復(fù)雜層狀地層的隨鉆核磁共振測井響應(yīng)模擬

李 新，黃 科，苗秀英

(1.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；2.中國石油集團測井有限公司，陜西西安 710021)

隨鉆核磁共振測井(NMR-LWD)技術(shù)于2001年開始商業(yè)化，現(xiàn)已逐步成功應(yīng)用于國內(nèi)外油田服務(wù)[1-4]。隨鉆核磁共振測井相對于電纜式儀器的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：地層信息采集更及時，在鉆井過程中獲得原狀地層信息，大大節(jié)約作業(yè)時間和成本[5]；作業(yè)范圍更廣，沒有上提/下放電纜儀器對井眼角度的要求。隨鉆核磁共振能夠獲得地層孔隙度、流體飽和度，估算滲透率和孔隙結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵儲層信息[6-8]，在地質(zhì)導(dǎo)向[9]和地層評價中具有重要作用[10]。

頁巖氣等非常規(guī)油氣藏的開發(fā)依賴以地質(zhì)導(dǎo)向為核心的定向鉆井技術(shù)[11-12]。地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)的關(guān)鍵是根據(jù)測井響應(yīng)確定地層性質(zhì)和位置，優(yōu)化井眼軌跡在優(yōu)質(zhì)儲層中穿行[13]。隨鉆核磁共振測井在復(fù)雜地層組合中的響應(yīng)受諸多因素的影響，例如儀器參數(shù)、運動軌跡、地層性質(zhì)和組合等。早期研究主要集中在電纜核磁共振天線和儀器的運動對測井響應(yīng)(橫向弛豫時間T2分布)的影響[14-15]；劉雙慧等模擬了電纜核磁共振測井的地層界面響應(yīng)特征[16]；李新等發(fā)展了隨鉆核磁共振測井響應(yīng)的離散計算方法[17]；孫伯勤等提出了層狀地層深度維聯(lián)合反演算法，對平滑的橫向弛豫時間(T2)分布響應(yīng)進(jìn)行地層界面識別[18]。目前，對隨鉆核磁共振測井在復(fù)雜層狀地層中不同井斜下的儲層連續(xù)響應(yīng)還有待研究。針對這一問題，本文開展了隨鉆核磁共振測井儀器在復(fù)雜水平層狀地層組合的條件下、不同斜度井中的測井響應(yīng)特征模擬考察，為應(yīng)用核磁共振技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)導(dǎo)向確定目標(biāo)層和定量獲取地層流體性質(zhì)提供依據(jù)。

1 測井響應(yīng)計算方法

圖1 儀器運動軌跡示意和地層特征對比

通常根據(jù)視井斜角的大小，將井斜程度分為：垂直或近似垂直井(A<30°)、中等斜度井(30°80°)[19]。隨鉆核磁共振測井的特殊問題，決定了其敏感區(qū)域均為關(guān)于儀器中心軸對稱的圓柱殼[20]。在圓柱坐標(biāo)系中考慮問題更加簡便。測量過程中，儀器的響應(yīng)為采集時處于敏感區(qū)內(nèi)的儲層貢獻(xiàn)。在斜井中，儀器響應(yīng)的歸一化可表示為：

(1)

式中r0——圓柱殼的內(nèi)半徑，m；

R0——圓柱殼的外半徑，m；

L——敏感區(qū)高度，m；

SV——敏感區(qū)體積，m3；

rdrdψdzMD——剖分敏感區(qū)得到的體積元，m3；

Echo(zTVD,r,ψ)——敏感區(qū)中地層體積元對信號的貢獻(xiàn)，%。

此圓柱坐標(biāo)系隨著儀器運動而變化，坐標(biāo)系始終以儀器中心為原點，以鉆井軌跡上過儀器中心的切線為Z軸，當(dāng)視井斜角為0°時，即簡化為垂直井中的形式。在互相平行的水平無限延伸均勻地層中，由于井斜的存在，同一測量深度處，不同周向位置的體積元處于周向非均勻的地層之中，敏感區(qū)參數(shù)和測量深度與真實深度(TVD)的幾何關(guān)系將對隨鉆核磁共振測井響應(yīng)產(chǎn)生影響。

