地质导向探边工具的基本原理及应用

付 仕， 万教育， 徐广飞， 李焱坤， 姚 斌

(1西部钻探定向井技术服务公司 2西部钻探克拉玛依钻井公司)

通过地质导向技术和无线随钻测井仪器(LWD)的应用与推广，水平井开发逐渐由“几何靶区”向“地质靶区”转变，传统的地质导向工具LWD可以随钻测量井下的井斜、方位、工具面等井眼参数，还能够随钻测量伽马、电阻率等地质参数，实时传输到地面，绘制出随钻测井曲线，作为地质分析的依据，帮助现场地质导向工程师随时监控地层特性和地质参数的变化。由于LWD是在钻开地层后，地层暴露时间短、钻井液侵入小的情况下获取的地质参数，能更真实地反映井下地层岩性和流体情况，利于地质人员对岩性特性和岩层内流体性质作出准确判断，为井眼轨迹提供地质导向，准确探明油顶并着陆，引导井眼轨迹在储层中穿行，提高储层认识和钻遇率，达到提高单井产量和开采效果的目的。

目前在国内技服公司中广泛使用的LWD，其电阻率测量常采用四发双收方式，可提供不同频率、不同深度的相位差电阻率和幅度衰减电阻率，井下存储器能够采集存储更为丰富的测量信息，待仪器起出，进行回放处理修正和完善实时数据。

随着地质导向仪器的发展，探边工具的出现又将水平井开发的目标进一步提高：由简单地控制轨迹在储层中钻进提高为定量化地控制轨迹在储层中的位置，以提高单井产能和油田的整体开发效果。国内的常规LWD工具已经发展较为成熟，但具备边界探测能力的随钻测井探边工具尚处于理论研究阶段，国内专家学者对其倾斜线圈等结构特点做了深入研究，取得了巨大的成果。国外具有方位电阻率的随钻探边测量技术已经成熟应用，被掌握在国际三大油服公司手中，分别是斯伦贝谢的PeriScope、哈里伯顿的ADRTM和贝克休斯的AziTrakTM[1]，各家工具测量原理相似，但是在工具结构、反演算法和输出结果等方面具有各自的特色和专利[2]。本文以新疆油田玛湖使用成熟的斯伦贝谢PeriScope随钻地层边界测量仪为代表，通过自建边界探测模型，从定向电磁波电阻率深、浅测量差值对探边原理进行解释，并介绍PeriScope探边工具在玛湖地区水平井中的应用，为探边工具提供一些建议。

一、PeriScope探边工具的特点及原理

1. PeriScope的功能特点

斯伦贝谢公司研发的PeriScope随钻地层边界测量仪，是具备地层边界探测功能的随钻地质导向工具，同样以电磁感应测量地层电阻率为原理，关键在定向电磁波，通过集成电阻率测量和方向性边界测量，除了提供传统LWD测量外，还能提供360°方向性测井、深探测地识别地层边界和油水边界[3]。PeriScope已经在国内多个大型油田成功应用。

通过该工具及配套地质建模软件能够计算出工具自身即井眼轨迹到地层边界的距离和地层边界的延伸方向。有助于克服水平井作业中的构造不确定性、储层非均质性、油水界面未知等诸多不利因素的影响。主要为钻井提供地质导向，选择最优方向，深度上提前预测，实时边界成图以及识别地层边界或流体边界[4]。

2. PeriScope的探边原理和优势

传统的LWD在随钻地质导向中有两点缺陷，一是探测深度，常规LWD深电阻率的探测深度为2～3 m，而PeriScope的边界探测半径能达到4～5 m；二是缺少方向性，常规LWD能探测到入层、出层，但是在不知道地层倾角和油层厚度的情况下，无法确定从上出层还是从下出层，即常规LWD能测量出边界处的电阻率变化，但不能准确指出边界相对于仪器的具体位置。如图1所示，当井眼轨迹钻入泥岩时，无论油层下倾或上倾，常规电阻率曲线(红色圆形)均表现为由高变低的走势，无法辨别从顶或底出层，而具备定向电磁波电阻率的仪器，如PeriScope则能准确判断出层位置。

