水平井地質(zhì)導(dǎo)向自然伽馬探邊技術(shù)研究

　　摘 要：利用水平井開發(fā)可以提高產(chǎn)量和采收率，高的鉆遇率保證產(chǎn)量和采收率。針對水平井軌跡和地層邊界的相對位置與自然伽馬測井值的關(guān)系進行了研究，利用隨鉆自然伽馬測井來計算水平井井眼軌跡和地層邊界之間的距離，指導(dǎo)井眼的鉆進;進行了薄互層中探邊方法的研究和不同儲蓋組合探邊方法的適用效果分析。研究表明，自然伽馬探邊在儲蓋巖石自然伽馬值差別較大時適應(yīng)性較好。

　　關(guān) 鍵 詞：水平井;自然伽馬;探邊技術(shù);隨鉆測井

　　《甘肅地質(zhì)》本刊堅持為社會主義服務(wù)的方向，堅持以馬克思列寧主義、毛澤東思想和鄧小平理論為指導(dǎo)，貫徹“百花齊放、百家爭鳴”和“古為今用、洋為中用”的方針。

　　隨著石油工業(yè)的發(fā)展，水平井鉆井技術(shù)作為提高單井產(chǎn)量和采收率的有效手段之一，在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。隨鉆測井也廣泛應(yīng)用于指導(dǎo)水平井鉆井。地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)是用近鉆頭地質(zhì)、工程參數(shù)測量和隨鉆控制手段來保證實際井眼穿過儲集層并取得最佳位置。但實際鉆井施工時，未能完全按照設(shè)計的要求而存在偏差，那么在水平井評價過程中，準(zhǔn)確地判斷預(yù)測地層邊界位置，分析井眼軌跡及提高儲層有效鉆遇率對于提高解釋結(jié)論可信度具有重要意義[1]。傳統(tǒng)的鉆采技術(shù)已經(jīng)無法從根本上達到提高采收率及對油田難動用量進行有效開發(fā)的目的。汪忠浩和羅榮將自然伽馬測井資料與井眼軌跡到地層界面的距離作擬合，確定井眼軌跡與地層邊界中相對距離[2]。鄭建東等人在大慶長垣致密油水平井測井解釋中應(yīng)用隨鉆方位自然伽馬曲線確定井眼軌跡是否在儲層中[3]。趙軍等人將導(dǎo)眼井測井曲線形態(tài)與水平井對比確定地層界面，以及水平井測井曲線波動特性結(jié)合油藏構(gòu)造確定地層界面，來判斷井眼軌跡的相對位置[4]。劉行軍等在鄂爾多斯盆地高伽馬儲層應(yīng)用自然伽馬結(jié)合自然電位和密度曲線判斷井眼軌跡與地層關(guān)系[5]。向長生等基于自然伽馬強度分布的原理，針對探測點距離地層邊界建立了一個無限均勻水平的數(shù)學(xué)解析模型，為了便于求解，在模型中采用球坐標(biāo)，大大提高了計算效率，但該模型在方位性及薄地層中還存在些許不足之處[6]。以上諸多方法多是應(yīng)用自然伽馬曲線定性判斷井眼軌跡的相對位置，不能計算井眼軌跡與地層邊界的距離，在水平井測井解釋中不能準(zhǔn)確把握圍巖對測井資料的影響[7]。

　　本文對前人的研究工作進行了系統(tǒng)的總結(jié)，在其基礎(chǔ)上提出基于自然伽馬響應(yīng)特征確定井眼軌跡與地層邊界相對位置，模擬計算兩者之間相對距離的方法。根據(jù)自然伽馬測井響應(yīng)原理，模擬計算不同相對位置自然伽馬的測井特征。分析并總結(jié)該方法在不同巖性儲層中適應(yīng)性。

