隨鉆地層評價技術面臨的問題、現狀與展望

司馬立強，李揚

（西南石油大學資源與環境學院，四川成都610500）

隨鉆地層評價技術面臨的問題、現狀與展望

司馬立強，李揚

（西南石油大學資源與環境學院，四川成都610500）

隨鉆測井資料主要應用于地質導向和地層評價。隨著儀器性能完善和理論研究的深入，研究重點已轉移到隨鉆測井資料解釋評價上。在前人工作基礎上，指出隨鉆測井地層評價的難點主要有5個方面：儀器設計、測量方式、環境影響因素、解釋模型和參數計算。分析了隨鉆測井儀器在電阻率測井、聲波測井、核測井和核磁共振測井中的地層評價功能。介紹了隨鉆測井數據處理和定量解釋技術的新進展。基于大量的數值模擬，從定性的角度對隨鉆測井響應分析應當注意的問題作出說明。指出了隨鉆測井解釋評價今后的發展方向。

隨鉆測井；數據處理；地層評價；發展方向；定量研究

0 引 言

隨鉆測井（Logging While Drillling，LWD）憑借其在經濟和技術上的優勢，在大斜度井和水平井（HA／HZ井）的技術服務中發揮了巨大作用，隨鉆測井資料最重要的應用在于地質導向和地層評價［1－2］。相比而言，應用于地質導向的研究相對成熟，并已取得顯著成效。隨鉆測井地層評價技術，特別是在油氣勘探過程中的地層評價作用正處于探索階段。20世紀90年代中后期，伴隨著隨鉆電阻率、聲波、放射性多參數組合測井系列的出現，以及隨鉆地層壓力、隨鉆核磁共振測井技術的成熟，隨鉆測井數據用于計算地層巖性、物性、含油性以及電性參數的地層評價功能得以充分發揮［3－7］。與此同時，隨鉆測井資料在獲取真實的巖石物理參數、進行泥漿侵入機理與校正方法研究、改進薄儲層評價等方面的優勢也顯現出來。

大量的研究和現場實例表明，當前LWD地層評價技術面臨這樣的尷尬局面是我們設計的測井儀器還不能完全適應HA／HZ井的測量環境，儀器響應結果變得“生疏”。一些響應特征對鉆井地質導向有利，但測井值卻嚴重失真，定量解釋難度極大；即便獲得了較為可靠的數據，仍然缺乏對這些數據進行有效提取和利用的能力，應用于HA／HZ井的LWD定量解釋技術整體還不成熟。鑒于目前LWD儀器設計所針對的地質條件（井眼垂直、地層水平且各向同性）并且采用與傳統直井相近的處理解釋方法，隨鉆測井數據得到的解釋參數往往誤差很大［8－10］。

針對這些突出矛盾，前人在儀器簡介、數值模擬計算、響應分析、物理實驗、可視化軟件開發、水平井資料測井解釋方面進行了廣泛研究并取得了顯著進展［11－19］。然而，這些內容并未涉及具體的和量化的測井解釋問題。本文在前人工作的基礎上，提出從儀器設計、測量方式、環境影響因素、解釋模型、參數計算等方面存在的測井解釋問題，并且對LWD測井儀器的地層評價功能和定量解釋進展情況進行介紹。基于大量數值模擬認識，本文主要從定性角度對LWD測井響應分析時應當注意的問題作出說明，提出LWD測井地層評價技術今后的發展方向。

1 隨鉆測井地層評價難點

1.1 儀器設計及特點

LWD儀器設計針對的是垂直井眼（水平地層）、均質且各向同性的地質條件，而隨鉆測量幾乎都是在HA／HZ井環境中進行的，此時井眼與地層夾角不再為90°（有時甚至為0°），地層普遍存在各向異性和非均質性，這對儀器響應造成嚴重影響［10］。與電纜測井儀器相比，LWD儀器探測深度淺、分辨率低、采樣密度小，容易導致含油氣飽和度被低估、成像測井資料計算的地層傾角值誤差變大等問題。