图1 轨迹钻遇油层边界时常规电阻率曲线与定向电阻率曲线的变化对比

图1的模型将360°方向电磁波电阻率简化为二维平面的上、下两个方向的定向电磁波电阻率，以便于分析得出探边工具的工作原理：方向性的实现主要依靠深、浅测量电阻率的差异。当轨迹在厚的均匀地层中钻进时，深、浅电阻率数值相同，方向曲线为0；当地层电阻率产生差异时，方向曲线开始变化，深电阻率大于浅电阻率时，探测方向指向高阻地层；当深电阻率小于浅电阻率时，探测方向指向低阻地层。图1(a)所示，当地层下倾，轨迹从顶出层时，向上探测的深测量小于浅测量，向上探测的方向曲线为负，指示轨迹上方为低阻层；向下探测的深测量大于浅测量，向下探测的方向曲线为正，指示轨迹下方为高阻层。轨迹逐渐地进入泥岩后，深、浅测量数值逐渐相同，完全进入均匀泥岩后，方向曲线又回归于0。从方向曲线的变化还可以看出，从顶出层时，向上探测更早探测到地层边界。

图1(b)所示，当地层上倾，轨迹从底出层时，向上探测的深测量大于浅测量，向上探测的方向曲线为正，指示轨迹上方为高阻层；向下探测的深测量小于浅测量，向下探测的方向曲线为负，指示轨迹下方为低阻层。轨迹逐渐进入均匀泥岩后，方向曲线也逐渐回0。另外，从方向曲线的变化也可以看出，从底出层时，向下探测更早探测到地层边界。

3. 边界探测的影响因素

中国石油大学(华东)的魏宝君先生等人采用水平层状各向异性介质中的磁流源并矢Green函数对定向电磁波传播随钻测量仪器的响应进行数值模拟，得到了影响定向电磁波电阻率测量的几个因素[5]：①线圈距。发射天线和接收天线的距离越大，穿越地层边界时产生的边界效应越显著，但接收信号的强度降低，因此线圈距并不是越大越好;②频率。发射频率越高，测量信号在地层边界上的峰值越大，定向测量信号越强。随着发射频率增高，幅度比电阻率信号较相位差电阻率信号在边界处的变化更加剧烈，边界效应更加显著。频率越低，电磁测量的探测范围越大;③接收天线的倾角。随着接收天线倾角的增加，幅度衰减在接近地层界面时的变化更加明显，对地层界面的灵敏性增加，但接收信号的强度降低，因此接收天线的倾角并不是越大越好;④地层电阻率对比度。由于该测量仪的基本原理是电磁感应，所以更加适用于电阻率对比度较明显、边界过渡带电阻率变化非缓慢的地层，目的层和围岩层电阻率对比度越大，边界探测能力越强;⑤地层倾角和地层各向异性。采用对称天线结构可消除定向电磁测量信号在远离地层界面处对地层各向异性和地层相对倾角的依赖，当仪器接近围岩层时，利用定向电磁测量信号符号的改变可以及早预测未钻低阻地层的存在及上下部位。

4. 国内探边工具的研发建议

目前对探边工具工作原理的学术研究已经较广泛和深入，但仍无法制造具有探边能力的LWD原因是无法实现定向电磁波电阻率。斯伦贝谢PeriScope是与旋转导向工具配合使用的，其发射定向电磁波电阻率的过程中一直处于旋转状态，其定向的原理与旋转导向有相似之处，可以借鉴。国内的研发可以从两方面入手，一是借鉴旋转导向的工作原理，与旋转导向的研发同步进行；二是在非旋转状态下对工具正上方、正下方两个方向进行地层边界探测，实现“定上、下方向电阻率”实践：通过角差将电阻率高、低边与测斜探管的高、低边校准，可在钻具静止或滑动钻进的情况下测量并矢量计算边界，该结构虽然无法实现360°边界探测，无法在水平段大段复合钻进时成熟应用，但滑动钻进下略作修改，对于指导轨迹着陆、认识油层倾向、识别出入层方向等方面有重要意义和帮助。

