螺纹井眼测井曲线校正方法研究进展

杨富，程超，邱金满，梁玉栏，周胜，吴玲敏，李青

（1.西南石油大学地球科学与技术学院，四川 成都 610500；2.中联煤层气有限责任公司，北京 100011；3.中国石油集团测井有限公司西南分公司，重庆 401147；4.中国石油集团测井有限公司物资装备公司，重庆 401147；5.中国石油集团测井有限公司塔里木分公司，新疆 库尔勒 841010）

0 引 言

井眼是钻头破碎地层岩石后形成的小直径柱状圆孔。在破岩过程中可能因钻头受力不均而形成不规则井眼，在一定的条件下会形成螺纹井眼，即钻进过程中井眼轨迹时刻发生井斜方位变化，随着进尺的增加井径呈周期性变化，井眼在空间上呈螺旋状分布[1-2]。大段连续的岩心柱外形和井眼轨迹测量数据证实，中国多个油田和地区存在螺纹井眼，如海塔油田[3]、吉林油田[4]、镇泾油田[5]以及海拉尔地区乌东和苏301等区块[6]、滨里海盆地东缘区块[7]等。众所周知，光滑正圆井眼和均匀无限介质是测井方法原理研究和测井数据处理时的理想假设条件，而螺纹井眼环境下的测井信号会变得不稳定，致使测井曲线失真，不能产生正确的地层信息响应，这对要求贴井壁测量和探测深度较浅的测井仪器影响更甚。因此，分析螺纹井眼效应对测井曲线的影响，研究螺纹井眼环境下有效的测井曲线校正方法，优化测井资料质量，对测井资料反映地层真实的物理性质具有重要的意义。

1 螺纹井眼形成机理

钻遇强非均质性地层时，受岩石机械强度和可钻性差异影响，钻头在钻进时会因受力不均而发生侧向摆动，对井壁产生切削作用，难以保持井轴线方向的稳定破岩，从而引起井眼轨迹频繁变化，最终形成螺纹状井壁[8-9]，且钻头的侧向摆动越强，侧向力和侧向切削作用越大，形成螺纹井眼概率越高[10-11]。实际钻井作业过程中螺纹井眼的形成机理复杂，是一种多因素协同作用的井眼效应。目前，王显南等[12-13]通过钻具受压屈曲理论模型、井下动力学模拟、三维有限元建模等手段分析螺纹井眼形成的主要原因，归纳起来可分为地质因素和工程因素两类。

（1）地质因素造成的螺纹井眼。软硬交互薄地层、缝洞发育带、纹层结构发育区、倾斜地层、地应力各向异性区等地质因素会影响岩石机械强度和可钻性而导致螺纹井眼的形成。例如，钻遇高可钻性级值硬地层，钻头对井壁的研磨时间长，强烈的机械振动可能形成螺纹井眼；当钻遇倾斜地层至层界面时，井眼上倾和下倾两侧因各向异性差异而受力不均，产生侧向切削作用，从而引起井斜变化，产生螺纹井眼，且地层倾角越大，产生螺纹井眼概率越高。

（2）工程因素造成的螺纹井眼。采用牙轮和螺纹钻头钻井时，钻头摆动会在井壁形成螺纹型的凹槽。钻头上方加扶正器或可调稳定器也易形成螺纹井眼。例如，镇泾油田的螺纹状井眼就是使用高效聚晶金刚石复合片钻头与高效单弯螺杆加稳定器的复合钻具组合钻井时形成的[14-15]。对于水平井段钻井，由于钻头和钻铤的直径比不同，下部钻具组合差异受力，也会形成螺纹井眼。在不同的钻井参数（钻压、转速、泵压、钻井液排量等）下，钻头及钻具组合有不同的机械钻速和稳定性，较剧烈的侧向振动会形成螺纹井眼[13,16]，其中钻压参数影响最大，其次是转速参数[3]。总之，螺纹井眼的形成受钻头及钻具组合、钻井参数等工程因素的影响。

