随钻方位自然伽马成像测井在地质导向中的应用

李安宗, 骆庆锋, 李留, 范宇翔, 宋森, 王珺

(中国石油集团测井有限公司, 陕西 西安 710077)

0 引 言

地质导向钻井是根据钻井施工时实时测量的地层信息,判断钻头钻遇的地层,及时调整钻进轨迹。实时测量的信息包括地质参数以及工程参数,地质导向仪器中最常用的地质参数为自然伽马和电阻率等。利用地质导向技术可保证钻头尽可能地在有利储层内钻进,达到提高产量和采收率的目的[1]。

随钻方位自然伽马成像测井技术采用多个自然伽马传感器,探测效率高,其测量结果具有方位特性,除了识别岩性、计算泥质含量等常规自然伽马测井应用外,实时传输数据可以作为地质导向重要资料[2]。本文基于中国石油集团测井有限公司自主研制的随钻方位自然伽马成像测井仪器,研究了仪器在钻遇不同地层的响应特征,并在现场应用中通过对仪器方位探测的地层自然伽马数据进行成像处理及实时分析,对地层进行更好地评价与认识,结合其他资料指导水平井施工,较好地实现了地质导向目的。

1 随钻方位自然伽马成像测井仪

1.1 仪器结构及功能

中国石油集团测井有限公司自主研制的随钻方位自然伽马成像测井仪目前有4.75 in*非法定计量单位,1 in=2.54 cm,下同和6.75 in这2种外径尺寸规格,其中4.75 in仪器有3个自然伽马传感器,在钻铤同一截面相互间隔120°偏心放置(见图1),6.75 in仪器有4个自然伽马传感器,在钻铤同一截面相互间隔90°偏心放置,结合磁力计系统获取传感器在旋转过程中的方位位置,从而实现井筒不同方位自然伽马数据测量。2种仪器滑动钻进时都能提供4个扇区的方位自然伽马测量值,并实时上传,作为地质导向服务时的判断依据,确保钻头尽可能在储层内钻进;仪器复合钻进时提供16个扇区的方位自然伽马测量值,并存储在井下仪器的内存中,经过数据处理和成像显示可以提供地层方位自然伽马成像图[3]。

图1 4.75 in随钻方位自然伽马成像测井仪器示意图

1.2 仪器电路组成

随钻方位自然伽马成像测井仪主要由电源模块、磁力计模块、自然伽马传感器、信号处理电路等组成。仪器将自然伽马传感器的测量信号,经电平隔离转换后进入ARM处理器的高端定时/计数器口进行采集;磁力计系统的输出经过处理后进入片外ADC模块,对工具面信息进行采集,同时采集振动与温度信息对工具面角进行校正。系统将采集的信息处理成16扇区数据存储在井下仪器中,并将上下左右4个扇区数据经通信模块传送到MWD系统,调制编码后传送到地面系统。

2 钻遇不同地层的响应特征

通常情况下,当随钻方位自然伽马成像测井仪器在储层中钻进时,仪器测量的上、下、左、右自然伽马曲线重合;当仪器钻遇倾斜地层时,测量的上、下、左、右自然伽马曲线在不同深度出现峰位,峰位位置能反映地层界面位置;当仪器钻遇断层时,测量的上、下、左、右自然伽马曲线在断层处各出现峰位,峰位位置能反映断层断块界面位置[4]。

2.1 自然伽马传感器旋转时测量响应数值模拟

常规自然伽马测井仪器是利用1个自然伽马传感器在井筒中测量地层自然伽马总放射性强度,而随钻方位自然伽马成像测井仪是在随钻过程中利用多个自然伽马传感器,在数据采集时通过记录不同传感器在不同扇区内自然伽马计数实现井筒方位测量。钻井施工时钻盘钻速大都在50～100 r/min,如果用60 r/min计算,仪器在井下每秒旋转360°,仪器采用16扇区数据格式,那么每个扇区对应的角度为22.5°。

通过计算模型得到了自然伽马传感器在仪器旋转时的测量响应。模型采用4个相同的自然伽马传感器,传感器NaI晶体尺寸Φ25.4 mm×120 mm,放置在钻铤的同一截面,传感器盖板厚度6.5 mm,在钻铤的固定位置放置1个放射性点源(137CS,放射性强度为10 μCi)。顺时针旋转钻铤180°,通过模拟计算,能够看出晶体1、2、3、4在钻铤旋转时计数的响应情况,随着传感器与点源的距离变化,各个传感器计数峰位也随之变化(见图2)。