1.2 測量方式

在HA／HZ井環境中，LWD儀器通常不能保持居中，大多情況是偏心測量，因此偏心影響是LWD資料分析時務必考慮的因素。

LWD電阻率測井普遍采用電磁波傳播測量方式，通過記錄接收線圈間感應電動勢的幅度比和相位差數據，進一步轉換分別得到幅度比電阻率和相位差電阻率值［11］。對于偏心測量對電阻率數據的影響，Yik Kiong Hue等［20］研究表明偏心測量對相位差和幅度比數據都會造成影響，并且認為這種影響還要受到泥漿和井眼周圍地層電導率差異值的控制。針對其他測井方法的研究也廣泛開展，其中，Zheng Yibing等［21］研究發現偏心測量時斯通利波的頻散曲線退化為低速波，而偶極波的頻散曲線會分離成2個不同速度的波；尹赫柱等［22］研究表明在不同偏心距時，自然伽馬測井對地層界面位置的響應不同，曲線幅度存在差異，在總體上呈現非對稱響應特征。

1.3 環境影響因素

LWD響應特征分析面臨的一個突出矛盾是儲層特征變化與環境因素的影響變得更難區分，不同環境因素可以產生相似的響應結果，因而環境因素彼此之間的識別也很困難。比如，在HA／HZ井環境中，泥漿侵入、儀器偏心、各向異性、相對傾角、介電常數等因素都會造成相位差和幅度比電阻率曲線（或者不同探測深度曲線）發生分離［23－25］，該現象與儲層引起的特征相似。如何分離出環境因素，并從這些環境因素中分析出主要因素和次要因素，提取真實的電阻率值或其他測井參數目前仍然是一個難點。

1.4 解釋模型

目前，LWD地層評價采用的解釋模型和方法仍然沿用傳統電纜測井的思路，傳統的巖石體積物理模型都是基于各向同性、均質地層條件基礎上的，如Archie公式。然而，HA／HZ井環境普遍存在各向異性、非均質地質條件，很顯然，采用傳統的模型進行LWD測井解釋，其結果的客觀符合程度到底有多少，目前仍是一個尚待討論的問題。

1.5 參數計算

在HA／HZ儲層參數計算過程中不確定性因素較多，國外相關統計和分析指出［9－10］，孔隙度和地層水電阻率確定后，電性參數的各向異性和井斜角是影響飽和度計算精度的關鍵因素。當地層垂直電阻率和水平電阻率比值等于5時，相對于直井情況，45°斜井會引起含水飽和度計算時產生5%的變化，而在85°斜井中會引起25%的變化。此外，地層視傾角值也會影響孔隙度、飽和度和真垂直厚度（TVT）的計算精度。比如，85°斜井中，地層傾角計算時2°的計算誤差將引起TVT的計算結果產生50%的相對誤差；3°的傾角計算誤差將引起TVT結果產生100%的相對誤差。在隨鉆地層參數計算時，對這些誤差帶來的嚴重問題必須予以充分重視。

2 隨鉆測井儀器新進展［1－2，12－14，16，26－28］

2.1 LWD電阻率測井地層評價功能

近年來，LWD電阻率測井儀器呈現出深探測、近鉆頭（或過鉆頭）、緊湊型、高覆蓋率的特點和發展趨勢。

（1）提供地層水平和垂直電阻率值參數，用于電性參數的各向異性分析及校正，實現介電參數的計算，識別流體及進行介電效應影響校正。如貝克休斯TNTEQ公司的補償式電磁波傳播電阻率測井儀MPR。

（2）提供多深度電阻率曲線，與鉆后測井資料結合，研究泥漿侵入特性、評價地層滲流能力。如哈里伯頓公司的電磁波電阻率測井儀EWR Phase4。

（3）實現近鉆頭電阻率測量，進一步減少侵入影響。如斯倫貝謝公司的鉆頭電阻率測井儀RAT。

（4）實現超深電阻率測量，既能實現鉆前探測，又有利于反映深部地層電性特征。如斯倫貝謝公司的超深電阻率隨鉆測井儀，其探測深度最高達到32.8ft。＊＊非法定計量單位，1ft＝12in＝0.304 8m，下同

（5）進行井周多方位的深電阻率成像測量。如哈里伯頓Sperry鉆井服務公司的InSite ADR系統，該系統可提供井周32個方向上探測深度達18ft的電阻率數據；斯倫貝謝公司新一代鉆頭電阻率測井儀GVR使用56個方位數據點進行成像，方位覆蓋率更高，同時可以提供地層傾角、構造和走向的高分辨圖像信息。