2 地層與儀器模型的設(shè)定

本文采用正演和反演相結(jié)合的模擬流程如下：①建立地層組合模型，包括地層厚度、T2分布形態(tài)和孔隙度等參數(shù)；②建立抽象的儀器模型和探測特性；③按照不同的測量參數(shù)模擬核磁共振測井在斜井中的采集；④對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行多指數(shù)反演，得到T2分布和孔隙度響應(yīng)。

2.1 層狀地層組合模型

建立的地層模型具有以下特征：水平層狀無限延伸地層、層內(nèi)地層性質(zhì)均勻、層間突變。單套地層模型的主要表征參數(shù)包括：厚度、孔隙度和地層核磁共振性質(zhì)(T2分布)；深度上包含9套地層(編號由上向下)，上下兩套地層為單峰T2分布，中間為具有單峰與雙峰分布特征地層的復(fù)雜交互層組合，如表1和圖1所示。

表1 地層模型參數(shù)

為考察不同地層厚度(薄互夾層)對核磁共振測井在斜井中的影響，第1、3、5、7、9號單峰地層厚度為1.0 m，第2、4、6、8號雙峰地層逐漸增厚，分別為0.2 m、0.4 m、0.6 m、0.8 m。地層孔隙度隨深度增加而交替變化，單峰地層孔隙度均為15%，雙峰地層孔隙度均為25%。雙峰地層的譜峰位置固定不變，分別位于12 ms和190 ms處；單峰地層譜峰位置分別為30 ms(1、5、9號)和75 ms(3、7號)。

2.2 儀器探測特性模型

根據(jù)對隨鉆核磁共振測井儀的關(guān)鍵問題和探測特性的分析，隨鉆核磁共振測井儀器具有單一工作頻率，敏感探測區(qū)域為圓柱殼。儀器不同時，圓柱殼大小不同，具體見表2。儀器運動方向沿鉆井方向向下，鉆進(jìn)速度較慢，深度采樣間隔5 cm進(jìn)行一次CPMG數(shù)據(jù)采集(設(shè)定回波間隔TE=0.80 ms，回波個數(shù)NE=500)，兩次采樣間儀器完成對地層的極化。探頭中心始終為儀器的深度記錄點。

表2 儀器探測區(qū)模型

3 復(fù)雜水平組合地層的響應(yīng)模擬與分析

首先，根據(jù)地層模型進(jìn)行正演模擬，計算出剖分后的每個體積元對回波串的理想貢獻(xiàn)；其次，在得到的理想回波串中加入隨機噪聲，通過隨鉆核磁共振測井儀在斜井中運動過程中的響應(yīng)(式(1))模擬采集過程；最后，應(yīng)用多指數(shù)反演算法求得包括隨鉆核磁共振測井的地層響應(yīng)。

3.1 直井中的響應(yīng)特征

直井中，測量儀器與地層界面垂直。由于地層為水平無限延伸的均勻地層，因此，探測深度對測量結(jié)果無影響，這種情況可轉(zhuǎn)化為文獻(xiàn)[15]中的模型。

如圖2所示，Tool-3在地層界面處的過渡段響應(yīng)明顯長于另外兩種儀器，即天線長度越長，T2分布上的地層界面特征越不明顯，地層過渡段越長。圖中第1～3道分別為Tool-1、Tool-2和Tool-3的響應(yīng)；第4道為3種儀器測量得到的孔隙度曲線(藍(lán)色：Tool-1；綠色：Tool-2；紅色：Tool-3)，下同。

圖2 井斜角為0°時(直井)3種儀器的地層響應(yīng)

由于Tool-1和Tool-2的縱向分辨率相對較高，因此，儀器的地層和界面響應(yīng)受圍巖的影響較小，地層厚度為0.2 m時仍能準(zhǔn)確反映地層孔隙度；而Tool-3得到的地層孔隙度受上下圍巖的影響較大，明顯低于真實值。隨著地層厚度的增加，Tool-2能準(zhǔn)確反映地層的真實T2分布形態(tài)；Tool-3得到的地層T2分布形態(tài)和孔隙度在地層厚度增加到0.6 m時，才逐漸接近模型。地層厚度達(dá)到0.8 m或者以上時，3種儀器均能準(zhǔn)確反映儲層T2分布形態(tài)和孔隙度。

3.2 斜度井中的地層組合響應(yīng)

3.2.1 中斜度井中的測井響應(yīng)

