楊富，程超，邱金滿，梁玉欄，周勝，吳玲敏，李青

（1.西南石油大學地球科學與技術學院，四川 成都 610500；2.中聯(lián)煤層氣有限責任公司，北京 100011；3.中國石油集團測井有限公司西南分公司，重慶 401147；4.中國石油集團測井有限公司物資裝備公司，重慶 401147；5.中國石油集團測井有限公司塔里木分公司，新疆 庫爾勒 841010）

0 引 言

井眼是鉆頭破碎地層巖石后形成的小直徑柱狀圓孔。在破巖過程中可能因鉆頭受力不均而形成不規(guī)則井眼，在一定的條件下會形成螺紋井眼，即鉆進過程中井眼軌跡時刻發(fā)生井斜方位變化，隨著進尺的增加井徑呈周期性變化，井眼在空間上呈螺旋狀分布[1-2]。大段連續(xù)的巖心柱外形和井眼軌跡測量數(shù)據(jù)證實，中國多個油田和地區(qū)存在螺紋井眼，如海塔油田[3]、吉林油田[4]、鎮(zhèn)涇油田[5]以及海拉爾地區(qū)烏東和蘇301等區(qū)塊[6]、濱里海盆地東緣區(qū)塊[7]等。眾所周知，光滑正圓井眼和均勻無限介質是測井方法原理研究和測井數(shù)據(jù)處理時的理想假設條件，而螺紋井眼環(huán)境下的測井信號會變得不穩(wěn)定，致使測井曲線失真，不能產生正確的地層信息響應，這對要求貼井壁測量和探測深度較淺的測井儀器影響更甚。因此，分析螺紋井眼效應對測井曲線的影響，研究螺紋井眼環(huán)境下有效的測井曲線校正方法，優(yōu)化測井資料質量，對測井資料反映地層真實的物理性質具有重要的意義。

1 螺紋井眼形成機理

鉆遇強非均質性地層時，受巖石機械強度和可鉆性差異影響，鉆頭在鉆進時會因受力不均而發(fā)生側向擺動，對井壁產生切削作用，難以保持井軸線方向的穩(wěn)定破巖，從而引起井眼軌跡頻繁變化，最終形成螺紋狀井壁[8-9]，且鉆頭的側向擺動越強，側向力和側向切削作用越大，形成螺紋井眼概率越高[10-11]。實際鉆井作業(yè)過程中螺紋井眼的形成機理復雜，是一種多因素協(xié)同作用的井眼效應。目前，王顯南等[12-13]通過鉆具受壓屈曲理論模型、井下動力學模擬、三維有限元建模等手段分析螺紋井眼形成的主要原因，歸納起來可分為地質因素和工程因素兩類。

（1）地質因素造成的螺紋井眼。軟硬交互薄地層、縫洞發(fā)育帶、紋層結構發(fā)育區(qū)、傾斜地層、地應力各向異性區(qū)等地質因素會影響巖石機械強度和可鉆性而導致螺紋井眼的形成。例如，鉆遇高可鉆性級值硬地層，鉆頭對井壁的研磨時間長，強烈的機械振動可能形成螺紋井眼；當鉆遇傾斜地層至層界面時，井眼上傾和下傾兩側因各向異性差異而受力不均，產生側向切削作用，從而引起井斜變化，產生螺紋井眼，且地層傾角越大，產生螺紋井眼概率越高。

（2）工程因素造成的螺紋井眼。采用牙輪和螺紋鉆頭鉆井時，鉆頭擺動會在井壁形成螺紋型的凹槽。鉆頭上方加扶正器或可調穩(wěn)定器也易形成螺紋井眼。例如，鎮(zhèn)涇油田的螺紋狀井眼就是使用高效聚晶金剛石復合片鉆頭與高效單彎螺桿加穩(wěn)定器的復合鉆具組合鉆井時形成的[14-15]。對于水平井段鉆井，由于鉆頭和鉆鋌的直徑比不同，下部鉆具組合差異受力，也會形成螺紋井眼。在不同的鉆井參數(shù)（鉆壓、轉速、泵壓、鉆井液排量等）下，鉆頭及鉆具組合有不同的機械鉆速和穩(wěn)定性，較劇烈的側向振動會形成螺紋井眼[13,16]，其中鉆壓參數(shù)影響最大，其次是轉速參數(shù)[3]?？傊?，螺紋井眼的形成受鉆頭及鉆具組合、鉆井參數(shù)等工程因素的影響。