二、实际应用

新疆玛湖某油田水平井使用旋转导向配合探边工具PeriScope随钻边界测量仪及地质导向技术，确保井眼按最优化方向钻进，推迟见水时间，应用效果显著。

造斜段：该井设计百口泉顶为井深2 488 m/井斜36.5°/垂深2 476 m，而实钻至井深2 482 m/井斜31°/垂深2 472.9 m，钻遇一套标志层褐色泥岩夹灰色粉砂岩，判断钻入百口泉组，较设计垂深提前3 m。因为欠井斜，因此将设计6°/30 m的增斜率提高至7°/30 m进行追井斜钻进。

着陆：设计目的层顶为井深2 732 m，垂深2 604.16 m，井斜77.5°。实钻自井深2 708 m开始电阻率由18～20 Ω·m逐渐上升至井深2 730 m的40～55 Ω·m，最终确定实钻井深2 720 m为目的层顶，垂深2 599.85 m，井斜77.9°。根据探边工具测量曲线反演得到地质模型(图2)，判断此时的油层倾角为下倾2°～3°，如按设计的下倾4°钻进，轨迹将离油顶越来越远，无法实现距油顶3～3.5 m的方案要求，遂以安全造斜率及时的将井斜在井深2 768 m处上调至87°，并且将井深2 768 m定为地质A点：进入主力油层后，井斜调整至与油层倾角一致。开始水平段钻进。

水平段：钻进至井深2 940 m/井斜86.8°时，电阻率P40H微降至30 Ω·m，方向性曲线由中值0开始逐渐趋于正值，DTB小于2 m，表明轨迹逐渐靠近储层顶部。该部位地层倾角变化较陡，结合边界反演及随钻曲线指示，地层倾角约为5°下倾，后续持续降斜至84.5°，调整轨迹逐步回到储层高电阻率部位，电阻率值逐步上升至35～40 Ω·m，方向性曲线逐渐趋于中值。

图2 PeriScope边界探测功能在着陆时的应用

后续水平段根据PeriScope随钻测井及反演计算油层倾角继续变陡至6.5°，现场导向师及定向工程师调整井斜逐渐降至83.5°，使井眼轨迹始终与油顶保持基本平行，始终控制DTB在3 m左右，钻完1 206 m水平段，最终完钻井深4 008 m。

该井实钻与设计A点垂深相差3 m，如果按原设计钻进不可避免会钻入泥岩，凭借PeriScope边界探测随钻测井的成功应用，使水平段轨迹在地质靶窗中穿行，确保油层钻遇率达到98%以上。

三、认识与建议

(1)探边工具的应用使水平井安全、高效着陆，减少地质循环，提高钻进时效；独特的定向测量，对流体和地层界面高度敏感，确定井眼相对储层边界的位置，指示最佳钻井方向，提高了优质油层钻遇率，减少产水量，延长了油井的寿命，使产量最大化，提高采收率；探测深度大，早期预警便于及时决策，可探测并避开水层；细化油藏模型，更精确地预测储量，钻更少的井来达到生产目标，开发以前被认为不经济的边际油气层。

(2)探边工具与旋转导向配合在新疆油田玛湖地区得到规模应用，实现规模增储和快速上产，2016～2017年玛湖地区水平井中约50口使用了探边工具，依靠其定量化地控制井眼轨迹在油层中的位置，使绝大多数水平段轨迹与油层顶部边界保持3 m左右的间距，压缩井眼和盖层之间的“剩余油”空间，有效提高单井产能，最大限度地提高油藏最终采收率。

(3)国内研发探边工具可以从两方面入手：借鉴旋转导向的工作原理，与旋转导向研发同步进行；在非旋转状态下实现对工具正上方、正下方两个方向的地层边界探测。