随钻电磁波电阻率测井的犄角效应

随钻电磁波电阻率测井的“犄角”效应

一、前言

近期，随钻电磁波电阻率测井资料中出现的一种被称为“犄角”的现象，引起了国内外专家教授、工程技术人员乃至地质家的关注，纷纷以极大的兴趣对其进行分析研究，发表文章介绍研究成果与认识，以期对其作出客观正确的阐述与解释。

目前，对于“犄角”的研究仍在深入进行中，对于它的认识和分析尽管不尽相同，甚至尚存争议，但对这一现象的破解必有积极的意义和作用。对“犄角”的地质和工程分析与应用更值得深入探讨与开发。

二、产生“犄角”效应的机理

对于“犄角”效应产生的机理，目前尚存在不同的见解与争论，在此无意参与其中，而仅以认识与分析问题的视角阐发一孔之见，

1、何为“犄角”效应

所谓“犄角”效应，是指井

眼轨迹以一定的交角进入地层

界面时，电磁波电阻率测井响应

在界面处产生的异常突变现象。

如图1所示，当井眼轨迹与

地层界面法线以θ角相交时在

地层界面处产生的“犄角”效应。

“犄角”一词来自英语“HORN”

有号角、角状物之意；其实古代

的号角也是牛角做的。这里是以牛角的形状形容电磁波电阻率测井响应的异常突变现象。

值得一提的是，有人把这一现象称为“极角”或“极化角”是不够妥当的，因为产生“犄角”效应的主要因素并非“极化”或“激化”问题。而是电磁波传播的边界效应与边值问题。

2、导致“犄角”产生的因素

究竟哪些因素导致“犄角”效应呢？一般认为有以下原因：

A、地层界面两侧地层电阻率对比度。地层电阻率对比度越大，“犄角”效应越明显。

B、井眼轨迹与地层界面法线的交角大小。交角越大，“犄角”效应越明显。当然，当井眼轨迹一定时，交角大小与地层产状也有关系。

C、井眼尺寸（井径）大小及仪器外径与井壁之间的间隙大小。间隙越大，对“犄角”效应的影响越大。

D、井内钻井液电阻率高低。在一般情况下，井内钻井液电阻率越低对“犄角”效应的影响越大。

尽管影响因素很多，但应当指出，每一单个因素都不是决定性的；“犄角”效应是一个综合响应；在此综合响应中，起主导作用的应是A、B两个因素。

3、“犄角”效应的机理

为什么以上因素会导致产生“犄角”效应呢？这需要做一些理论上的分析。为通俗起见，这里只引入一些概念及其相互关系，而不准备动用复杂的数学工具去做量值分析。如上所述，那么，这里也主要由此A、B两项阐释产生“犄角”的机理。

既然“犄角”产生于井轨迹与地层界面的交叉处，换句话说，即“犄角”的产生和井轨迹与地层界面相交的诸多因素有关，这样很自然地把问题归结到电磁波传播的边值条件与边界效应方面去了。这里边值条件主要是指：

a、地层界面两侧（上下）地层电阻率对比度

b、地层产状、非均质程度

c、井轨迹（亦即仪器轴线）与地层界面法线的交角大小

很容易理解，不同边值条件下，会引发各异的电磁波传播的边界效应，从而产生程度不同的“犄角”现象。

下面按井轨迹与地层界面法线夹角的大小，分别进行分析。这里假设三种情况：

a、井轨迹与地层界面法线夹角为零，即井轨迹与地层界面法线平行；

b、井轨迹与地层界面法线的夹角小于65o；

c、井轨迹与地层界面法线的夹角大于65o。

这三种情况基本涵盖了大斜度井和水平井钻井井斜度变化范围。下面的讨论都设定仪器发射天线在上，接收天线在下。

首先来看第一种情况。如图2

所示，井轨迹沿地层界面法线进入

地层，穿过地层界面。在这种情况

下，不会产生“犄角”效应，即不

会出现“犄角”。这是因为，在电磁

波法向穿过地层界面时，在层界面

上是连续的；穿过地层界面后，电

磁波在由发射天线到接收天线间距

内的地层中传播，仪器测量数据是此间距内地层电磁特性参数的综合平均响应；随着钻具和仪器的移动，仪器在每一采样点处测得的都是这样的综合平均值，不会产生异常突变，因此不会产生“犄角”。

下面再来分析第二种情况。如图3所示，井轨迹以小于65 o的θ角穿过地层

界面。在此情况下，一般不会有

明显的“犄角”效应。

这是因为电磁波传播和仪器

测量的连续性与综合平均性仍

然起作用，仍然是主导因素。也

就是说，只要界面上下电阻率对

比度不是特别大，界面处电阻率

的变化仍然是一个渐变或缓变

的过程，而不显现“犄角”现象。

第三种情况是我们最关注

的问题。这是因为在水平井的

随钻测井中，进入“A靶点”时

常遇到这种情况，而且“犄角”