2 螺紋井眼效應對測井曲線的影響

螺紋井眼形成后，在其凹槽處，泥餅與殘留巖屑組成的混合物（簡稱堆積物）在鉆桿的壓迫下有規(guī)律地堆積在井壁上。井眼作為測井的通道，鉆井液和井壁等井眼環(huán)境將對測井資料質量產生重要影響。因此，螺紋井眼凹槽的深度、數(shù)量與井壁堆積物不均勻分布會大大降低測井質量。一般來說，測井數(shù)據(jù)高頻抖動現(xiàn)象和測井曲線呈周期性的鋸齒狀變化是螺紋井眼效應的顯著特征。各類測井儀器的測井原理不同，螺紋井眼對相應測井曲線的影響程度亦不同。相對來說，井徑、微電極、密度、補償中子、補償密度等貼井壁類測井項目受螺紋井眼影響更大[4]；居中測量且探測深度較深的電阻率、自然伽馬、自然電位、聲波測井項目受螺紋井眼影響相對較小。本文結合各類測井方法的原理，就螺紋井眼對測井曲線的影響逐一進行分析。

2.1 貼井壁測量類測井方法

（1）井徑測井。井徑測井是一種常用的測井方法，主要用于測量井筒直徑。在螺紋井眼段，井徑隨深度呈現(xiàn)出明顯的周期性變化，其周期長度大約等于鉆頭和最接近鉆頭的穩(wěn)定器之間距離的2倍。圖1中第2道為4臂井徑裝置測得的2條井徑曲線，其呈現(xiàn)出麻花狀周期性變化特征。

圖1 某區(qū)塊X1井螺紋井眼段測井曲線圖

（2）微電極測井與微球型聚焦測井。微電極測井是用來劃分滲透性地層的一種測井方法，該方法采用貼井壁的測量方式，得到微梯度和微電位2條視電阻率曲線，探測深度分別是4 cm和10 cm，主要探測泥餅和沖洗帶的電阻率[17]。不規(guī)則的螺紋井眼會形成一定厚度的泥餅，使得推靠臂不能很好地緊貼井壁，又因為其探測深度小，無論在滲透層還是非滲透層的視電阻率曲線都會出現(xiàn)高低交替變化的正弦波或鋸齒波特征[18]。微球型聚焦測井主要探測沖洗帶的視電阻率，其在螺紋井眼段的測井曲線與微電極測井類似，會出現(xiàn)周期性很強的正弦波或鋸齒波狀變化。

（3）密度類測井。補償密度測井的探測范圍一般局限在沖洗帶內，為補償泥餅等介質對測井曲線的影響，補償密度測井儀采用長源距和短源距的雙探測器裝置，得到長源距測量的視密度值（ρb）和密度附加校正值（Δρ）。對于螺紋井眼段，儀器和井壁貼合不好，螺紋狀的凹槽以及厚度不一的堆積物等會致使ρb和Δρ曲線均呈周期性規(guī)律性變化，從而產生高頻抖動現(xiàn)象或鋸齒狀特征，Δρ曲線受到的影響更為明顯。對于隨鉆方位密度測井，在螺紋井眼環(huán)境下，測量的密度數(shù)據(jù)受螺紋的正弦槽距和源距的影響，當正弦槽距大于源距時，儀器能夠與地層良好接觸，測得的數(shù)據(jù)能夠正常反映地層密度。但當正弦槽距小于源距時，方位密度曲線出現(xiàn)周期性震蕩，從而降低隨鉆測井實時數(shù)據(jù)質量，失去實時隨鉆地質導向意義。

（4）補償中子測井。補償中子測井將短源距和長源距計數(shù)率的比值刻度成含氫指數(shù)曲線來反映地層孔隙度，雙源距探測器在一定程度上減小了地層俘獲性質和井參數(shù)對測量結果的影響，在螺紋井眼段依然會受到一定的不良影響，但影響程度不及密度類測井那么大，如圖1中第4道所示，補償密度曲線的高頻抖動特征比補償中子曲線更加明顯。

2.2 居中測量類測井方法

（1）自然電位測井與自然伽馬測井。自然電位測井研究的是井眼內自然電場中電位的變化，雖然螺紋井眼不會改變鉆井液和地層水的性質，但在井徑擴大處自然電位的幅度會略下降。自然伽馬曲線測量的是巖石中放射性元素的放射性強度，雖然螺紋井眼不會改變巖石自身的放射性強度，但其凹槽中堆積物會吸收伽馬射線，不同凹槽的井壁形成厚度不一的堆積物，其所吸收的伽馬射線量也會不同，致使自然伽馬曲線產生高頻抖動現(xiàn)象或鋸齒狀特征，如圖1中第3道所示。

