介電掃描測(cè)井技術(shù)在長(zhǎng)慶油田的應(yīng)用

程玉梅，張小剛，魏國(guó)

（1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司勘探部，陜西西安710018；2.斯倫貝謝中國(guó)公司，北京100015）

介電掃描測(cè)井技術(shù)在長(zhǎng)慶油田的應(yīng)用

程玉梅1，張小剛1，魏國(guó)2

（1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司勘探部，陜西西安710018；2.斯倫貝謝中國(guó)公司，北京100015）

低孔隙度低滲透率的儲(chǔ)層中孔隙結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，地層水礦化度未知，利用電阻率區(qū)分流體性質(zhì)困難。介電掃描測(cè)井儀器采用鉸接式極板，有4種不同的頻率，具有不同的探測(cè)深度，最深可達(dá)到4in，能夠測(cè)量地層介電常數(shù)。油氣和水的介電常數(shù)差異很大，介電掃描測(cè)井通過反演得到的介電常數(shù)計(jì)算侵入帶內(nèi)的含水孔隙度，與常規(guī)測(cè)井或核磁共振測(cè)井得到的總孔隙度對(duì)比得到侵入帶內(nèi)的油氣飽和度。介電掃描測(cè)井技術(shù)除可以得到地層的含水孔隙度外，同時(shí)能得到反映巖石結(jié)構(gòu)的參數(shù)m、n或者陽離子交換能力。介紹介電掃描測(cè)井的基本方法、工作原理和應(yīng)用。對(duì)長(zhǎng)慶油田介電掃描測(cè)井實(shí)例進(jìn)行了分析，測(cè)井解釋結(jié)果與試油結(jié)論一致。

測(cè)井解釋；介電掃描測(cè)井；介電常數(shù)；儲(chǔ)層評(píng)價(jià)；流體性質(zhì)；長(zhǎng)慶油田

0 引 言

20世紀(jì)80年代引入的介電測(cè)量技術(shù)因測(cè)量的限制、精度一般及質(zhì)量控制的缺乏，未能廣泛應(yīng)用［1］。新一代的介電掃描測(cè)井儀克服了這些局限性，可用于精確地層評(píng)價(jià)。在低孔隙度低滲透率的儲(chǔ)層中，利用電阻率區(qū)分流體性質(zhì)有很大的局限性，介電掃描測(cè)井利用油氣和水的介電常數(shù)差異大的特性區(qū)分流體類型具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。自2008年斯倫貝謝公司推出介電掃描測(cè)井以來，國(guó)外在不同類型的儲(chǔ)層中都進(jìn)行了大量的采集。本文在介紹介電掃描測(cè)井方法的基礎(chǔ)上，分析了介電掃描測(cè)井在長(zhǎng)慶油田測(cè)井解釋中的嘗試，并給出了初步的應(yīng)用結(jié)論。

1 介電掃描測(cè)井技術(shù)

介電掃描測(cè)井測(cè)量地層的介電常數(shù)。介電常數(shù)是物質(zhì)的基本物理屬性，介質(zhì)在外加電場(chǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電荷而削弱電場(chǎng)，原外加電場(chǎng)（真空中）與最終介質(zhì)中電場(chǎng)的比值即為介電常數(shù)，又稱相對(duì)電容率。在真空中電磁波從發(fā)射器到接收器，信號(hào)的幅度和相位沒有任何變化。但如果同樣的電磁波在介質(zhì)中傳播，信號(hào)的相位和幅度都會(huì)發(fā)生變化，這些變化與發(fā)射器到接收器的距離和其中的介質(zhì)有關(guān)（見圖1）。在高頻段，信號(hào)幅度的變化主要與介質(zhì)的電導(dǎo)率有關(guān)而相位的變化與介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)［2］。

