庫(kù)車(chē)超深氣井油基泥漿條件下電成像測(cè)井對(duì)比研究*

范文同,蔡德洋，劉冬妮，朱 雷，陳 飛，陳 勝，趙 猛，魏 波

(1.中國(guó)石油塔里木油田分公司油氣工程研究院 新疆 庫(kù)爾勒 841000； 2.中國(guó)石油塔里木油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院 新疆 庫(kù)爾勒 841000； 3.斯倫貝謝中國(guó)公司數(shù)據(jù)處理解釋部 北京 100016)

0 引 言

塔里木地區(qū)庫(kù)車(chē)前陸盆地山前構(gòu)造異常，目的層上部鹽膏層、高壓鹽水層發(fā)育，鉆井液密度窗口較窄，需要采用抗高溫高鹽高密度的鉆井液技術(shù)。油基泥漿具有良好的綜合性能，能有效解決復(fù)雜深井的安全鉆井與地層復(fù)雜之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)超深油氣資源高效勘探和開(kāi)發(fā)。油基泥漿的規(guī)?；瘧?yīng)用，給測(cè)井技術(shù)帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)，原有水基泥漿條件適用的電成像測(cè)井，如FMI、EMI、STAR等儀器已不再適用，新興的油基泥漿電成像測(cè)井應(yīng)用效果難以與原有水基泥漿電成像效果媲美，更不能量化計(jì)算裂縫參數(shù)，這使得測(cè)井儲(chǔ)層評(píng)價(jià)成為難題。為了實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層綜合評(píng)價(jià)，塔里木油田引進(jìn)多種油基泥漿電成像測(cè)井儀器進(jìn)行了測(cè)試應(yīng)用，對(duì)幾種油基泥漿電成像測(cè)井儀器的應(yīng)用效果進(jìn)行對(duì)比研究，明確了其各自的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)。

1 儀器結(jié)構(gòu)及原理概述

泥漿技術(shù)的更新迫使測(cè)井系列進(jìn)行優(yōu)化，油基泥漿產(chǎn)生的非導(dǎo)電井眼環(huán)境使常規(guī)電阻率成像測(cè)井儀無(wú)法使用，而新型的油基泥漿電成像測(cè)井儀也由此得以發(fā)展。目前在國(guó)內(nèi)外開(kāi)始使用的主要有幾家大型油田服務(wù)公司的High-Definition FMI、Oil-Base Micro Imager、Earth Imager、Oil Mud Reservoir Imager幾種儀器，下面介紹各自?xún)x器的結(jié)構(gòu)及測(cè)量原理。

1.1 FMI-HD儀器結(jié)構(gòu)及原理

FMI-HD(High-Definition)與FMI儀器結(jié)構(gòu)相同，擁有四臂，4個(gè)主極板，4個(gè)副極板，主、副極板上各有24個(gè)電極，共192個(gè)測(cè)量電極。測(cè)量到的電流包含兩部分：一是隨紐扣電極正對(duì)地層電阻率變化的高分辨率部分；二是隨上、下電極間地層電阻率變化的低分辨率部分，如圖1所示。井壁微電阻率圖像實(shí)際是紐扣電極測(cè)量得到的電流圖像，其中高分辨率電流部分與巖石的微電阻率變化相關(guān)，而圖像可以反映出巖石結(jié)構(gòu)和各類(lèi)地質(zhì)特征，從而進(jìn)行巖性識(shí)別、粒度-分選-磨圓分析、沉積微相識(shí)別、裂縫分析、地應(yīng)力方向分析、溶蝕結(jié)構(gòu)分析和薄互層分析等。

圖1 FMI-HD儀器結(jié)構(gòu)及測(cè)量原理示意圖

與FMI不同的是，該儀器采用全新的電子線路拓寬了適用的泥漿電阻率范圍，采用增強(qiáng)的并行信號(hào)處理和高分辨率數(shù)模信號(hào)轉(zhuǎn)換技術(shù)提高了信噪比，從而使它在鹽水泥漿、油基泥漿和高阻地層中，都可以采集到比FMI更清晰的圖像[1，2]。