　　1 水平井砂泥巖儲層伽馬測井識別地層邊界原理

　　自然伽馬測井是基于地層中不同巖石包含放射性元素數(shù)量的差異測定其天然伽馬射線強度的方法。通過實際的測井結(jié)果便能進一步劃分出鉆孔的地質(zhì)剖面，進而對剖面中砂巖泥質(zhì)進行定量分析，并定性判斷出所側(cè)巖層的滲透性。

　　自然伽馬測井原理中，放射性球體在半徑為

　　球心處的光子通量密度[5]：

　　(1)

　　無限均勻放射性地層中某點處的自然伽馬通量：

　　(2)

　　利用(1)和(2)式估算自然伽馬測井的探測范圍。此時用比值確定自然伽馬探測范圍：

　　(3)

　　其中：

　　—每克放射性元素每秒鐘平均發(fā)射光子個數(shù);

　　—每克巖石中含有放射性元素的質(zhì)量，g;

　　—地層的密度，g/cm3;

　　—地層對光子的吸收系數(shù)，/cm。

　　當(dāng)

　　時，這一比值等于0.99。自然伽馬探測器接收99%的光子都是由半徑

　　的球體貢獻。若

　　取0.15/cm，則相應(yīng)的球半徑約為30 cm。

　　假設(shè)均勻砂泥巖互層三層模型，上覆蓋層為泥巖，其伽馬值為GR泥(為純巖石中自然伽馬測井值)，中間為砂巖儲層，其伽馬值為GR砂，厚度為H(>60 cm)。假定自然伽馬探測范圍是半徑為R=0.3 m的圓(圖1)。

　　如圖1(a)所示，當(dāng)水平井在儲層中穿行且靠近地層邊界時，需要對井眼到地層邊界的距離有精確的把控，才能確保鉆頭在儲層內(nèi)部穿行。自然伽馬測井儀器探測范圍由弓形區(qū)域的泥巖蓋層貢獻，剩余部分由砂巖儲層貢獻。分析水平井井眼在儲層中不同位置時伽馬測井響應(yīng)與位置的關(guān)系。假設(shè)水平井井眼距儲層上邊界的距離為d，井眼在上邊界之上為正，在上邊界之下為負(fù)。

　　(4)

　　(5)

　　式中：GR —測井響應(yīng)值，API;

　　GR泥—上覆蓋層純巖石中的自然伽馬測井值，API;

　　GR砂—中間儲層純巖石中的自然伽馬測井值，API;

　　R —自然伽馬測井儀器的探測半徑，m;

　　d —井眼距地層上邊界的距離，m。

　　2 水平井薄互層邊界識別方法

　　針對中國陸相沉積油層大多為薄互層的特點，進一步研究了不同厚度下井眼和地層邊界的距離與伽馬測井值的關(guān)系。在上文中分析了厚層中(儲層厚度大于伽馬測井儀器探測直徑)這兩者的關(guān)系，那么在薄互層中伽馬測井響應(yīng)模型也會發(fā)生相應(yīng)的變化。將薄互層的儲層厚度分為小于探測半徑和大于探測半徑但小于兩倍的探測半徑兩類模型。

　　一類薄層：儲層厚度H小于伽馬探測半徑

　　(如圖2，假設(shè)H=0.25 m)。

　　二類薄層：儲層厚度H大于伽馬探測半徑R且小于兩倍半徑(如圖3，H=0.5 m)。

　　假設(shè)儲層厚度為0.25 m，當(dāng)水平井在儲層穿行時，伽馬測井響應(yīng)會受到上下圍巖的影響。自然伽馬測井儀器探測范圍由上下弓形的泥巖區(qū)域加上中間砂巖區(qū)域組成。此時，伽馬測井響應(yīng)與地層邊界相對位置關(guān)系為：當(dāng)儲層厚度介于探測半徑與探測直徑之間時，伽馬測井響應(yīng)模型有兩種。其一，井眼位置靠近地層邊界時(d+R

　　(7)