圖1 電磁波的傳播

介電屬性可以和巖石物理參數(shù)聯(lián)系起來，在介電掃描測(cè)井的頻率范圍內(nèi)，導(dǎo)致介電極化的因素主要有3種（見圖2）。第1種稱為電子極化，在沒有外加電磁場(chǎng)時(shí)，電子云和原子核的電荷中心重合，對(duì)外顯示不出極化特性，當(dāng)施加一外加電場(chǎng)時(shí)，原子中的電子云和原子核的等效電荷中心不再重合，從而形成電偶極矩。不同的流體和礦物其介電常數(shù)是已知的，比如油的介電常數(shù)為2.2，石英的介電常數(shù)為4.65。第2種是取向極化，對(duì)于一些極性分子由于結(jié)構(gòu)上的不對(duì)稱而具有固有電矩，比如水分子中有2個(gè)氫原子和1個(gè)氧原子，在無外加電場(chǎng)時(shí)，由于熱運(yùn)動(dòng)，這些分子的取向完全是無規(guī)律的，電介質(zhì)在宏觀上不顯示電性。在外電場(chǎng)的作用下，每個(gè)分子的電矩受到電場(chǎng)的力矩作用，趨于同外加電場(chǎng)平行，即趨于有序化從而對(duì)外呈現(xiàn)出電矩，水的介電常數(shù)可高達(dá)80，相比油氣和巖石高出1個(gè)數(shù)量級(jí)。第3種主要的極化機(jī)理叫做界面極化。由于電介質(zhì)組分的不均勻性以及其他不完整性，例如雜質(zhì)、缺陷的存在等，電介質(zhì)中少量自由電荷停留在俘獲中心或介質(zhì)不均勻的分界面上而不能相互中和，形成空間電荷層，從而改變空間的電場(chǎng)。從效果上相當(dāng)于增強(qiáng)電介質(zhì)的介電性能。

圖2 3種主要的極化機(jī)理

總的介電常數(shù)是一個(gè)復(fù)函數(shù)，其實(shí)部為相對(duì)介電常數(shù)，虛部為電導(dǎo)率、電磁波頻率的函數(shù)。在高頻段，比如介電掃描的最高頻率1GHz時(shí)，可以用復(fù)反射指數(shù)模型（CRIM）描述這種疊加［3］。

式中，ε＊為總的有效介電常數(shù)；εr為相對(duì)介電常數(shù)；σ為電導(dǎo)率；ω為電磁波的頻率；ε0為真空中的介電常數(shù)；φT為總孔隙度；Sw為含水飽和度；εo為油氣的介電常數(shù)；εm為巖石骨架的介電常數(shù)為水的介電常數(shù)，是溫度、礦化度和壓力的函數(shù)。

式（1）、式（2）是老一代介電測(cè)井儀器求取含水飽和度的關(guān)系式。骨架部分的介電常數(shù)由常規(guī)測(cè)井曲線得到的礦物模型提供，然后假定水的介電常數(shù)，孔隙度可以通過密度、中子或者核磁共振測(cè)井提供，油的介電常數(shù)是已知的，如此就可以得到介電測(cè)井探測(cè)范圍內(nèi)含水的孔隙度也就是φT與Sw的乘積。

實(shí)際上介電常數(shù)和電導(dǎo)率都是頻散的，即其值隨著頻率的不同而變化。如圖3所示介電常數(shù)隨著頻率的升高而降低，電導(dǎo)率隨頻率升高而增大。導(dǎo)致頻散的原因包括孔隙度、含水飽和度、水的礦化度、溫度、巖石結(jié)構(gòu)和巖石表面積等。新一代的介電掃描測(cè)井儀器可以測(cè)量這一頻散，然后通過反演得到地層水的礦化度、反映巖石結(jié)構(gòu)的參數(shù)等。

介電常數(shù)可以用式（3）表示

式中，Btexture表示巖石結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖3 介電常數(shù)和電導(dǎo)率的頻散

目前已經(jīng)有多種不同的模型分析巖石骨架、流體的組合形式及其對(duì)頻散的影響［4］。因此通過該模型除了可以得到地層的含水孔隙度外，同時(shí)能得到反映巖石結(jié)構(gòu)的參數(shù)m、n或者陽離子交換能力［5－6］。

