电阻率尖刺现象的解释

地质导向过程中电阻率曲线尖刺现象的解释
蔡远东,陈红昌
（中石化胜利石油工程有限公司钻井工程技术公司，山东东营）
摘要在随钻地质导向过程中，常常会遇到电阻率曲线出现Spike（尖刺）现象，尤其是在某些特殊的情况下，例如地层电阻与泥浆电阻对比非常明显的情况下，Spike现象常常会发生。

此外，因地层的非均质性、各向异性等因素以及当前所使用的LWD的特殊性同样也会产生Spike现象，本文就S4井的情况及LWD特殊性对该井出现的Spike现象作了合理化的解释并给出了相应的解决方法。

关键词随钻测井；Spike现象；非均质；各向异性；S4井
KEYWORD Logging while drilling ,spike effect ,
S4井是胜利油田钻井工程技术公司定向井伊朗雅达一期项目的一口水平井，设计井深3940米，水平段长900米，侧钻点井深2416米，A靶垂深2787米，87度稳斜至B靶，垂深2836米。

从该井的设计上看，水平段位移较大，纵向穿透很多层位，而且从该井直导眼电测情况来看，电阻率曲线起伏变化较大并且较为频繁，地层的电属性特征显示出很强的非均质性与过渡性。

通过随钻测井LWD实时监测所显示的情况来看，相同的井段电阻率曲线（对比电测曲线而言）显示出了剧烈的震荡，也即所谓的spike （尖刺现象），为进一步证实该现象产生的原因，我们针对S4井进行了多次复测，甚至更换仪器后再次进行复测操作，事实证明确实是因为地层物性较差以及电阻率本身特性原因造成spike现象的产生，从而打消了甲方针对该现象而造成对仪器性能怀疑的心理，也为今后在该类地区顺利施工打下了基础。

1Spike现象
Spike现象是在随钻地质导向过程中时常发生的一种现象，早期开发的随钻测井仪器无论是斯伦贝谢公司的ARC阵列感应随钻电阻率测井仪器，还是哈里伯顿公司的EWR PHASE系列的随钻测井仪器，或是其他以电磁波为基础的随钻测井仪器，在地质导向过程中都存在该现象。

虽然后来经过技术革新后解决了该问题，但从本质上讲该现象必然是会发生在这种类型的仪器设备上。

首先是该类型LWD本身的特殊性，如单向
发射，目前我公司的EWR Phase4就属于该种情况，4个发射极在仪器上方，2个接收级在仪器下方，而且发射频率都属于高频率范围，如1Mhz发射频率对应于深电阻率，2Mhz发射频率分别对应于中电阻率、浅电阻率及极浅电阻率，当仪器穿行于不同属性地层时，水平方向及垂直方向上的电阻率就会存在差别，这种差别直接影响到接收级接收到的幅值或相位移计算的结果，正因为存在这种特殊性，所以在实时监测过程中，特别是地层电阻率相对于泥浆电阻率对比很高的情况下，会出现Spike（尖刺）现象；其次是地层的非均质性或各向异性，地层的非均质性越强，也即地层电属性的渐变或过度性非常强烈，这样直接导致了该种LWD仪器测量时产生的spike现象。

2Spike现象的实例及分析
为进一步证实Spike现象产生的原因，我们在S4井施工时，除了实时追踪对比电缆测井曲线外，特别针对几个高电阻层段（也是曲线震荡较频繁的井段）做了多次复测对比，此外还参考了该地区其他几口井（如S23、S13、S2等）的情况，通过复测及邻井对比，我们给出了以下部分井段曲线图以供分析。

2.1S4井及S23井现场实例
S4井及S23井都位于在伊朗雅达瓦兰油区，从钻井设计上看，纵向上穿越的层位基本相似，唯一不同点在于，S4井主要开采Savak2号油层，S23主要开采Savak4号油层。

这两个油层物性差别较大，S4井油层处于构造边缘地带，无论纵向还是横向上油层物性变化都很大，而且纵向上穿越几十米厚的储层，因而出现Spike现象较为频繁，尤其是在电阻率较高的层段，曲线震荡更为剧烈；相对而言S23井开发的储层部位位于构造高部位，物性较好，曲线反应上也较为平滑，没有剧烈起伏变化，但从定向段的部分井段来看，同样存在高电阻层位，加之俩口井的泥浆性能基本一样，所以部分井段仍存在Spike现象，为此我们选取这两口井作为对比，以便于进行分析。

2.1.1地层电阻与泥浆电阻对比较高的情况下产生的spike现象
a) S4井，井段2850m～2870m，在该井段测得泥浆电阻率Rm=0.06～
0.11ohm.m ，随钻LWD实测地层电阻率Rt=200～1600ohm.m，如图一所示：
从随钻测井图中可以看出从2852米开始，测得地层电阻率从60ohm.m逐渐上
升，直至1600ohm.m到最大，然后逐渐下降，钻至2872米时又降至60ohm.m
左右。

