方位电磁波在海上油气勘探开发的应用及展望*

苑仁国 林昕 刘卓 陈玉山 陈波 谭伟雄

(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司)

0 引 言

方位电磁波是测井技术中成熟较晚的一项随钻测井(Logging-While-Drilling, LWD)工艺。该技术在探测水平井地层界面和储层油水界面所表现的优异性能为行业公认，因此也被业内简称为“探边”技术。Schlumberger公司于2005年推出了行业内最早商业化的方位电磁波工具PeriScope，各大油田技术服务公司相继推出类似工具，代表性的产品有BakerHuges公司的AziTrack和Halliburton公司的ADR等。此后，方位电磁波技术不断升级，经历了包括边界探测(Bed-Boundary Detection)、储层成像(Reservoir Mapping-While-Drilling)和随钻前视(Looking Ahead-While-Drilling)等3个阶段的发展，其应用范围从水平段拓展到着陆段甚至低斜度井[1]。

近年来，国内加大了对方位电磁波技术研究的投入力度并取得了重要进展，主要以中石油、中石化以及中海油主导的研究院所为代表。长城钻探工程公司刘乃震等[2]提出了基于交联天线的GW-LWD(BWR)工具，交联天线为国内外首创的方位电磁波线圈串绕方式，现场试验结果表明，仪器探测深度可达2 m、测量精度达到0.2 m；另外，胜利石油工程技术有限公司研发的基于正交天线的AMR工具[3]以及中海油服研发的基于双斜正交天线的DWPR工具，均取得了不错的现场试验效果。国内的研究水平相当于第一代边界探测技术，高级方位电磁波技术仍然被国外技术公司垄断。

方位电磁波工具在海上油气勘探开发中起到重要作用。以渤海油田为例，仅2020年上半年方位电磁波工具使用已达到75井次，超过2018年全年的42井次和2019年全年的74井次，其中国产方位电磁波工具应用16井次，占比达到21%。本文将回顾方位电磁波技术的发展历程，介绍不同发展阶段的技术特点，同时结合国内海上油气勘探开发的应用案例进行分析。该项研究对于指导方位电磁波技术的现场应用和国内相关技术的自主研发具有一定的参考价值。

1 边界探测

1.1 技术发展

方位电磁波源于阵列电磁波技术，即通过测量不同发送-接收距离的电磁波传播衰减以及相移变化来获取地层的电阻率信息。方位电磁波的方向性测量实现原理如图1所示。图1中，T为发射线圈，R为接收线圈。阵列电磁波测量采用的幅度比和相位差的信号获取方式，消除了信号漂移等干扰，降低了井筒环境对仪器的影响。阵列电磁波工作频率范围介于2～2 000 kHz之间，发送-接收线圈的距离从几十厘米到几米不等[4]，相比电缆测井的感应测井技术具有分辨率高以及高角度对各向异性敏感等优点，可准确提供地层水平电阻率(Rh)和垂直电阻率(Rv)，在地质构造相对简单的油气藏，阵列电磁波测井得到了广泛的应用[5]。

图1 方位电磁波的方向性测量实现原理

方位电磁波的第一代应用是边界探测技术。其实现是通过调整阵列电磁波工具的发送-接收线圈角度，在测量工具旋转过程中其接收信号产生方向性特征。边界探测技术的工作频率范围100～200 kHz，发送-接收线圈距离从0.5～3.0 m[4]，并采用了倾斜线圈或正交线圈等设计方案(见图2)。地层的电性差异通常由流体性质不同所导致，当不同地层之间存在明显电性差异时，仪器探测得到的电性边界等同于地层边界。由于发送-接收线圈设置和地层响应特征密切相关，所以作业施工前有必要进行地层正演响应分析，以确认方位电磁波技术的适用性，同时在钻进过程中优化实时反演参数。

图2 第一代边界探测技术工具收-发线圈设置示意图

仪器探测得到的方向性曲线需进一步通过反演计算转换成电性界面位置以及距离等信息。边界探测技术最初商业化应用时，采用了单/双边界的反演算法，即最多计算3层的地层模型，如图3所示。双边界反演可以同时识别工具上/下围岩的电性界面距离(上界面距离Hu和下界面距离Hd)以及3层地层电阻率值(当前地层电阻率Rh/Rv、上围岩电阻率Ru及下围岩电阻率Rd)[6]。在此基础上，反演算法进一步升级为多边界反演。多边界反演不再局限于3层地层模型的限制，应用该算法的边界探测技术也称为多边界探测技术[7]。

