随钻法成像的地层界面信息自动定量识别技术

摘要：快速、准确判定地层界面位置、厚度、倾角等参数是地质导向技术的迫切需要。提出一种利用随钻成像获取地层界面信息，并对地层参数进行自动定量识别的技术：一是根据测井曲线计算活度峰值，确定地层界面位置，利用活度门限、层均值、层厚度门限等参数去除不真实、不必要的地层界面，得到地层厚度。二是通过多方位曲线变窗长法，计算多条测井曲线的相关性，进而采用最小二乘拟合方法确定地层相对倾角和视倾向，推演得出地层倾角。三是应用基于LogPlus平台研制的软件模块，应用于实测数据处理，验证结果与Techlog等同类软件处理结果基本一致，25m长度内地层倾角误差小于0.5°。基于随钻成像的地层界面信息自动定量识别技术能够提供高可靠性的地层界面定量信息，基本符合实际测井及地质导向中对地层倾角精度等的要求，为未来智能钻井轨迹控制提供了有效算法和手段。

关键词：随钻成像;活度法;地层界面;地层倾角;倾角误差;地质导向;多方位曲线变窗长法

引言

随钻地质导向技术是地质工程一体化开发的核心技术之一[1]。该技术有效利用随钻测井信息实时识别地质目标，指导井眼轨迹调整，保证随钻仪器在油气藏中精准穿行，体现了现代钻井技术与测井、油藏工程技术的结合，现已被广泛用于页岩气水平井、煤层气多分支水平井等诸多开发场景，大幅提升了单井产能[2-3]。

地质导向决策是随钻地质导向技术的核心价值所在，如何实时修正钻前地质导向模型，是事关决策成败的关键因素[4]。王理斌等[5]提出了一种应用Workflow模块更新地质模型的研究思路，但其主要应用于构造简单地区。查树贵等[6]在区域地质特征研究的基础上，以地震剖面为初始地质导向模型，综合钻井、录井、常规随钻测井等多种数据信息，开展标志层特征分析、实时小层精细对比和速度场实时更新，建立了靶点深度和地层产状的综合预测方法，但该方法严重依赖地质导向人员工区经验，且受限于常规随钻测井数据的有限性，地层信息定量计算误差往往较大，容易导致计算结果脱离目标地层实际情况。随钻成像[7-8]测井技术的发展为解决上述问题提供了条件，但在地质导向作业过程中，工作人员往往仅利用成像测井正弦曲线幅度进行地层倾角计算[9]，未深⼊挖掘成像测井所能获取的地层信息。为此，本文提出了一种利用随钻成像得到地层界面信息，并对地层界面位置、厚度、倾角等参数进行自动定量识别的方法，为快速、准确识别地层界面信息提供了有效手段。

1活度法定量确定地层界面位置及厚度

地层界面信息一般通过测井曲线相对于地层特性的变化来获取。比如，伽马测井曲线是根据地层放射性随着钻井深度的变化来记录的，在井下岩性不尽相同的地质层分界面处，地层放射性会发生变化，急剧变化之处即为地层界面所在位置。再如，不同岩性的地层，导电性不同，电阻率值也不同，在两个地层之间，电阻率测井曲线同样有明显的变化。因此，可以采用活度法[10]实现地层界面位置的自动定量计算。此时测井曲线的动态变化可以用活度值来衡量。

1.1活度法原理

测井曲线的活度定义为(1)

其中，式(1)~(3)中，d的活度函数值用E(d)表示;原始测井曲线测量值用x(t)表示;在区间[d-Δ/2,d+Δ/2]内，测井曲线平均值用Ad表示;在计算活度时，所取测井曲线长度用Δ表示，简称“窗长”。相应的活度离散公式则为(4)其中，(5)(6)从活度离散公式可得出窗长内的方差。活度实际上表现为随机信号x(i)，依据此变量，可以描述测井曲线的动态性质。由此，当活度处于峰值时，测井曲线变化最为剧烈，此即代表了井下岩性不尽相同的地质层分界面位置。

1.2地层界面位置定量计算

依据活度定义可知，活度曲线的峰值即为局部极大值，对应于地层界面处。判别活度曲线的峰值可以利用活度曲线的一阶差分。使用u1、u2、…、un作为离散活度曲线值，则得出第i点的差分为(7)

由此，若di>0且di+1<0成立，则判定第i点为峰值处，其对应的深度点DEPi即为地层界面处。

1.3界面有效性识别

在特定地层中，一些微小变化和来自测井曲线的随机干扰都有可能使活度曲线产生局部峰值，这些虚假的局部峰值可能引起地层界面的误判。为了提升活度信息的准确度，应该依据实时的分层规则对虚假界面进行剔除，这里采用三种方法联合剔除虚假界面。

1.3.1利用活度门限剔除虚假界面

真正的地层信号与随机干扰信号累加，成为实时的测井信号。假设白噪声信号用xn(t)表示，它的功率谱为常数，即xn(t)的活度值也为常数。活度门限阈值可用噪声相应的活度值来表示。去除曲线中小于该门限的活度值，则剩余的大于该门限的活度值对应的地层界面即为有效地层界面。