2 螺纹井眼效应对测井曲线的影响

螺纹井眼形成后，在其凹槽处，泥饼与残留岩屑组成的混合物（简称堆积物）在钻杆的压迫下有规律地堆积在井壁上。井眼作为测井的通道，钻井液和井壁等井眼环境将对测井资料质量产生重要影响。因此，螺纹井眼凹槽的深度、数量与井壁堆积物不均匀分布会大大降低测井质量。一般来说，测井数据高频抖动现象和测井曲线呈周期性的锯齿状变化是螺纹井眼效应的显著特征。各类测井仪器的测井原理不同，螺纹井眼对相应测井曲线的影响程度亦不同。相对来说，井径、微电极、密度、补偿中子、补偿密度等贴井壁类测井项目受螺纹井眼影响更大[4]；居中测量且探测深度较深的电阻率、自然伽马、自然电位、声波测井项目受螺纹井眼影响相对较小。本文结合各类测井方法的原理，就螺纹井眼对测井曲线的影响逐一进行分析。

2.1 贴井壁测量类测井方法

（1）井径测井。井径测井是一种常用的测井方法，主要用于测量井筒直径。在螺纹井眼段，井径随深度呈现出明显的周期性变化，其周期长度大约等于钻头和最接近钻头的稳定器之间距离的2倍。图1中第2道为4臂井径装置测得的2条井径曲线，其呈现出麻花状周期性变化特征。

图1 某区块X1井螺纹井眼段测井曲线图

（2）微电极测井与微球型聚焦测井。微电极测井是用来划分渗透性地层的一种测井方法，该方法采用贴井壁的测量方式，得到微梯度和微电位2条视电阻率曲线，探测深度分别是4 cm和10 cm，主要探测泥饼和冲洗带的电阻率[17]。不规则的螺纹井眼会形成一定厚度的泥饼，使得推靠臂不能很好地紧贴井壁，又因为其探测深度小，无论在渗透层还是非渗透层的视电阻率曲线都会出现高低交替变化的正弦波或锯齿波特征[18]。微球型聚焦测井主要探测冲洗带的视电阻率，其在螺纹井眼段的测井曲线与微电极测井类似，会出现周期性很强的正弦波或锯齿波状变化。

（3）密度类测井。补偿密度测井的探测范围一般局限在冲洗带内，为补偿泥饼等介质对测井曲线的影响，补偿密度测井仪采用长源距和短源距的双探测器装置，得到长源距测量的视密度值（ρb）和密度附加校正值（Δρ）。对于螺纹井眼段，仪器和井壁贴合不好，螺纹状的凹槽以及厚度不一的堆积物等会致使ρb和Δρ曲线均呈周期性规律性变化，从而产生高频抖动现象或锯齿状特征，Δρ曲线受到的影响更为明显。对于随钻方位密度测井，在螺纹井眼环境下，测量的密度数据受螺纹的正弦槽距和源距的影响，当正弦槽距大于源距时，仪器能够与地层良好接触，测得的数据能够正常反映地层密度。但当正弦槽距小于源距时，方位密度曲线出现周期性震荡，从而降低随钻测井实时数据质量，失去实时随钻地质导向意义。

（4）补偿中子测井。补偿中子测井将短源距和长源距计数率的比值刻度成含氢指数曲线来反映地层孔隙度，双源距探测器在一定程度上减小了地层俘获性质和井参数对测量结果的影响，在螺纹井眼段依然会受到一定的不良影响，但影响程度不及密度类测井那么大，如图1中第4道所示，补偿密度曲线的高频抖动特征比补偿中子曲线更加明显。

2.2 居中测量类测井方法

（1）自然电位测井与自然伽马测井。自然电位测井研究的是井眼内自然电场中电位的变化，虽然螺纹井眼不会改变钻井液和地层水的性质，但在井径扩大处自然电位的幅度会略下降。自然伽马曲线测量的是岩石中放射性元素的放射性强度，虽然螺纹井眼不会改变岩石自身的放射性强度，但其凹槽中堆积物会吸收伽马射线，不同凹槽的井壁形成厚度不一的堆积物，其所吸收的伽马射线量也会不同，致使自然伽马曲线产生高频抖动现象或锯齿状特征，如图1中第3道所示。