1.2 OBMI儀器結(jié)構(gòu)及原理

Oil-Based Mud Imager(簡(jiǎn)稱(chēng)OBMI)由4個(gè)極板40對(duì)測(cè)量電極組成。在每個(gè)成像極板上，交流電流從上下兩個(gè)供電電極之間發(fā)射進(jìn)入地層，在兩個(gè)供電電極之間上下排列五對(duì)紐扣測(cè)量電極。紐扣電極用于測(cè)量上下紐扣電極間地層的電位差V，結(jié)合交流電流I和儀器幾何因子k，利用歐姆定律：

Rxo=k(V/I)

(1)

即可計(jì)算導(dǎo)出沖洗帶電阻率，綜合所有測(cè)量電極的數(shù)據(jù)，就得到了OBMI儀器測(cè)量的井壁圖像。OBMI儀器結(jié)構(gòu)及測(cè)量原理如圖2所示。由于儀器尺寸較小且測(cè)量電極數(shù)量較少，該儀器的井眼覆蓋率不高，8 in(1 in=25.4 mm)井眼覆蓋率為32%，為了提高井眼覆蓋率，可以?xún)芍BMI儀器進(jìn)行串連測(cè)量[3-5]。

圖2 OBMI儀器結(jié)構(gòu)及測(cè)量原理

1.3 Earth Imager儀器結(jié)構(gòu)及原理

Earth Imager(簡(jiǎn)稱(chēng)EI)儀器是基于油基泥漿測(cè)量環(huán)境而設(shè)計(jì)，共有6個(gè)測(cè)量極板，每個(gè)極板有8個(gè)條形接收電極。測(cè)量過(guò)程中，井壁與極板之間因油基泥漿和泥餅的存在，通常會(huì)形成一種不導(dǎo)電的介質(zhì)，可以認(rèn)為極板與地層形成了生成一定容抗的電容。采用交變電流能夠?qū)㈦娙輷舸跇O板與地層之間形成導(dǎo)電回路[6]，如圖3所示。根據(jù)歐姆定律，電壓和電流之間存在如下關(guān)系式：

圖3 EI儀器結(jié)構(gòu)及原理

(2)

式中：V為測(cè)量電壓；I為測(cè)量電流；R為電阻；Xc為容抗；k為系數(shù)；f為頻率；C為電容。

當(dāng)交變電流達(dá)到一定的頻率時(shí)，極板與地層之間形成電容容抗可以忽略不計(jì)。因此，電阻率與測(cè)量電壓和測(cè)量電流之間的關(guān)系可以簡(jiǎn)寫(xiě)為：

R=k×V/I

(3)

由此可以得到地層電阻率和井壁成像數(shù)據(jù)。

1.4 OMRI儀器結(jié)構(gòu)及原理

OMRI(Oil Mud Reservoir Imager)儀器有6個(gè)獨(dú)立推靠測(cè)量極板，每個(gè)極板上有6對(duì)測(cè)量電極。與EI儀器不同，在測(cè)量過(guò)程中，該儀器將泥餅視為一個(gè)電阻和電容的耦合體；與EI儀器相同之處，二者均采用高頻交流測(cè)量電流，將泥餅阻抗屏蔽，測(cè)量到地層電阻率。除此之外，OMRI的6個(gè)極板還采用不同的電流頻率，以此來(lái)消除不同極板間測(cè)量電流的影響，使測(cè)量得到的數(shù)據(jù)更能反映地層真實(shí)特征[7]，如圖4所示。

2 不同儀器性能參數(shù)對(duì)比

為研究各自?xún)x器應(yīng)用效果，在此對(duì)比各自的儀器性能。除FMI-HD同時(shí)適用于水基和油基泥漿外，其它三支儀器都只用于油基泥漿井況。四支儀器的耐溫性能相當(dāng)，耐壓均在138 MPa以上，可以滿(mǎn)足絕大部分井的測(cè)量。分辨率對(duì)比，F(xiàn)MI-HD和EI儀器要優(yōu)于OBMI和OMRI儀器。井眼覆蓋率方面，在8 in井眼情況下，F(xiàn)MI-HD儀器覆蓋率最大，達(dá)到了80%，依次為EI、OMRI、OBMI，分別為63%、55%、32%。值得注意的是，OBMI儀器兩支串聯(lián)測(cè)量井眼覆蓋率可以達(dá)到64%，但若儀器測(cè)量期間旋轉(zhuǎn)過(guò)快，就會(huì)出現(xiàn)重復(fù)測(cè)量的現(xiàn)象，實(shí)際測(cè)量的井眼覆蓋率也會(huì)稍有降低。各儀器的適用井眼尺寸及相關(guān)其它參數(shù)見(jiàn)表1。