1.3.2使用层均值法检查真假界面

假设通过活度门限的活度值累计有K个，则层界

面可能有K个。在第k个界面之上的第k层，得出测井数据平均值为;在第k层界面之下的第k+1层，得出测井数据平均值为+1。用S表示均值检验标准参数，若|+1|≥S成立，则表示在岩性上存在的显著差异来自于第k+1层与第k层之间，界面k有效;否则，界面k无效，将第k+1层与第k层组合为一层。

1.3.3利用层厚度门限法去除薄层

经过章节1.3.1和1.3.2的控制，已得到了基本上准确的地层界面。然而，这个结果包含薄层，依据测井分辨能力和实时地质状况，通常选择合适的地层厚度当作门限，去除薄层。例如，对于第k层，可以用ht和hb分别表示其上下界面深度。为其赋予厚度门限T，当hb-ht

1.4层厚度确定的局限性分析

章节1.2利用式(7)确定了地层界面位置DEPi，但两个相邻地层界面深度点之间的距离并不一定是地层的厚度，这是因为井眼并不一定是垂直于地层的，厚度的计算还需要考虑井斜和地层倾角。

2多方位曲线变窗长法计算地层倾角

当井眼穿过地层时，井眼会与地层之间形成一椭圆截面，该截面与井眼的夹角与地层倾角之间存在着线性关系。也就是说，通过计算该夹角可以推演地层倾角。

2.1相关对比法确定井眼与地层夹角

由于多方位曲线测量的对象是同一个地层，因此各曲线间存在着高度的相似性，最大相似点是井眼与地层间截面位置。

图1所示是多方位曲线变窗长法计算截面位置的原理图。将多方位曲线中的任何两条曲线X和Y离散化为数列Xi和Yi(i=1、2，…，N)，N为曲线离散化后的采样点数。如果Xi和Yi完全相似，则把曲线Yi乘以一个合适的系数a后就等于Xi，即：Xi=aYi。但在实际工作中，Xi和Yi不可能完全相似，只要求系数a能使Xi和Yi尽可能接近。从数理统计上讲，这就是考查均方误差的大小。一般地，在考查Xi和Yi的相似程度时，考察相关系数Rxy就可以了，即(8)分别为曲线Xi和Yi的平均值。相关系数Rxy的取值范围为[-1,1]。

井眼与地层相交的截面展开成平面后是一条正弦或者余弦线。因此，可以基于正弦或者余弦线计算地

层倾角，方程可设为(9)，其中，A表示正弦曲线幅度;y0表示正弦曲线基线;β表示相位。

对于多方位随钻测井数据来说，某些方位曲线在某些深度位置上可能存在异常值或者测量不准确，故需要采用多条方位曲线来计算。考虑到方程数大于参数个数，需要用最小二乘法算法求解。考虑到时间和计算量问题，需要选择合理的曲线条数参与计算。实验结果表明：采用6条曲线参与计算能满足精度和时间需要。曲线的周期即为图像宽度，故ω可知。那么，式(9)化为(10)(13)

解这个线性方程可得a0、a1和a2的具体值，进而(14)

2.2相对夹角与视倾向的计算

通过最小二乘拟合方法可以计算得到井眼轨迹与地层的相对夹角，相对夹角与视倾向的计算公式为令(15)(12)

采用最小二乘拟合方法，用矩阵形式表示法方系示意图，地层与井眼轨迹其他相对关系同样满足本文相关公式。

地层视倾角计算公式为(16)其中，γ为地层视倾角;α为从图像中提取得到的地层与井眼轨迹的相对夹角;β为井斜角。

当γ>0时，地层为下倾地层;当γ<0时，地层则是上倾地层。β为已知量。

3算法验证

使用长度40m左右的实测数据(低角度地层)进行地层倾角提取测试，使用中石化测件平台(LogPlus)进行计算，同时使用相同的实测数据在Techlog软件下进行倾角提取计算。实测数据中本井段内的井斜角为91°。具体的计算数据如表1、2所示，成图如图4、图5所示。图4、图5中所标示的倾角为提取出的井眼和地层的相对夹角，地层倾角采用式(16)计算。

对上述两组计算结果进行统计比较可知，井段内倾角的平均绝对误差为：0.453°(3.746°-3.293°)，小于0.5°，符合实际测井及导向中对于地层倾角精度的要求。

4结束语

活度法可以用于定量计算地层界面位置。多方位曲线变窗长法对多方位曲线进行地层倾角自动、定量计算具有显著的优势，能够大幅提升倾角提取的准确度，并且计算速度也能达到要求，但结果仍可能存在一些干扰信息，如虚假层界面和薄层干扰。但是，配以适当的假层剔除方法能得到符合率比较高的地层产状信息。本文提出的基于随钻成像的地层界面信息自动定量识别技术能够提供高可靠性的地层界面定量信息，基本符合实际测井及地质导向中对地层倾角精度等的要求，为未来智能钻井轨迹控制提供了有效算法和手段。

后续建议进一步研究本文提出的方法的适用范围，如智能钻井轨迹控制等，为未来钻井智能化提供有效算法和手段。

参考文献

[1]路保平,丁士东,何龙,等.低渗透油气藏高效开发钻完井技术研究主要进展要进展[J].石油钻探技术,2019,47(1):