随钻测绘技术新进展及启示

光新军 胡越发

(中石化石油工程技术研究院有限公司)

对于比较复杂的油气勘探开发储层，水平井井眼轨迹优化调整是钻井作业的主要难点。例如边底水油藏开发时，需要水平井井眼轨迹靠近目的层顶部，远离潜在油水界面，避免早期水淹，延长低含水采油期。普通的方向性测井及井筒成像测井受探测深度限制，只有当测量仪器非常靠近或者穿越地层边界时，才会有明显响应，给地质导向决策预留的空间较小，且会导致钻井效率低、频繁起下钻和额外测井作业等问题。

随钻测绘技术可以对井筒深部地层进行探测，在实时导向过程中尽早判定储层边界或油水、气水边界位置，为随钻实时决策提供更为准确的地层信息[1]，以优化调整水平井在储层内的井眼轨迹，有效解决水平井着陆及导向问题。近年来，随钻测绘技术成为油气行业发展的重点技术，各油田技术服务公司高度重视，投入大量资金进行研究，技术不断升级换代。及时了解国外随钻测绘技术的最新进展，对于优化我国该领域技术发展规划和科研方向，加快推进随钻测绘技术研发与应用，支撑油气高效勘探和效益开发具有重要意义。

随钻测绘技术是基于地层电阻率等随钻测井信息，与井下流体特性等多种信息相结合，通过对测量信息进行反演处理，识别井筒数十米外的地层和油藏边界，由地面软件完成随钻油藏测绘。该技术提高了随钻探测深度，具有普通方向性测井及井筒成像测井不具备的超深探测特性，能准确引导钻头在储层中的最佳位置钻进，及时识别前方“甜点”及储层边界，有助于及时调整井眼轨迹，提高储层钻遇率，达到提高单井产量、降低吨油成本的目的[2]。

随钻测绘技术主要应用于储层边界预测、地质导向、油水界面确定等，核心是方位电磁波电阻率测量技术。测量仪器采用轴向、倾斜、横向等天线组合，可指示地层各向异性，为地层边界识别提供数据支持。自2005年起，主要国际油服公司相继开发了多种具备方位探测能力的随钻方位电磁波电阻率测井仪器，其中以斯伦贝谢公司的PeriScope 15、哈里伯顿公司的InSite ADR、贝克休斯公司的AziTrak应用最为广泛[3]，其性能指标如表1所示。

表1 主要油服公司早期随钻方位电磁波电阻率测井仪器性能指标

近年来，随着测井仪器不断发展，随钻边界探测距离达到68m，钻头前探距离达到30m，并发展了随钻流体分析技术。依托先进的随钻测井仪器，各大油服公司陆续推出了多种随钻测绘技术。

储层随钻测绘方面，2015年斯伦贝谢推出GeoSphere储层随钻测绘技术，也被称为电磁法超前测量（Electro-Magnetic Look Ahead，EMLA），运用传播感应电阻率方法进行深部方位电磁测量。仪器有一个发射器和两个接收器，距钻头较近的发射器可以同时发射2～96kHz多达6个频率的电磁波，井筒径向探测距离可达30m。贝克休斯2016年推出VisiTrak随钻测井技术，可测量井筒周围的方位电阻率，探测井筒周围30m边界，并结合实时随钻反演和3D可视化技术，提供清晰的油藏结构信息，实现复杂油藏中井眼轨迹精准控制，提高钻井效率。哈里伯顿2018年推出EarthStar超深电阻率随钻测井技术，能够探测井眼周围68m范围内的油藏和流体边界，其测量工具通过方位电磁感应电阻率描绘井眼周围地质构造，与RoxC地质导向软件配合使用，实时提供油藏构造和流体边界的可视化解释结果，有助于将井眼轨迹控制在甜点区域内，从而提高油气井产量，并对潜在的钻井风险进行预测。

钻头前探测绘方面，斯伦贝谢2019年推出Irisphere随钻前探技术，哈里伯顿2022年推出BrightStar随钻前探技术，将电磁技术与先进的自动反演技术相结合，监测钻头前方地层特征，探测深度可达钻头前方30m，有利于优化钻井决策，提高作业效率，降低钻井作业风险。

流体随钻测绘方面，斯伦贝谢2017年推出SpectraSphere随钻流体测绘技术，可在钻井过程中随钻实现地层压力测试、井下流体分析及采样，通过深入了解流体组成和分布信息，提高对储层的认识，优化井眼轨迹。贝克休斯2018年推出FASTrak Prism随钻流体分析技术，利用可视近红外光谱仪和荧光光谱仪等先进探测设备，实时分析油藏流体特征。