效应也最明显。

如图4所示，井轨迹以大于

65 o的θ角穿过地层界面。这时

当远接收天线进入地层界面以

下时，测量信号就会产生突变，

表现在电阻率测量值上，就会呈现读数突然升高的现象；随着近接收天线靠近到穿过地层界面，在此过程中，电阻率数值快速升高；当近接收天线进到地层界面以下时，电阻率读数开始急剧下降，直到发射天线越过地层界面进入下方地层，电阻率读数才回到与地层电阻率量值相近的水平上。这一过程就是“犄角”形成的过程。那么“犄角”形成的机理是什么呢？下面试作分析讨论。

当井轨迹以接近90o的θ角进入地层界面时，在界面两侧电磁波的连续性和仪器测量的综合平均响应受到严重影响，对测量贡献不再起主要作用。远接收天线一旦进入界面下的地层，由于界面上下地层的电阻率对比度较大，引起波数K 急剧变化，从而导致电阻率测量值急剧变化。从几何光学的角度说，电磁波可以以“掠射波”进入界面以下的地层，从而在界面以下井壁附近地层产生沿井壁传播的滑行波（类似声波滑行波的产生与传播）。这时电磁波的传播和电阻率测量响应只与界面下地层有关，而不再是界面上下地层导电性的综合平均响应。因此，当θ角接近90 o时，随钻下井仪沿井眼轨迹穿越地层界面进入下部地层的瞬间，会产生测量响应的突变。

尽管在地层界面附近也许会产生诸如传导电流、位移电流电流密度的变化或电磁能流密度的变化，但从随钻电磁波电阻率测井的角度说，都是无关紧要的，都不是决定的因素。在此，可以认为根本的因素有三条，即井轨迹与地层界面法线的夹角；上下地层电阻率的对比度；地层界面附近媒质导电性与波数的变化。

三、“犄角”效应的应用

既然“犄角”效应与地层和地层边界电磁特性，特别是导电性（电导率σ）有关系，那么它在钻探工程和地质分析方面能派上一些用场。下面分几个方面对其应用作简要介绍。

1、钻进过程中的地质导向

地质导向在定向井和水平井钻探过程中是一项非常重要的工作，它关系到钻探质量和工程成败。钻探过程中的地质导向是一个综合性的分析判断过程，而不是靠单一的技术与信息。利用“犄角”效应可以帮助分析判断：

a、井是否钻到设计A靶点。

b、进入靶点的地层，深度是否与原设计一致；有多少偏差。

c、进入靶点后地层是否有变化；是否有水平层理影响。

d、井轨迹是否在设计地层界限之内；是否钻到地层界面（特别是上界面）。

当然，在地质导向分析判断过程中还要结合其他资料信息，作综合全面的分析。

2、地层评价中的地质分析

在地层评价过程中，需要对其作全面综合的地质分析，例如井所穿过的储层岩性、物性、含油性的变化和地层的非均质性、地质构造和沉积构造等。地层评价中，“犄角”在一定程度上有助于分析判断：

a、地层顶底界面及深度。

b、层内地层非均质性。

c、有无明显地质构造和沉积构造事件及其特征。

3、实例分析

图5是排601-36井的随钻伽马和电磁波电阻率测井资料，从图上可以清楚的看到，井轨迹以大约80 o的θ角进入目的层时，深探测电阻率曲线出现了明显的“犄角”，中、浅探测电阻率曲线上也存在有“犄角”现象，但不明显。这也正好说明了地层界面两侧地层电阻率对比度对“犄角”效应的影响，地层电阻率对比度越大，“犄角”效应越明显。

图6是排601-53井的随钻伽马和电磁波电阻率测井资料，从图上可以清楚的看到，井轨迹以大约77 o的θ角进入目的层时，深探测电阻率曲线出现了明显的“犄角”。

近年来，美国麦氏测井技术公司的周强博士对大斜度井和水平井的测井解释和其在地质导向上的实时应用进行了深入的研究，对井斜引起的电阻率异常进行了研究，他认为在井斜60 o时开始出现“犄角”效应，当井斜大于70 o时，电阻率曲线有明显的“犄角”效应，如图7所示。这与以上所作的分析具有很大的一致性。

四、结束语

“犄角”是在随钻电磁波电阻率测井应用实践中发现的一种异常现象，其本质是边界效应问题。尽管人们从不同角度对其进行了解读，但作为一项技术问题还有待作进一步深化研究。

图5 排601-36井随钻测井资料图6 排601-53井随钻测井资料

图7 井斜引起的电阻率异常示意图

以上站在现场的角度，以简约的语言作的最概念化的描述，并不足以说明问题，更缺乏严格和系统性。有些观点和描述也可能是错误的，仅供有兴趣的人士参考、指正。