此外，一些最新儀器采用緊湊型天線設計，大大減少了儀器長度，從而降低井底組合總長度及投入成本。

2.2 LWD聲波測井地層評價功能

（1）采用寬頻聲源、陣列接收、間隔排列、隔音降噪的設計方式，提取高信噪比的縱、橫波數據，用以計算基質及裂縫孔隙度。如貝克休斯公司的聲波特性參數測量技術APX。

（2）實現聲波全波列記錄和井下存儲，提供實時的縱、橫波時差數據，用以計算孔隙壓力、探測氣層及估算可動流體。如斯倫貝謝公司新一代聲波測井儀SONIC－VISION。

（3）設計雙模式聲波測井系統，利用偶極模式測量慢地層的橫波速度［28］。如哈里伯頓公司的BAT。

（4）采用低頻四極子工作方式（工作頻率低于10kHz），實現對慢地層的橫波測量。如貝克休斯公司的低頻四極橫波測井。

（5）擴展橫波的測量范圍，在復雜井眼環境下，改善聲波數據質量。如哈里伯頓公司最新推出的隨鉆寬頻多極聲波測井儀器，該儀器能夠擴展50%的橫波測量范圍。

LWD聲波成像及井周三維成像測井資料，也成功地實現了對不同方位縱、橫波速度的提取。

2.3 LWD核測井

2.3.1 LWD自然伽馬測井

LWD自然伽馬曲線與LWD電阻率曲線一起構成了原始的隨鉆地層評價功能［6］。自然伽馬測井的放射源和探測器一般都安裝在鉆鋌內部，其響應主要與探測器的性能、測速、泥漿密度、耐壓、井眼及鉆鋌厚度等因素有關。除了進行常規泥質參數計算，旋轉過程中獲得的伽馬數據還可用于計算地層傾角［12］。

2.3.2 LWD密度－中子測井

LWD密度－中子測井在測量原理上與同類電纜密度測井和中子測井類似。近年來，儀器發展主要體現在無化學源設計、探測器、井眼補償等技術的改進［29－32］。其地層評價功能主要體現在：

（1）采用井眼補償及間隙校正技術進行光電吸收指數測量，利用16個方位的數據點進行成像，提供實時的中子孔隙度、地層密度和中子測量值，如斯倫貝謝公司的方位密度中子測井儀ADN。

（2）通過增加聲波傳感器元件以獲得間隙和井徑參數，對密度和中子資料進行井眼和間隙校正，提供高精度的孔隙度數據，如貝克阿特拉斯公司的APLS技術。

2.4 LWD核磁共振測井

LWD核磁共振測井的突出優勢在于鉆井過程中實時提供滲透率信息，從而指導選擇滲透率最佳路徑進行鉆井，提高油氣生產采收率。以哈里伯頓公司第二代核磁共振隨鉆測井儀MRIL－WD為例，它采用在鉆井方式下測量T1、移動方式下（滑眼、通井和運動鉆桿等）測量T2，以此消除鉆井噪音對T2測量的影響。與同類電纜測井相同，可提供孔隙度及孔隙大小、滲透率、自由及束縛流體體積等參數。

此外，LWD地層壓力測試和LWD地震技術的日趨成熟，進一步完善了隨鉆地層評價和測井解釋的內容。總體上，在繼承了電纜測井儀器新技術的基礎上，LWD測井最新儀器更加集中地體現了測井技術的前沿以及不同學科技術的交融。從長遠角度來看，LWD測井技術將成為引領今后測井技術發展的主流方向，并為測井學科的發展注入強勁的推動力。

3 數據處理和解釋技術新進展

3.1 快速模擬算法

數據處理解釋需要數值模擬提供理論支撐，對于隨鉆儀器或隨鉆測量環境（HA／HZ井），目前的數值模擬研究可對復雜三維地質條件進行計算［33－40］。傳統的數值模擬難點主要體現在運算速度上，大量的實驗嘗試使得一些快速高效的算法不斷出現。比如，國內提出的快速傅里葉－漢克爾變換算法，該算法可以很好解決HA／HZ井環境電法測井計算的效率問題［41－42］，國外學者在放射性測井的模擬算法研究中也有新的突破［43－44］，這些高效的算法為隨鉆測井多參數聯合正反演提供了保障。