（2）補償聲波測井。螺紋井眼對聲波時差曲線的影響在學術界存在爭議，趙永剛等[19]認為雙發(fā)雙收聲系結構的補償聲波測井可以有效減小螺紋井眼對補償聲波測井曲線的影響。李鐵柱等[20]研究表明，螺紋井眼對聲波時差曲線的影響很大，在螺紋井眼段聲波時差曲線極大值和極小值之間的差值可達30 ～60 μs/m。從原理上講，雙發(fā)雙收聲系補償聲波在一定程度上實現(xiàn)了對擴井段的影響，相對于中子、密度測井，螺紋井眼對補償聲波測井曲線的影響較小，但當井壁堆積物較厚且連續(xù)螺紋井眼段較長時，聲波時差曲線仍會產生高頻抖動現(xiàn)象或微齒狀特征。

（3）電阻率測井。電阻率測井是儲層含油氣性評價的重要手段之一，目前常用的電阻率測井方法主要包括側向測井和感應測井，二者在測量原理、探測深度、縱向分辨率等方面都存在差異。在鉆井液一定的情況下，理論上大井眼對電阻率測量結果的影響大于小井眼。由于雙側向測井使用的直流電和雙感應測井產生的同心圓環(huán)狀渦流絕大部分分布在地層中，因此，雙側向、雙感應測井曲線受螺紋井眼影響很小，尤其對探測深度較深的雙側向測井而言，其影響可以忽略不計，如圖1中第6道所示。螺紋井眼對感應測井的中感應電阻率曲線的影響大于深感應電阻率曲線。近年來陣列感應測井憑借其獲取地層信息豐富、探測深度大和縱向分辨率高等優(yōu)勢逐漸在碎屑巖地層的薄層分析和油氣評價中得到廣泛應用。以Halliburton公司的高分辨率陣列感應（High-Resolution Array Induction，HRAI）為例，它能得到3種分辨率、6種探測深度的電阻率測井曲線。然而，在螺紋井眼段，各個子陣列獲得的二維測井信息會受其影響，數(shù)值模擬結果表明，螺紋井眼尺寸和鉆井液侵入對子陣列1 ～子陣列4的測井響應影響較大，對長源距陣列的影響較小。影響感應曲線的因素包括探測深度、分辨率和螺紋井眼的擴徑程度等。當探測深度相同時，分辨率越高的感應曲線受螺紋井眼的影響越顯著。在相同分辨率下，探測深度越淺，螺紋井眼對感應曲線的影響就越大。此外，螺紋井眼的擴徑程度越大，其對感應曲線的影響也會越明顯。一般情況下，短源距陣列曲線會受螺紋井眼的影響而產生高頻抖動現(xiàn)象，出現(xiàn)電阻率高低交替的鋸齒狀特征，長源距子陣列的測井曲線受螺紋井眼影響較小，如圖1中第5道所示。另外螺紋井眼導致儀器偏心，這會使得其對短源距陣列感應曲線的影響大于長源距陣列感應曲線[21]。通過國內外廣泛調研，目前研究工作聚焦在井眼變化、鉆井液侵入、泥漿侵入及儀器偏心對陣列感應各子陣列信號的影響，但尚未見到對于陣列感應測井合成信號的影響分析和校正方法研究。

3 螺紋井眼效應下的測井曲線校正方法

測井資料的質量直接決定了地層評價的可靠性。通過前面的分析，螺紋井眼形成后不可避免會對測井曲線造成影響。對于螺紋井眼效應下測井曲線周期性的高頻抖動現(xiàn)象或鋸齒狀特征， 應當結合測井儀器的工作原理和測井響應特征進行校正， 降低螺紋井眼對測量結果的不良影響。通過廣泛調研，目前形成的校正方法主要有5種，校正效果較好，且不會降低曲線分辨率。

3.1 基于測井曲線特征的包絡線校正法

在螺紋井眼井壁凹槽中有堆積物的情況下，中子和密度測井曲線的響應會受到影響，難以準確地反映地層特征。因此，可以通過計算測井曲線的上下包絡線或平均值等方法來消除這種堆積物帶來的影響。李鐵柱等[7]根據(jù)螺紋井眼效應對測井曲線的影響及該效應與中子和密度曲線的關系分析認為，螺紋井眼段密度曲線極大值為地層的真實測井響應值，中子曲線的極小值為地層的真實測井響應值，因此，可通過曲線的包絡線來實現(xiàn)曲線校正。劉亮等[5]在此基礎上研發(fā)了包絡線校正技術，將測井信號記為x（t），求取螺紋井眼段測井曲線波峰的連線（上包絡線） 和波谷的連線（下包絡線）的平均值[xavg（t） ]，將其作為校正后的測井曲線。圖2為臨興-神府區(qū)塊X2井密度測井曲線包絡線校正效果圖，可看出校正后的密度曲線抖動幅度降低，更為平緩。這種方法操作簡單，也能達到平滑濾波效果，但只能求出曲線的近似趨勢，并不精細，且理論依據(jù)欠充分。

