苑仁國(guó) 林昕 劉卓 陳玉山 陳波 譚偉雄

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司)

0 引 言

方位電磁波是測(cè)井技術(shù)中成熟較晚的一項(xiàng)隨鉆測(cè)井(Logging-While-Drilling, LWD)工藝。該技術(shù)在探測(cè)水平井地層界面和儲(chǔ)層油水界面所表現(xiàn)的優(yōu)異性能為行業(yè)公認(rèn)，因此也被業(yè)內(nèi)簡(jiǎn)稱為“探邊”技術(shù)。Schlumberger公司于2005年推出了行業(yè)內(nèi)最早商業(yè)化的方位電磁波工具PeriScope，各大油田技術(shù)服務(wù)公司相繼推出類似工具，代表性的產(chǎn)品有BakerHuges公司的AziTrack和Halliburton公司的ADR等。此后，方位電磁波技術(shù)不斷升級(jí)，經(jīng)歷了包括邊界探測(cè)(Bed-Boundary Detection)、儲(chǔ)層成像(Reservoir Mapping-While-Drilling)和隨鉆前視(Looking Ahead-While-Drilling)等3個(gè)階段的發(fā)展，其應(yīng)用范圍從水平段拓展到著陸段甚至低斜度井[1]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)加大了對(duì)方位電磁波技術(shù)研究的投入力度并取得了重要進(jìn)展，主要以中石油、中石化以及中海油主導(dǎo)的研究院所為代表。長(zhǎng)城鉆探工程公司劉乃震等[2]提出了基于交聯(lián)天線的GW-LWD(BWR)工具，交聯(lián)天線為國(guó)內(nèi)外首創(chuàng)的方位電磁波線圈串繞方式，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，儀器探測(cè)深度可達(dá)2 m、測(cè)量精度達(dá)到0.2 m；另外，勝利石油工程技術(shù)有限公司研發(fā)的基于正交天線的AMR工具[3]以及中海油服研發(fā)的基于雙斜正交天線的DWPR工具，均取得了不錯(cuò)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果。國(guó)內(nèi)的研究水平相當(dāng)于第一代邊界探測(cè)技術(shù)，高級(jí)方位電磁波技術(shù)仍然被國(guó)外技術(shù)公司壟斷。

方位電磁波工具在海上油氣勘探開發(fā)中起到重要作用。以渤海油田為例，僅2020年上半年方位電磁波工具使用已達(dá)到75井次，超過(guò)2018年全年的42井次和2019年全年的74井次，其中國(guó)產(chǎn)方位電磁波工具應(yīng)用16井次，占比達(dá)到21%。本文將回顧方位電磁波技術(shù)的發(fā)展歷程，介紹不同發(fā)展階段的技術(shù)特點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合國(guó)內(nèi)海上油氣勘探開發(fā)的應(yīng)用案例進(jìn)行分析。該項(xiàng)研究對(duì)于指導(dǎo)方位電磁波技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)的自主研發(fā)具有一定的參考價(jià)值。

1 邊界探測(cè)

1.1 技術(shù)發(fā)展

方位電磁波源于陣列電磁波技術(shù)，即通過(guò)測(cè)量不同發(fā)送-接收距離的電磁波傳播衰減以及相移變化來(lái)獲取地層的電阻率信息。方位電磁波的方向性測(cè)量實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。圖1中，T為發(fā)射線圈，R為接收線圈。陣列電磁波測(cè)量采用的幅度比和相位差的信號(hào)獲取方式，消除了信號(hào)漂移等干擾，降低了井筒環(huán)境對(duì)儀器的影響。陣列電磁波工作頻率范圍介于2～2 000 kHz之間，發(fā)送-接收線圈的距離從幾十厘米到幾米不等[4]，相比電纜測(cè)井的感應(yīng)測(cè)井技術(shù)具有分辨率高以及高角度對(duì)各向異性敏感等優(yōu)點(diǎn)，可準(zhǔn)確提供地層水平電阻率(Rh)和垂直電阻率(Rv)，在地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單的油氣藏，陣列電磁波測(cè)井得到了廣泛的應(yīng)用[5]。