　　其二，井眼位置在儲層中間部分時(d +R>H)，此時自然伽馬儀器探測范圍包含了上下兩個部分弓形的泥巖和中間部分的砂巖。響應(yīng)方程與一類薄層中式(6)的一致。

　　根據(jù)響應(yīng)方程可以在鉆進過程中結(jié)合伽馬測井值確定地層邊界相對井眼位置，進而可以做出恰當(dāng)?shù)你@進決策。在建立地層模型時，假設(shè)地層是各向同性，認(rèn)為地層具有對稱性，建立的方程也是儲層中點以上計算方法。在根據(jù)伽馬測井值確定地層邊界相對位置時，是具有多解的。即確定上邊界或是下邊界的相對位置。也可以結(jié)合自然伽馬曲線形態(tài)和其他測井方法判斷是上邊界或是下邊界。

　　3 多種儲蓋類型中的應(yīng)用

　　表1為儲層巖石主要礦物組分的自然伽馬值。

　　圖4給出了在多種儲蓋類型中井眼位置與自然伽馬的關(guān)系。其中圖4(a)是碳酸鹽巖儲層以泥巖為蓋層時井眼位置與自然伽馬值的關(guān)系，圖4(b)是砂礫巖儲層和膏鹽類蓋層組合時井眼位置與自然伽馬值的關(guān)系，圖4(c)是變質(zhì)巖類中片麻巖儲層井眼位置與自然伽馬值的關(guān)系，圖4(d)是火成巖類中花崗巖儲層井眼位置與自然伽馬值的關(guān)系。從圖中可以看出，儲蓋巖石類別的自然伽馬值差別越小，對確定地層邊界相對位置越不利。實際測井存在測量誤差或自然伽馬的漲落誤差，根本無法計算地層邊界的位置。此探邊方法對于儲層與蓋層自然伽馬值相近的儲蓋組合是不適用的。

　　此外，在實際測量過程中隨鉆自然伽馬探邊技術(shù)測量精度可能會受到諸多因素的影響，如放射性測量的統(tǒng)計漲落、儀器自身的振動、電源的穩(wěn)定性及環(huán)境溫度等，因此在研制自然伽馬測量儀時應(yīng)格外注意。

　　4 結(jié)論

　　精準(zhǔn)地預(yù)測儲層邊界及把握水平井井眼位置對于水平井生產(chǎn)開發(fā)來說至關(guān)重要。基于以上兩個關(guān)鍵問題，本文提出了一種利用自然伽馬響應(yīng)特征在隨鉆過程中實時確定井眼軌跡與地層邊界相對位置的方法，對其不同位置處的伽馬測井特征進行了模擬，分析了該方法在不同巖性儲層中適應(yīng)性。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水平井在儲層中穿行且靠近地層邊界時，需要對井眼到地層邊界的距離有精確的把控，才能確保鉆頭在儲層內(nèi)部穿行;同時，儲蓋組合自然伽馬差值越大，應(yīng)用自然伽馬探邊方法效果越好。此探邊方法對于儲層與蓋層自然伽馬值相近的儲蓋組合是不適用的。利用自然伽馬測井曲線確定井眼位置，判斷水平井的相對位置，為準(zhǔn)確預(yù)測和控制、調(diào)整水平段軌跡，提高油層鉆遇率，提供一種新思路。

　　參考文獻：

　　[1]范英鋒，冷洪濤，趙昕.井眼軌跡分析在水平井測井解釋評價中的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古石油化工，2009，35(20)：27-29.

　　[2]汪中浩，易覺非，趙乾富，陳新林，宋帆.水平井測井資料地質(zhì)解釋應(yīng)用[J].江漢石油學(xué)院學(xué)報，2004(03)：70-72+6.

　　[3]羅榮，李雙林，崔光.水平井井眼軌跡分析及其應(yīng)用探討[J].中外能源，2012，17(07)：53-56

　　[4]鄭建東，朱建華，閆偉林.大慶長垣扶余致密油水平井測井解釋[J].測井技術(shù)，2019，43(01)：53-57.