页岩气水平井LWD曲线的环境因素影响及校正方法
王瀚玮1, 夏宏泉1, 陈宇1, 赵昊2     
1. 油气藏地质及开发工程国家重点实验室(西南石油大学), 四川成都 610500;
2. 四川长宁天然气开发有限责任公司, 四川成都 610000
摘要: 随钻测井(LWD)曲线受环境因素影响不能准确反映页岩地层的实际特征,导致地质导向钻井精度不够,降低了优质页岩地层的钻遇率。以威远页岩气产业示范区水平井随钻测井曲线为研究对象,采用定量与定性相结合的方法评价了不同环境因素影响下随钻测井曲线的变化特征,构建了校正图版,利用最优拟合和数值迭代等方法建立图版公式化的校正模型,并结合室内页岩岩心数据进行可行性分析,最终形成了适用于页岩地层随钻测井曲线环境因素影响的校正方法。利用该方法处理了威远12口页岩气水平井的随钻测井资料,结果表明,校正后的随钻测井曲线消除了地层电性各向异性、相对夹角、井眼环境、仪器偏离间隙和钻井液密度等环境因素的影响,能够较好地反映所钻遇地层的实际特征。
关键词: 页岩气     水平井     随钻测井     环境影响     校正方法     地质导向    
Impacts of Environmental Factors on LWD Curves and Calibration Techniques in Horizontal Shale Gas Wells
WANG Hanwei1, XIA Hongquan1, CHEN Yu1, ZHAO Hao2     
1. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation(Southwest Petroleum University), Chengdu, Sichuan, 610500, China;
2. Sichuan Changning Gas Development Co. Ltd., Chengdu, Sichuan, 610000, China
Abstract: LWD curves can not fully represent the actual characteristics of shale formations due to environmental factors, and so to improve the accuracy of geosteering and to improve the rate of drilling in high-quality shale formations, real-time calibration is needed.Taking horizontal wells with LWD data in Weiyuan Shale Gas Industry Demonstration Zone as research objects, the characteristics of LWD curves under different environment were evaluated quantitatively and qualitatively to construct calibration charts.Optimal fitting, numerical iterative and other techniques were deployed to establish calibration models for relevant charts.Feasibilities of such operations were analyzed by using core data from laboratories.In this way, one complete package of calibration techniques for impacts of environmental factors on LWD curves of shale formationa was obtained.The newly-developed techniques were used in the LWD data processing from shale formation of 12 horizontal wells in the Weiyuan Area.Relevant results showed that such calibration can effectively eliminate the negative impacts of stratigraphic electrical anisotropy, relative angle, borehole environment, instrument deviation, drilling fluid density and other environmental factors to obtain the features of penetrated formations more accurately.
Key words: shale gas     horizontal well     logging while drilling     environmental impact     calibration method     geosteering    

页岩气水平井地质导向钻井需要根据随钻测井曲线(LWD)实时了解地层岩性、物性、电性和含气性的变化特征,指导钻头沿优质页岩地层高效钻进[1-5]。目前,我国在页岩气水平井随钻测井资料解释和评价等方面还不够完善,其中校正随钻测井曲线时仍沿用常规油气井电缆测井的校正方法,且大多数情况下不进行环境因素影响的校正,多为定性半定量粗放型解释,使测量值偏离原状地层,降低了随钻地层评价和地质导向钻井的精度[6-11]。为此,需要综合考虑页岩气水平井随钻测井曲线的环境影响因素,对曲线进行校正。

威远地区页岩气水平井随钻测井通常仅测量随钻伽马、密度、中子和电阻率4类曲线。笔者首先综合考虑对各测井曲线影响较大的环境因素(如页岩地层的电性各向异性、相对夹角,仪器偏离间隙、井眼环境和钻井液密度等)[11-15], 然后分析各因素对测井曲线变化特征的影响,构建校正图版,建立图版公式化的校正模型, 最后以威远地区W2-H3页岩气水平井为例进行随钻测井曲线的环境因素影响校正,并结合室内页岩岩心数据分析该校正模型的可行性,以提高地质导向钻井的精度和准确性。

1 随钻电阻率测井曲线的环境影响因素及校正方法 1.1 随钻电阻率测井曲线的环境影响因素

由于随钻电阻率测井要求钻头钻开地层后2~60 min内进行测井,钻井液侵入对地层影响不大,仪器偏离间隙对电阻率测井曲线的影响很小,此外页岩地层具有目标层较厚的特征(大于50.00 m),因此可以不考虑钻井液侵入、仪器偏离间隙和围岩对随钻电阻率测井曲线的影响[13-15]。地层电性各向异性和相对夹角(井眼轨迹与地层界面的夹角)使随钻电阻率测井值增高,影响较大,在消除井眼环境对随钻电阻率的影响后[14-16],必须分析页岩地层电性各向异性和相对夹角的影响。

