超深度電阻率測井儀和方位電阻率測井儀組合的地質導向

編譯:孫顯宏 (長城鉆探工程有限公司工程技術研究院)

審校:于秀娥 (長城鉆探工程有限公司工程技術研究院)

超深度電阻率測井儀和方位電阻率測井儀組合的地質導向

編譯:孫顯宏 (長城鉆探工程有限公司工程技術研究院)

審校:于秀娥 (長城鉆探工程有限公司工程技術研究院)

地質導向就是應用實時地質評價數據,主動對井眼軌跡進行控制,以保證鉆井成功中靶,提高油層的鉆遇率。而傳統的隨鉆測量波形傳輸儀器只能采集到井眼周圍的平均電阻率數據,沒有任何方向性。在理想條件下,能探測6 m范圍的方位電阻率測井儀被加到底部鉆具總成上。深度電阻率測井儀、常規傳播電阻率測井儀和方位電阻率測井儀的組合有助于確定油井在油層的最佳產油位置,并能在復雜環境下進行地質導向。尤其是這種測試組合能區別泥巖是來自于測試儀之上還是來自于測試儀之下。文章介給出三種儀器在北海油田應用的實例。

水平井 隨鉆測量 電阻率測井儀 地質導向 地層評價

1 前言

挪威國際石油公司美國標準協會經營的Grane油田位于北海區塊,距西北部近200 km。該油田從2003年投產至2008年5月累積采油百萬桶。該油藏是古新世年代、濁積巖大粒砂巖、由泥巖封閉油藏。油層發育從細粒到中粒,中粒發育良好,是均質砂巖儲油層,油氣顯示良好,油層孔隙度30%～33%,一般滲透率能達到5～10 D(1 D= 1.02μm2)。

實踐已經證明,在鉆水平井過程中會鉆遇泥巖,尤其是靠近油層時更易鉆遇泥巖。Grane油田為高黏度 (12 mPa·s)的生物降解油,原油密度為895 kg/m3,靠近油層的地層水的密度為1 018 kg/m3。由于較小的密度差,在整個油田的油水界面以上形成了一個很長的地幔過渡帶,這個過渡帶在測井曲線上表現十分清楚。

Grane油田的排驅方案是前期以注氣為主,后期注水以維持地層壓力。注氣井的注氣噴嘴安置在構造高的地方,以將油向下推至生產井,而注水井的注水器安置在構造低的地方,以把殘余油向上推至生產井。根據油藏模擬研究,水平井的最佳位置在油水界面之上真垂直深度為9 m的位置。預計油藏底部邊界的構造位置高于油水界面,生產井布置在靠近油藏底部的位置,由于油與水之間的密度差較小,在大范圍的采油和注氣后會引起油水界面波動。注氣后可能把局部殘余的稠油擠到水層。當出現這種情況,更多的下滲水受壓后,會沿著砂巖的底部從局部成形的頁巖構造流域溢出。

在北海油田,在油水界面9 m以上,一直用超深傳播電阻率對井下鉆柱進行地質導向,這個測井儀帶有1個軸向發送器和2個軸向接收器,兩個接收器距離發送器分別為12 m和17 m。當該測井儀鉆遇傾斜的油藏時,仍然能精確地保持這個距離,但該儀器缺乏方向性,在常規梯度測試時會受到來自油層下部的泥巖的干擾,而使測量信息混亂。將帶有方位敏感性的測井儀加到下井儀器串上可提高儀器的地質導向能力。這種測井儀是標準的軸向傳播電阻率測井儀,儀器上加有2個能產生方位讀數的正交接收器。紅色天線用于方位測量,外部兩個是軸向發送器,內部兩個是正交的接收器。這兩個正交接收器間隔22 in(1 in=25.4 mm),和軸上的兩個接收器間隔是8 in。所有的測量都有相同的測量點 (接收器的中心)。外部發送器距離測量點36 in,測量系統是均勻對稱排列的。