圖1 方位電磁波的方向性測(cè)量實(shí)現(xiàn)原理

方位電磁波的第一代應(yīng)用是邊界探測(cè)技術(shù)。其實(shí)現(xiàn)是通過(guò)調(diào)整陣列電磁波工具的發(fā)送-接收線圈角度，在測(cè)量工具旋轉(zhuǎn)過(guò)程中其接收信號(hào)產(chǎn)生方向性特征。邊界探測(cè)技術(shù)的工作頻率范圍100～200 kHz，發(fā)送-接收線圈距離從0.5～3.0 m[4]，并采用了傾斜線圈或正交線圈等設(shè)計(jì)方案(見圖2)。地層的電性差異通常由流體性質(zhì)不同所導(dǎo)致，當(dāng)不同地層之間存在明顯電性差異時(shí)，儀器探測(cè)得到的電性邊界等同于地層邊界。由于發(fā)送-接收線圈設(shè)置和地層響應(yīng)特征密切相關(guān)，所以作業(yè)施工前有必要進(jìn)行地層正演響應(yīng)分析，以確認(rèn)方位電磁波技術(shù)的適用性，同時(shí)在鉆進(jìn)過(guò)程中優(yōu)化實(shí)時(shí)反演參數(shù)。

圖2 第一代邊界探測(cè)技術(shù)工具收-發(fā)線圈設(shè)置示意圖

儀器探測(cè)得到的方向性曲線需進(jìn)一步通過(guò)反演計(jì)算轉(zhuǎn)換成電性界面位置以及距離等信息。邊界探測(cè)技術(shù)最初商業(yè)化應(yīng)用時(shí)，采用了單/雙邊界的反演算法，即最多計(jì)算3層的地層模型，如圖3所示。雙邊界反演可以同時(shí)識(shí)別工具上/下圍巖的電性界面距離(上界面距離Hu和下界面距離Hd)以及3層地層電阻率值(當(dāng)前地層電阻率Rh/Rv、上圍巖電阻率Ru及下圍巖電阻率Rd)[6]。在此基礎(chǔ)上，反演算法進(jìn)一步升級(jí)為多邊界反演。多邊界反演不再局限于3層地層模型的限制，應(yīng)用該算法的邊界探測(cè)技術(shù)也稱為多邊界探測(cè)技術(shù)[7]。

圖3 方位電磁波單/雙邊界反演計(jì)算示意圖

1.2 應(yīng)用分析

我國(guó)海洋近海油氣資源存在成藏規(guī)律復(fù)雜、斷塊細(xì)碎以及單井控制儲(chǔ)量小等特征。隨著近海海域勘探程度的增高，油氣豐度降低，目標(biāo)更隱蔽，儲(chǔ)層物性更差，勘探成效日趨下降[8]。為此，邊界探測(cè)技術(shù)被引入并應(yīng)用于海上水平段地質(zhì)導(dǎo)向鉆井施工。

李建、WU Y.M.和LI F.等[7，9-10]在南海某高含水油田開發(fā)中面臨油水關(guān)系復(fù)雜、河道砂體疊置分布不清以及低阻低滲等挑戰(zhàn)。利用多邊界探測(cè)技術(shù)可以準(zhǔn)確反演儲(chǔ)層和流體分布情況，指導(dǎo)水平井鉆進(jìn)過(guò)程中平穩(wěn)穿過(guò)泥巖夾層，實(shí)現(xiàn)追蹤優(yōu)質(zhì)砂體從而提高儲(chǔ)層鉆遇率；將軌跡放置在砂體中上部，可以延緩水淹時(shí)間，提高水平井產(chǎn)能。

ZHANG B.Q.等[11]在渤海油田稠油開發(fā)過(guò)程中采用邊界探測(cè)技術(shù)，控制軌跡精確放置在目的層頂部約1.5 m垂深的位置，減少了閣樓油的存在，產(chǎn)能從10～20 t/d增加至50～60 t/d，實(shí)現(xiàn)鉆遇率100%并有效提高了稠油熱注采的效能。此外，MA Y.W.和YANG L.H.等[12-15]在渤海油田高含水區(qū)塊的加密井網(wǎng)開發(fā)中，采用邊界探測(cè)技術(shù)準(zhǔn)確探測(cè)油水邊界位置，通過(guò)隨鉆軌跡調(diào)整優(yōu)化水平井軌跡位置，確保了水平井生產(chǎn)油柱高度，降低含水體積分?jǐn)?shù)至2%，延長(zhǎng)了老油田區(qū)塊的生命力。