页岩地层电性各向异性可用电阻率各向异性系数[14]表示:

(1)

式中:λ为电阻率各向异性系数;RvRh分别为垂直电阻率和水平电阻率,Ω·m。

由于随钻感应电阻率测井采用的是交流电源,具有时域特征,因此利用时域有限差分法(FDTD法)[17]即可分析得到环境因素对随钻电阻率测井曲线的影响规律。其步骤为:1)给定页岩地层电导率、磁导率和介电常数等参数,选取等间隔网格进行处理;2)保存n时刻的电场分量Eϕ时刻径向磁场分量Hr,来更新下一时刻磁场分量和电场分量;更新时的Hr,计算n时刻EϕHr的贡献;更新时刻纵向方向的磁场量Hz,计算n时刻EϕHz的贡献(由于轴线上Δr=0,因此不包括轴线上Hz分量的贡献);更新时刻轴线上的Hz;以电流密度形式加入电流源,更新源点的Eϕ,为了使信号更快达到稳定,给源加入升余弦函数;更新n+1时刻的Eϕ,利用时刻的Hr计算n+1时刻的Eϕ;3)采用安培环路定理处理轴线条件,利用Mur吸收边界法[17]处理边界条件;4)信号经过3~5个周期稳定后提取幅度和相位。

页岩地层随钻电阻率通常为100~1 000 Ω·m,基于随钻电阻率测井原理[18],假设页岩储层电阻率为666.7 Ω·m (电导率为1.5 mS/m), 电阻率各向异性系数λ分别为1(各向同性)和2(各向异性),相对夹角分别为5°,60°和80°,采用FDTD法得到页岩地层电性各向异性和相对夹角对随钻电阻率测井曲线的影响曲线(见图 1)。

图 1 页岩地层电性各向异性和相对夹角对随钻电阻率测井的影响特征 Fig.1 Impact of electrical anisotropy and relative angle of shale formation on resistivity from LWD

图 1可以看出,对于各向同性地层,无论相对夹角如何变化,地层中部的电阻率基本不变,但随着相对夹角增大,在地层边界出现犄角状尖峰现象(边界效应);而对于各向异性地层,中部电阻率随着地层倾角增大而明显增大。

为了进一步研究相对夹角和地层电性各向异性对随钻电阻率测井曲线的影响,分析了不同相对夹角下随钻电阻率在各向异性地层中的变化规律(见图 2)。

图 2 随钻电阻率值受页岩地层各向异性和相对夹角影响的变化规律 Fig.2 The way of impacts of electrical anisotropy and relative angle of shale formation on resistivity from LWD

图 2可以看出:若地层不存在电性各向异性且相对夹角为0°,随钻电阻率测井能够准确反映地层真实的电阻率;若地层存在各向异性和相对夹角,地层电性各向异性对随钻电阻率影响较大。其中,当相对夹角一定时,随钻电阻率随地层各向异性增大而增大;当地层电性各向异性一定时,随钻电阻率随相对夹角增大而增大,尤其是相对夹角大于50°时增大更为显著。

1.2 随钻电阻率测井曲线的环境影响校正方法

基于上述分析,在对页岩气水平井随钻电阻率曲线进行解释时,必须考虑地层电性各向异性和相对夹角所的共同影响,并对其进行校正。

视电阻率是水平电阻率和垂直电阻率的合成值[19],一般情况下,水平电阻率小于或等于垂直电阻率,测井评价中通常将水平电阻率作为地层的真电阻率,视电阻率越接近水平电阻率,则越能真实反映地层实际的电性特征。假设与地层界面平行方向为宏观各向同性,基于式(1),通过几何推导可得页岩地层视电阻率与水平电阻率之比为:

(2)

式中:Ra为地层视电阻率,Ω·m;θ为相对夹角,(°)。

根据式(2)的计算结果,可绘制出随钻电阻率测井曲线受地层各向异性和相对夹角影响的校正图版(见图 3),随钻电阻率校正值=地层视电阻率值/图版的纵坐标(地层视电阻率与水平电阻率之比)。

