè)深度。

2.3　線圈傾角的影響

為對(duì)比不同線圈傾角對(duì)測(cè)井響應(yīng)的影響,接收線圈傾斜角度θR分別取0°、30°、45°、60°、75°和90°,圖6為不同線圈傾角下的響應(yīng)曲線。

圖4　不同發(fā)射頻率條件下方位幅度衰減和方位相位差信號(hào)

圖5　不同源距條件下方位幅度衰減和方位相位差信號(hào)

圖6　不同線圈傾角條件下方位幅度衰減和方位相位差信號(hào)

模擬結(jié)果顯示,在合理范圍內(nèi),接收線圈傾角越大,界面處的方位信號(hào)幅度越大,儀器探測(cè)深度也越大。但隨著線圈傾角增大,接收線圈處感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)減小,線圈傾角過大時(shí),方位信號(hào)在界面處會(huì)出現(xiàn)震蕩,造成界面識(shí)別困難。因此,綜合考慮儀器對(duì)界面的靈敏度和信號(hào)強(qiáng)度,一般選擇θR=45°傾斜線圈。

3　環(huán)境因素影響分析

由于地層條件比較復(fù)雜,實(shí)際隨鉆測(cè)井響應(yīng)受多種因素影響,需分析環(huán)境因素對(duì)測(cè)井響應(yīng)的影響規(guī)律[7]。儀器參數(shù)和地層模型的選取與前述相同,在考察不同環(huán)境因素對(duì)測(cè)井響應(yīng)的影響時(shí),改變?cè)嫉貙幽Ｐ偷膶?duì)應(yīng)參數(shù),得到不同的方位信號(hào)曲線。

3.1　井斜角的影響

基本參數(shù)取值與前文相同,井斜角依次取30°、45°、60°、75°和85°,圖7為模擬得到的測(cè)井響應(yīng)曲線。結(jié)果顯示,隨著井斜角增大,方位信號(hào)幅度增大,儀器探測(cè)深度略有減小;方位信號(hào)更適用于井眼與地層界面水平或近水平的情況,即在水平井中應(yīng)用效果更好。

3.2　目的層特性的影響

3.2.1電阻率對(duì)比度的影響

目的層電阻率依次取2、4、10、20、40 Ω·m和100 Ω·m。圖8為模擬得到的不同電阻率對(duì)比度條件下的方位信號(hào)曲線。

隨著目的層電阻率增大,儲(chǔ)層與圍巖層電阻率對(duì)比度增大,界面處的方位信號(hào)幅度和儀器探測(cè)深度均增大,邊界效應(yīng)更加顯著。當(dāng)儲(chǔ)層電阻率增大到一定值后,方位幅度比信號(hào)(Att)在邊界處仍有較好的響應(yīng)變化,而方位相位差信號(hào)(PS)的峰值則不再有明顯改變。方位信號(hào)在電阻率對(duì)比度為20～30時(shí)有最好的探測(cè)效果。

3.2.2層厚的影響

目的層厚度依次為0.3、0.5、1.0、2.0 m和5.0 m。模擬結(jié)果見圖9。

地層厚度僅為0.3 m時(shí),方位信號(hào)仍有明顯響應(yīng),說明隨鉆前視電磁波測(cè)井能很好地識(shí)別薄層。當(dāng)?shù)貙雍穸却笥? m時(shí)方位相位差信號(hào)的峰值幅度已基本不再增大。

3.2.3電阻率各向異性的影響

目的層的電阻率各向異性使方位信號(hào)值在遠(yuǎn)離地層界面處不再為0。由于地層電阻率等參數(shù)值通常是未知的,這給界面探測(cè)帶來了困難。研究發(fā)現(xiàn),對(duì)稱發(fā)射—接收線圈結(jié)構(gòu)對(duì)地層電阻率各向異性不敏感,方位信號(hào)值在遠(yuǎn)離界面的各向異性目的層中仍保持為0,但是對(duì)界面的反應(yīng)依然明顯。

圖7　不同井斜角條件下方位幅度衰減和方位相位差信號(hào)

圖8　不同電阻率對(duì)比度條件下方位幅度衰減和方位相位差信號(hào)

圖9　不同層厚條件下方位幅度衰減和方位相位差信號(hào)

圖10　不同電阻率各向異性系數(shù)條件下方位幅度衰減和方位相位差信號(hào)

4　探測(cè)特性的分析與總結(jié)

取接收線圈傾斜45°,發(fā)射頻率分別取400、200、100 kHz和50 kHz,源距依次取28、36、54、72、84、96 in和120 in。設(shè)置圍巖電阻率為1 Ω·m,中間目的層電阻率為10 Ω·m,厚度為6 m的3層地層模型,井斜角為70°條件下探測(cè)深度模擬計(jì)算結(jié)果見圖11。

模擬計(jì)算結(jié)果顯示,儀器探測(cè)深度隨源距的增大而增大;在大斜度井或水平井中,源距大于72 in,頻率低于400 kHz的條件下,前視距離可達(dá)到3 m以上。在實(shí)際儀器設(shè)計(jì)時(shí),需要綜合考慮信號(hào)強(qiáng)度及儀器長(zhǎng)度,因此,源距不可過大,頻率不可過低。

圖11　井斜角為70°條件下源距及頻率對(duì)探測(cè)深度和前視距離的影響

5　結(jié)　論

(1) 隨鉆前視電磁波電阻率測(cè)井信號(hào)對(duì)界面非常敏感,能有效識(shí)別界面,在大斜度井和水平井中能探測(cè)到前方較遠(yuǎn)距離的地層界面信息,是識(shí)別地層界面,完成地質(zhì)導(dǎo)向的一種有效可行的測(cè)井方法。

(2) 適當(dāng)降低儀器發(fā)射頻率、增大儀器源距可以增大儀器探測(cè)深度,但在長(zhǎng)源距、低頻率條件下,實(shí)際接收信號(hào)強(qiáng)度較弱,對(duì)儀器硬件要求較高,因而,設(shè)計(jì)儀器時(shí)需要綜合考慮。儀器源距取72～144 in,發(fā)射頻率取100～400 kHz,采用45°傾斜接收線圈時(shí),隨鉆前視電磁波電阻率測(cè)井儀器的前視

距離可達(dá)3 m以上。

(3) 需要綜合設(shè)計(jì)隨鉆前視電磁波電阻率測(cè)井儀器,既完成前視的界面探測(cè)能力,為地質(zhì)導(dǎo)向服務(wù),又能夠完成儲(chǔ)層參數(shù)測(cè)量,為實(shí)現(xiàn)對(duì)地層的綜合評(píng)價(jià)服務(wù)。

參考文獻(xiàn):

[1]楊震, 楊錦舟, 韓來聚, 等. 隨鉆方位電磁波界面探測(cè)性能分析 [J]. 石油學(xué)報(bào), 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]魏寶君, 田坤, 張旭, 等. 定向電磁波傳播隨鉆測(cè)量基本理論及其在地層界面預(yù)測(cè)中的應(yīng)用 [J]. 地球物理學(xué)報(bào), 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.