CN108073765A - 一种水平井常规随钻测井地层界面识别与边界距反演方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水平井常规随钻测井地层界面识别与边界距反演方法，包括以下步骤：S1：建立常规随钻电磁波电阻率正演仿真数据库；S2：测井获得随钻电磁波电阻率测井响应和随钻方位成像测井响应；S3：利用S2获得的随钻方位成像数据进行地层方位识别和倾角计算；S4：根据S2电阻率测井数据、S3拾取地层方位和倾角建立初始地质模型。该方法利用常规随钻电磁波电阻率测井和传统随钻方位成像测井数据实现地层方位识别、边界探测、倾角提取和地层背景电阻率反演计算。在不增加测井成本的基础上对已有进行不同类型仪器优势互补、测井数据隐含信息挖掘，增加了测井数据利用效率，获得更全面地层倾角、方位、边界距信息。

Description

一种水平井常规随钻测井地层界面识别与边界距反演方法

方法领域

本发明涉及油田开发方法领域，特别是涉及到水平井生产井中，常规随钻电阻率测井和传统方位成像测井数据进行地层界面识别和边界距反演方法。

背景方法

地质导向方法是指在地质模型建立的基础上，基于随钻测井方法，结合录井、钻井等工程方法，对井眼轨迹进行监测和控制的方法。它把油藏地质、测井、工程方法及计算机融合为一体，保证实际井眼穿过储集层并取得最佳位置，从而最大限度地提高油层钻遇率与开发效益。20世纪90年代以来，电阻率、地层密度、自然伽马、中子孔隙度、声波、井径等仪器已逐步随钻化，改变了有线测井或钻后测井的局面，大大提高了随钻测井评价的及时性及有效性。1993年 Anadrill公司首次提出地质导向概念并研制出了第一套地质导向工具。此后，Halliburton，Baker Hughes INTEQ和挪威国家石油公司 (Statoil)等公司也相继研制出了他们各自的地质导向工具。几年前的地质导向方法还停留在一个简单的、模糊的、非量化的实时引导地层钻进的层面，为进一步提高实时决策能力，国外提出了地质导向矢量的概念及相应地质导向信息矢量化，进而量化边界探测，完成非平面地层结构的实时导向及实时解释。随钻测井方法的进步，从最初的探测深度较浅的无方向性测量发展到如今的具有大探测半径的方向性探边测量。方位电磁波传播电阻率较大的探测半径及边界响应特征有助于及早确定储层边界或油水、气水边界位置。

随钻测井己经成为大斜度井、水平井和小井眼侧钻多分支井油藏评价的重要手段，也是完成大斜度井、水平井钻井设计，实时井场数据采集、解释和现场决策以及指导地质导向钻井的关键方法。随钻测井方法能实时检测到地层变化以便及时对钻井设计做必要的调整，使钻头最大化地在油气藏中最有价值的地带钻进，对于高效开发复杂油气藏具有重要意义。然而，水平井和大斜度井环境下，随钻电阻率测井响应受地层各向异性、层厚、井眼等多种因素影响，测量数值与真实的地层电阻率值有一定偏离，有时会严重偏离。目前，基于方位随钻仪器的边界探测方法是最好的地质导向方法，斯伦贝谢、哈里伯顿、贝克休斯都有针对性地推出了具有自己特色的方位电阻率探边测井工具。如斯伦贝谢PeriScope随钻边界测量，具有较大的边界探测半径，包括地层边界和油水边界。仪器离钻头10-20米，能够识别出工具上下4-5米范围内的电阻率及其变化边界，当PeriScope随钻边界测量仪从低阻地层钻入高阻地层时，方向曲线为正信号，从高阻地层钻入低阻地层时，曲线呈负信号；如果仪器探测范围内没有明显的电阻率变化，则方向曲线为零。测量出的方向和电阻率可用来计算仪器到地面边界的距离和地层延伸方向。