图 3 地层电性各向异性和相对夹角影响的校正图版 Fig.3 The calibration chart for electrical anisotropy and relative angles
2 随钻核测井的环境影响因素及校正方法

随钻密度、中子和伽马测井仪器均采用了放射性源核探测器,都属于随钻核测井,下面依次分析环境因素对这3种随钻测井曲线的影响及校正方法。

2.1 随钻密度测井

仪器偏心处于井眼的长轴方向,传感器到井壁的最大距离为仪器的偏离间隙[11]。在页岩气水平井中,仪器产生偏离间隙会导致随钻密度实测值减小。仪器存在偏离间隙时所测量的密度为随钻密度测井值(实测值),同一地层中仪器不存在偏离间隙时所测量的密度作为随钻密度校正值(密度校正值),研究发现,随钻密度校正值与随钻密度测井值的差值和仪器偏离间隙呈良好的线性关系,且不同的井眼形状会使随钻密度测井值产生不同程度的偏离。常见的井眼形状可以分为圆形、椭圆形和槽形[14],因此建立3种井眼形状下随钻密度测井曲线受仪器偏离间隙影响的校正图版(见图 4)。

图 4 不同井眼形状下仪器偏离间隙为0~38.1 mm时的校正图版 Fig.4 The calibration chart for instrument deviation between 0-38.1 mm under different wellbore shapes

图 4为3种井眼形状下随钻密度校正值与随钻密度测井值的差值和仪器偏离间隙的交会图,每种情况下,密度误差都随仪器偏离间隙增大或随钻密度测井值与钻井液密度差值的增大而增大。

以椭圆形井眼为例,随钻密度测井值受仪器偏离间隙影响的校正公式为:

(3)

式中:ρb为随钻密度测井值,kg/L;Mw为钻井液密度,kg/L;ρbc为随钻密度校正值, kg/L;Sf为仪器偏离间隙,mm。

校正随钻密度测井曲线时,首先判断井眼类型(圆形、椭圆形或槽形),然后结合式(3), 利用线性内插法可得页岩气水平井随钻密度校正曲线。

2.2 随钻中子测井

随钻测井仪器难以居中和井眼直径影响了随钻中子测井值的准确性。井眼发生扩径或仪器存在偏离间隙下所测量的中子值为随钻中子测井值(实测值),同一地层中井眼未发生扩径或仪器不存在偏离间隙时所测量的中子值作为随钻中子校正值(校正后的随钻中子值),可得随钻中子测井值受井眼直径和仪器偏离间隙影响的校正图版(见图 5图 6)。从图 5图 6可以看出,井眼扩径和仪器偏离间隙增大,均使随钻中子测井值升高。

图 5 井眼直径影响的校正图版 Fig.5 The calibration chart for impacts of wellbore diameter
图 6 仪器偏离间隙影响的校正图版 Fig.6 The calibration chart for instrument deviation

以随钻中子测井的井眼校正为例进行具体说明,图 5中的11条曲线为随钻中子校正曲线(Ncd),其曲线参数对应的取值在0%~50%。假设随钻中子测井值为20%、井径为330.2 mm,可以画一条垂直于纵坐标为330.2 mm的直线,与横坐标为20%的垂线交于一点,该点位于2条随钻中子校正曲线之间(分别为15%和20%)。将井径330.2 mm代入这2条曲线的拟合方程中,可得出2个对应的随钻中子值为16.5%和22.0%,则有坐标点(16.5%,15.0%)、(22.0%,20.0%)和随钻中子校正坐标(20%,随钻中子校正值),通过线性插值可求出随钻中子校正值为18.18%。同理,可进行仪器偏离间隙影响校正。

以随钻中子校正曲线所对应的值为10%和20%为例,利用最优拟合法可得消除井眼直径影响的随钻中子曲线的校正公式为:

(4)

式中:Ncd为消除井眼直径影响后的随钻中子值;d为井眼直径,mm。

以随钻中子校正曲线所对应的值为10%和20%为例,利用最优拟合法可得消除仪器偏离间隙影响的随钻中子曲线的校正公式为:

(5)

式中:Ncs为消除仪器偏离间隙影响后的随钻中子值。

利用上述图版和拟合公式可得页岩气水平井随钻中子测井的校正曲线。

2.3 随钻伽马测井

在页岩气水平井中,仪器对页岩气随钻伽马测井值的影响并不明显[20],环境影响因素主要为:1)钻井液中的氯化钾会导致实测伽马值整体偏高[8];2)钻井液会吸收来自页岩地层中的伽马射线,随着钻井液密度增大和井径扩大,随钻伽马测井值低于原状地层。参考随钻中子和随钻密度校正图版的构建方法,建立随钻伽马校正图版(见图 7图 8),以消除钻井液中氯化钾含量和井眼直径对随钻伽马测井曲线的影响。

