編譯:趙平 (大慶鉆探工程公司測井公司)

王龍嬌 (中石油昆侖燃氣公司)

周利軍 (大慶燃氣公司)

審校:丁柱 (大慶鉆探工程公司測井公司)

地質(zhì)導(dǎo)向和油藏描述:新一代LWD儀器的威力

編譯:趙平 (大慶鉆探工程公司測井公司)

王龍嬌 (中石油昆侖燃氣公司)

周利軍 (大慶燃氣公司)

審校:丁柱 (大慶鉆探工程公司測井公司)

一種新型深探測電磁 (EM)隨鉆測井 (LWD)儀的探測深度可達30 m (從井眼計算)或者更深。LWD儀所提供的探測深度可以探測整個長水平距離區(qū)域的多個地層。在3個不同水平井中測試了硬件。每口井水平段至少是600 m。新的測量裝置可以識別對應(yīng)于不同地質(zhì)界面的多個電阻率層。在其中1口井,確定了距離井斜87°的井眼軌跡5 m垂直距離處重要的地層頂部,即在鉆頭距離界面75 m遠時就已經(jīng)預(yù)測到界面的存在?？梢宰R別水平距離超過450 m的井段內(nèi)、井眼徑向距離在17～27 m的單個水平界面。這種探測能力使地質(zhì)導(dǎo)向的可信度很高。這種測量不但可以提高地質(zhì)標志之間的可比性,而且便于儲層地質(zhì)學(xué)家利用觀測結(jié)果繪制地貌。通過應(yīng)用新的深探測EM LWD儀器,可以繪制砂巖尖滅和受油田注水沖蝕影響的區(qū)域,描繪儲層連通性以及識別次地震斷層。這些非均質(zhì)性是影響流體流動以及了解儲層的重要因素。該LWD儀給出的數(shù)據(jù)比目前市場上其他儀器給出的地質(zhì)信息多。地質(zhì)學(xué)家和操作工程師可利用該技術(shù)提供的信息描繪和監(jiān)測儲層。

地質(zhì)導(dǎo)向 油藏描述 深探測電磁隨鉆測井 實時數(shù)據(jù)反演 實例分析

1 前言

最初,水平井鉆井是從幾何學(xué)角度出發(fā)的,即把水平井放到三維目標中,極少或根本就不進行井眼軌跡的前攝調(diào)整。

從20世紀60年代起,Hayward(Meador等, 2009)建立了集鉆屑描述和泥漿及鉆井信息的錄井系統(tǒng)。這些系統(tǒng)構(gòu)成了第一代井眼導(dǎo)向技術(shù)。然而,由于地質(zhì)情況復(fù)雜,井眼經(jīng)常要橫穿儲層邊界,導(dǎo)致井有很長一段處于非產(chǎn)層,從而影響井的生產(chǎn)或注入能力。

20世紀80年代,服務(wù)公司開發(fā)出井眼LWD補償電阻率測量。根據(jù) EM波穿越地層的衰減和相移計算電阻率 (Clark等,1988)。

地層傾角相對小時,水平和垂直電阻率可用于計算地層重要性質(zhì),如沉積巖石的電各向異性,以及理解電阻率曲線上的極化喇叭 (Soares和Coutinho,1998;Bittar等,2009)。

測井測量結(jié)果實時傳輸推出以后,可以實時調(diào)整井眼軌跡 (如地質(zhì)導(dǎo)向)。

地質(zhì)導(dǎo)向過程有三種不同的方式:

(1)被動導(dǎo)向。測井結(jié)果只是用于地層定位,無需改變?nèi)魏尉圮壽E。

(2)主動導(dǎo)向。探測深度淺的測井結(jié)果用于識別地層邊界。如果必要,在橫越邊界后調(diào)整井眼軌跡。

(3)前攝導(dǎo)向。綜合深淺探測深度測井結(jié)果預(yù)測鉆頭前方的邊界,相對于地層邊界位置調(diào)整井眼軌跡。

根據(jù)不同傳感器的探測深度和垂直分辨率,反應(yīng)性的地質(zhì)導(dǎo)向依賴地層邊界或流體界面的探測(Chou等,2005)。例如,通過綜合實時電阻率成像和伽馬、體積密度成像,可以確定地層邊界穿越井眼的方向 (Dowla等,2006)。

