水平井储层边界探测技术：提高地质储量动用程度的新途径

（1）储层钻遇率高。较高的储层钻遇率可以增大有效泄油面积，提高水平井产量；

（2）井眼轨迹位于储层最佳位置，并保持在油水界面安全距离之上；

（3）井筒轨迹平稳，波动过大会影响产量，可能造成完井困难、底水驱水锥问题。

水平井储层边界检测技术的出现，使得在接近油气层顶部的位置钻进水平井井眼轨迹成为可能，使水平井地质导向的目的由早期追求储层钻进最大化转变为地质储量利用最大化。从沉积学理论角度看，砂体顶部可能不是物性最好的地方，在砂体顶部部署井眼轨迹不利于获得最高的初始产能。但由于它能最大限度减少阁楼油的存在，提高储层最终采收率，大大提高储层开发的长期经济效益，这是水平井地质导向技术由“量变”到“质变”的飞跃。

1 边缘检测工具简介 1.1 主要边缘检测工具的简要比较

从地质导向技术发展来看，地质导向技术的进步主要依赖于随钻测井仪器的进步，大致经历了以下三个阶段：

（1）基于传统无方向性LWD资料的被动地质导向技术，该技术主要依赖无方向性伽马、电阻率曲线；

（2）基于随钻成像数据的交互式地质导向技术，以随钻伽马成像、密度成像、电阻率成像等为技术特色；

(3) 主动储层边界检测地质导向技术，以大探测半径的方位电阻率测量仪器的出现为代表。

在这三个阶段的发展过程中，导向的主动性不断提高，技术含量越来越高，专业化程度越来越明显。随钻方位电阻率测量及应用技术是现阶段水平井地质导向的最高技术体现，掌握在世界三大油田服务公司手中，其代表工具为贝克休斯、斯伦贝谢、哈里伯顿的ADRTM，其工具的大致结构如图所示（图中T代表发射线圈，R代表接收线圈，除贝克休斯边缘检测工具的接收线圈与发射线圈为正交关系外，其余两家公司的线圈系统之间均为一定角度的斜交关系，线圈系统之间的摆放关系直接决定了接收的地层边缘检测信号的强弱，正交的为直接反射，信号更强）。测量技术的主要差异如图所示。

图。1

图1 三家公司边缘检测工具的总体结构

表格1

表1 不同边缘检测工具的主要技术异同

表1 不同边缘检测工具的主要技术异同

1.2 边缘检测工具的数据处理

边缘检测工具的主要作用是提供井眼轨迹到边界的距离钻探工具，通过对记录的电磁波信号进行处理，采用一定的反演计算，输出到边界的距离。在具体的反演算法方面，由于不同的边缘检测工具采集的原始数据差异较大，相应的反演算法也有很大差异，输出的结果也不同[-]。本文将以算法简单、应用范围广泛、实际钻井数据相对丰富的工具为例，介绍该类工具的测量原理及处理方法。

该仪器的设计极其简单，就是在普通无方向性MPR随钻电阻率仪上增加一对正交的接收线圈。正常钻井时，接收线圈会沿仪器轴线旋转。发射线圈发射的无方向性电磁波信号在地层中传播时，一旦遇到界面就会发生反射。接收线圈像雷达一样从不同方向接收并记录从地层界面反射回来的电磁波信号的强度和方向。其基本工作原理如下。接收信号强度的变化取决于仪器到反射信号边界的距离，这个反射边界被称为“第一边界”。这个强度的变化可以用软件模拟出来，通过比较计算模拟值和测量值，就可以得到仪器到第一边界的距离，这个距离是准确的。如果模拟值和测量值相差很大，软件就会认为是存在第二边界，造成了这个差异，就会引入第二边界来弥补这个差异。 计算得到的工具到第二条边界的距离的可信度比到第一条边界的距离的可信度略低。