2 介電掃描測(cè)井儀

新一代介電掃描測(cè)井儀采用了全鉸接式極板，可確保極板與地層很好接觸。鉸接式極板是圓柱形，天線設(shè)計(jì)成磁偶極子，通過井徑儀推靠臂將極板推向地層，使發(fā)射器和接收器緊帖到井壁上。儀器具有2個(gè)偶極子發(fā)射器（TA，TB）位于極板中間，在其兩側(cè)對(duì)稱分布有4對(duì)磁偶極子接收器（RA1－RA4，RB1－RB4），同時(shí)還有2個(gè)電子探頭（PA，PB），用于測(cè)量泥餅的物理特性。儀器的極板結(jié)構(gòu)如圖4所示，2個(gè)發(fā)射器和8個(gè)接收器中的每一個(gè)都可以在縱向和橫向模式極化下工作。介電掃描有4個(gè)不連續(xù)的工作頻率，其頻率范圍從20MHz到1GHz，每個(gè)測(cè)量周期包括72個(gè)幅度測(cè)量和72個(gè)相位測(cè)量，通過多組發(fā)射器－接收器組合進(jìn)行井眼補(bǔ)償。其探測(cè)深度與發(fā)射頻率、發(fā)射器－接收器間距與地層特性有關(guān)，其范圍在1～4in＊＊非法定計(jì)量單位，1in＝25.4mm；1mD＝0.98×10－4μm2，下同之間，縱向的分辨率可高達(dá)1in。介電掃描測(cè)井儀的主要優(yōu)點(diǎn)：采用了鉸接式極板；有4種不同的頻率，能夠探測(cè)電子極化、取向極化和界面極化機(jī)理；發(fā)射器和接收器都是偶極子探頭，能夠測(cè)量地層的各向異性信息；4種不同的發(fā)射器－接收器源距；具有不同的探測(cè)深度，最深可達(dá)到4in；具有專用的處理軟件簡(jiǎn)化了資料的處理解釋。

介電掃描測(cè)井儀的主要應(yīng)用：①在低礦化度地層水、淡水和地層水礦化度未知的儲(chǔ)層中提供侵入帶的含油氣飽和度；②在碳酸鹽巖儲(chǔ)層中提供孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)m、n；③在砂巖地層中計(jì)算地層的陽離子交換能力CEC；④在稠油油藏中提供關(guān)于油流動(dòng)能力的信息。

圖4 介電掃描測(cè)井儀探頭結(jié)構(gòu)

3 介電掃描測(cè)井的應(yīng)用

圖5 A井延9段常規(guī)測(cè)井解釋綜合圖

A井為長(zhǎng)慶油田的1口油探井。圖5為延9段的測(cè)井解釋綜合圖，2 025.5～2 040.2m井段為一較厚的砂體，該砂體的電阻率自上而下逐漸降低，在2 038.0～2 039.0m井段陣列感應(yīng)探測(cè)深度90in的電阻率小于2Ω·m，10in探測(cè)深度的電阻率為6Ω·m，呈明顯的高侵特征，電阻率曲線內(nèi)凹的形態(tài)明顯，聲波時(shí)差為270μs／m，密度為2.43g／cm3，中子孔隙度為24%，測(cè)井解釋的孔隙度為16%，錄井顯示很微弱，測(cè)井解釋下段為水層。2 029.0～2 032.5m井段電阻率相比下部而言高，但也是高侵的特征，流體性質(zhì)不好解釋，常規(guī)測(cè)井把上段解釋為干層和水層。圖6為A井延9段介電掃描測(cè)井的處理成果圖。圖6中第1道是不同頻率的介電常數(shù)（左側(cè)）和電導(dǎo)率（右側(cè)），可以看到介電常數(shù)與下部相比稍小而電導(dǎo)率稍低。第2道黑色曲線為常規(guī)曲線計(jì)算的總孔隙度，深蘭色虛線為介電測(cè)井掃描得到的含水孔隙度，二者的差異代表油的體積，2 029.0～ 2 032.0m井段的差異明顯，而下部砂層段則基本重合。第3道為介電掃描測(cè)井得到的含油飽和度?？梢钥吹? 029.0～2 032.5m井段介電掃描測(cè)井得到的含油飽和度超過40%，而下部砂層為0，因此解釋上部為油層。對(duì)2 029.0～2 031.0m井段射孔，初產(chǎn)油6.04t／d，說明介電掃描測(cè)井結(jié)果正確。