3.2 傾角計算改進方法

利用隨鉆測井資料進行地層傾角計算的方法有多種，其中利用成像測井資料可提供最佳的精度保障。人們一直采用的傾角計算公式存在明顯的誤差問題，誤差來源于不同測井儀器自身的探測特性，即通常談及和使用的測量深度實際上被稱為電成像深度［45］和核探測有效深度［46－47］。新的概念可以更客觀地反映儀器的響應特點，改進地層傾角計算公式，降低儲層真實厚度及其他巖石物理參數計算的不確定性。

3.3 測井資料預處理

在HA／HZ井條件下，測井資料預處理主要完成斜深校直、井眼軌跡繪制及方向投影等工作［17］。其中，依據最小曲率半徑法可以計算井軸上每一點的真垂直深度、東西位移、南北位移、水平位移等空間位置數據［18］。目前，國內的預處理軟件已經投入現場使用［48］，相關改進軟件也在不斷開發過程中。

3.4 數據處理新思路

傳統上，電阻率線圈都被近似看作磁偶極子處理，高杰等［49］分析認為該方法轉化得到的衰減電阻率誤差很大，而采用嚴格解法轉換能夠顯著提高信號質量；為降低非彈性伽馬源分布對隨鉆地層密度測量的影響，于華偉等 重新建立了快中子通量、非彈型伽馬擴散長度與地層密度的關系，從而提高地層密度的測量精度；為驗證隨鉆斯通利波資料計算地層滲透率的可行性，唐曉明等［51］在理論上進行了驗證，理論計算結果與巖心數據具有較好的相關性；張鋒等［52］提出利用隨鉆脈沖中子測井，通過記錄遠、近探測器俘獲伽馬計數率比值的相對變化量，結合孔隙度資料，實現對含氣飽和度的測量。這些新的嘗試為隨鉆測井儀器的改進和數據處理提供了寶貴的借鑒資源。

3.5 解釋模型研究

HA／HZ井存在各向異性，理論和實驗研究都發現，電性參數、聲學參數及其他許多巖石物理參數都會受到各向異性的影響［15，53，56］。同時，在客觀上，這些巖石物理參數應該被描述為二維和三維的表達形式［54－58］。LWD測井解釋目標是三維地質條件，這從根本上決定了隨鉆測井解釋模型和解釋方法更為客觀地反映復雜地質環境。

Klein等和Kennedy等［55］在充分考慮了電性參數各向異性影響的前提下，分別推導出了宏觀（測井曲線分辨率尺度）和微觀（孔隙尺度）各向異性條件下的Archie公式。在三維坐標系中，由Archie公式表示的電阻率、孔隙度、飽和度等參數都以張量的形式表示，方程和未知數的個數明顯增多，求解過程也變得更加復雜。

3.6 儲層評價

隨著相對傾角的增加，沿井眼方向LWD儀器的響應距離增大，響應時間變長，儀器可在更大程度上響應薄儲層信息。隨鉆測井儀器的探測特征研究也表明，隨鉆核測井資料的分辨率優于傳統直井電纜測井資料，這些特點說明隨鉆測井資料有利于進行薄儲層評價［37－38，59－60］。

隨鉆測井實時性的特點決定了時間推移測井和侵入機理研究是必要且可行的，司馬立強等［61］提出采用中子孔隙度時間推移法可以有效識別儲層流體界面；田中元等［62］利用時間推移電阻率測井資料系統地研究了泥漿的侵入特性，為侵入影響校正提供了重要依據。此外，隨鉆成像測井資料與隨鉆密度、中子測井資料相互結合，可以綜合進行巖性識別、構造分析、次生孔隙識別及相關定量評價［63］。

3.7 LWD測井解釋思路

雖然隨鉆測井響應的環境影響因素更加復雜多樣，但所有的影響因素并非在相同時刻存在并對測井響應結果造成影響。所以，解釋過程中關鍵要識別出特定環境下的主要和次要因素，并對更低一級的因素做必要的簡化處理。

例如，當井斜角大于某一值時（如30°），各向異性和儀器偏心的影響應當被考慮；圍巖影響固然與儲層厚度有關，但還要受到各種測井方法、儀器探測深度的控制，深探測曲線應率先進行圍巖影響校正。LWD測井資料還有一個典型特點，即資料中含有相當程度的方位信息，即便是相同的井眼和地層條件，儀器朝向不同帶來的結果也存在較大差異，所以在進行LWD測井資料解釋時，首先應該確定出相對精確方位信息，在此基礎上對其他影響因素的影響作出判斷。