图 2

图的基本工作原理

需要指出的是，边缘检测工具反演计算得到的边界均为电阻率边界，边界作为LWD工具的测量计算结果，需要综合解释其具体代表何种地质储层现象。工具的边界检测能力很大程度上取决于地层电阻率与围岩电阻率的数值比较，比较值越大，边界检测能力越强，反之越弱。可以通过电阻率图版简单估算不同地层电阻率比较下的工具检测能力，以便在工具应用前进行适用性评估。这是工具的边缘检测能力估算图版-图版。图版显示，理论检测能力最高可达17ft，但应根据具体情况进行分析。适当的地质导向钻前模拟可以有效评估工具在特定地层中的边缘检测能力。

图 3

图3 探测半径估算图

1.3 方位电阻率成像

与常见的随钻伽马成像、密度成像或侧向电阻率成像不同，方位电阻率成像不仅成像半径大，而且还有一个非常实用的特点：成像自动翻转，即当仪器从一个边界接近另一个边界时，一旦越过储层中点，成像方向就会自动翻转180°。图1为方位电阻率成像的一个应用实例，该实例中砂岩与泥岩的电阻率对比度约为20∶1，砂岩厚度约为1 m，以87°角度勘探油顶，随后将斜度增大到90°进行水平钻井。显而易见，还未进入地层（由于探测半径大），电阻率成像在大约60 m斜深度/3 m垂深度的位置已经有了明显的响应。 图中位置①处，进入地层，信号强度最大，成像显示为“亮点”（此点对应的深度一般即为所谓的“进入点深度”）。随着地层的加深，颜色逐渐变暗，但由于仪器靠近上边界，信号稳定指向上边界。位置②处，井轨迹过中点，信号发生反转，随后稳定指向下边界。在引导过程中密切关注方位电阻率成像的变化，可以有效预测进入点，准确拾取砂体厚度中点，从而估算砂体厚度。充分利用边缘检测仪器的大检测半径能力，可以有效提前调整轨迹，避免轨迹跑到目的层之外。

图 4

图 4 方位电阻率成像示例

2 应用示例

边缘检测工具在南海油田已经得到广泛应用，通过定量地确定井眼在砂层中的位置，从数值上看，井眼轨迹基本控制在距顶1m以内，其好处显而易见：

（1）目的层为反旋回沉积砂岩，顶板物性良好，井眼轨迹在砂岩顶板处钻进，砂体钻遇率100%，有效提高了单井产能；

(2)大大压缩了井筒轨迹与泥岩盖层之间的“阁楼油”空间，最大限度提高了油藏的最终采收率；

（3）井筒轨迹尽可能靠近顶部，这也意味着尽可能远离油水界面，延长油井寿命；

(4) 井眼轨迹与上覆泥岩保持了合理的距离，有效避免了因泥岩塌陷导致水平段报废的可能性。

2.1 顶面追踪

传统MPR随钻电阻率测井在随钻指导实践中存在两个不足，一是探测深度较浅，二是缺乏方向性，不能准确指出电阻率测量值的变化是受上边界影响还是受下边界影响。

在方位角边缘检测技术出现之前，地质导向对边界的预警主要依靠“极化角”的出现。经验表明，“极化角”一般在距边界0.5 m左右开始出现[]。但在实际钻井过程中它的出现还受到围岩效应、地层各向异性、井眼轨迹与地层的相对夹角等诸多因素的影响。这是一个边界距离计算与极化角出现相互验证的例子。可以明显地看到，一旦井眼轨迹接近上方0.5 m以内，在MPR电阻率曲线上就可以看到非常明显的极化现象。

图 5

图5 距离对电阻率极化现象的影响

这是利用边缘检测技术跟踪顶面的一个例子。该井井眼轨迹设计主要参考了邻井及地震资料校正后的构造图。可以看出，在水平段末端，原推断地层呈下倾，因此设计轨迹向下，但根据边缘检测工具的计算结果进行了定向施工。钻井后，该井实际构造基本平缓，最后的顶面检测钻井验证了计算结果。该井常规随钻测井资料比较丰富，但如果按照一般经验，结合自然伽马、电阻率、中子密度曲线，结合预测的砂体顶面构造图进行指导，显然无法达到如图所示的非常接近顶面钻井的效果。水平段中部可能遇到泥岩，水平段末端垂深下降过多，会大大降低水平井的寿命和最终的开采效果。