图3 方位电磁波单/双边界反演计算示意图

1.2 应用分析

我国海洋近海油气资源存在成藏规律复杂、断块细碎以及单井控制储量小等特征。随着近海海域勘探程度的增高，油气丰度降低，目标更隐蔽，储层物性更差，勘探成效日趋下降[8]。为此，边界探测技术被引入并应用于海上水平段地质导向钻井施工。

李建、WU Y.M.和LI F.等[7，9-10]在南海某高含水油田开发中面临油水关系复杂、河道砂体叠置分布不清以及低阻低渗等挑战。利用多边界探测技术可以准确反演储层和流体分布情况，指导水平井钻进过程中平稳穿过泥岩夹层，实现追踪优质砂体从而提高储层钻遇率；将轨迹放置在砂体中上部，可以延缓水淹时间，提高水平井产能。

ZHANG B.Q.等[11]在渤海油田稠油开发过程中采用边界探测技术，控制轨迹精确放置在目的层顶部约1.5 m垂深的位置，减少了阁楼油的存在，产能从10～20 t/d增加至50～60 t/d，实现钻遇率100%并有效提高了稠油热注采的效能。此外，MA Y.W.和YANG L.H.等[12-15]在渤海油田高含水区块的加密井网开发中，采用边界探测技术准确探测油水边界位置，通过随钻轨迹调整优化水平井轨迹位置，确保了水平井生产油柱高度，降低含水体积分数至2%，延长了老油田区块的生命力。

边界探测技术对电性边界的识别可实现对复杂油气藏环境的精细刻画，区分油水界面、探测地层上下边界以及识别叠置砂体分布特征等；其测量精度小于0.5 m，可用于指导钻井轨迹的实时调整，优化轨迹在目的层中的摆放位置，确保钻井轨迹在目的层中延伸。该技术可以提升钻井时效、提高钻遇率以及保障水平井产能。

2 储层成像

2.1 技术发展

储层成像技术基于边界探测技术发展而来，通过增加发送-接收线圈之间距离以及增加低频电磁波信号频率等手段得以实现。首先，采用分段模块化设计将原来集成在同一条工具上的发送-接收线圈组合分成包括一个发射短节和两到三个接收短节的组合方式(见图4)，发射短节连接在旋转导向工具(Rotary Steerable System, RSS)后端,线圈收发距离达到5～35 m；其次，发射短节中的信号发生采用横向磁偶极子(Transverse Magnetic Dipole)[16-17]，增加了低频段的信号频率(2、6、12、24、48和96 kHz)等。

图4 储层成像技术钻具组合示意图

2015年，Schlumberger公司率先在业内实现储层成像技术的商业化，业内同类型的工具有Baker Huges公司的VisiTrack和Halliburton公司的EarthStar等。

储层成像将测量深度从4.6～6.4 m增加到 46～67 m，相比边界探测技术的测量深度提高了近10倍。因此，储层成像技术的应用范围得到极大扩展。首先，储层成像可以同勘探地震数据形成较好的互补验证，使其研究对象不再局限于油气产层的狭窄范围；其次，储层成像的超深探测优势也被用于前探测量。当地层的电性界面与测量工具的夹角θ小于30时[18]，储层成像技术可提前探测到钻头前的地层电性特征，极大地提高了地质导向钻井的主动性。储层成像技术的应用情况如图5所示。

图5 储层成像技术的前探测量应用

2.2 应用分析

我国近海油气资源历经多年开发生产，老井普遍存在产能下降、含水增高以及出砂严重等现象。为改善现有井网布置，提高剩余储量动用程度，区块作业者选取部分低产低效井进行侧钻调整优化。分析显示，调整井大多存在距离断层近、夹层发育以及存在边底水等风险，地质不确定性极高。

为降低调整井开发的地质风险，LI W.等[19]选用储层成像技术指导着陆作业。着陆过程中，基于储层成像技术可提前约28 m垂深识别出目的层；在钻头进入目的层之前，还可探测出层厚和电阻率等关键参数。储层成像技术的深探测测量极大提高了导向钻井主动性，导向团队根据探测结果提前优化钻井着陆轨迹，在地层实际埋深比设计滞后12 m的情况下一次性着陆成功，未浪费水平段进尺。在后续作业中，区块作业者可减少导眼井部署，进一步压缩作业费用。该案例对国内其他海域低勘探程度区块水平井的开发具有参考价值。