为了提升复杂储层随钻测绘探测的精度，增加径向探测距离，国际油服公司近年相继开发了多层随钻测绘技术、三维油藏随钻测绘技术和深探测方位电阻率技术等新技术。

2.1 多层随钻测绘技术

多层随钻测绘技术可测绘井筒周围多个边界层，提供水平电阻率、垂直电阻率、地层倾角和方位角等参数信息，为复杂油藏提供精准的地质导向和随钻地层评估。斯伦贝谢2021年推出PeriScope Edge多层随钻测绘技术，采用行业内首个轴向、倾斜和横向的天线组合，通过具有多天线模块和多发射频率的新型深探测电磁波电阻率LWD来进行地层参数测量，以解释复杂的各向异性地层。测量结果结合先进的反演算法，可清晰测绘并揭示8个边界层，探测半径达7.6m。与传统随钻测绘技术相比，PeriScope Edge可大幅提高探测边界层数量和探测深度。

2.1.1 电阻率测量

新型LWD由6个发射天线（T1—T6）和4个接收天线（R1—R4）组成（图1a），其等效原理示意图如图1b所示，箭头表示天线力矩的方向。这些天线朝向不同的方向，以定向测量电磁响应。天线T1—T5和R1—R2分别为轴向发射器和轴向接收器，沿LWD轴向定向。发射器T6为横向天线，垂直于LWD轴向定向。接收器R3和R4相对于LWD轴向倾斜45°，方位角相差90°。轴向发射器有100kHz、400kHz、2MHz三个工作频率，横向发射器有100kHz、400kHz两个工作频率[4]。

图1 LWD天线构成与等效原理示意图

当LWD随钻柱旋转时，在每个旋转角度发射器都会激发特定频率的电磁波，电磁波与周围地层相互作用，接收器测量由相互作用信号引起的感应电压。然后将不同方位角下的原始测量电压组合起来，计算傅立叶系数。取决于发射器和接收器的方向，傅立叶系数可包括直流分量、一次谐波和二次谐波，通过构建最终的电阻率测量通道和电阻率图像，解释地质结构和地层性质。应用中选取不同数量、位置、方向的发射器和接收器组合，在不同频率条件下激发和采集电磁信号，实现LWD多种电阻率测量通道的选择，可进行常规电阻率测量、对称和反对称的方向性测量（对称测量对地层边界敏感，反对称测量对地层各向异性和倾角敏感）、深探测电阻率测量、发射器T6各向异性测量（测量电压对应的傅立叶系数的直流分量对地层电阻率各向异性敏感，一次谐波分量对附近地层边界敏感，二次谐波分量对电阻率各向异性和附近边界都很敏感，特别适用于对称和反对称方向性测量接近于零的薄层）。

2.1.2 参数反演

参数反演是高清一维反演，使用正则化Gauss-Newton优化算法来估算所有地层参数，使建模测量值与实际测量值在预定义的容差内相匹配[5]。参数反演在样本点以固定距离（通常为0.61m）沿井眼轨迹运行，在每个样本点定义了具有多个地层参数（包括倾角、层厚、水平电阻率和各向异性）的一维分层地层模型[6]，边界位置根据LWD所处空间的真实地层厚度来确定。反演期间，LWD在样本点附近沿近似直线轨迹进行测量，然后采用一维电磁正演建模程序对测量值进行评估。结合所有样本点的反演模型，创建二维地层属性图，显示井眼轨迹周围的地层轮廓。这种改进的新仪器和反演算法可以分辨0.3～1.8m厚的薄层，测量深度更大，可有效识别多层和薄层。

2.1.3 现场应用

截至2022年3月，PeriScope Edge多层随钻测绘技术已在各种地层中应用200余井次，运行超过10000h，完成了超过213km的地质导向作业。该技术可帮助钻井人员将油井部署在油藏最佳位置，提高钻井效率和单井产量，降低成本和风险[7-9]。例如，在辫状河流三角洲沉积内部署一口水平井，钻井过程中，轨迹逐渐由主河道向较细的支河道转移，沉积变化较大，储层连续性变差。当接近目标地层时，厚度逐渐减小，作业者采用多层随钻测绘技术对6m垂深距离之外的目标地层进行解释，并根据30m测深范围内的多层测绘结果及时调整轨迹，避免钻出目标地层，同时生成更平滑的井眼[10]。图2显示了PeriScope Edge多层随钻测绘技术与传统随钻边界探测技术反演效果对比[6]，红色部分为高电阻率储层，蓝色部分为低电阻率地层，与传统随钻边界探测技术相比，新一代多层随钻测绘技术可获得更精确的多个储层厚度和纵向分布信息。

