洞穴型儲(chǔ)層陣列側(cè)向測(cè)井儀器響應(yīng)特性研究

倪小威,徐思慧,別 康,馮加明,艾 林,劉迪仁

(1.長(zhǎng)江大學(xué)油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢430100;2.長(zhǎng)江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院,湖北武漢430100;3.中國(guó)石油塔里木油田公司勘探開發(fā)研究院,新疆庫(kù)爾勒841000;4.長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院,湖北荊州434023)

碳酸鹽巖、火山巖等油氣藏的儲(chǔ)集空間和滲流通道主要包括裂縫和洞穴,洞穴的發(fā)育以及填充情況與油氣藏的儲(chǔ)集能力密切相關(guān)[1]。人們主要利用三維地震資料開展大型洞穴(半徑大于10m)的評(píng)價(jià),利用鉆井資料開展中型洞穴(半徑介于5～10m)的評(píng)價(jià);利用測(cè)井資料開展小型及微型洞穴(半徑小于5m)的評(píng)價(jià)[2-3]。側(cè)向類電測(cè)井儀器由于具備探測(cè)深度深,對(duì)井周異常體敏感等特征,可廣泛應(yīng)用于縫洞體的識(shí)別與評(píng)價(jià)[4]。但洞穴型儲(chǔ)層具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性及各向異性特征,測(cè)井響應(yīng)復(fù)雜,因此洞穴的定性及定量評(píng)價(jià)難度大[5-6]。利用數(shù)值模擬技術(shù)研究測(cè)井儀器在洞穴型儲(chǔ)層中的響應(yīng)特性可為洞穴型儲(chǔ)層的定性及定量評(píng)價(jià)提供理論指導(dǎo)。目前多利用雙側(cè)向測(cè)井儀器對(duì)洞穴型儲(chǔ)層進(jìn)行研究。譚茂金等[7]研究了不同洞穴半徑、不同充填程度及不同填充模式下的雙側(cè)向測(cè)井響應(yīng),得出了電阻率與充填程度之間的關(guān)系;范宜仁等[8]不僅分析了不同洞穴尺寸、不同填充物類型及不同填充程度條件下的雙側(cè)向測(cè)井響應(yīng)特征,還分析了洞穴形狀對(duì)雙側(cè)向測(cè)井響應(yīng)的影響;王磊等[9]采用三維有限元素法,對(duì)比分析了井眼鉆穿型洞穴和井旁洞穴的雙側(cè)向測(cè)井響應(yīng)特征和敏感性。陣列側(cè)向測(cè)井儀器是一種基于常規(guī)雙側(cè)向測(cè)井儀器的新型側(cè)向類測(cè)井儀器,具備更強(qiáng)的電流聚焦能力和更高的縱向分辨率,對(duì)洞穴的敏感度高,并可提供多條電阻率曲線,適用于洞穴型儲(chǔ)層的精細(xì)評(píng)價(jià)[10-13]。目前關(guān)于洞穴型儲(chǔ)層中陣列側(cè)向測(cè)井響應(yīng)的正演模擬研究較少。本文基于有限元數(shù)值模擬方法,研究了洞穴半徑、洞穴填充物類型、填充程度和洞穴形狀對(duì)陣列側(cè)向測(cè)井儀器響應(yīng)的影響,并利用陣列側(cè)向測(cè)井資料實(shí)現(xiàn)了洞穴的定性識(shí)別和定量評(píng)價(jià)。

1 陣列側(cè)向測(cè)井電極系結(jié)構(gòu)

圖1 陣列側(cè)向測(cè)井儀器電極系結(jié)構(gòu)

2 陣列側(cè)向測(cè)井二維有限元數(shù)值模擬

側(cè)向類測(cè)井的正演計(jì)算可歸結(jié)為穩(wěn)流場(chǎng)的計(jì)算問題[14]。陣列側(cè)向測(cè)井的響應(yīng)可利用偏微分方程描述為[15]:

(1)

式中:R為地層中某個(gè)區(qū)域的電阻率;μ為電位函數(shù)。

(1)式附加特定的邊界條件,即形成定解問題,求解該定解問題可得到陣列側(cè)向測(cè)井響應(yīng)。利用二維有限元法求解陣列側(cè)向測(cè)井響應(yīng)需構(gòu)建能量泛函φ,通過構(gòu)造合適的泛函將該定解問題轉(zhuǎn)換為泛函的極值問題[16]如下:

(2)

式中:IE為電極發(fā)出的電流;μE為電極電位;Ω為儀器表面和無窮遠(yuǎn)邊界包圍的空間;E為電極個(gè)數(shù);x代表垂直井軸方向;y代表井軸方向。為實(shí)現(xiàn)模型離散化,利用前線解法[17]對(duì)該極值問題進(jìn)行求解,即可實(shí)現(xiàn)陣列側(cè)向測(cè)井響應(yīng)的快速求解。

結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格剖分用于洞穴型儲(chǔ)層等具有復(fù)雜邊界的模型時(shí)實(shí)用性較差,雖然網(wǎng)格生成速度快、網(wǎng)格剖分簡(jiǎn)單,但元素的穩(wěn)定性及矩陣的收斂性較差。圖2a 為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格剖分示意,圖2b為局部加密剖分網(wǎng)格示意,本文采用局部加密技術(shù)對(duì)洞穴進(jìn)行加密剖分,正演模擬時(shí)儀器穿過半徑為2m的洞穴,設(shè)定采樣步長(zhǎng)為0.1m,共獲得60個(gè)采樣數(shù)據(jù)。對(duì)比兩種網(wǎng)格剖分模式獲得的計(jì)算速度和精度可知,結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格剖分的計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為180.55s,采樣點(diǎn)與模型參數(shù)的平均誤差在14.6%;局部加密網(wǎng)格剖分的計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為210.35s,采樣點(diǎn)與模型參數(shù)的平均誤差為8.3%。相較于結(jié)構(gòu)化剖分模式,局部加密剖分模式的計(jì)算時(shí)長(zhǎng)略長(zhǎng),但計(jì)算精度更高。

圖2 網(wǎng)格剖分示意a 結(jié)構(gòu)化剖分; b 局部加密剖分

3 洞穴型儲(chǔ)層陣列側(cè)向測(cè)井二維正演分析

3.1 儲(chǔ)層模型

過井眼球狀洞穴模型如圖3所示。儀器在井眼處居中放置,球狀洞穴以儀器為中心呈軸對(duì)稱顯示,洞穴空間被泥漿、砂巖、泥巖、礫巖等物質(zhì)充填,填充類型包括不完全填充和完全填充,完全填充又分為單物質(zhì)完全填充及多種物質(zhì)分層填充。包裹洞穴的基巖為高阻介質(zhì),陣列側(cè)向測(cè)井儀器、洞穴及基巖均滿足軸對(duì)稱特性,故適用二維有限元法。洞穴類型主要為小型及微型洞穴。其中井徑為8in(1in≈2.54cm);泥漿電阻率為1Ω·m;基巖電阻率為1000Ω·m。