圖4 OMRI儀器結(jié)構(gòu)及原理

3 油基泥漿對(duì)電成像測(cè)井的影響

油基泥漿條件下，微電阻率極板與井壁之間存在一層由油基泥漿生成的高阻泥餅，這使極板不能直接接觸地層而不能成像。塔里木油田對(duì)某井進(jìn)行試驗(yàn)性測(cè)量，研究泥漿類(lèi)型對(duì)成像測(cè)井的影響。實(shí)驗(yàn)井采用油基泥漿鉆井，后續(xù)用水基泥漿替換。

表1 油基泥漿電成像儀器參數(shù)

注：@8 in表示在8英寸管徑中的工作狀態(tài)

對(duì)比二者識(shí)別的裂縫數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：在初始油基泥漿條件下，測(cè)量數(shù)據(jù)的良好的255 m井段內(nèi)，共拾取天然裂縫35條，其中電阻縫(顏色較亮色的裂縫)18條，電導(dǎo)縫(顏色較暗的裂縫)17條；水基泥漿條件下的同樣測(cè)量井段，共拾取裂縫91條，均為電導(dǎo)縫，油基泥漿條件下裂縫識(shí)別數(shù)量只占到水基泥漿條件下的38%。由此可見(jiàn)，泥漿條件的改變對(duì)電成像的識(shí)別能力影響很大，如圖5所示。

由于電阻率不同，裂縫充填不同的泥漿濾液，電成像得到的裂縫圖像也會(huì)有所不同。在油基條件下，由于高阻泥漿充填，較為明亮的高阻縫，而在水基泥漿時(shí)又顯示為較為暗淡的高導(dǎo)縫，通過(guò)前后對(duì)比可以判定該裂縫為張開(kāi)縫。而在6 777 m井段以上的兩條裂縫，在油基條件下，只能粗略看出有裂縫發(fā)育，且為顏色暗淡的高導(dǎo)縫；水基泥漿條件下，顯示為高導(dǎo)縫，由此判定該兩條裂縫為泥質(zhì)充填縫。充填油基泥漿的張開(kāi)縫的圖像顯示特征與方解石等高阻礦物充填特征相似，裂縫是否有效難以判別。由于油基泥漿侵入地層，改變了井壁附近地層電阻率，原有的通過(guò)淺電阻率刻度電阻率成像測(cè)井計(jì)算天然裂縫參數(shù)的方法不再適用，油基泥漿條件下的成像裂縫有效性判別更加困難。

圖5 油基泥漿條件(左)與水基泥漿條件(右)FMI-HD成像效果對(duì)比

4 油基泥漿電成像儀應(yīng)用效果分析

通過(guò)試驗(yàn)井不同泥漿工況下成像圖像對(duì)比表明，油基泥漿條件下的電成像圖像對(duì)儲(chǔ)層地質(zhì)特征的表述能力較差，為了更為有效的描述儲(chǔ)層，在不同的井進(jìn)行了不同電成像測(cè)井儀器的對(duì)比測(cè)量，以對(duì)比幾支儀器的測(cè)量效果。