已經(jīng)表明,探測深度極深 (多達 30 m)的EM LWD儀器探測地層邊界和流體界面范圍有了明顯的擴大 (Seydoux等,2004),從而實現(xiàn)前攝地質(zhì)導(dǎo)向。不過,由于采用軸向天線設(shè)計,儀器并非對每個方向都敏感。

隨著采用橫向和傾斜天線的商用EM LWD的成功推出 (Li等,2005),相對于邊界位置的定向地質(zhì)導(dǎo)向成為可能。幾個服務(wù)商的定向儀器已經(jīng)用于商業(yè)性地質(zhì)導(dǎo)向,其邊界探測范圍一般為3～4 m。

本文介紹的新型深EM LWD儀器探測深度極深,超過30 m,并對邊界位置方向敏感,能夠探測整個水平地層的多個層段。

Kennedy等 (2009)和 Omeragic等 (2009)強調(diào)了這些測量對地質(zhì)導(dǎo)向的重要性,不僅因為它能預(yù)測井眼位置地層邊界,而且還能為儲層地質(zhì)學(xué)家提供地質(zhì)信息。譬如,探測 (或繪制)并未穿過井眼的遠邊界。

在測量應(yīng)用中,深探測結(jié)果極為重要。這些測量結(jié)果可以優(yōu)化目標儲層的井眼位置,從而優(yōu)化產(chǎn)量。另外,這些測量結(jié)果對于建井周期也很重要,不用部署試驗井,降低了相應(yīng)成本。

由于新型深EM LWD儀器具有監(jiān)測多個邊界的能力,在使用過程中還發(fā)現(xiàn)前所未有的能力。除實時地質(zhì)導(dǎo)向外,儀器測量結(jié)果可用于儲層描述。

最近,新型深EM LWD在3口井中進行了試驗。鉆井過程中,對這些測量結(jié)果的反演按年代順序排列在實時報告中,并與商用的EM LWD儀器進行了比較。

電阻率反演與密度和伽馬成像進行了對比,用不同方法計算的地層傾角一致性較好。

2 實例井1

實例1是1口井中的兩個砂巖儲層,表示為儲層A和儲層B。這兩個儲層由層狀地層分開。

設(shè)計的井眼軌跡大約以74°角穿過儲層A頂部。儲層A中的井段長約90～100 m,并在到達層狀地層之前緩慢地造斜。在以88°傾角進入儲層B頂部之前,層狀地層測量深度 (MD)有望延長至70 m。

為了能在儲層B(該儲層具有一個估算的15 m的真實地層厚度TST)鉆MD為450 m的井段,遇到儲層B后,井眼傾斜將增至90°。在儲層B中,井與上部的層狀地層和該儲層底部保持一個安全距離至關(guān)重要。

由于用附近的和鄰近的幾口井的資料建立了最初的地質(zhì)模型,所以對該位置的地層構(gòu)造相對來講較為熟知。根據(jù)關(guān)聯(lián)井和地震資料計算儲層A和儲層B邊界位置。這些資料確定了幾個可用于導(dǎo)航控制的控制標志。

最初的構(gòu)造模型用于前期的工作計劃,如地質(zhì)模型用于模擬設(shè)計井眼軌跡的測井響應(yīng)。模擬測井曲線的反演預(yù)測新儀器的地層識別能力。

在該井,新的深探測EM儀器在兩個區(qū)間進行了測量,稱區(qū)間1和區(qū)間2(它是最深的區(qū)間)。

圖1所示的是對橫穿儲層A底部和層狀隔層數(shù)據(jù)的實時反演結(jié)果。儲層A頂部鉆井井段超過45 m(XX550 m和XX600 m MD之間)距離,最上部與井眼軌跡的真垂直深度 (TVD)最大達到17 m。