（2）补偿声波测井。螺纹井眼对声波时差曲线的影响在学术界存在争议，赵永刚等[19]认为双发双收声系结构的补偿声波测井可以有效减小螺纹井眼对补偿声波测井曲线的影响。李铁柱等[20]研究表明，螺纹井眼对声波时差曲线的影响很大，在螺纹井眼段声波时差曲线极大值和极小值之间的差值可达30 ～60 μs/m。从原理上讲，双发双收声系补偿声波在一定程度上实现了对扩井段的影响，相对于中子、密度测井，螺纹井眼对补偿声波测井曲线的影响较小，但当井壁堆积物较厚且连续螺纹井眼段较长时，声波时差曲线仍会产生高频抖动现象或微齿状特征。

（3）电阻率测井。电阻率测井是储层含油气性评价的重要手段之一，目前常用的电阻率测井方法主要包括侧向测井和感应测井，二者在测量原理、探测深度、纵向分辨率等方面都存在差异。在钻井液一定的情况下，理论上大井眼对电阻率测量结果的影响大于小井眼。由于双侧向测井使用的直流电和双感应测井产生的同心圆环状涡流绝大部分分布在地层中，因此，双侧向、双感应测井曲线受螺纹井眼影响很小，尤其对探测深度较深的双侧向测井而言，其影响可以忽略不计，如图1中第6道所示。螺纹井眼对感应测井的中感应电阻率曲线的影响大于深感应电阻率曲线。近年来阵列感应测井凭借其获取地层信息丰富、探测深度大和纵向分辨率高等优势逐渐在碎屑岩地层的薄层分析和油气评价中得到广泛应用。以Halliburton公司的高分辨率阵列感应（High-Resolution Array Induction，HRAI）为例，它能得到3种分辨率、6种探测深度的电阻率测井曲线。然而，在螺纹井眼段，各个子阵列获得的二维测井信息会受其影响，数值模拟结果表明，螺纹井眼尺寸和钻井液侵入对子阵列1 ～子阵列4的测井响应影响较大，对长源距阵列的影响较小。影响感应曲线的因素包括探测深度、分辨率和螺纹井眼的扩径程度等。当探测深度相同时，分辨率越高的感应曲线受螺纹井眼的影响越显著。在相同分辨率下，探测深度越浅，螺纹井眼对感应曲线的影响就越大。此外，螺纹井眼的扩径程度越大，其对感应曲线的影响也会越明显。一般情况下，短源距阵列曲线会受螺纹井眼的影响而产生高频抖动现象，出现电阻率高低交替的锯齿状特征，长源距子阵列的测井曲线受螺纹井眼影响较小，如图1中第5道所示。另外螺纹井眼导致仪器偏心，这会使得其对短源距阵列感应曲线的影响大于长源距阵列感应曲线[21]。通过国内外广泛调研，目前研究工作聚焦在井眼变化、钻井液侵入、泥浆侵入及仪器偏心对阵列感应各子阵列信号的影响，但尚未见到对于阵列感应测井合成信号的影响分析和校正方法研究。

3 螺纹井眼效应下的测井曲线校正方法

测井资料的质量直接决定了地层评价的可靠性。通过前面的分析，螺纹井眼形成后不可避免会对测井曲线造成影响。对于螺纹井眼效应下测井曲线周期性的高频抖动现象或锯齿状特征， 应当结合测井仪器的工作原理和测井响应特征进行校正， 降低螺纹井眼对测量结果的不良影响。通过广泛调研，目前形成的校正方法主要有5种，校正效果较好，且不会降低曲线分辨率。

3.1 基于测井曲线特征的包络线校正法

在螺纹井眼井壁凹槽中有堆积物的情况下，中子和密度测井曲线的响应会受到影响，难以准确地反映地层特征。因此，可以通过计算测井曲线的上下包络线或平均值等方法来消除这种堆积物带来的影响。李铁柱等[7]根据螺纹井眼效应对测井曲线的影响及该效应与中子和密度曲线的关系分析认为，螺纹井眼段密度曲线极大值为地层的真实测井响应值，中子曲线的极小值为地层的真实测井响应值，因此，可通过曲线的包络线来实现曲线校正。刘亮等[5]在此基础上研发了包络线校正技术，将测井信号记为x（t），求取螺纹井眼段测井曲线波峰的连线（上包络线） 和波谷的连线（下包络线）的平均值[xavg（t） ]，将其作为校正后的测井曲线。图2为临兴-神府区块X2井密度测井曲线包络线校正效果图，可看出校正后的密度曲线抖动幅度降低，更为平缓。这种方法操作简单，也能达到平滑滤波效果，但只能求出曲线的近似趋势，并不精细，且理论依据欠充分。