測井儀完全正交安裝的優越性是對于均質地層接不到任何信號,直到油層邊界的反應超過儀器的噪音 (接近于0.01μV)時,該系統才有反應。實際上,用于記錄數據的儀器與軸向傳播電阻測井儀并不是一個整體,但對深度已經進行了調整,以使兩種測井儀的結果一致。方位測井儀可以發射400 kHz和2 MHz的電磁波,但僅400 kHz的數據用于研究和地質導向。正交接受器也能接收間隔較短的軸向發射器的信號,但這些測量數據或許不用于地質導向。在理想條件下 (有阻油層和傳導性圍巖),圍巖的檢測深度大約是6 m,盡管測量系統僅有2 m長。而這種油層并不代表理想油層。油層的傾角在方位接收器上產生信號,此信號將限制檢測深度。為了提高檢測深度,策略就是估計傾角產生的信號,并從儀器響應中除去這種干擾信號。既要提高目標深度推算值的精確度,又要提高目標方位的準確性。

2 井眼軌跡的響應因素

圖1是用于分析實際井眼的地幔過渡帶電阻率梯度模型。這個灰色電阻率測量剖面是地幔過渡帶模型。深度比例是真垂直深度。在該油田常用幾個不同的梯度模型。

軸向傳播電阻率曲線是長間隔排到400 kHz的衰減測量值和來自相同系統的2 MHz相位差測量值。以此比例,這兩條曲線很難與模型曲線區分。相比之下,四條超深度曲線可清楚地分辨出來。靠近油水界面,所有四種深度視電阻率響應值比模型電阻率要高,這是受極化影響的結果。換句話說,這個層的高阻值是由于受分布的角突影響的結果。較短的常規傳播電阻率曲線評定該模型時把它當做平滑曲線,但超深度測井儀曲線 (較長)在此比例上具有相對突起的邊界。灰色曲線是方位測井儀的信號強度,此曲線在計算機模擬中與電阻率曲線使用相同的對數標尺,但在油田測試中使用線性比例尺繪制電阻率曲線。在只有簡單的兩層情況下,曲線的峰值將在巖層的分界面上。

然而,在這種情況下,當分界面分布著一個較寬的傾斜度時,該峰值就會出現在坡度的中間位置。在油水界面2 m以上信號強度最大,大約能達到2μV。在出現斷層的油水界面,油層電阻為每米100Ω,水層電阻為每米0.5Ω,將會出現8 μV的信號強度,在油水分界面上會出現電阻率峰值。井眼的軌跡目標在油水界面9 m(真垂直深度)以上,并用紅線表示。在9 m處對應的方位信號強度大約為0.078μV,可檢測的最小信號必須超過0.010μV的噪音平均值。用于方位測量的指示 (這里沒有畫出)將垂直向下指示出接近油水界面并在測井儀之下的低阻層。然而,大約在1 783 m的位置信號強度幾乎是零,也就是在該點方向指示將轉換到更新點。在這個零交叉點之上,井眼上方泥巖的影響響應比電阻率梯度和井眼下方水的影響響應更強烈。方向信號強度為零和信號方向改變的點通常稱之為電中點。這個電中點是非常重要的一個地質特征。

圖1曲線上的點指示了在9 m對應點值。然而,其他與傾角無關的導電對象也將對儀器的反應有影響。這些對象通常是一些泥巖,當鉆頭不可避免地鉆遇泥巖層時,這種情況將被證實。本研究的目標就是聯合應用三種測井儀 (深度電阻率、軸向傳播電阻率和方位電阻率)來確定周圍環境,選擇有效的途徑使所鉆井眼成為最佳的油層產油通道。為了確定電導率響應部分是由傾角引起的,并確定哪部分是由于鉆井過程中受其他的負面影響源引起的,為了提高方位數據的質量,嘗試著消除傾角因素的影響。方法是用常規的軸向傳播電阻率來確定梯度曲線上的校正點,然后在這個點上減去信號強度值。舉一個例子,圖1在油水界面之上9 m這點,軸向傳播2 MHz電磁波相位差測得電阻值是20Ω,400 kHz電磁波幅度衰減測得電阻值是19 Ω,這時估計方向信號強度在0.078μV左右,然后從測量出的方位強度信號中減去這個數值。

3 水平井數據采集和技術分析

油層鉆2個水平井,每口井都有其特征,圖2現場數據包括來自三個儀器的數據資料。傳統的傳播電阻率儀器有4個曲線要繪制:Ra2ML(長間距2 MHz幅度衰減電阻率)、Rp2ML(長間距的2 MHz相位差電阻率)、Ra4kL(400 kHz長間距幅度衰減電阻率)和Rp4kL(400 kHz長間距相位差電阻率)。僅400 kHz衰減和2 MHz相位差的響應用于解釋。超深井下測井儀也繪制4種曲線:

Ra50k(50 kHz衰減電阻率)、Rp50k(50 kHz相位差電阻率)、Ra20k(20 kHz衰減電阻率)、Rp20k(20 kHz相位差電阻率)。

圖1 Grane油田電阻率梯度模型的深度、軸向和方位傳播電阻率測量值,目標深度在油水界面以上9.0 m,深度比例是真垂直深度

方位信號強度記數點 (bin#)在中間(bin#=7和8)表明信號直接來源于井底,測試數字為0和15表明信號來源于井眼之上,測試數字在8～15之間表明信號來源于井眼軌跡的左邊。這個信號強度的比例尺 (在圖1上為0～400)變化很大。自然伽馬射線曲線在測井曲線下部,作為參考。在圖2的2 680 m處,2 MHz相位差電阻率接近期望值20Ω。400 kHz衰減電阻率大約為30 Ω,這個數值比預期值高,但并不合理。無論如何,這個超深度測量儀除了預期測量電阻率梯度和下面的水層之外,還能探測出電導率。這些異常電導率大多是油層中夾的泥巖層所致,這是常見的情況。這個最深度的測量能感覺到30 m遠的電導率,也就是儀器能感應到一個巨大的定容比熱容。方位電阻率測井儀的響應大約是0.12μV,將超過預期的0.078μV,這是因為檢測到了另外的電導率。bin#在刻度中間表明電導率層在工具下方,在2 640 m附近地帶,bin#數字突然上升到高值15,表明電導層在工具之上,這很有可能是油層中夾泥巖層。超深測井儀的響應小表明這不是油層頂部。在圖2中信號強度受電阻率梯度的影響將使峰值有減少的趨向。當電導層在工具下面時,修正后信號強度減少,當檢測到電導層在工具之上時,將會增加信號強度。在工具之下的傾斜度和工具之上的泥巖互相競爭導致圖2中方位信號峰值強度降低。

圖2 水平井剖面,在2 640 m可以檢測到頁巖,點 (0～15)顯示了方位角信號的方向,當AP Rnv的信號強度在毫微伏數量級時,點0和15在井眼的頂部,點7和8在井底

圖3是修正后的結果,估算出只受泥巖影響的結果。另外,在一個三層模型中當頂層和底層影響相當時,出現一個信號強度零交叉點,這點叫電中點,零交叉點能在圖2(1 783 m處)綜合數據中觀察到。

另外一個測井部分如圖4,在這種情況下,伽馬曲線顯示井眼軌跡穿過一個小泥巖層。電阻率測量曲線顯示出導電響應和高值突起,這與以一個高傾角進入一個導電層的測量結果是一致的 (巖層邊界和井眼軌跡的夾角接近于90°)。方位伽馬曲線也顯示出這一個高角度進入。方向信號強度顯示出兩個高峰,一個是進入泥巖時,另一個是離開泥巖時。鉆柱進入泥巖底部,然后穿過泥巖底部回到油層。在井眼軌跡上面的電導層和下面的電阻層將具有相同的方向,它將與bin#數值是一致的。如果該井眼軌跡已經穿過油層的底部并從頂部返回砂巖層,該信號強度將達到電中點,并且bin#是變化的。