图 7 氯化钾含量影响的校正图版 Fig.7 The calibration chart for impacts of KCl
图 8 钻井液密度影响的校正图版 Fig.8 The calibration chart for impacts of drilling fluid density

图 7为氯化钾含量影响的校正图版,将随钻伽马测井值减去图版中纵坐标的校正量可计算出校正的随钻伽马值。以氯化钾含量为20%为例,利用最优拟合方法可得伽马校正量公式为:

(6)

式中:ΔGR为伽马校正量,API。

图 8为钻井液密度影响的校正图版,将随钻伽马测井值乘以校正因子可计算出校正的随钻伽马值。以井眼直径ϕ311.1 mm为例,利用最优拟合方法可得校正因子公式为:

(7)

式中:Z为校正因子(校正的随钻伽马值与随钻伽马测井值之比)。

利用上述图版和拟合公式,可得页岩气水平井随钻伽马测井的校正曲线。由于部分页岩气水平井在水平段钻进中采用的是油基钻井液,不含氯化钾,因此可以不进行校正。

3 实例分析

研究发现,威远地区页岩气水平井中部分井段会产生螺纹井眼[21],导致随钻测井曲线产生明显的高低起伏锯齿状变化,不能准确反映钻遇地层的实际特征,给测井解释和地质导向钻井带来严重影响,因此需要利用傅里叶变化进行频谱分析,采用低通滤波器消除螺纹井眼对随钻测井曲线的影响[2]

消除螺纹井眼的影响后,采用上述各图版公式化的校正模型对随钻测井曲线进行环境因素影响的校正。W2-H3井水平段使用斯伦贝谢公司多功能随钻测井仪器(EcoScope)进行地质导向钻井,采用油基钻井液钻进,钻井液密度为1.6~2.0 kg/L且不含氯化钾,可以不进行校正;3 400.00~3 450.00 m井段对应的地层倾角为3°~4°,井斜角为96°~98°,地层各向异性较大,井眼形状为椭圆形,发生扩径,井径为228.6~233.7 mm(钻头直径为215.9 mm),结合室内页岩岩心测得的数据与校正后的随钻测井值进行对比,分析该校正模型的准确性(见图 9)。

图 9 页岩气水平井随钻测井曲线的校正结果 Fig.9 The calibration chart of LWD curves in horizontal shale gas wells

图 9可以看出:钻井液密度增大,导致页岩地层随钻伽马测井值减小;不同井眼形状下仪器偏离间隙增大或钻井液密度减小, 均可导致页岩地层随钻密度测井值不同程度地减小;井径和仪器偏离间隙增大,导致页岩地层随钻中子测井值增大;地层电性各向异性和相对夹角增大,导致页岩地层随钻电阻率测井值增大。校正后的随钻伽马和密度值高于实测值,随钻中子值和电阻率均低于实测值。校正后的结果与室内页岩岩心测量值相吻合,能够较好地反映页岩地层的实际地质特征。

4 结论

1) 页岩气水平井随钻测井曲线受环境因素影响较大,必须对其进行合理校正,从而提高随钻地层评价和地质导向钻井的精度和准确性。

2) 随着钻井液中氯化钾含量或钻井液密度增大,随钻伽马值所受影响增大;随着仪器偏离间隙增大或钻井液密度减小,随钻密度所受影响增大;随着井径增大或仪器偏离间隙增大,随钻中子值所受影响增大;随着地层各向异性或相对夹角增大,随钻电阻率所受影响增大。校正后的随钻密度和伽马值比实测值高,随钻电阻率和中子值比实测值低。

3) 当存在螺纹井眼时,随钻测井曲线会产生明显的高低起伏锯齿状变化,此时先要消除(校正)螺纹井眼对随钻测井曲线的影响。

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王瀚玮, 夏宏泉, 陈宇, 赵昊
WANG Hanwei, XIA Hongquan, CHEN Yu, ZHAO Hao
页岩气水平井LWD曲线的环境因素影响及校正方法
Impacts of Environmental Factors on LWD Curves and Calibration Techniques in Horizontal Shale Gas Wells
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http://dx.doi.org/10.11911/syztjs.201706021

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收稿日期: 2017-05-22
改回日期: 2017-10-31

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