但是国外地质导向方法过分依赖仪器装备升级，导致新型方位探边工具仪器结构复杂，服务价格高昂，同时国外随钻地质导向方法主要由斯伦贝谢、哈里伯顿、贝克休斯等垄断，在国内只提供服务，不提供方法转让。目前国内仪器装备的落后严重制约了地质导向的发展以及在国际市场上的竞争力。本方法通过方法的创新和攻关，弥补仪器装备的短板，通过电阻率-方位成像数据联合反演识别地层倾角、方位、边界距和计算层边界距，充分利用电磁波电阻率深探测的优势和方位成像的方向识别优势，优势互补，利用方法手段使得常规仪器具备方位探边仪器边界探测能力。

本方法能够准确识别地层界面与地层倾角、方位、边界距、实时监测井眼轨迹、有效修正导向模型，并最终提高油层钻遇率与开发效率。能够应对低阻低渗、薄层、底水油藏等地质情况复杂，开发难度大的油藏，使轨迹钻在储层的最佳位置，提高油藏钻遇率及单井产量，提高边际油田的开发效益。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有方法中存在的缺点，而提出的一种水平井常规随钻测井地层界面识别与边界距反演方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下方法方案：

一种水平井常规随钻测井地层界面识别与边界距反演方法，包括以下步骤：

S1：建立常规随钻电磁波电阻率正演仿真数据库。

S2：测井获得随钻电磁波电阻率测井响应和随钻方位成像测井响应。

S3：利用S2获得的随钻方位成像数据进行地层方位识别和倾角计算。

S4：根据S2电阻率测井数据、S3拾取地层方位和倾角建立初始地质模型。

S5：根据S4初始模型查询S1中对应正演库中模拟响应，对比测井数据建立阻尼最小二乘目标函数。

S6：求解S5中的目标函数最速下降方向，并修改初始模型，通过修改模型-查询响应-计算下降方向-精度控制不断循环，获得地层倾角、方位、边界距真实参数。

S7：根据反演结果绘制地层倾角、方位、边界距二维剖面图，格式化输出地层倾角、方位和边界距参数。

优选的，所述S1包括：

S11：设计不同层厚、地层倾角、层边界距离、电阻率和各向异性系数的地层模型。

S12：利用数值模拟方法计算上述设计的地层模型测井响应。

S13：收集不同地层模型响应建立模型正演仿真数据库。

优选的，所述S13中，利用收集到的不同地层模型响应建立模型正演仿真数据库，数据库存储参数及格式如下：

1)数据库中包含完整的模型参数信息，具体有：层厚、倾角、边界距、围岩电阻率、目的层电阻率、地层各向异性系数。

2)数据库中包含完备模型正演响应，具体结合仪器特点，包含所有源距、所有频率下的相位差电阻率和幅度比电阻率。

3)库中以模型参数为索引，模型响应为查询值进行排列。

本发明有益效果：本发明提出利用利用电阻率信号探测距离远的特征，进行边界距、层厚、地层电阻率和各向异性识别和反演，利用方位成像数据进行地层方位识别、地层倾角计算，充分考虑边界距、倾角、层厚、地层电阻率和各向异性对测量值影响的耦合，并通过建立完备正演库和最小二乘目标函数将二者联系起来，使得计算结果更精确。本发明在不增加现有测井方法成本的前提下完成对地层倾角、方位、边界距的识别和反演计算，能够获取更多的地层参数，更为行之有效的反应地层真实信息，为地质导向决策提供正确指导，同时也完善了现有测井评价资料；本发明使用同时提取到的倾角、层厚、边界距、电阻率和各向异性参数，更加贴近真实地层状况，得到全面地层倾角、方位、边界距信息，进行更为真实准确的地质导向决策制定。

附图说明

图1为本发明的水平井常规随钻测井地层界面识别与边界距反演方法流程图；

图2为本发明的水平井各向同性地层正演模型示意图；

图3为本发明的水平井各向异性地层正演模型示意图；

图4为本发明的大斜度井各向异性和各向异性地层正演模型示意图；

图5为本发明的特征信号探边能力考察图；

图6为本发明的特征信号探边能力随背景电阻率变化图；

图7为本发明的实施例中对某段实测水平井资料的地层倾角、方位、边界距反演结果绘制井眼轨迹-地层位置关系图；

图8为本发明的实施例中非对称仪器模型计算策略图；

图9为本发明的实施例中对称仪器模型计算策略。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的方法方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