3 随钻前视

3.1 技术发展

随钻前视测量技术基于储层成像技术发展而来。边界探测和储层成像本质上都是向工具两侧进行探测的技术，依靠工具和地层之间的夹角位置关系实现前探测量。Schlumberger公司于2019年推出商业化的随钻前视工具IriSphere，该工具可以探测到提前于钻头位置约30 m地层的电性特征[20]，是业内首次实现物理意义上的方位电磁波前探测量。测量时，在硬件设计上将接在RSS后的发射短节的位置调整为直接连接钻头，在发射短节和RSS之间添加阵列电磁波电阻率(EMLWD)工具。随钻前视钻具组合示意图如图6所示。

图6 随钻前视钻具组合示意图

EMLWD工具可以测量已钻地层水平电阻率，进行地层剖面分层和围岩校正。随钻前视测量的探测区间分为前视、侧视和后视3个部分，如图7所示。其中，侧视和后视测量的反演运算依据EMLWD工具的实际测量值进行优化，优化后的反演模型和参数被用来提高前视探测的精度[20-21]。将发射短节靠近钻头可以使方位电磁波信号更多地测量到钻头前的地层，通过调整横向磁偶极子耦合产生的电磁波场分布情况可以提高其对钻头前地层的探测灵敏度。

图7 随钻前视测量的探测区间划分

3.2 应用分析

中国南海的深部海域是我国海上未来油气资源接替的潜力区[8]。由于中深部地震资料勘探品质差、温度及压力条件复杂导致钻井工程施工难度大，例如对高压层顶面位置的预测不准确，钻井过程中因联通不同压力地层而导致井漏或井壁坍塌等复杂情况的发生，降低了钻井作业时效。

前期应对方案中使用了包括垂直地震剖面(Vertical Seismic Profile,VSP)的电缆VSP和随钻VSP等探测方法。VSP测量方案可以识别厚度大于15 m的高压层，但是当地层厚度小于10 m时则无法识别。YANG H.J.等[22]在中国南海乐东气田应用随钻前视技术可提前6 m垂深探测到高压砂岩薄层顶面，并根据探测结果及时中完下套管。钻探结果证实随钻前视技术的预测垂深误差小于1 m。随钻前视技术在超压层深度预测中的应用情况如图8所示。

图8 随钻前视技术在超压层深度预测中的应用

随钻前视技术目前主要用于低斜度探井高压层的界面位置预测，其精度小于1 m。相比随钻地震技术而言，其前探测量精度高，对于薄层识别等具有明显优势，可以与随钻地震技术有效互补。该技术被区块作业者列为“六位一体预监测”的核心技术之一[23]，在未来深海高温超压油气资源地质工程一体化开发中不可或缺。

4 总结及展望

(1)方位电磁波已经历了3代技术升级。边界探测技术对地层电性界面的识别探测精度小于0.5 m，可用于指导水平段轨迹位置摆放的精确控制；储层成像技术的探测深度比边界探测提高了近10倍，可以和勘探地震数据形成对照校正，提高了对储层特征的认识；随钻前视技术首次在物理上实现了方位电磁波的前探测量，可以和随钻地震等技术形成有效互补。3代技术实现了从水平段到着陆段再到低斜度井的各斜度全覆盖。

(2)方位电磁波是未来海洋油气勘探开发的关键技术之一。方位电磁波技术已被广泛应用于国内4个海域：在我国北部及东部海域的老区块调整井开发、低勘探区风险开发井等，利用该技术可以优化钻井轨迹、识别复杂油水特征以及提高水平井产能等；该技术在南海高温超压深水勘探开发中被用于预测高压层界面位置，其精度小于1 m。方位电磁波为海洋油气资源从近海勘探转向深水深层与高温高压领域提供了技术保障。

(3)多方法联合是未来方位电磁波技术的重要应用方向。方位电磁波技术受地层电性分布特征影响严重，不适用于高电阻率以及电性特征变化不明显的地层环境。但是，该技术解决了地震测量技术精度不足等问题，可以和地震测量形成有效的技术互补。通过多方法联合形成的多源信息、多角度和全方位精细预测是未来方位电磁波技术的应用趋势。

(4)发展具有自主产权的方位电磁波技术具有重要意义。方位电磁波已分别实现了向两侧、向前的深探测，国外技术公司目前正研究同时具备向两个方向深探测的第四代技术。建议国内研究机构在现有的单/双边界反演算法的基础上继续深化多边界反演算法研究，提高复杂地层的模型适应性，为储层成像和随钻前视奠定算法基础；硬件上，在现有边界探测工具的基础上循序渐进地开展储层成像和随钻前视的技术攻关。