目前自然伽马测井仪刻度都采用API单位,API是根据美国石油学会在休斯敦大学建立的自然伽马刻度井确定。但由于井眼尺寸及刻度环境变化等原因,不能满足大部分尺寸随钻自然伽马测井仪器刻度。国外相关公司对此进行了研究,建立新的刻度方法,可以实现不同尺寸随钻自然伽马测井仪器的刻度,同时使电缆和随钻自然伽马测量值更加一致[5-6]。随钻方位自然伽马成像测井仪测量值的精度受刻度影响较大,因此仪器出厂前在石油工业测井计量站自然伽马标准井中进行了刻度,确保了仪器的测量精度。

2.2 仪器钻遇倾斜地层

图2 自然伽马传感器布局及不同传感器计数变化图

利用计算模型,模拟仪器钻遇倾斜地层不同位置处4个方位的自然伽马计数,利用得到的数据及插值方法可得出方位自然伽马成像图[7][见图3(a)]。仪器从低自然伽马地层进入高自然伽马地层时,如图3(a)所示1点,其自然伽马成像图A点为仪器探测器在1点位置处探测到下部井筒出现的自然伽马值突然增高,反映到成像图中可见颜色突变,说明仪器在钻进过程中下部遇到高自然伽马地层;成像图B点处颜色突变,表示仪器在钻进过程中探测到上部井筒也出现高自然伽马值,井筒四周其他方向自然伽马亦呈高值状态。综合以上现象说明,仪器整体进入高放射性地层。仪器从高自然伽马地层进入低自然伽马地层时,如图3(a)中所示2点,成像图C点、D点处的突变分别反映了仪器在钻进中依次探测到井筒下部、井筒上部自然伽马值降低,分析可见仪器已穿过高放射性地层,进入低自然伽马地层[8]。

图3 几种典型地层自然伽马成像响应特征

2.3 仪器多次钻遇倾斜地层

图3(b)为多次钻遇倾斜地层方位自然伽马成像图。当仪器多次钻遇高自然伽马地层时,根据图3(b)中计算模型,仪器先后2次进入高自然伽马地层,其中1和2点响应特征与2.2中的描述一致;3点井眼轨迹从高自然伽马地层下部地层进入,与1点响应特征相反;4点从高自然伽马地层上面穿出,与2点响应特征相反。通过分析自然伽马成像图测井特征,可以判断井眼与地层的接触关系。

2.4 仪器钻遇断层

当仪器钻遇断层时,断层方位自然伽马成像图与倾斜地层方位自然伽马成像图存在很大差异,断层倾斜角度对方位自然伽马成像图有很大影响,断块倾角越大,断块成像图在轴向展布越大[见图3(c)]。

2.5 仪器钻遇不同倾斜角地层

在井斜为90°、地层厚度一定的情况下,假设地层倾斜角度分别为5°、10°、20°和30°,模拟仪器钻遇地层不同位置处4个方位的自然伽马计数,利用得到的数据及插值方法得出方位自然伽马成像图[见图3(d)]。由图3(d)可以看出,在井斜为90°时,地层倾斜角度越小,方位自然伽马成像图展布范围越大,地层倾斜角度对方位自然伽马成像图影响很大。

3 应用实例

随钻方位自然伽马成像测井仪自样机研制成功以来,在标准井进行了测试,验证了仪器的一致性与重复性。在长庆、青海、四川、吉林、塔里木等油田进行了现场应用,仪器总入井时间1 710 h,实钻进尺4 976 m,全程工作正常,发挥了仪器实时地质导向功能,体现了仪器在大斜度井/水平井施工中的技术优势。

3.1 知新××井现场应用

知新××井属于勘探评价井,之前已完成导眼井段施工,附近参考邻井资料较少,地层复杂。井眼轨迹在水平段多次进入泥岩后,已经无法准确判断井眼与泥岩地层的接触关系。在该井段采用随钻方位自然伽马成像测井仪进行钻后测井作业,测量井段长度400 m(见图4)。从图4可以看出,仪器测量的4条方位自然伽马测井曲线形态基本一致,在岩性较纯的砂岩井段,曲线基本重合。在砂泥岩地层交界处出现曲线分离,根据不同方位自然伽马测量值可以判断出井眼轨迹与砂泥岩地层的接触关系。在图4中A点,上下自然伽马测井曲线分离,上自然伽马值明显低于下自然伽马值,同时根据随钻方位自然伽马成像测井成像图特征,可以判断井眼从上部砂岩层进入下部泥岩层。