4.1 OBMI應(yīng)用效果分析

該儀器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用一般采用2支串聯(lián)測(cè)量，正常情況下井眼覆蓋率可以提高一倍，達(dá)到64%(8 in井眼)。儀器每個(gè)極板上都有五個(gè)紐扣電極對(duì)，可以測(cè)量處5個(gè)圖像像素。測(cè)量紐扣間距即為圖像像素大小，該儀器像素尺寸為1 cm2；儀器的縱向分辨率為30 mm，可以測(cè)量薄巖層的厚度，但受?chē)鷰r影響，其薄層圖像會(huì)產(chǎn)生畸變，對(duì)薄層定量分析有一定誤差。通過(guò)多井的應(yīng)用對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)OBMI儀器對(duì)高角度裂縫不敏感，對(duì)地層層理特征很敏感。OBMI儀器在用于沉積構(gòu)造分析和地層傾角和構(gòu)造解釋方面效果良好；但是由于其圖像覆蓋率、分辨率比FMI-HD低，對(duì)裂縫的識(shí)別能力較差，無(wú)法判斷裂縫是否有效，因此在儲(chǔ)層特征及裂縫識(shí)別方面，該儀器優(yōu)勢(shì)不明顯。如圖6所示為一口油基泥漿試驗(yàn)井，對(duì)比FMI-HD與OBMI采集圖像可以看出：OBMI識(shí)別層理方面更為突出，薄層、紋層等沉積特征都能識(shí)別，在同一層段，F(xiàn)MI-HD很容易識(shí)別的井眼崩落特征OBMI卻難以識(shí)別。

4.2 EI應(yīng)用效果分析

通過(guò)多井測(cè)量發(fā)現(xiàn)，EI儀器兼具了裂縫特征和沉積構(gòu)造特征識(shí)別能力，整體效果良好，可以進(jìn)行裂縫識(shí)別和沉積相特征解釋等相關(guān)研究工作。但在井眼環(huán)境差，裂縫張開(kāi)度小的地層，電阻率對(duì)比度低的環(huán)境下，成像效果一般，成像分辨率降低，對(duì)裂縫的識(shí)別存在一定困難。下圖是EI和FMI-HD同一井段圖像對(duì)比：地質(zhì)特征方面，EI圖像提供的信息要比后者豐富，地層產(chǎn)狀、層理界面等地質(zhì)特征更為清晰，這是儀器原理的體現(xiàn)；裂縫識(shí)別方面，二者識(shí)別的裂縫數(shù)量基本相同，但FMI-HD識(shí)別的裂縫邊界清晰，而EI識(shí)別的裂縫則先模糊，這與儀器的測(cè)量精度密切相關(guān)，如圖7所示。

圖6 FMI-HD(左)與OBMI(右)成像效果對(duì)比

圖7 EI(左)與FMI-HD(右)成像效果對(duì)比

4.3 OMRI應(yīng)用效果分析

OMRI儀器由于分辨率較低，在儲(chǔ)層裂縫識(shí)別方面優(yōu)勢(shì)不明顯，但其獲取沉積構(gòu)造等地質(zhì)特征能力與OBMI基本相當(dāng)。在油田一口測(cè)試井的同一井段，兩支儀器識(shí)別沉積特征基本一致，均可用于對(duì)于沉積相、井旁構(gòu)造等方面的地質(zhì)研究，如圖8所示。

圖8 OBMI(左)與OMRI(右)成像效果對(duì)比

5 結(jié) 論

1)油基泥漿條件下，原有的水基泥漿電成像測(cè)井儀器不再適用；而油基泥漿電成像儀器受高阻環(huán)境影響，表述地質(zhì)構(gòu)造和儲(chǔ)層特征能力降低，同時(shí)水基泥漿條件下通過(guò)電成像數(shù)據(jù)定量計(jì)算裂縫參數(shù)的方法不再適用。

2)對(duì)比幾種油基泥漿電成像測(cè)井儀器發(fā)現(xiàn)：FMI-HD能夠識(shí)別規(guī)模較大的裂縫，但沉積構(gòu)造描述能力較差； OBMI較難識(shí)別裂縫，但可以進(jìn)行沉積相及井旁構(gòu)造研究；EI可用于沉積構(gòu)造解釋和裂縫識(shí)別，但也只能識(shí)別規(guī)模較大的裂縫；OMRI識(shí)別裂縫能力較差，但可用于沉積構(gòu)造分析；結(jié)合儀器參數(shù)和對(duì)比效果，可針對(duì)需求選擇性應(yīng)用。

3)結(jié)合常規(guī)測(cè)井曲線及地質(zhì)資料，油基泥漿電成像資料可以定性描述巖性、地質(zhì)構(gòu)造、裂縫發(fā)育情況等重要儲(chǔ)層特征，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層的綜合評(píng)價(jià)。