圖7是A井長(zhǎng)82段測(cè)井解釋綜合圖。2 610.0～2 625.0m井段是相對(duì)比較均質(zhì)的砂體。該段的聲波時(shí)差為240μs／m，密度為2.42g／cm3，中子孔隙度為20%，探測(cè)深度90in的深感應(yīng)電阻率為20Ω·m，探測(cè)深度10in的感應(yīng)電阻率為30Ω·m。其他探測(cè)深度的感應(yīng)電阻率與90in的重合，巖心分析孔隙度為14%，滲透率為1mD，含油飽和度為20%。2 613.0～2 625.5m井段進(jìn)行了鉆井取心，取心描述含油級(jí)別為油斑和油跡，局部無油氣顯示，說明含油并不均勻，常規(guī)測(cè)井解釋為油層。圖8為A井長(zhǎng)82段介電掃描測(cè)井的處理成果圖。從介電掃描測(cè)井得到的含油飽和度（左數(shù)第3道）可看到含油飽和度在縱向上變化較大，高的可超過40%，低的為0，對(duì)比該飽和度曲線和巖心的含油性描述可發(fā)現(xiàn)二者具有很好的一致性，取心描述為油斑，介電掃描測(cè)井的飽和度為40%左右，比如2 616.0～2 621.5m井段，取心描述無顯示的層段比如2 622.5～2 624.5m，介電掃描得到的含油飽和度也很低，除局部有些高尖子外多為0。由此可見介電掃描測(cè)井與巖心的對(duì)應(yīng)性很好，并且具有很高的縱向分辨率。該段試油日產(chǎn)油33.66t，無水，結(jié)論與介電掃描測(cè)井解釋結(jié)果一致。

圖8 A井長(zhǎng)82介電掃描處理成果圖

4 結(jié)論與建議

介電掃描測(cè)井在設(shè)計(jì)上具有明顯的理論優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)能夠很好地解決復(fù)雜儲(chǔ)層、地層水礦化度未知情況下流體識(shí)別的問題。同時(shí)儀器具有很高的縱向分辨率，這對(duì)于儲(chǔ)層內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征的精細(xì)刻畫是非常有利的。

介電掃描測(cè)井的最大探測(cè)深度為4in，在泥漿侵入較深的情況下得到的都是侵入帶的油氣飽和度，因此還需要結(jié)合其他測(cè)井資料進(jìn)行測(cè)井解釋。新一代介電掃描測(cè)井技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用剛剛展開，相信隨著采集井?dāng)?shù)的增多，其價(jià)值將逐步體現(xiàn)出來。

［1］ Mehdi H，Heri B.Dielectric Dispersion：A New Wireline Petrophysical Measurement［C］∥SPE 116130，2008.

［2］ Jonathan M，Shyam A.Wireline Dielectric Measurements Make a Comeback：Applications in Oman for a New Generation Dielectric Log Measurement［C］∥SPWLA 51st Annual Logging Symposium，2010.

［3］ Wharton R P，Hazen G A，Rau R N，et al.Electromagnetic Propagation：Advances in Technique and Interpretation［C］∥SPE 9267，1980.

［4］ Romulo C，Eric D，Jim H.Dielectric Logging New Technology and Application［J］.Oilfield Review，2011，Spring.

［5］ Seleznev N.Dielectric Mixing Laws for Fully and Partially Saturated Carbonate Rocks［C］∥SPWLA 45th，Annual Logging Symposium，2004.

［6］ Seleznev N.Formation Properties Derived from Multifrequency Dielectric Measurement［C］∥SPWLA 47th，Annual Logging Symposium，2006.

Application of Dielectric Scanner Logging in Changqing Oilfield

CHENG Yumei1，ZHANG Xiaogang1，WEI Guo2
（1.Exploration Department，PetroChina Changqing Oilfield Company，Xi’an，Shaanxi 710018，China；2.Schlumberger China，Beijing 100015，China）

It is difficult to determine fluid types in low porosity and permeability reservoirs with very complex pore sizes and unknown water salinity.Dielectric scanner logging tool uses gemel poles with 4kinds of frequencies，and has different probing depths with 4in deepest depth，and can measure formation permittivity.Permittivity difference of hydrocarbon and water is bigger.Water porosity of the invaded zone is estimated through the permittivity by inversion，then hydrocarbon saturation is got by comparing the total porosity from conventional log or NMR log.Dielectric scanner logging technology not only acquires formation water porosity，but also get m，n reflecting rock structure and cation exchange capacity.Introduced are the basic method，the principle and application of dielectric scanner logging.Analyzed are cases of dielectric scanner logging in Changqing oilfield，and the interpretation results agree well with testing results.

log interpretation，dielectric scanner logging，permittivity，reservoir evaluation，fluid property，Changqing oilfield

P631.84

A

2012－03－26 本文編輯 余迎）

1004－1338（2012）03－0277－05

程玉梅，女，1965年生，高級(jí)工程師，從事測(cè)井新技術(shù)應(yīng)用研究與管理工作。