图4 知新××井方位自然伽马测井曲线及成像图

3.2 永页××井现场应用

永页××井是1口重点页岩气开发井,目的层为龙马溪组优质页岩气层,随钻方位自然伽马成像测井仪主要进行水平段现场施工作业,为现场地质导向提供服务。现场服务仪器入井时间约410 h,作业井段长7 201 m,全程仪器工作稳定可靠,及时反映地层岩性变化,满足实时地质导向施工需求。在仪器入井前,井眼已经从目的层底部穿出到五峰组地层,经过井眼轨迹调整,在A点处从五峰组回到龙马溪组,在B点处又从龙马溪组穿到五峰组,随钻方位自然伽马成像测井图特征明显,整个施工过程中为地质导向人员提供了准确的随钻方位自然伽马成像测井资料,为钻井决策提供了可靠的依据(见图5)。

图5 永页××井随钻方位自然伽马成像测井曲线及成像图

3.3 乾××井现场应用

乾××井是1口重点水平井探井,为了攻关区域薄层资源产能,准备外前缘预测储量目标。

现场服务水平段采用随钻方位自然伽马成像测井仪作业1 090 m,仪器入井时间约610 h,全程仪器工作稳定可靠,及时反映地层岩性的变化。通过实时随钻方位自然伽马测井数据,结合录井信息,快速准确判断井眼与地层接触关系,及时调整井眼轨迹,保证井眼轨迹最大程度在目的层中穿行(见图6)。

图6 乾××井随钻方位自然伽马成像测井曲线及成像图

整个施工过程中为地质导向人员提供了准确的方位自然伽马测井资料,为井眼轨迹调整提供了可靠的依据,克服了参考邻井资料少、地震分辨低、地层薄以及水平段长等难题,充分发挥了随钻测井、录井和导向综合服务的优势,在目的层厚度不足2 m的情况下,实现砂体钻遇率90%。

4 结论与认识

(1) 利用地质导向建模软件,分析得到了随钻方位自然伽马成像测井仪器在钻遇(多次钻遇)倾斜地层、断层、不同倾斜角地层时仪器响应特征,为实时地质导向提供理论依据。

(2) 在地质导向过程中,利用实时随钻方位自然伽马成像测井资料可以对水平井钻探进行实时追踪,及时判断钻遇地层的边界位置并调整井眼轨迹真正实现地质导向。

(3) 随钻方位自然伽马成像测井仪器已经在青海、四川、塔里木、吉林等油田推广应用,提高仪器的地质及工程适应性将是今后工作的重点方向。

参考文献:

[1] 郝以岭, 杜志强. OnTrak随钻测井资料在冀东油田地质导向中的应用 [J]. 测井技术, 2009, 33(2): 148-153.

[2] 王珺, 陈鹏, 骆庆锋, 等. 随钻方位伽马测井仪器设计与试验 [J]. 地球物理学进展, 2016, 33(1): 476-481.

[3] 李安宗, 李传伟, 朱军, 等. 方位伽马与侧向电阻率随钻成像测井技术研究 [C]∥第九届中俄测井国际学术交流会, 圣彼得堡, 2016.

[4] 袁超. 随钻方位伽马测井方法基础研究 [D]. 北京: 中国石油大学, 2012.

[5] INANC F, MCCLESKEY M. Gamma Ray API Definition-related Issues, Model Based LWD Tool Characterization and Calibration [C]∥ SPWLA 58th Annual Logging Symposium, 2017.

[6] MOAKE G L. Characterizing Natural Gamma Ray Tools Without The API Calibration Formation [C]∥SPWLA 58th Annual Logging Symposium, 2017.

[7] 雍世和, 张超谟. 测井数据处理与综合解释 [M]. 东营: 中国石油大学出版社, 1996.

[8] 刘海峰, 于学强, 周明生. 水平钻井测井地质导向方法研究 [J]. 化学工程与装备, 2009(8): 115-116.