图2 PeriScope Edge多层随钻测绘技术与传统随钻边界探测技术反演效果对比

2.2 三维油藏随钻测绘技术

三维油藏随钻测绘技术由多个横向二维反演切片实时生成三维油藏测绘图，实现高分辨率和探测深度之间的最优化，钻进时可及时更新油藏模型，为地质导向提供决策依据。斯伦贝谢2022年推出GeoSphere 360三维油藏随钻测绘技术，集成了可实时传输到地面的新型井下测量工具、适用于复杂油气藏的新型反演算法、可随钻实时解释计算模式。与前期技术相比，测量数据量增加了一倍，极大促进了井筒周围地层识别精度[11-12]。

2.2.1 方位电阻率测量

通过LWD进行方位电阻率测量，采用不同间隔距离的多个发射器和接收器，根据测量间距和地层电阻率使用不同的工作频率，测量的电阻率可用于一维多层反演的实时油藏测绘，描绘距离井筒30m以外的地层边界和流体界面，但忽略了油藏不同方向向井筒一侧的变化情况。为了准确描述井筒周围油藏的纵向和横向变化，需生成三轴坐标系下多种类型的方位电阻率测量值，并在至少两个维度上进行反演[13]。相对于三轴坐标系，三轴电磁发射天线和接收天线可产生多达9种不同的基本耦合。

2.2.2 二维反演

将电阻率测量值与浅层常规电阻率数据相结合进行二维横向反演，如图3所示，对称网格中，每个像素的电阻率和各向异性随二维像素平面图的两个定位角一起反演。以间距最远的发射天线和接收天线之间的距离作为标准，LWD之外两倍距离的区域被离散化，使用非均匀像素反演。反演中使用单个数据点或最长天线间距一半的数据窗口来估算二维平面内的电阻率各向异性及其定位角，采用云计算对传输到地面的测量值进行实时反演处理，利用已知角α和β将反演结果插值到三维体中，从而在多个二维反演中导出三维油藏图[13-14]。

图3 二维横向反演网格

2.2.3 现场应用

GeoSphere 360三维油藏随钻测绘技术已在多种类型的地层环境中测试及应用[15]。例如，中东地区利用该技术对砂体进行实时三维测绘，实现最佳井眼轨迹，使得油藏接触面积最大化；
北美地区使用该技术进行构造和地层表征，优化油田开发规划；
北海地区使用该技术集成多个尺度的测量数据，减少地质不确定性，最大限度优化井位和生产潜力。在北海地区碎屑岩储层的一口复杂结构储层水平井中，通过距离发射器16.3m和30.4m的两个接收器对深方位电阻率进行测量，每个接收器获取3个频率的全部深方位电阻率测量集，并与两个浅层常规阵列电阻率测量值相结合进行反演处理。通过9个二维方位反演结果生成三维储层图（图4），并对130m左右沿水平长度电阻率发生急剧变化的区域进行三维体反演，绘制储层横向和纵向变化[16]。

图4 使用9个二维方位反演结果绘制160m长的三维储层

2.3 深探测方位电阻率技术

深探测方位电阻率技术可精确绘制岩层和流体层的位置、厚度和电阻率，实现多层可视化，最大限度提高井筒与储层的接触面积。哈里伯顿公司2022年推出深探测方位电阻率技术StrataStar，可实时测量井筒周围9.1m范围内的地层和流体。

2.3.1 深探测电阻率测量

新一代LWD采用超深电磁波电阻率的增强型天线设计，包括主天线环（浅天线环）和次天线环（深天线环）[17-18]。浅天线环包含一个由多个同轴发射器和倾斜接收器组成的天线阵列，可产生方位电阻率信号。深天线环配备两个倾斜的发射器，倾斜发射器能够确定地层各向异性。通过连接主、次天线环，LWD可检测井筒上、下方0.3～9.1m范围内的地层边界。研究证明，如要达到9.1m的探测深度，发射器和接收器间距需大于3m，且工作频率低于250kHz。因此，次天线环使用两个工作频率为62.5kHz、125kHz和250kHz的倾斜发射器，与主天线环上的双倾斜接收器相距3.7m。主天线环的同轴发射器天线与接收器间隔0.4～1.2m，工作频率为2MHz和 500kHz。