隨著井斜角的增加，儀器與地層界面的幾何關(guān)系開始變得復(fù)雜，探測深度對核磁共振測井相應(yīng)的影響開始顯現(xiàn)。井斜角為30°時，測量的深度點數(shù)略有增加(圖3)。地層界面處，3種儀器的T2分布響應(yīng)特征與直井時不同：地層界面沒有直井中明顯，底層界面過渡段變長；孔隙度曲線在地層界面處更平滑。

圖3 井斜角為30°時3種儀器的地層響應(yīng)

Tool-1在直井中準(zhǔn)確反映了0.2 m厚地層的T2分布和孔隙度；而在30°的斜井中，孔隙度明顯受到上下圍巖的影響(圍巖孔隙度低于目標(biāo)層段，導(dǎo)致層段的低于地層真實值)，T2分布形態(tài)也開始變化。在斜井中，由于受到探測深度影響，儀器圓柱殼的敏感區(qū)域在縱向上變長，所觀測到的上下圍巖的信息增多，影響了測量結(jié)果。Tool-2和Tool-3受井斜角和探測深度影響更大。

隨著地層厚度的增加，Tool-1和Tool-2都能準(zhǔn)確反映地層的T2分布形態(tài)和孔隙度信息；而Tool-3在地層厚度為0.4 m和0.6 m時，所得到的地層孔隙度較直井中的響應(yīng)有所改善，但仍明顯低于地層真實孔隙度。

3.2.2 大斜度中的測井響應(yīng)

井斜角增加到60°時，地層界面和目的層的響應(yīng)更加復(fù)雜。同一模型中，測量的深度點數(shù)相比直井和30°斜井明顯增多(圖4)。在敏感區(qū)域與三套地層的信息復(fù)雜的幾何關(guān)系的作用下，地層厚度為0.2 m時，Tool-1和Tool-2的孔隙度曲線中間出現(xiàn)一個下凹。Tool-1和Tool-2兩種儀器在目的層中的響應(yīng)特征不如30°時明顯，孔隙度曲線略顯粗糙，界面過渡段偏大。對于0.4 m、0.6 m和0.8 m厚的目的層，隨著井斜角的增大，目的層對敏感區(qū)的貢獻(xiàn)變大，測量結(jié)果受圍巖影響減少。Tool-1和Tool-2兩種儀器在目的層中的響應(yīng)特征不如井斜角為30°時明顯，Tool-3在這些層段比30°時清晰。

圖4 井斜角為60°時3種儀器的地層響應(yīng)

3.2.3 近水平井中的地層響應(yīng)

井斜角為80°時，儀器趨于水平，穿過整個地層采集到的測量點數(shù)急劇增加(圖5)。3種儀器的孔隙度曲線變化趨于相同?？紫抖惹€上，0.2 m厚地層的界面過渡段不如60°時明顯，都出現(xiàn)了“凹”字形。不同層厚地層的孔隙度曲線過渡段變化形態(tài)與60°時不同，過渡段前后變化情況大于中間段。地層厚度為0.4 m時，Tool-1和Tool-2的孔隙度曲線與60°斜井的情況接近；而Tool-3受圍巖的影響相對較小，高于60°斜井情況。在0.6 m和0.8 m厚地層中的Tool-3過渡段響應(yīng)稍長，T2分布形態(tài)上的過渡段也更平滑。Tool-3對0.6 m和0.8 m厚的地層響應(yīng)明顯好于60°斜井的情況。

圖5 井斜角為80°時3種儀器的地層響應(yīng)

4 結(jié)論與建議

隨鉆核磁共振測井儀器在復(fù)雜水平層狀地層組合中的響應(yīng)與大斜度井和水平井明顯不同：

(1)較薄目的層段的響應(yīng)容易受到界面上、下圍巖的影響。在相同厚度的地層中，井斜角越大，測量點越多，地層視厚度越大，地層界面處在T2分布上和孔隙度曲線上的過渡段也越長。

(2)斜井中，敏感區(qū)域的幾何形狀對隨鉆核磁共振測井響應(yīng)影響較大。天線長度越短，地層界面越明顯；探測深度越深，地層界面過渡段越長。

(3)儀器與地層的幾何關(guān)系不同，測量的結(jié)果可能與原始地層有較大差別；井斜角越大時的界面特征越不明顯，但目的層孔隙度受上下圍巖影響越小。