圖3 圖2中除去傾角影響后的數據

圖4 鉆遇泥巖和離開泥巖時產生的方位峰值

圖5進一步顯示了井眼軌跡。在鉆入泥巖段3 788 m深度后,繼續水平鉆進24 m鉆遇高飽和水的砂巖區。這段砂巖區有一個常規淺的軸向電阻率,近似1Ω,以及一個急劇降低的超深電阻率。借助伽馬值和各向異性的增加可以識別出泥巖段。常規傳播電阻率測井儀所測電阻率值能清楚地區分指示出泥巖的各向異性。如果測井儀相對于各向異性地層是水平放置,那么方位測量對各向異性并沒有響應。在3 778 m到3 812 m的測量深度,電阻率值逐漸增加表明水的飽和度逐漸降低。當鉆到3 800 m油氣層時常規的軸向傳播電阻率測量值迅速增高,方位信號強度在相同的區段3 801 m處達到極大值,約為2.5μV。這個極大的邊界峰值在1 Ω的含水層和20Ω的油層之間大約為6μV。圖5達到的極小峰值表明這并不是一個突變的油層邊界,而是一個飽和水的漸變過渡帶。一旦鉆遇的是電阻層,bin#顯示導電濕層在井眼軌跡之下。隨著水平鉆進的深入,電阻率隨著含水飽和度的升高而逐漸降低。方位信號強度的峰值很寬,最大值約為3μV。導電層仍然顯示在井眼軌跡之下。在3 860 m處鉆遇一個泥頁巖層。如圖5左側邊緣頁巖所示,這個泥巖層可通過上升的伽馬值和各向異性識別出來。

圖5 鉆水平段時因油層中水侵到井眼而使含水飽和度降低

圖6 在井眼軌跡下方和左側探測到的泥巖層

圖6的數據來自于第二口水平井。在2 632 m處井眼接近泥巖層,所有的電阻率曲線都有反應。當常規傳播電阻率曲線顯示低阻層響應時,超深電阻率曲線顯示一個突起的峰值響應,在50 kHz相位差電阻率曲線通過該層看起來似乎沒有反應。方位測量的信號強度峰值大約在0.32μV,這相當于近似1.6 m的距離。這種泥巖顯然是在井眼之下,而當泥巖的影響明顯超過梯度的影響時,bin#變動兩個點到左邊。這表明泥巖在井眼下邊,稍微偏左,而穩定的伽馬曲線響應顯示井眼軌跡并沒有穿透泥巖。

在這種情況下,超深電阻率曲線數據顯示電阻率值比油層其他區域電阻率要低。超深電阻率值繼續降低直到淺處測量也開始檢測到泥巖。在該點,超深電阻率測量曲線開始有一個突起的響應。就在方位信號強度開始顯示其峰值之前,在穩定的水平面下方有一個由傾角引起的小的下降,這是井眼之下的傾角和井眼之上泥巖之間的電中點,將其作為早期的參考點。從井眼底部到頂部bin#的改變等價于方位信號強度測量中符號的改變。

如圖7,鉆遇了水飽和度變化的泥巖帶。在3 765～3 786 m,方向信號強度增加,意味著鉆具從下部靠近導電層。在相同的層帶,在3 788 m穿過泥巖之前常規傳播電阻率顯著降低至約1Ω,該方位和常規傳播電阻率值正反應了 Heimdal砂巖含水飽和度的增加,可能是由于氣頂的影響而引起油水界面的局部變化。在3 803 m鉆出泥巖后,方位電阻率測量數據顯示在井眼之下有導電層,直至3 820 m。這個常規視電阻率曲線的分離再次證明了泥巖的非均質性。井眼軌跡穿過泥巖的頂部沿著同一側返回砂巖層。在泥巖的內側方向顯示器給出井眼上方的電導率,然而,這僅僅檢測到泥巖電導率的變化,并不是油層的電阻值。當方位測井儀開始對3 800 m的砂巖電阻有響應的時候,bin#數返回顯示在井眼下部的導電層與井眼之上的電阻層是相當的。

圖7 鉆遇水飽和度變化的泥巖

4 結論

三個電阻率測井儀常用于油層地質導向,它們是超深電阻率測井儀、常規傳播電阻率測井儀和方位電阻率測井儀。油層含水飽和度變化導致電阻率大約從300Ω (油層頂部)變化到0.5Ω (油水界面以下)。需要用超深測井儀從最佳的井眼軌跡(油水界面以上9 m)中來確定大規模的電阻率結構。淺測量常用于分析近井眼的電阻率變化。

方位測量能確定導電層的方向,顯然,井眼之上的導電層與井眼下面的電層有不同的校正方法。當接觸面在井眼之下時,三種電阻率測井儀的綜合分析能識別出泥巖層。通常,使用傳播電阻率測量值來估測方位電阻測量儀對油田電阻率變化的反應。從觀察到的方位信號強度減去傾斜的強度信號就能得到一個距導電層比較準確的距離。結果較好地解釋了井眼之上或井眼附近的導電層。

資料來源于美國《SPE 115675》

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.5.008

2009-03-05)