一种水平井常规随钻测井地层界面识别与边界距反演方法，该地层界面识别和边界距反演方法包括：

S1：建立常规随钻电磁波电阻率正演仿真数据库也称模型库。

S2：测井获得随钻电磁波电阻率测井响应和随钻方位成像测井响应。

S3：利用随钻方位成像数据进行地层方位识别和倾角计算。

S4：根据S2电阻率测井数据、S3拾取地层方位和倾角建立初始地质模型。

S5：根据S4初始模型查询S1中对应正演库中模拟响应，对比测井数据建立阻尼最小二乘目标函数。

S6：求解目标函数最速下降方向，并修改初始模型，通过修改模型-查询响应-计算下降方向-精度控制不断循环(反演过程)，获得地层倾角、方位、边界距真实参数。

S7：根据反演结果绘制地层倾角、方位、边界距二维剖面图，格式化输出地层倾角、方位、边界距参数。

其中S1包括：S11：设计不同层厚、地层倾角、层边界距离、电阻率和各向异性系数的地层模型。

S12：利用数值模拟方法计算上述设计的地层模型测井响应。

S13：以及得到不同地层模型响应建立模型正演仿真数据库。

在S11中，设计不同层厚、地层倾角、层边界距离、电阻率和各向异性系数的地层模型依据以下准则：

1)模型设计充分考虑层厚、围岩、边界距、地层倾角、地层背景电阻率对测井响应的影响，各向异性地层同时考虑水平电阻率、垂直电阻率对测井响应的影响。

2)模型设计要考虑仪器量程和探测范围，结合区块地层背景设计单边界模型、双边界模型、多边界模型，模型参数不冗余、不遗漏。

在S12中，利用数值模拟方法计算地层模型测井响应，包含以下几个步骤：S121：求解给定边界条件下麦克斯韦Maxwell方程的问题，将Maxwell方程转化为波动方程：

其中，E表示电场强度；μ表示振幅；ω表示角频率；ε表示介电常数。

S122：结合边界条件波动方程归结为场能量泛函：

其中，表示目标函数；μ₀表示初始振幅；V表示求解区域；ω表示角频率；ε表示介电常数；J表示电流密度。

S123：应用有限单元剖分场域，并选取相应的插值基函数，对能量泛函进行空间离散，得到如下离散化泛函形式：

其中，A^e表示函数离散形成系数矩阵；B^e表示等式右端项离散矩阵；C^e表示函数值离散矩阵；E^e表示自变量矩阵；M表示自变量个数；上标T表示矩阵的转置；

S124：求解线性方程组得到所需的参数。

在S13中，利用得到不同地层模型响应建立模型正演仿真数据库，数据库存储参数及格式如下：

1)数据库中包含完整的模型参数信息，具体有：层厚、倾角、边界距、围岩电阻率、目的层电阻率、地层各向异性系数；

2)数据库中包含完备模型正演响应，具体结合仪器特点，包含所有源距、所有频率下的相位差电阻率和幅度比电阻率；

3)库中以模型参数为索引，模型响应为查询值进行排列。

S3中是通过利用方位测井曲线高程差和非线性拟合方法来提取地层倾角和方位角，具体步骤如下：

S31：利用方位伽马测井仪器测量的若干条方位伽马曲线进行倾角提取，对每条伽马曲线进行相关对比分析，得到对应地层的高程差，获取地层倾斜层面上的测量点；并通过以下方程来表示井壁与倾斜层界面相交的展开图：

y＝Asin(ωx-β)+y₀＝y₀+Acosβsin(ωx)+(-Asinβ)cos(ωx) (4)

式中，y表示井壁与倾斜层相交的函数值；A表示函数值变化振幅； y₀表示函数值y的均值；β表示函数值y所满足正弦函数的初始相位；ω表示函数值y所满足正弦函数的周期；