该井段从实测的电缆测井曲线图中也可以看到电阻率曲线起伏变化落差
较大，“箱状”特征极为不明显。

另外，从上述实测的泥浆电阻以及地层电阻
来看，两者比值相差甚大，也即对比反差强烈，在曲线图中呈现高频率震荡，
形成锯齿状起伏频繁的不规则曲线，正是因为泥浆电阻与地层电阻对比相差太
大的缘故造成spike现象的产生。

Spike（尖刺现象）
图一：S4井2850m~2870m井段产生的spike 现象
b) S4井，井段2940m~2962m，实测泥浆电阻率Rm=0.09~ 0.11ohm.m ，随钻LWD
实测地层电阻率Rt=200～2000ohm.m 如图二所示：该井段特征与上图极为相似，主要原因是地层物性差，类似穿过一夹层，该井段曲线在电缆测井图中也较明显，反映出地层的非均质性较强，根据上述测得的泥浆电阻率及随钻LWD实测地层电阻率来看，造成spike的原因也与上图所反映的井段类似。

Spike（尖刺现象）
图二：S4井2940m~2962m井段产生的spike现象
c) S23井，井段2809m~2851m，实测泥浆电阻率Rm=0.09~ 0.11ohm.m ，LWD
实测地层电阻率Rt>200ohm.m 如图三所示：该井段与S4井2850m~2870m 相似，隶属同一个层段，从实测的电缆测井图中也可以看出电阻率变化较大，虽然电测曲线较为平滑，没有尖刺现象，但是电测所使用的是低频感应补偿测井，该方式极为恰当地解决了spike问题。

而相对于我公司的LWD电阻率来讲，非对称单向发射导致了spike现象的发生。

而且从实测的泥浆电阻率与随钻LWD地层电阻率对比来看，反差极为强烈，加之我公司LWD固有的特性从而导致spike现象的发生。

Spike（尖刺现象）
图三：S23井2809m~2851m井段产生的spike现象
2.1.2 LWD 自身特殊性及地层各向异性导致的Spike现象及分析
当钻入非均质性较强的地层时，特别是当地层的岩性变化较快时，这时由于LWD自身所固有的特性而导致曲线震荡频率较高，幅度变化较大，从而出现各种各样的效应导致了Spike现象。

a) 极化角效应导致的Spike现象[1] [2]
该效应反映的是在井斜角>50°情况下，电阻率传感器的发射极穿过了不同岩性的地层时导致的极化效应而产生的尖刺现象。

从下图所描述的LWD的结构及特征可以看出，LWD的4个发射级全部分布在仪器上方，分别对应4个不同探测深度的电阻率，LWD的2个接收级全部分布在仪器下方，对应于近接收和远接收，从下图可以看出，当电阻率传感器纵向上穿越好几个层位时，其在水平方向测得的电阻率Rh与垂直方向所测得的电阻率Rv是不相同的，但如果是在同一个层内的话，这两者所测得值应当是相同的，出于当前S4井或S23井的情况，情况恰恰相反，由于地层较强的过渡性导致电阻率传感器发射极及接收级都处于不同层位，因此当LWD的电阻率传感器处于这种情况下时，必然会在两个层位的边界产生极化效应，从而导致尖刺现象，该现象在S1井显示的更为突出。

下图所反映的就是电阻率传感器的发射极及接收级穿过了不同岩性的地层时导致的极化效应而产生的尖刺现象：
电阻率的2个接收极电阻率的4个发射极
极化角效应
图四：极化角效应
b)“佐罗”效应导致的Spike现象[1] [2]
该现象是在电阻率传感器的接收级穿过了2个不同岩性的地层时导致的“佐罗”
效应而产生的尖刺现象，该效应也是通常所讲的边界效应，当电阻率两个接收级处于电阻对比较高两个层位时，就必然会发生这种现象，曲线上表现出来的特征就是在层边界处产生两个反向的尖峰极值，从而导致了尖刺现象，如图五所示：
“佐罗”效应
图五：“佐罗”效应
c)“花边窗帘”效应导致的Spike现象[1] [2]
该现象主要发生在井眼不平滑的情况下，诸如使用马达定向时进行增斜或降斜施工操作而造成的井眼不平滑现象，在该情况下，当LWD仪器，特别是电阻率传感器穿过不平滑井眼段时，由于井眼的不规则，加之电阻率传感器探测距离有限，而且探测的距离也不尽相同，所以当电阻率传感器经过该不规则井段时就会产生像“窗帘”一样效果的电阻率曲线，即起伏变化频率较快，见图六所示。