3.2 滤波去噪校正法

（1）基于傅里叶变换的滤波去噪法。该方法的核心是将螺纹井眼段测井曲线上出现的周期性高频抖动响应当成一种以高频噪音为主的规则性噪声，通过滤波信号处理方式去噪，以达到消除部分螺纹井眼对测井曲线的影响。先根据快速傅里叶变换对测井曲线进行频谱分析，将时域测井曲线转换为频域幅值—频率曲线，测井信号一般可以看作由低频信号（地层信息）和高频信号（噪声信号）组成的混合信号，两者在频带上是分离的，即

式中，X（f）为测井信号x（t）的频谱；S（f）和N（f）分别为地层信号和噪声信号的频谱。

将理想通带滤波器的频谱进行频域的乘积滤波，即频域滤波，其表达式为

式中，H（k）为在理想状况下低通滤波器的频率响应函数；y（r）为数字滤波后的测井信号；fu为上限截止频率，Hz；Δf为频率分辨率，Hz；f为信号的输入频率，Hz；N为滤波器阶数；k为次序的序号。采用带通滤波器消除频域曲线上的高频段异常信号后，再通过反傅里叶变换实现螺纹井眼测井曲线的校正。

李铁柱等[20,22]应用这种方法对螺纹井眼段测井曲线进行校正，经校正后的曲线不再有短周期震荡的特点。该方法在地层信号和噪声频带重叠的情况下存在明显的缺点，直接滤波的方法可能会同时滤掉一部分地层本身的测井响应，且滤波时设置的窗长越大，影响程度越大。分别采用1、2 m和3 m窗长对X1井短子阵列感应测井曲线（HT01）进行带通滤波，效果如图3所示，滤波后的曲线基本消除了螺纹井眼效应带来的周期抖动现象，通过对比深感应电阻率曲线发现，滤波窗长越大，丢掉的地层信息也越多。

图3 某区块X1井阵列感应测井不同窗长带通滤波效果图

（2）基于三次样条插值和傅里叶变换的滤波去噪法。针对基于傅里叶变换的滤波去噪法存在的问题，NIETO等[23]提出了一种改进的滤波去噪方法。该方法先按某一样条区间对原始测井曲线进行三次样条插值拟合，得到一条含较少噪声的测井趋势曲线，此趋势曲线保留了低频的地层信号。将原始测井曲线与测井趋势曲线做差，得到残差曲线。再采用基于傅里叶变换的滤波去噪法对残差曲线进行滤波去噪处理，得到滤波后的残差曲线，将测井趋势曲线与滤波后的残差曲线相加，得到校正后的测井曲线。该方法基本达到了在去噪的同时又保证地层信号完整性和准确性的要求。值得注意的是，在进行三次样条插值拟合时，样条区间需要选取适当，若过小会使得测井趋势曲线包含正弦噪声，若太大则会丢失地层的真实信息。图4为该方法在某区块X3井的井径曲线校正效果图，校正后的井径曲线基本不受螺纹井眼效应的影响。