S32：通过非线性拟合求解方程(1)中的待定系数，利用最小二乘法得到的矩阵方程：

其中：a₀＝y₀，a₁＝Acosβ，a₂＝-Asinβ， a₀、a₁、a₂表示拟合的多项式系数；表示拟合函数时自变量取值；

S33：求解S12式，得正弦曲线参数表达式和和倾角倾向表达式：

倾角倾向表达式：

式中，D_ip表示倾角；D_ir表示倾向；D_el表示探测深度；y_min表示表示井壁与倾斜层相交的一周上最小值点。

S4是根据S2电阻率测井数据、S3拾取地层方位和倾角建立初始地质模型：

1)模型设计结合仪器结构特征，对于非对称仪器，仪器“由高阻进低阻”与“由低阻进高阻”测量值不等效，如图8中(a)-(b)、 (c)-(d)、(e)-()。做库需要做从高阻进低阻、从低阻进高阻两种情况。仪器结构周向对称：钻进方向上的属性相同时，相对倾角互为补角时测量值等效，如图中(a)-(c)-()、(b)-(d)-(e)。做库只需要做倾角小于90°的；反演时，相对倾角-钻进方向结合方位自然伽马、方位密度确定。

2)对于构轴向对称型仪器结，仪器“由高阻进低阻”与“由低阻进高阻”测量值等效，如图9中(h)-(i)、(j)-(k)。做库可只做从高阻进低阻情况。仪器结构周向对称：钻进方向上的属性相同时，相对倾角互为补角时测量值等效，如图中(h)-(k)、(i)-(j)。做库只需要做倾角小于90°的。

S5是根据初始模型对应正演库中模拟响应，对比测井数据建立阻尼最小二乘目标函数，具体步骤如下：

S51：从随钻电阻率测井曲线中提取指示界面、反映边界距信息的特征信号；

S52：考虑原始电阻率测井曲线、测井曲线提取特征信号，对不同曲线分配响应权重，建立阻尼最小二乘目标函数。

S51是根据测井数据进行特征信号提取，具体步骤如下：

S511：选取测井响应稳定、对各向异性敏感，探边能力范围大且分布均衡的四条高频电阻率曲线作为地质导向实时传输的探边电阻率曲线，要求特征信号随DTB的变化而单调变化(如单调减小)，以区分DTB大小，指示层边界。

S512：定义曲线分离因子,设4条不同探测深度曲线分别为PS、 PM、PD、AD，定义曲线间分离因子如下：

其他曲线间分离因子定义依此类推。定义特征信号(Characteristic Signal)如下：

CSA＝S₁₃ (13)

CSD＝S₁₄ (16)

其中，特征信号CSA用于指示各向异性地层；特征信号CSB用于指示层边界位置；特征信号CSC用于指示目的层-围岩电阻率对比度；特征信号CSD用于边界探测。特征信号基础上定义基于常规电阻率测井的地质导向信号CBGS，CBGS信号为以上四个特征信号的绝对值的最大值，具有DTB较大时信号值较小、DTB较小时信号值较大、探边能力较强的特性。

CBGS＝max[abs(CSA)，abs(CSB)，abs(CSC)，abs(CSD)] (17)

S52是根据测井数据和提取征信号建立目标函数，具体步骤如下：

假定y为实际测量的随钻测井曲线数据，f为数据模拟的随钻测井曲线，s为测井数据提取特征信号，g为模型正演提取特征信号，建立以下目标函数：

其中f为模型体的响应函数，g是模型特征信号响应函数，f、g是关于参量的非线性函数，是参数变量，a、b是权重因子。

S6求解目标函数最速下降方向，并修改初始模型，通过修改模型-查询响应-计算下降方向-精度控制不断循环(反演过程)，获得地层倾角、方位、边界距真实参数，具体步骤如下：

S61：通过梯度方法求解目标函数雅可比矩阵，形成雅可比线性方程组，求解方程组计算目标函数最速下降方向；

按照以下公式来计算目标函数的梯度：

其中，J(x)是的雅可比矩阵，是求解目标函数；

S62：利用黄金分割方法，在最速下降方向上确定步长；

S63：根据求得模型改变方向和改变步长，确定模型改变量，改变模型，完成一次迭代反演；

S64：设置迭代终止条件，循环调用迭代反演，直至满足迭代终止条件，输出结果，进入S107。

S107，根据反演结果绘制地层倾角、方位、边界距二维剖面图，格式化输出地层倾角、方位、边界距参数。通过反演得到的地层倾角、层边界距离、层厚，根据测量获得的井眼倾角、水平位移和垂直深度，确定井眼-地层位置关系。最终形成的地层倾角、方位、边界距二维图像显示在横向上，不同地层具有不同电阻率值，对应不同颜色，通过颜色变化可以判断层内电阻率变化、层界面位置变化以及层厚变化等；在纵向上，层内填充颜色变化代表层内随水平位移变化电阻率发生的变化，能够用来指示地层区域连续性的好坏(图7)。将成果图件按标准化数据格式输出，数据可导入商业软件，流程结束。