邊界探測(cè)技術(shù)對(duì)電性邊界的識(shí)別可實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜油氣藏環(huán)境的精細(xì)刻畫，區(qū)分油水界面、探測(cè)地層上下邊界以及識(shí)別疊置砂體分布特征等；其測(cè)量精度小于0.5 m，可用于指導(dǎo)鉆井軌跡的實(shí)時(shí)調(diào)整，優(yōu)化軌跡在目的層中的擺放位置，確保鉆井軌跡在目的層中延伸。該技術(shù)可以提升鉆井時(shí)效、提高鉆遇率以及保障水平井產(chǎn)能。

2 儲(chǔ)層成像

2.1 技術(shù)發(fā)展

儲(chǔ)層成像技術(shù)基于邊界探測(cè)技術(shù)發(fā)展而來(lái)，通過(guò)增加發(fā)送-接收線圈之間距離以及增加低頻電磁波信號(hào)頻率等手段得以實(shí)現(xiàn)。首先，采用分段模塊化設(shè)計(jì)將原來(lái)集成在同一條工具上的發(fā)送-接收線圈組合分成包括一個(gè)發(fā)射短節(jié)和兩到三個(gè)接收短節(jié)的組合方式(見圖4)，發(fā)射短節(jié)連接在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具(Rotary Steerable System, RSS)后端,線圈收發(fā)距離達(dá)到5～35 m；其次，發(fā)射短節(jié)中的信號(hào)發(fā)生采用橫向磁偶極子(Transverse Magnetic Dipole)[16-17]，增加了低頻段的信號(hào)頻率(2、6、12、24、48和96 kHz)等。

圖4 儲(chǔ)層成像技術(shù)鉆具組合示意圖

2015年，Schlumberger公司率先在業(yè)內(nèi)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層成像技術(shù)的商業(yè)化，業(yè)內(nèi)同類型的工具有Baker Huges公司的VisiTrack和Halliburton公司的EarthStar等。

儲(chǔ)層成像將測(cè)量深度從4.6～6.4 m增加到 46～67 m，相比邊界探測(cè)技術(shù)的測(cè)量深度提高了近10倍。因此，儲(chǔ)層成像技術(shù)的應(yīng)用范圍得到極大擴(kuò)展。首先，儲(chǔ)層成像可以同勘探地震數(shù)據(jù)形成較好的互補(bǔ)驗(yàn)證，使其研究對(duì)象不再局限于油氣產(chǎn)層的狹窄范圍；其次，儲(chǔ)層成像的超深探測(cè)優(yōu)勢(shì)也被用于前探測(cè)量。當(dāng)?shù)貙拥碾娦越缑媾c測(cè)量工具的夾角θ小于30時(shí)[18]，儲(chǔ)層成像技術(shù)可提前探測(cè)到鉆頭前的地層電性特征，極大地提高了地質(zhì)導(dǎo)向鉆井的主動(dòng)性。儲(chǔ)層成像技術(shù)的應(yīng)用情況如圖5所示。

圖5 儲(chǔ)層成像技術(shù)的前探測(cè)量應(yīng)用

2.2 應(yīng)用分析

我國(guó)近海油氣資源歷經(jīng)多年開發(fā)生產(chǎn)，老井普遍存在產(chǎn)能下降、含水增高以及出砂嚴(yán)重等現(xiàn)象。為改善現(xiàn)有井網(wǎng)布置，提高剩余儲(chǔ)量動(dòng)用程度，區(qū)塊作業(yè)者選取部分低產(chǎn)低效井進(jìn)行側(cè)鉆調(diào)整優(yōu)化。分析顯示，調(diào)整井大多存在距離斷層近、夾層發(fā)育以及存在邊底水等風(fēng)險(xiǎn)，地質(zhì)不確定性極高。