3.2 濾波去噪校正法

（1）基于傅里葉變換的濾波去噪法。該方法的核心是將螺紋井眼段測井曲線上出現(xiàn)的周期性高頻抖動響應當成一種以高頻噪音為主的規(guī)則性噪聲，通過濾波信號處理方式去噪，以達到消除部分螺紋井眼對測井曲線的影響。先根據(jù)快速傅里葉變換對測井曲線進行頻譜分析，將時域測井曲線轉換為頻域幅值—頻率曲線，測井信號一般可以看作由低頻信號（地層信息）和高頻信號（噪聲信號）組成的混合信號，兩者在頻帶上是分離的，即

式中，X（f）為測井信號x（t）的頻譜；S（f）和N（f）分別為地層信號和噪聲信號的頻譜。

將理想通帶濾波器的頻譜進行頻域的乘積濾波，即頻域濾波，其表達式為

式中，H（k）為在理想狀況下低通濾波器的頻率響應函數(shù)；y（r）為數(shù)字濾波后的測井信號；fu為上限截止頻率，Hz；Δf為頻率分辨率，Hz；f為信號的輸入頻率，Hz；N為濾波器階數(shù)；k為次序的序號。采用帶通濾波器消除頻域曲線上的高頻段異常信號后，再通過反傅里葉變換實現(xiàn)螺紋井眼測井曲線的校正。

李鐵柱等[20,22]應用這種方法對螺紋井眼段測井曲線進行校正，經校正后的曲線不再有短周期震蕩的特點。該方法在地層信號和噪聲頻帶重疊的情況下存在明顯的缺點，直接濾波的方法可能會同時濾掉一部分地層本身的測井響應，且濾波時設置的窗長越大，影響程度越大。分別采用1、2 m和3 m窗長對X1井短子陣列感應測井曲線（HT01）進行帶通濾波，效果如圖3所示，濾波后的曲線基本消除了螺紋井眼效應帶來的周期抖動現(xiàn)象，通過對比深感應電阻率曲線發(fā)現(xiàn)，濾波窗長越大，丟掉的地層信息也越多。

圖3 某區(qū)塊X1井陣列感應測井不同窗長帶通濾波效果圖

（2）基于三次樣條插值和傅里葉變換的濾波去噪法。針對基于傅里葉變換的濾波去噪法存在的問題，NIETO等[23]提出了一種改進的濾波去噪方法。該方法先按某一樣條區(qū)間對原始測井曲線進行三次樣條插值擬合，得到一條含較少噪聲的測井趨勢曲線，此趨勢曲線保留了低頻的地層信號。將原始測井曲線與測井趨勢曲線做差，得到殘差曲線。再采用基于傅里葉變換的濾波去噪法對殘差曲線進行濾波去噪處理，得到濾波后的殘差曲線，將測井趨勢曲線與濾波后的殘差曲線相加，得到校正后的測井曲線。該方法基本達到了在去噪的同時又保證地層信號完整性和準確性的要求。值得注意的是，在進行三次樣條插值擬合時，樣條區(qū)間需要選取適當，若過小會使得測井趨勢曲線包含正弦噪聲，若太大則會丟失地層的真實信息。圖4為該方法在某區(qū)塊X3井的井徑曲線校正效果圖，校正后的井徑曲線基本不受螺紋井眼效應的影響。