圖1 橫穿第一個目標層 (儲層A)的新型深探測 EM LWD實時反演 (距離表明相對于井眼軌跡的儲層A的頂部和底部位置)

清晰地探測到儲層A單元的底部時,井眼距離該底部的測量深度為30 m,垂直深度為7 m。底部被穿透后,距離井眼軌跡上部垂直距離7 m時還能夠繪制MD為70 m的井段。

圖1所示反演結(jié)果來自兩個測量區(qū)間。探測范圍可達30 m TVD(距井眼的徑向距離),可識別出3～5個清晰的電阻率界面,這些界面可與地質(zhì)標志聯(lián)系起來。

常規(guī)電阻率測量結(jié)果和成像對靠近儲層A底部的交互層敏感,不過,在只鉆入該交互層27 m MD、4 m TVD后,常規(guī)測井曲線 (如伽馬、中子和密度)基本上表現(xiàn)平平。

儲層A和儲層B之間的交互層包括低電阻率差異的多個薄層。由于差異小,商用EM LWD儀器無法對儲層B頂部預(yù)先探測。相反,新型深探測EM LWD儀器測量顯示該儀器有能力識別交互層。在TVD近似10 m的范圍內(nèi)就可探測和追蹤到單個交互層 (圖2)。

圖2 新型深探測EM LWD測井曲線的反演 (底部),顯示出對交互層的分辨能力,已被頂部電井眼成像 (頂部)所證實

圖3所示的是靠近儲層B的第一次探測結(jié)果,此時該層 (測量深度約XX650 m處)位于井眼軌跡測量深度75 m、垂直深度5 m。井眼進入儲層B后,為了井眼軌跡位于儲層B頂部,軌跡角度從87°增至90°。

圖3 新型深探測EM測量結(jié)果的實時反演

儲層B的首次探測是在井眼以下垂直深度5 m和進入儲層B后測量深度75 m。

新型深探測EM LWD儀器測量的另一個重要應(yīng)用是可以繪制儲層或界面的連續(xù)性。圖4為商用EM測量結(jié)果 (繪制了近100 m測量深度的儲層B頂部)的反演。

圖4 顯示繪制儲層B頂部的商用EM LWD測量結(jié)果的實時反演

采用新型深探測EM LWD儀器,可在超過550 m的距離 (從位于頂部垂直距離5 m、測量深度為XX650 m開始,經(jīng)過XX725 m處的著陸點,一直到總深度X1200 m、距離頂部垂直距離17 m的井底范圍)繪制該層的頂部,如圖5所示。

由于注水,儲層下面垂直深度大約15 m處可能是低阻層。由于在試驗井中觀察到低阻層段,所以這種解釋得到了支持。解釋歸因于指狀水侵。

反演用于觀測幾個重要特征:

◇追蹤儲層B頂部——位于井眼軌跡之上垂直深度17 m處;

◇識別位于垂直深度XX750 m處低阻界面,大多數(shù)在井眼軌跡以下垂直深度20 m處;

◇在井鉆進和鉆出地層時,詳細描述軌跡下面的低阻層。

新型深探測EM LWD儀器反演的構(gòu)造信息將用于設(shè)計該油田未來井眼導(dǎo)向。綜合該信息與地震和生產(chǎn)數(shù)據(jù)之后,構(gòu)造信息的區(qū)域推廣對于更新地質(zhì)模型、改進總體解釋將是一個重要的輸入量。

圖5 新型深探測EM測量結(jié)果的實時反演,顯示儲層B頂部的繪圖情況 (低阻層歸因于存在注水)

3 實例井2

新型深探測EM LWD第二次測試是在1口復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的注入井中進行的。

注入井的導(dǎo)向目標是在薄泥夾層砂巖層穿過約750 m距離。

設(shè)計的井眼軌跡在套管鞋處傾斜88°,然后增至90°,在砂巖層C鉆井大約180 m。橫穿C和D之間的界面之后,井眼軌跡將在砂巖層D內(nèi)部繼續(xù)240 m(圖6)。設(shè)計軌跡的最后300 m將在砂巖層C和D的內(nèi)層中鉆進。