為降低調(diào)整井開發(fā)的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，LI W.等[19]選用儲(chǔ)層成像技術(shù)指導(dǎo)著陸作業(yè)。著陸過(guò)程中，基于儲(chǔ)層成像技術(shù)可提前約28 m垂深識(shí)別出目的層；在鉆頭進(jìn)入目的層之前，還可探測(cè)出層厚和電阻率等關(guān)鍵參數(shù)。儲(chǔ)層成像技術(shù)的深探測(cè)測(cè)量極大提高了導(dǎo)向鉆井主動(dòng)性，導(dǎo)向團(tuán)隊(duì)根據(jù)探測(cè)結(jié)果提前優(yōu)化鉆井著陸軌跡，在地層實(shí)際埋深比設(shè)計(jì)滯后12 m的情況下一次性著陸成功，未浪費(fèi)水平段進(jìn)尺。在后續(xù)作業(yè)中，區(qū)塊作業(yè)者可減少導(dǎo)眼井部署，進(jìn)一步壓縮作業(yè)費(fèi)用。該案例對(duì)國(guó)內(nèi)其他海域低勘探程度區(qū)塊水平井的開發(fā)具有參考價(jià)值。

3 隨鉆前視

3.1 技術(shù)發(fā)展

隨鉆前視測(cè)量技術(shù)基于儲(chǔ)層成像技術(shù)發(fā)展而來(lái)。邊界探測(cè)和儲(chǔ)層成像本質(zhì)上都是向工具兩側(cè)進(jìn)行探測(cè)的技術(shù)，依靠工具和地層之間的夾角位置關(guān)系實(shí)現(xiàn)前探測(cè)量。Schlumberger公司于2019年推出商業(yè)化的隨鉆前視工具IriSphere，該工具可以探測(cè)到提前于鉆頭位置約30 m地層的電性特征[20]，是業(yè)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)物理意義上的方位電磁波前探測(cè)量。測(cè)量時(shí)，在硬件設(shè)計(jì)上將接在RSS后的發(fā)射短節(jié)的位置調(diào)整為直接連接鉆頭，在發(fā)射短節(jié)和RSS之間添加陣列電磁波電阻率(EMLWD)工具。隨鉆前視鉆具組合示意圖如圖6所示。

圖6 隨鉆前視鉆具組合示意圖

EMLWD工具可以測(cè)量已鉆地層水平電阻率，進(jìn)行地層剖面分層和圍巖校正。隨鉆前視測(cè)量的探測(cè)區(qū)間分為前視、側(cè)視和后視3個(gè)部分，如圖7所示。其中，側(cè)視和后視測(cè)量的反演運(yùn)算依據(jù)EMLWD工具的實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的反演模型和參數(shù)被用來(lái)提高前視探測(cè)的精度[20-21]。將發(fā)射短節(jié)靠近鉆頭可以使方位電磁波信號(hào)更多地測(cè)量到鉆頭前的地層，通過(guò)調(diào)整橫向磁偶極子耦合產(chǎn)生的電磁波場(chǎng)分布情況可以提高其對(duì)鉆頭前地層的探測(cè)靈敏度。

圖7 隨鉆前視測(cè)量的探測(cè)區(qū)間劃分

3.2 應(yīng)用分析

中國(guó)南海的深部海域是我國(guó)海上未來(lái)油氣資源接替的潛力區(qū)[8]。由于中深部地震資料勘探品質(zhì)差、溫度及壓力條件復(fù)雜導(dǎo)致鉆井工程施工難度大，例如對(duì)高壓層頂面位置的預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確，鉆井過(guò)程中因聯(lián)通不同壓力地層而導(dǎo)致井漏或井壁坍塌等復(fù)雜情況的發(fā)生，降低了鉆井作業(yè)時(shí)效。

前期應(yīng)對(duì)方案中使用了包括垂直地震剖面(Vertical Seismic Profile,VSP)的電纜VSP和隨鉆VSP等探測(cè)方法。VSP測(cè)量方案可以識(shí)別厚度大于15 m的高壓層，但是當(dāng)?shù)貙雍穸刃∮?0 m時(shí)則無(wú)法識(shí)別。YANG H.J.等[22]在中國(guó)南海樂東氣田應(yīng)用隨鉆前視技術(shù)可提前6 m垂深探測(cè)到高壓砂巖薄層頂面，并根據(jù)探測(cè)結(jié)果及時(shí)中完下套管。鉆探結(jié)果證實(shí)隨鉆前視技術(shù)的預(yù)測(cè)垂深誤差小于1 m。隨鉆前視技術(shù)在超壓層深度預(yù)測(cè)中的應(yīng)用情況如圖8所示。