圖3 過井眼球狀洞穴型儲(chǔ)層模型

實(shí)際地層發(fā)育的洞穴不可能是完全的規(guī)則球狀,因此建立縱向延伸、徑向延伸橢球形地層模型,如圖4 所示。

3.2 洞穴尺寸對(duì)儀器響應(yīng)的影響

為研究洞穴尺寸對(duì)儀器響應(yīng)的影響,針對(duì)圖3所示模型,設(shè)置半徑r為0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.8,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,3.5,4.0,5.0,6.0,7.0,8.0,9.0,10.0m的洞穴,模擬儀器位于洞穴中心時(shí)的儀器響應(yīng)(洞穴被泥漿完全填充),結(jié)果如圖5所示。設(shè)置半徑r為0.2,0.5,1.0,2.0,3.5,5.0m的洞穴,模擬儀器穿過洞穴時(shí)的儀器響應(yīng)(洞穴被泥漿完全填充),結(jié)果如圖6所示。由圖5可知,當(dāng)r>5m時(shí),陣列側(cè)向測(cè)井的RLA1—RLA4基本反映了洞穴內(nèi)填充物電阻率;當(dāng)r>6m時(shí),陣列側(cè)向測(cè)井響應(yīng)RLA5基本反映了洞穴內(nèi)填充物電阻率;當(dāng)0.4m0.5m時(shí),視電阻率曲線才有明顯的反映。當(dāng)洞穴尺寸較小時(shí),視電阻率變化曲線幅度不明顯,隨著洞穴尺寸的增大,變化幅度逐漸變大,當(dāng)洞穴尺寸大到某一程度時(shí),變化幅度又趨于緩慢。由圖6a至圖6e可知,當(dāng)0.5m

圖4 縱向延伸(a)及徑向延伸(b)橢球形地層模型

圖5 不同尺寸洞穴的儀器響應(yīng)(儀器處于洞穴中心)

圖6 不同尺寸洞穴的儀器響應(yīng)(儀器穿過洞穴)a r=0.2m; b r=0.5m; c r=1.0m; d r=2.0m; e r=3.5m; f r=5.0m

3.3 洞穴填充物類型對(duì)儀器響應(yīng)的影響

為研究填充物類型對(duì)儀器響應(yīng)的影響,當(dāng)洞穴填充物分別為泥漿(1Ω·m)、泥巖(10Ω·m)、砂巖(20Ω·m)和礫巖(200Ω·m)時(shí),模擬儀器穿過洞穴時(shí)的響應(yīng)。圖7為洞穴(洞穴半徑5m)被單一物質(zhì)完全充填時(shí)儀器穿過洞穴時(shí)的響應(yīng),反映了填充物對(duì)視電阻率的影響。當(dāng)r>5m時(shí),儀器響應(yīng)對(duì)填充物的電阻率敏感,且可以通過洞穴處的視電阻率值定性判斷填充物類型。如果洞穴中心處的視電阻率與洞穴附近典型的砂巖、泥巖和礫巖層的電阻率相差無幾,則可認(rèn)為此時(shí)洞穴分別為砂巖、泥巖和礫巖填充。圖8為3種介質(zhì)(泥巖、砂巖、礫巖)分層(相對(duì)洞穴中心填充范圍依次為-5～2m,-2～2m,2～5m)且縱向完全填充時(shí)儀器穿過洞穴的響應(yīng),儀器在穿過洞穴時(shí)視電阻率出現(xiàn)了階梯狀特征,說明了此時(shí)洞穴被多種物質(zhì)分層混合填充,階梯界面可指示各種物質(zhì)的填充程度及電阻率特征。

圖8 多種物質(zhì)分層且縱向完全填充洞穴時(shí)的儀器響應(yīng)(儀器穿過洞穴)

3.4 洞穴填充程度對(duì)儀器響應(yīng)的影響

為研究填充程度對(duì)洞穴儀器響應(yīng)的影響,將洞穴填充物填充程度分別設(shè)置為無填充(泥漿完全填充)、填充10%、填充20%、填充40%、填充60%、填充80%和填充100%,未充填部分為泥漿,模擬儀器穿過洞穴時(shí)的響應(yīng)。洞穴半徑為5m,填充物電阻率為100Ω·m,以RLA1及RLA5為例進(jìn)行分析。圖9 反映了儀器穿過洞穴時(shí)填充程度對(duì)儀器響應(yīng)的影響,當(dāng)填充物電阻率與泥漿電阻率相差大時(shí),可明顯看出填充界面,此外RLA1和RLA5視電阻率都可指示高阻填充物的電阻率。填充程度大于60%,儀器穿過洞穴未填充部分時(shí),RLA1產(chǎn)生了明顯的電阻率異常變化特征;填充程度大于40%,儀器經(jīng)過洞穴未填充部分時(shí),RLA5產(chǎn)生了明顯的視電阻率異常變化特征。