綜合來看，隨鉆測井解釋對資料采集過程、儀器特性、處理方法和流程等前提信息的認知要求更高，盲目進行解釋很可能遺漏某些重要信息，而這樣的信息很有可能正是提高隨鉆測井解釋水平和解釋精度的關鍵。

3.8 解釋流程

由于技術壟斷，現有可共享的實質性解釋流程及經驗資源相對匱乏。以斯倫貝謝公司隨鉆電阻率地層評價技術作為代表，經過多年的積累，目前該公司已經建立起隨鉆電阻率測井資料自動解釋平臺，該平臺可以實現模型自動優選和計算對比，提取主要影響因素予以校正；對于多種影響因素難以區別的問題，采用人機交互處理方式，實現相應判別和校正工作。該平臺能夠完成對井眼、侵入、各向異性、圍巖、介電效應等環境因素的校正，適應了大多數隨鉆測井解釋要求［25，64］。

4 發展方向及建議

最近2年，中國的隨鉆測井技術發展迅速，并已取得一些階段性成績。但是在整體上，國內外的隨鉆測井技術差距仍然明顯。同時，相關的技術展會反饋信息也表明，國外的技術服務公司愈加重視對其核心技術的保密措施，國內測井技術實現跨越式發展的難度越來越大。因此，為實現我國隨鉆測井技術的整體進步和長足發展，除了繼續加強對儀器設計、數據傳輸等方面的研發力度外，從隨鉆測井地層評價技術的要求出發，今后應在以下4個方面做出切實努力。

（1）進一步加強對隨鉆測井儀器設計、原理、結構、測量及鉆井施工條件的理解，弄清儀器獲取地層參數的過程。

（2）加大數值模擬研究的力度和深度，繼續開發快速高效的算法，從而強化對三維復雜地質條件下測井響應結果的領會能力。同時，模擬研究和解釋工作應該更加注重多因素影響，并從儀器測量環境的背景信息出發，做必要的簡化處理。

（3）在理論和實驗方面，深化對巖石物理參數在三維空間內分布特征進行定量表述的能力，在更加復雜的三維測井解釋模型和解釋方法上加強研究，并注重其方法求解的可行性，帶動相應測井方法和技術的進步。

（4）盡快制定出便于參考和使用的隨鉆測井解釋經驗及流程，開發并完善隨鉆測井地層評價軟件平臺。

5 結 論

（1）隨鉆測井技術正在引領測井技術步入一個新的時代，同時，也正在帶給我們一個新的思維變革。認清隨鉆測井技術服務的特點，由傳統相對獨立的測井解釋和鉆井解釋 向測、鉆井一體化解釋的工作思路轉變。

（2）清醒認識并立足于隨鉆測井環境，實現由傳統直井解釋思維向隨鉆解釋思維的轉變，即從傳統上垂直、對稱、各向同性、均質等地層條件向夾角任意、非對稱、各向異性、非均質的地層條件過渡。

（3）從傳統交叉學科、行業技術向更高一級的交互學科、融合技術方向發展。

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Logging While Drilling Formation Evaluation Technique：Issues，Advances and Trends

SIMA Liqiang，LI Yang
（Southwest Petroleum University，Chengdu，Sichuan 610500，China）

The dominant application of logging while drillling（LWD）data is geosteering（especially for drilling series）and formation evaluation.Recently，with the great progress in both tool’s performance and theorical methods，the studied key points are gradually moving to LWD formation evaluation technique.Based on the numerical hard work by the previous researchers，indicated is that the difficulties of LWD formation evaluation technique are the following 5aspects：instrument design，measurement pattern，environmental impact，interpretation model and parameter calculation.Analyzed are applications of LWD formation evaluation technique in resistivity log，acoustic log，nuclear log and NMR log.Introduced are the new trends in LWD data processing and quantitative interpretation.In view of abundant numerical simulation，illustrated qualitatively are the prominent issues in LWD log response interpretation.Pointed out is the trend of LWD formation evaluation technique，and it should be helpful for other scholars in petrophysical field.

logging while drillling（LWD），data processing，formation evaluation，trend，quantitative research

P631.84 文獻標識碼：A

2011－06－13 本文編輯 王小寧）

侯慶功，男，1963年生，高級工程師，從事測井方面的研究工作。