圖8 隨鉆前視技術(shù)在超壓層深度預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

隨鉆前視技術(shù)目前主要用于低斜度探井高壓層的界面位置預(yù)測(cè)，其精度小于1 m。相比隨鉆地震技術(shù)而言，其前探測(cè)量精度高，對(duì)于薄層識(shí)別等具有明顯優(yōu)勢(shì)，可以與隨鉆地震技術(shù)有效互補(bǔ)。該技術(shù)被區(qū)塊作業(yè)者列為“六位一體預(yù)監(jiān)測(cè)”的核心技術(shù)之一[23]，在未來(lái)深海高溫超壓油氣資源地質(zhì)工程一體化開發(fā)中不可或缺。

4 總結(jié)及展望

(1)方位電磁波已經(jīng)歷了3代技術(shù)升級(jí)。邊界探測(cè)技術(shù)對(duì)地層電性界面的識(shí)別探測(cè)精度小于0.5 m，可用于指導(dǎo)水平段軌跡位置擺放的精確控制；儲(chǔ)層成像技術(shù)的探測(cè)深度比邊界探測(cè)提高了近10倍，可以和勘探地震數(shù)據(jù)形成對(duì)照校正，提高了對(duì)儲(chǔ)層特征的認(rèn)識(shí)；隨鉆前視技術(shù)首次在物理上實(shí)現(xiàn)了方位電磁波的前探測(cè)量，可以和隨鉆地震等技術(shù)形成有效互補(bǔ)。3代技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從水平段到著陸段再到低斜度井的各斜度全覆蓋。

(2)方位電磁波是未來(lái)海洋油氣勘探開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。方位電磁波技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)4個(gè)海域：在我國(guó)北部及東部海域的老區(qū)塊調(diào)整井開發(fā)、低勘探區(qū)風(fēng)險(xiǎn)開發(fā)井等，利用該技術(shù)可以優(yōu)化鉆井軌跡、識(shí)別復(fù)雜油水特征以及提高水平井產(chǎn)能等；該技術(shù)在南海高溫超壓深水勘探開發(fā)中被用于預(yù)測(cè)高壓層界面位置，其精度小于1 m。方位電磁波為海洋油氣資源從近海勘探轉(zhuǎn)向深水深層與高溫高壓領(lǐng)域提供了技術(shù)保障。

(3)多方法聯(lián)合是未來(lái)方位電磁波技術(shù)的重要應(yīng)用方向。方位電磁波技術(shù)受地層電性分布特征影響嚴(yán)重，不適用于高電阻率以及電性特征變化不明顯的地層環(huán)境。但是，該技術(shù)解決了地震測(cè)量技術(shù)精度不足等問(wèn)題，可以和地震測(cè)量形成有效的技術(shù)互補(bǔ)。通過(guò)多方法聯(lián)合形成的多源信息、多角度和全方位精細(xì)預(yù)測(cè)是未來(lái)方位電磁波技術(shù)的應(yīng)用趨勢(shì)。

(4)發(fā)展具有自主產(chǎn)權(quán)的方位電磁波技術(shù)具有重要意義。方位電磁波已分別實(shí)現(xiàn)了向兩側(cè)、向前的深探測(cè)，國(guó)外技術(shù)公司目前正研究同時(shí)具備向兩個(gè)方向深探測(cè)的第四代技術(shù)。建議國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)在現(xiàn)有的單/雙邊界反演算法的基礎(chǔ)上繼續(xù)深化多邊界反演算法研究，提高復(fù)雜地層的模型適應(yīng)性，為儲(chǔ)層成像和隨鉆前視奠定算法基礎(chǔ)；硬件上，在現(xiàn)有邊界探測(cè)工具的基礎(chǔ)上循序漸進(jìn)地開展儲(chǔ)層成像和隨鉆前視的技術(shù)攻關(guān)。