图 6

图6 边缘检测工具在A5井实钻对比分析

2.2 油水界面及岩性界面识别

一般来说，部署水平开发井的主要目的是为了增加产量，在砂体的适当部位部署水平井轨迹、保持适当的避水高度是保证水平井高产稳产的重要手段。对于开发中后期的油田，部署水平井需要考虑的一个重要因素就是当前动态油水界面的位置。钻先导井是确定油水界面很好的工程技术手段，但昂贵的作业费用和钻井周期是必须考虑的两个重要限制因素。边缘检测技术的出现使动态油水界面的确定不再是一个难题，其高达5 m的检测能力足以满足大多数底水油藏确定动态油水界面的需要。

从大型油藏角度，对于开发中后期存在底水的老油田，动态油水界面已不能维持原有状态，其深度在油藏不同部位可能存在很大差异。除了油藏动用程度决定油水界面形态外，构造形态、底水运移方向也会影响油水界面形态的变化。LF油田主要目的层为受断裂控制的穹窿背斜构造，北部断裂带是底水主要供给方向，在构造的西北部和东南部建设了水平井，东南部的A10井距断裂较远，油水界面变化有规律，实测动态油水界面与根据开发动态数据预测的油水界面深度基本相当； 但在构造西北部靠近断裂带处钻探的A11井实测油水界面与根据开发动态资料推断的油水界面垂向深度有近15 m的差异，如图所示，这个差异超出了油藏地质认识的正常水平。为了验证该仪器的测量结果，深化对油藏地质的认识，将水平段末端向下加深，在MPR电阻率曲线上证实了油水界面的变化，也间接证实了油田底水流入方向。该井的应用，远远超出了水平段的顺利施工，为老油田后期开发方案的调整和部署提供了极其重要的第一手参考资料。 结合A10井、A11井油水边界检测资料综合分析，一个很有意义的现象是，虽然在小范围内油水界面基本呈平直状，但放在油田范围内，油水界面却呈现明显的倾斜特征，而且倾斜度与构造形态、流入方向具有一定的相关性，如图所示。

图 7

图7 A11井油水界面变化示意图

图 8

图8 动态油水界面示意图

关于岩性界面与油水界面的区分，从工具计算出的界面形态可以很方便地识别。一般而言，油水界面形态受油水分离效应的影响，多表现为相对稳定的界面，如图和所示；而岩性界面则受沉积、构造变化和后期改造的影响，其变化是不稳定的，具有一定的随机性，最重要的是其形态变化与构造形态的变化具有一定的相关性。如图所示，在井眼轨迹下方检测到一个岩性界面，该界面形态明显受到沉积的影响，其空间延伸与井身结构的变化基本一致，结合邻井资料，解释为泥岩夹层。

图 9

图9 A8井泥岩夹层形态计算示意图

3 结论

目前的边缘检测工具在尽可能探测到较远的边界的同时，面临的另一个问题是如何区分层内细小的导电隔夹层。从工具的原理上讲，它检测的是电阻率的界面反射，多个界面的存在会严重影响其对目标层界面的识别，检测半径和分辨率始终是一对矛盾，追求较远边界的预警必然会丧失工具近处的薄层分辨能力。就目前的技术而言，对于薄隔夹层、低电阻率储层的边缘检测问题始终是一个技术难题。另外，现有的随钻边缘检测技术主要侧重于检测地层径向边界距离的变化，如何提前探测到钻头前方由断层、岩性尖灭、构造突变等引起的储层边界变化也是另一个需要考虑的技术问题，研发具有“前瞻性”能力的工具必定会是下一个技术热点。 目前来看,随钻测井边缘检测技术与地震砂体及构造预测技术的有机结合将是较为完善的水平井地质导向技术策略。