窗帘效应
图六：“窗帘”效应
3Spike问题的解决方法
针对S4井及邻井S23的Spike情况的分析得知，其主要原因在于地层的各向异性、岩性变化较快、非均质性较强等因素的影响，加之目前LWD所固有的特性，从本质上讲并没有实质性的解决办法，但是为满足客户需求，达到随钻地质导向的实际价值，为客户提供宝贵的信息，使得油层穿透率最大化，从而进一步达到节约成本、产量最大化的目的，为此我们可以在以下几个方面做出改进：
1）修改平滑处理参数
通常按照平滑处理要求，平滑间距选择0.15米，窗长选择0.3米，这种参数设置对于数据采集密度较大，不存在spike的情况下较为实用，选择该参数不会发生数据失真现象，但对于存在严重spike现象的井来讲，使用该参数将使曲线看上去非常不平滑，存在严重的曲线震荡现象，无法对比地层，因此需要重新调整平滑参数，对于S4井我们将平滑间距选择0.15～0.2米，窗长选择1米，这样曲线看起来就相对平滑一点，少了很多尖刺，虽然曲线起伏变化没有得到根本性改善，但对于地层对比来讲，特别是对于存在诸多夹层时进行地层对比时较为准确一点。

但同时选用该平滑参数也有缺点，因为窗长增加后相应的数据的失真度也就高了，对于极薄的地层对比来讲非常不利，而S4井虽然储层物性较差，过渡性也较强，但薄层较少，选用1米的窗长也不会影响对比。

2）选用不同频率组合的LWD仪器
目前我公司使用的LWD仪器存在一定缺陷，即对于类似S4井情况的特殊井来讲，无法从根本上消除Spike现象。

因为不仅其发射频率高而且频率较为单一，仅1Mhz 和2Mhz两种，并且是单向发射单向接收，这样势必产生诸如S4井频繁的Spike现象，相对于电缆测井而言，雅达地区导眼段采用的是感应测井，感应测井使用的发射频率较低（20Khz～200Khz），而且采用对称互补式测井方式，这样在很大程度上消除了Spike现象，目前哈里伯顿就采用EWR-M5电阻率传感器来消除这种Spike现象，同样斯伦贝谢也采用了ARC VISION多频补偿随钻测井仪器来解决Spike问题。

3）选用对称发射电磁波的LWD仪器
从电磁波传播理论得知，电磁波在传播过程中会受到传输电介质影响，而且频率越高，影响越大，之所以选择频率在100Khz～2Mkz之内，是因为在该波段内，电磁波的传播受传输介质的影响较小，电磁波经发射极发射传播到地层而后再到达接收级时的信号强度适中，而且较低的频率会得到很好地效果，在接收级接收到的信号的强度也较高，这有利于我们测量地层物理参数；高于10Mhz的电磁波在地层中传播时能量大部分被吸收，回到接收级的能量极小，这对于测量幅值或相位电阻率的仪器而言极为不利；而低于100Khz以下的电磁波在介质中传播时容易产生“涡流”效应，
也即在发射与接收级之间产生“短路”现象，这种电磁波无法穿过地层，从而也无从测量地层电属性参数。

因此当选择1Mhz以下100Khz以上的频率时，诸如200、400Khz的电磁波，其探测深度更深，测量值也越准确，而且受地层各向异性的限制也较小，加之对称发射又起到电阻率补偿作用，所以在类似S4井地层的情况下可以选择低频、对称发射的LWD仪器来消除地层非均质带来的不利影响。

使用公司目前的SL6000系统可以较好地解决该问题，因为SL6000是对称发射电磁波的电阻率仪器，该仪器起到一个补偿的作用，从而使得曲线看上去较为平滑。

4结论
根据上述内容分析可以得知，产生Spike（尖刺）现象的原因有很多方面，既有地层本身因素的影响，诸如地层的非均质性、各向异性等，也有泥浆体系的因素，诸如泥浆的矿化度、导电性等，同时还存在LWD仪器本身因素，诸如发射频率、对称发射与否等等原因而造成的极化效应、边界效应、“佐罗”效应等而产生Spike现象，该现象的出现不利于现场地质师对当前出现的地层信息做出准确的地层对比与评价，从而达不到应有的地质导向效果。

为此我们在滤波方面做了调整，但是该方法并不能从本质上解决Spike问题，而且还有可能造成数据的失真，因此，要从根本上解决该问题需要使用新技术、新仪器，诸如多频补偿电阻率、低频对称双边发射电阻率传感器等，这样在地质导向过程才能发挥仪器的真正作用，达到导向目的。

第一作者简介：蔡远东（出生于1981年），男，汉族，籍贯四川通江，毕业于中国地质大学获学士学位，就职于中石化胜利石油工程有限公司，中级工程师，从事地质导向施工。

地址：山东省东营市；
单位名称：中石化胜利石油工程有限公司钻井工程技术公司定向井公司；
邮政编码：436700；
电话：0546-8735695；
E-mail：999yuandong@
参考文献
[1]Sperry-Sun, a Halliburton Company, LWD Log Quality Control Guide v5.1 .1999。

[2]Sperry-Sun, a Halliburton Company, LQA EWR P4 .1999。