一旦穿過水平井段的中心,電阻率對比大的儲層上部距離該井的垂直距離超過30 m,準確詳細地繪制砂巖層C和D之間的邊界 (圖6)就是最大的導(dǎo)向挑戰(zhàn)。

該井反演結(jié)果證明,反演程序識別單層的能力決定于層厚和圍巖電阻率差異。在高阻層測量時獲得了最好的結(jié)果,正如傳播電阻率測量結(jié)果。

對于該井來說,在兩個測量區(qū)間完成了新型深探測EM測量,即區(qū)間1和區(qū)間2(它是最深的區(qū)間)。

圖6所示的是最短區(qū)間的測量結(jié)果的反演。這些測量結(jié)果可以解決離井眼軌跡近的薄層,但該環(huán)境下,探測深度極為有限,大約5 m。反演結(jié)果與井眼電成像一致。

圖6 下部:新型深探測EM LWD在最短區(qū)間的測量結(jié)果的反演。井眼最初導(dǎo)向砂巖C,然后橫穿至砂巖D。上部:井眼電成像

井眼最初在C儲層內(nèi)部導(dǎo)向,在測量深度大約為XX170 m處穿過該儲層底部。穿過C/D泥巖夾層后,砂巖D也被穿透,但穿過砂巖D底部的井眼,在測量深度為XX265 m處接觸的主要是含水砂巖層。反演給出了含水砂巖層的位置,但是由于與泥巖內(nèi)層的電阻率差異不大,問題還不能完全解決。

圖7為短間距和中等間距的深EM LWD儀器測量結(jié)果的反演。盡管該環(huán)境下這些測量區(qū)間的最大探測深度約為10 m,但是該反演仍能給出相對好的地層分辨率。

圖7 下部:短區(qū)間和中等區(qū)間中新型深探測EM測量結(jié)果的反演。井眼最初導(dǎo)向砂巖C,然后橫穿砂巖D(地表S4之下)。上部:井眼電成像

與圖6中反演對比,圖7中的反演顯示了更多的信息,如地層邊界的連續(xù)性和地層分辨率,這些信息可以降低復(fù)雜地質(zhì)情況中井眼的地層位置的不確定性。幾乎所有超過10 m TVD的界面都可被記錄下來。砂巖C中的內(nèi)表面可被識別和繪制。

圖8為所有測量區(qū)間的深探測EM LWD測量結(jié)果的反演。這些測量結(jié)果證明新儀器探測深度較深,但地層邊界分辨率降低 (與圖6和圖7中的反演相比)。觀察到圖8中反演的最重要的特點是整個井段上都可識別出幾乎所有重要的地質(zhì)界面。例如,在超過250 m MD的距離時就可以識別儲層C底部表面。

圖8 給出多個地層邊界位置的反演討論。所有區(qū)間的新型深探測EM LWD測量結(jié)果都可用于反演

4 實例井3

對于該井來說,在三個測量間距上進行新型深EM測量:區(qū)間1、區(qū)間2和最深的區(qū)間3。

結(jié)果表明較深區(qū)間EM測量結(jié)果 (即區(qū)間3)更重要,因為它可增大探測深度,有利于實時地質(zhì)導(dǎo)向決策。

該井設(shè)計考慮將水注入到海濱深水油田的儲層。該儲層構(gòu)造復(fù)雜,有幾個連通層。計劃向上部和下部砂巖體注水以確保相鄰生產(chǎn)井水力連通效率。

圖9為根據(jù)地震數(shù)據(jù)建水的構(gòu)造地質(zhì)模型。設(shè)計的軌跡總是距離兩個單獨通道的底部很近,起初在下部砂巖中穿行150 m MD,然后在上部砂巖中穿行300 m MD。

圖9 下部:設(shè)計井3的構(gòu)造地質(zhì)模型。上部:地震數(shù)據(jù)和解釋

和前兩個實例不同的是,并不了解這口井不同儲層間的地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系。根據(jù)兩個不同速度模型解釋地震數(shù)據(jù),一種模型針對一個通道,以改進補償井相互關(guān)系。