图4 某区块X3井井径曲线校正效果图

（3）基于小波变换的去噪法。针对使用带阻滤波器对高频信号滤波去噪时，滤波窗口中滤掉的地层信号难以恢复的问题，中国石油集团工程咨询有限责任公司等[24]在其专利中提出了基于小波变换去噪法来进行螺纹井眼效应校正的方法。该方法分别对螺纹井眼段的失真曲线和非螺纹井眼段的正常曲线进行频谱分析，确定螺纹井眼效应的噪音频带范围，并通过选择合适的小波基、优化阈值函数来确定最佳阈值，设计出一种可行的小波滤波器，用于对失真密度曲线进行有效校正。小波变换去噪法通过应用阈值函数尽可能去除原始信号中的噪声部分，保留信号的主要成分。与基于傅里叶变换的滤波去噪法校正结果比较表明，小波变换去噪法具有分辨率更高、不会对有效信号造成损伤等优点。值得注意的是针对不同的测井信号，需要根据信号特性选择不同的小波基函数。李俊岭等[25]在传统小波变换理论的基础上，结合经验模态分解法（Empirical Mode Decomposition，EMD）进行了测井曲线去噪算法改进，并在实际应用中取得了较好的效果。EMD联合小波变换去噪法对噪声抑制较为彻底，降噪性能均优于传统降噪算法，尤其对于频率较为稳定的螺纹井眼段测井曲线的校正效果较好。然而，如果螺纹井眼段的噪声频率分布比较广泛，该方法仍不能很好地去除与有用信号频率相近的噪声，即便是直接通过阈值将噪声滤除也会丧失部分地层信号信息并破坏信号的完整性。

3.3 套前套后曲线重叠校正法

应用套前套后曲线重叠校正法的前提是要进行裸眼井和套管井2次测井，以声波测井为例，在裸眼井井筒相对规则且固井质量优的井段，将2次测得的声波测井曲线重叠后，曲线形态趋于一致，而在螺纹井眼段则会表现出明显的差异，因此，可以使用套后的测井曲线来对套前的曲线进行校正。值得注意的是，采用套后的声幅测井曲线和套前的声波时差测井曲线进行重叠时需要进行刻度，首先让套前的声波时差和套后的地层波信号重合，确定裸眼声波时差的刻度范围，然后再进行螺纹井眼的曲线校正。这种方法理论依据较充分，校正结果可靠，但前提是地层波信号提取必须精准，且受资料限制难以广泛应用。

4 螺纹井眼测井曲线校正的发展趋势

将螺纹井眼效应产生的异常信号作为高频噪声，采用滤波去噪校正法对螺纹井眼段测井曲线进行校正是目前主流的方法。根据螺纹井眼效应的响应特征，探索维纳滤波、f-k滤波、智能滤波等新方法是未来的攻关方向。另外，基于测井原理的螺纹井眼效应正演数值模拟校正法是实现螺纹井眼段测井曲线校正的另一有效途径，也是未来的发展趋势，但目前尚未见到相关报道。以阵列感应测井为例，虽然螺纹井眼与正圆井眼阵列感应测井原理的基本假设条件不符，但是可以采用几何因子正演模拟来讨论螺纹效应对阵列感应测井曲线的影响[26]。参照阵列感应测井仪器的技术参数，如子阵列线圈的频率、分辨率和响应函数等，通过模拟在不同条件下的阵列感应测井信号，对其影响因素造成测井响应的独特变化进行分析，进而得到更准确的参数信息，实现测井曲线校正。

前人基于几何因子理论开展了大量的感应测井响应数值模拟研究，在井斜影响校正[27]、井洞影响校正[28]、趋肤效应校正[29]等方面取得了重大进展。基于类似成果的启示，可以根据几何因子理论进行阵列感应正演数值模拟，模拟螺纹井眼条件下阵列感应测井子阵列信号的变化规律和特征，进而完成阵列感应测井曲线的校正。

5 结 论

（1）螺纹井眼是受地质、工程等多因素协同作用的一种力学井眼效应，会导致测井曲线出现高频抖动现象，呈周期性锯齿状变化特征。贴井壁测量类测井项目受螺纹井眼效应影响高于居中测量类测井项目，探测深度大的测井项目受螺纹井眼效应影响小于探测深度小的测井项目。

（2）目前螺纹井眼效应下的测井曲线校正方法主要有包络校正法、滤波去噪校正法、套前套后曲线重叠校正法。将螺纹井眼效应产生的异常信号作为高频噪声，采用滤波去噪校正法对螺纹井眼段测井曲线进行校正是目前主流的方法，包括傅里叶变换滤波法、小波变换滤波法、基于三次样条插值和傅里叶变换的滤波去噪法等。

（3）理论上螺纹井眼效应正演数值模拟校正法是校正螺纹井眼段测井曲线的有效方法，但目前尚未见到相关成果报道，也是未来重点探索的新方法。