圖4 某區(qū)塊X3井井徑曲線校正效果圖

（3）基于小波變換的去噪法。針對使用帶阻濾波器對高頻信號濾波去噪時，濾波窗口中濾掉的地層信號難以恢復的問題，中國石油集團工程咨詢有限責任公司等[24]在其專利中提出了基于小波變換去噪法來進行螺紋井眼效應校正的方法。該方法分別對螺紋井眼段的失真曲線和非螺紋井眼段的正常曲線進行頻譜分析，確定螺紋井眼效應的噪音頻帶范圍，并通過選擇合適的小波基、優(yōu)化閾值函數(shù)來確定最佳閾值，設計出一種可行的小波濾波器，用于對失真密度曲線進行有效校正。小波變換去噪法通過應用閾值函數(shù)盡可能去除原始信號中的噪聲部分，保留信號的主要成分。與基于傅里葉變換的濾波去噪法校正結果比較表明，小波變換去噪法具有分辨率更高、不會對有效信號造成損傷等優(yōu)點。值得注意的是針對不同的測井信號，需要根據(jù)信號特性選擇不同的小波基函數(shù)。李俊嶺等[25]在傳統(tǒng)小波變換理論的基礎上，結合經驗模態(tài)分解法（Empirical Mode Decomposition，EMD）進行了測井曲線去噪算法改進，并在實際應用中取得了較好的效果。EMD聯(lián)合小波變換去噪法對噪聲抑制較為徹底，降噪性能均優(yōu)于傳統(tǒng)降噪算法，尤其對于頻率較為穩(wěn)定的螺紋井眼段測井曲線的校正效果較好。然而，如果螺紋井眼段的噪聲頻率分布比較廣泛，該方法仍不能很好地去除與有用信號頻率相近的噪聲，即便是直接通過閾值將噪聲濾除也會喪失部分地層信號信息并破壞信號的完整性。

3.3 套前套后曲線重疊校正法

應用套前套后曲線重疊校正法的前提是要進行裸眼井和套管井2次測井，以聲波測井為例，在裸眼井井筒相對規(guī)則且固井質量優(yōu)的井段，將2次測得的聲波測井曲線重疊后，曲線形態(tài)趨于一致，而在螺紋井眼段則會表現(xiàn)出明顯的差異，因此，可以使用套后的測井曲線來對套前的曲線進行校正。值得注意的是，采用套后的聲幅測井曲線和套前的聲波時差測井曲線進行重疊時需要進行刻度，首先讓套前的聲波時差和套后的地層波信號重合，確定裸眼聲波時差的刻度范圍，然后再進行螺紋井眼的曲線校正。這種方法理論依據(jù)較充分，校正結果可靠，但前提是地層波信號提取必須精準，且受資料限制難以廣泛應用。

4 螺紋井眼測井曲線校正的發(fā)展趨勢

將螺紋井眼效應產生的異常信號作為高頻噪聲，采用濾波去噪校正法對螺紋井眼段測井曲線進行校正是目前主流的方法。根據(jù)螺紋井眼效應的響應特征，探索維納濾波、f-k濾波、智能濾波等新方法是未來的攻關方向。另外，基于測井原理的螺紋井眼效應正演數(shù)值模擬校正法是實現(xiàn)螺紋井眼段測井曲線校正的另一有效途徑，也是未來的發(fā)展趨勢，但目前尚未見到相關報道。以陣列感應測井為例，雖然螺紋井眼與正圓井眼陣列感應測井原理的基本假設條件不符，但是可以采用幾何因子正演模擬來討論螺紋效應對陣列感應測井曲線的影響[26]。參照陣列感應測井儀器的技術參數(shù)，如子陣列線圈的頻率、分辨率和響應函數(shù)等，通過模擬在不同條件下的陣列感應測井信號，對其影響因素造成測井響應的獨特變化進行分析，進而得到更準確的參數(shù)信息，實現(xiàn)測井曲線校正。

前人基于幾何因子理論開展了大量的感應測井響應數(shù)值模擬研究，在井斜影響校正[27]、井洞影響校正[28]、趨膚效應校正[29]等方面取得了重大進展。基于類似成果的啟示，可以根據(jù)幾何因子理論進行陣列感應正演數(shù)值模擬，模擬螺紋井眼條件下陣列感應測井子陣列信號的變化規(guī)律和特征，進而完成陣列感應測井曲線的校正。

5 結 論

（1）螺紋井眼是受地質、工程等多因素協(xié)同作用的一種力學井眼效應，會導致測井曲線出現(xiàn)高頻抖動現(xiàn)象，呈周期性鋸齒狀變化特征。貼井壁測量類測井項目受螺紋井眼效應影響高于居中測量類測井項目，探測深度大的測井項目受螺紋井眼效應影響小于探測深度小的測井項目。

（2）目前螺紋井眼效應下的測井曲線校正方法主要有包絡校正法、濾波去噪校正法、套前套后曲線重疊校正法。將螺紋井眼效應產生的異常信號作為高頻噪聲，采用濾波去噪校正法對螺紋井眼段測井曲線進行校正是目前主流的方法，包括傅里葉變換濾波法、小波變換濾波法、基于三次樣條插值和傅里葉變換的濾波去噪法等。

（3）理論上螺紋井眼效應正演數(shù)值模擬校正法是校正螺紋井眼段測井曲線的有效方法，但目前尚未見到相關成果報道，也是未來重點探索的新方法。