要用新型深探測EM LWD測量結(jié)果繪制以下地質(zhì)目標:

◇確定下面砂巖的頂部和基地,確定其厚度,期待達到最大值5 m TST,因為試驗井遇到2 m TST的儲層厚度;

◇繪制油/水界面及其相對于下部砂巖基地的位置;

◇探測接近下部砂巖外尖滅處的另一個較淺儲層的存在;

◇描繪兩個砂巖體的內(nèi)部界面;

◇描述中間通道層以確定兩個儲層的連通性。

設(shè)計的井眼軌跡如下:

◇在XX233 m MD處以井斜86°從套管鞋鉆出后,接近下部砂巖的頂部,達到下部砂巖的基地,同時連續(xù)監(jiān)測儲層性質(zhì)變化;

◇從下部砂巖底部,在超過50 m MD處使傾斜由86°變?yōu)?9.3°,橫穿下部砂巖的頂部、中間通道區(qū)域和下部砂巖的底部,連續(xù)監(jiān)測相對于砂巖底部的油水界面位置;

◇遇到上部砂巖底部后,井將呈水平方向。

在XX230m MD處開始地質(zhì)導(dǎo)向操作。預(yù)計在遇到下部砂巖之前可能要鉆50 m泥巖。然而,所鉆泥巖超過70 m后,任何實時LWD測量結(jié)果中都觀測不到下部砂巖儲層。這是第一次懷疑井眼軌跡太高而無法穿過下部砂巖,因此,井斜從90°降至88°。

井眼在 XX300 m MD處穿過低阻砂巖(1.0Ω·m)(厚度小于1 m TST)。該砂巖的總長度11 m MD。盡管解釋為屬于下部儲層的含水砂巖層,但是該砂巖太薄,無法與目標儲層聯(lián)系起來。

測量區(qū)間不同的深探測EM LWD測量結(jié)果的反演表明在測量的徑向探測范圍內(nèi) (該環(huán)境下多達30 m)不存在下部厚砂巖。井眼軌跡以上存在一個薄高阻砂巖。確定上部砂巖存在后,把井斜從90°增加至93°來優(yōu)化井眼軌跡以橫穿兩個通道間的地層。

在鉆前模擬期間,注意到由于低電阻率差異,接近于油水界面和上部儲層底部的導(dǎo)向會很困難。因此,穿過中間通道區(qū)域后,決定在內(nèi)部和接近于上部砂巖的高阻部分導(dǎo)向。通過將井斜降至90°獲得了成功。

在XX780 m MD處,深探測EM LWD反演顯示基底導(dǎo)電層正在接近井眼軌跡,這反應(yīng)了地震解釋預(yù)測的上部儲層尖滅的存在。為了避免橫穿進入底部泥巖,將井眼傾斜又增至96°,但井眼最終在XX845 m MD處觸及上部砂巖的底部,這可能是存在次等地震斷層的緣故。

根據(jù)所有三個區(qū)間深探測EM LMD測量結(jié)果的反演識別出上部砂巖儲層之上的高阻砂巖。這與期望的較淺儲層一致,不過,并不能完全分辨該儲層的邊界。

5 結(jié)論

三個現(xiàn)場測試表明新型深探測EM測量結(jié)果徑向探測深度為30 m(從井眼起)。深探測EM測量結(jié)果的反演可以探測總垂直距離為60 m范圍的地層邊界。

綜合新型深探測EM儀和商用EM儀的測量結(jié)果可以識別沿井眼軌跡的多個地質(zhì)特征。遠地層邊界的識別對于增強地質(zhì)導(dǎo)向能力很重要。

這些現(xiàn)場測試所獲得的認識可應(yīng)用到更進一步的工作計劃和鉆井作業(yè)中。

資料來源于美國《SPWLA 51stAnnual Logging Symposium》2010年6月

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.11.013

2010-10-08)