2.3.2 一维反演

由于计算复杂度和计算能力的要求，可通过限制反演所需变量的数量来简化数学运算。初始一维反演假设电阻率变化只发生在井筒上方和下方，电阻率沿井筒方向和侧向两侧保持不变。运行数百至数千个模型，模型最多可达10层，每层用200个像素表示。由于反演不受约束，因此可以不使用偏移电阻率数据或单位厚度，对于地层和流体沿井眼轨迹发生明显变化的复杂井尤其有用。在单点反演中可以很好地反映井下地质情况，沿井眼轨迹的变化在一维结果中表现良好，但使用三维显示地质电阻率变化时，横向变化会发生严重扭曲[19]。通过优化反演，对LWD发射器和接收器进行升级开发，可实现对井筒周围地层浅层电阻率和各向异性的测量和解析。

2.3.3 现场应用

StrataStar深探测方位电阻率技术在阿拉斯加北坡油井中得到应用，获得的反演数据与现有数据极为吻合，并可提供多层电阻率边界等信息，帮助作业者更好地获取该地区复杂储层地质信息。在加拿大稠油井蒸汽辅助重力泄油（SAGD）作业中，该技术的应用扩大了砂岩地层产量，提高了稠油油藏采收率。在SAGD作业中应用于一对注采水平井，上方注入井距离下方生产井约5m，高分辨率随钻测绘最短采样间隔仅为16s，以适应152m/h的平均钻速。分别对两口井数据进行处理，揭示每口井上下5～6m处的高、低电阻率带（图5）。结合两口井反演结果，相互补充以获取更为完整、清晰的储层信息（图6），并根据井筒周围地质情况进行定制化完井设计，实现蒸汽利用的最大化[20]。

图5 SAGD两口井独立反演结果

图6 SAGD两口井反演结果叠加

3.1 认识

（1）随钻测绘技术集成了先进的深探测传感器、高精度电阻率测量工具、数据解释模型、可视化软件等关键设备和技术，可有效提高建井施工效率，优化井眼轨迹，提高油气产量，是油气工程技术重要发展方向之一。

（2）以斯伦贝谢、贝克休斯和哈里伯顿等为代表的大型国际油服公司，高度重视随钻测绘技术研发和成果产业化，推进高端技术发展，促进产品升级换代，形成了具有高精度、多边界、远距离探测功能的技术和系列产品。

（3）随钻仪器天线排列方式、发射器和接收器的距离和频率，是提升探测精度和增加径向探测距离的主要方式。合理的天线排列方式有利于提升信号精度，增加仪器探测距离。发射器与接收器距离较小时，可将仪器安装在钻头附近，增加前探距离，有助于更早地发现储层边界。通过适度增加发射器和接收器间距、降低工作频率，可有效提高探测深度。

（4）随钻测井仪器不断完善，数据处理技术不断提升，有助于通过电磁波的衰减和相位移得出更精确的地层电阻率和介电常数，进而获得更精确的探测结果。

3.2 发展建议

随钻测绘技术是钻井自动化、智能化的关键技术，涉及多个行业和学科交叉，技术复杂，工艺要求苛刻，研制难度大，引进成本和服务价格高。我国目前尚处于起步阶段，在方位电阻率测量、井下数据处理、数据高速传输、数据反演与测绘等方面，与国外先进水平相比仍存在一定差距，亟待重点开展攻关研究。

（1）方位电阻率测量技术。继续深化电磁波电阻率、成像电阻率等LWD仪器的自主研发，扩大探测范围和探测深度，拓展电阻率测量类型，提高测量分辨率，为随钻测绘技术提供硬件载体和数据支撑。

（2）井下数据处理。拓展LWD仪器功能，一是开展电阻率数据压缩，电阻率曲线具有极高的相关性和相似性，可达到极小的压缩率，大幅提升电阻率数据随钻传输能力；
二是开展随钻大容量数据存储，以便为电阻率测量功能及准确性验证、电阻率数据反演算法建立与测试、电阻率数据压缩研究提供丰富的数据资源。

（3）数据高速传输。有线钻杆技术虽传输速率高，但可靠性差且成本高；
EM-MWD的电磁信号容易对LWD电阻率测量造成干扰。因此，数据压缩配合MWD高速传输，作为提高电阻率数据有效传输带宽的技术手段，可实时传输随钻测绘所需的数据信息。

（4）数据反演与油藏测绘。探索建立并验证高清反演算法，利用LWD随钻存储的大容量数据创建数据库并不断完善，对照其他测井曲线建立电阻率反演算法，并持续修正算法模型；
与云计算相结合，进一步提高数据模拟及反演的实时性，实现油藏随钻测绘，精准解析复杂地质构造。