S7根据反演结果绘制地层倾角、方位、边界距二维剖面图，格式化输出地层倾角、方位、边界距参数，具体步骤如下：

S71：通过水平井钻遇层序和仪器探测半径，确定绘图层序关系；

S72：通过反演得到的地层倾角、层边界距离、层厚，根据测量获得的井眼倾角、水平位移和垂直深度，确定井眼-地层位置关系；

S73：根据反演得到的地层电阻率、围岩电阻率及电阻率在横向方向变化、在垂向方向变化，根据电阻率值转换成对应色度值，填充绘图区域。最终在纵向上，层内填充颜色变化代表层内随水平位移变化电阻率发生的变化，能够用来指示地层区域连续性的好坏。

S74：将成果图件按标准化数据格式输出，数据可导入商业软件。

本发明提出利用利用电阻率信号探测距离远的特征，进行边界距、层厚、地层电阻率和各向异性识别和反演，利用方位成像数据进行地层方位识别、地层倾角计算，充分考虑边界距、倾角、层厚、地层电阻率和各向异性对测量值影响的耦合，并通过建立完备正演库和最小二乘目标函数将二者联系起来，使得计算结果更精确。本发明在不增加现有测井方法成本的前提下完成对地层倾角、方位、边界距的识别和反演计算，能够获取更多的地层参数，更为行之有效的反应地层真实信息，为地质导向决策提供正确指导，同时也完善了现有测井评价资料；本发明使用同时提取到的倾角、层厚、边界距、电阻率和各向异性参数，更加贴近真实地层状况，得到全面地层倾角、方位、边界距信息，进行更为真实准确的地质导向决策制定。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本方法领域的方法人员在本发明揭露的方法范围内，根据本发明的方法方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种水平井常规随钻测井地层界面识别与边界距反演方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：建立常规随钻电磁波电阻率正演仿真数据库；

S2：测井获得随钻电磁波电阻率测井响应和随钻方位成像测井响应；

S3：利用S2获得的随钻方位成像数据进行地层方位识别和倾角计算；

S4：根据S2电阻率测井数据、S3拾取地层方位和倾角建立初始地质模型；

S5：根据S4初始模型查询S1中对应正演库中模拟响应，对比测井数据建立阻尼最小二乘目标函数；

S6：求解S5中的目标函数最速下降方向，并修改初始模型，通过修改模型-查询响应-计算下降方向-精度控制不断循环，获得地层倾角、方位、边界距真实参数；

S7：根据反演结果绘制地层倾角、方位、边界距二维剖面图，格式化输出地层倾角、方位和边界距参数。

2.根据权利要求1所述的水平井常规随钻测井地层界面识别与边界距反演方法，其特征在于，所述S1包括：

S11：设计不同层厚、地层倾角、层边界距离、电阻率和各向异性系数的地层模型；

S12：利用数值模拟方法计算上述设计的地层模型测井响应；

S13：收集不同地层模型响应建立模型正演仿真数据库。

3.根据权利要求2所述的水平井常规随钻测井地层界面识别与边界距反演方法，其特征在于，在S13中，利用收集到的不同地层模型响应建立模型正演仿真数据库，数据库存储参数及格式如下：

1)数据库中包含完整的模型参数信息，具体有：层厚、倾角、边界距、围岩电阻率、目的层电阻率、地层各向异性系数；

2)数据库中包含完备模型正演响应，具体结合仪器特点，包含所有源距、所有频率下的相位差电阻率和幅度比电阻率；

3)库中以模型参数为索引，模型响应为查询值进行排列。