3.5 洞穴形態(tài)對(duì)儀器響應(yīng)的影響

為研究洞穴形態(tài)對(duì)儀器響應(yīng)的影響,針對(duì)圖4a所示模型,模擬rb(ra=1.0m)分別為0.2,0.5,1.0m時(shí)儀器穿過洞穴時(shí)的響應(yīng);針對(duì)圖4b所示模型,模擬ra(rb=1.0m)分別為0.2,0.5,1.0,2.0,5.0m時(shí)儀器穿過洞穴時(shí)的響應(yīng)(填充物為泥漿)。圖10和圖11分別為不同的rb和ra對(duì)儀器通過洞穴時(shí)響應(yīng)的影響。由圖10可知,RLA1和RLA5受rb變化的影響規(guī)律不同,隨著rb的增大,RLA1視電阻率明顯減小,在洞穴中心處出現(xiàn)了異常視電阻率尖峰;rb越小,在洞穴邊界處RLA1的極化角越明顯,但當(dāng)rb為1.0m時(shí)極化角基本消失;隨著rb增大,洞穴中心處RLA5的視電阻率值明顯增大并出現(xiàn)了極微小的視電阻率尖峰,基本可忽略;rb<0.5m時(shí),rb越小,在洞穴邊界處RLA5的極化角越不明顯;rb>0.5m時(shí),隨著rb的增大,在洞穴邊界處RLA5的極化角形態(tài)基本無變化。由圖11可知,ra變化對(duì)視電阻率影響大,ra越大,視電阻率越低;當(dāng)0.2m

圖9 不同填充程度時(shí)洞穴的儀器響應(yīng)(儀器穿過洞穴)a RLA1; b RLA5

圖10 洞穴rb對(duì)儀器通過洞穴時(shí)響應(yīng)的影響a RLA1; b RLA5

圖11 洞穴ra對(duì)儀器通過洞穴時(shí)響應(yīng)的影響a RLA1; b RLA5

4 結(jié)論

本文利用陣列側(cè)向測(cè)井儀器開展洞穴型儲(chǔ)層響應(yīng)特征的正演模擬研究,得出以下結(jié)論。

1) 當(dāng)洞穴半徑r≥0.2m時(shí),陣列側(cè)向測(cè)井儀器對(duì)洞穴具備較好的識(shí)別能力;當(dāng)0.5m6.0m時(shí),陣列側(cè)向測(cè)井響應(yīng)基本反映洞穴填充物質(zhì)的電阻率。在洞穴邊界處,陣列側(cè)向測(cè)井響應(yīng)會(huì)出現(xiàn)明顯的極化角,亦可據(jù)此來定性判識(shí)洞穴邊界。

2) 陣列側(cè)向測(cè)井儀器對(duì)洞穴內(nèi)填充物質(zhì)電阻率敏感,可通過洞穴內(nèi)部的視電阻率與洞穴周圍的典型層電阻率的比對(duì),以確定填充物質(zhì)種類;陣列側(cè)向測(cè)井儀器對(duì)填充界面具有較好的識(shí)別能力,多種物質(zhì)分層填充時(shí)洞穴處的視電阻率曲線會(huì)出現(xiàn)明顯的階梯狀特征。

3) 隨著洞穴縱向半徑rb的增大,洞穴內(nèi)部的RLA1明顯減小而RLA5明顯增大;隨著洞穴徑向半徑ra的增大,RLA1和RLA5均減小,當(dāng)ra較大時(shí),洞穴邊界處RLA5表現(xiàn)出比較明顯的反沖極化角現(xiàn)象。