鉆遇斷層陣列側(cè)向測(cè)井響應(yīng)特性正演研究

楊 勇 ，李 亨，楊 多，杜雙軍，彭 杰，陳 坤

（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）

隨著石油勘探開發(fā)及解釋技術(shù)的進(jìn)步，國(guó)內(nèi)油氣田公司對(duì)于鉆遇小型斷層的解釋提出了更高的要求[1-4]。

目前，陣列側(cè)向測(cè)井儀器的正演研究已做的較成熟，在陣列側(cè)向測(cè)井儀器的數(shù)值模擬研究，如劉振華等關(guān)于陣列側(cè)向測(cè)井的計(jì)算及其特征[5]；仵杰等陣列側(cè)向測(cè)井的正演響應(yīng)分析[6]。對(duì)陣列側(cè)向測(cè)井儀器在不同儲(chǔ)層條件下的研究，如鄧少貴等的陣列側(cè)向測(cè)井儀器在裂縫性儲(chǔ)層中的響應(yīng)特征[7]；鄧少貴等的陣列側(cè)向測(cè)井儀器在傾斜井非均勻地層的響應(yīng)特征[8]；馮玲偉等的陣列側(cè)向測(cè)井儀器在薄互層和傾斜地層的響應(yīng)計(jì)算分析[9]。對(duì)鉆遇斷層的研究，目前公開發(fā)表的文獻(xiàn)較少，有仵杰對(duì)鉆遇斷層水平井的陣列感應(yīng)測(cè)井響應(yīng)特性進(jìn)行了正演模擬研究[10]。鉆遇斷層的陣列側(cè)向測(cè)井儀器研究暫時(shí)還沒有公開發(fā)表的文獻(xiàn)，因此，進(jìn)行鉆遇斷層的陣列側(cè)向測(cè)井儀器響應(yīng)模擬分析，研究小型斷層的陣列側(cè)向測(cè)井響應(yīng)規(guī)律和特征，對(duì)于小型斷塊油氣藏的評(píng)價(jià)有一定的指導(dǎo)意義。

通過(guò)有限元正演，研究陣列側(cè)向測(cè)井儀器的響應(yīng)特征。實(shí)現(xiàn)了直井情況下鉆遇斷層地層模型中陣列側(cè)向測(cè)井響應(yīng)的三維數(shù)值模擬，在此基礎(chǔ)分析了鉆遇斷層地質(zhì)模型中的斷層傾角、斷距、圍巖等影響因素的測(cè)井響應(yīng)變化規(guī)律，并對(duì)直井情況下鉆遇斷層陣列側(cè)向測(cè)井響應(yīng)特征進(jìn)行了總結(jié)。

1 儀器工作原理及地層建模

1.1 儀器工作原理

所用陣列側(cè)向測(cè)井儀器的儀器結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。A0為主電流發(fā)射電極，且置于儀器的中間。在A0的兩側(cè)對(duì)稱分布著A（iA'i）（i=1，2，3，4，5，6），M（iMi）（'i=1，2，3，4，5，6），其中A（iA）i（i='1，2，3，4，5，6）為六對(duì)屏蔽電極，M（iMi）（i=1，'2，3，4，5，6）為六對(duì)監(jiān)督電極，相鄰電極之間由絕緣體隔開。陣列側(cè)向儀器工作時(shí)，每對(duì)電極除監(jiān)督電極外均發(fā)出一道電流，且互不干擾，形成六種R0到R5逐漸加深的探測(cè)模式，其中R0主要反映的是井眼及泥漿的電阻率，R1到R5主要反映地層電阻率[11-14]。主要研究的是這種陣列側(cè)向測(cè)井儀器R1到R5五種探測(cè)模式的測(cè)井響應(yīng)變化規(guī)律。

圖1 陣列側(cè)向測(cè)井儀器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of array lateral logging equipment

1.2 地層模型

模型中將地層簡(jiǎn)化為三層均勻介質(zhì)地層，分別是上圍巖、儲(chǔ)集層及下圍巖；并設(shè)有井眼、破碎帶及陣列側(cè)向儀器；儲(chǔ)集層即為斷層，分為斷層上盤、破碎帶及斷層下盤三部分；陣列側(cè)向測(cè)井儀器位于井眼中部，且井眼垂直穿過(guò)上下圍巖及斷層，具體的井眼分布如表1所示[15-17]。實(shí)際中斷層破碎帶是由斷面填充物和派生裂縫組成，斷面復(fù)雜，結(jié)構(gòu)多樣[18-19]，所以對(duì)斷層破碎帶進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，設(shè)置為均勻介質(zhì)。具體地層模型如圖2所示。

圖2 斷層模型與網(wǎng)格剖分Fig.2 Fault model and mesh division

數(shù)值模型分別對(duì)不同的斷層傾角、斷距、圍巖響應(yīng)特征等影響因素進(jìn)行了陣列側(cè)向測(cè)井響應(yīng)特征的研究。陣列側(cè)向測(cè)井儀器于井眼內(nèi)居中測(cè)量，無(wú)泥漿侵入、井眼等的影響。

2 斷層傾角影響

地層模型中各初始參數(shù)如下：上圍巖與下圍巖電阻率相同且為0.2 Ω·m，井眼電阻率為1 Ω·m，斷層電阻率為20 Ω·m，斷層破碎帶電阻率為17 Ω·m，儲(chǔ)集層上下盤斷距為2 m的逆斷層，斷層傾角為45 °。分別對(duì)斷層傾角為30 °、45 °、60 °、80 °陣列側(cè)向測(cè)井儀器的測(cè)井響應(yīng)特征進(jìn)行了分析，響應(yīng)特征如圖3所示，其中橫坐標(biāo)x為不同的鉆遇位置（m），縱坐標(biāo)Ra為不同的視電阻率（Ω·m），圖為同一傾角下不同探測(cè)模式的響應(yīng)曲線。

表1 鉆遇斷層不同井眼位置介紹Table1 Different hole locations in drilling of fault

圖3 斷層傾角響應(yīng)曲線Fig.3 Response curve of dip angle of fault

由數(shù)據(jù)分析可知：1）通過(guò)圖3c可知在斷層傾角不斷增大時(shí)，斷層上下盤的電阻率響應(yīng)曲線也漸漸趨于平緩，且視電阻率曲線反映出的破碎帶寬度不斷減小。因?yàn)閿鄬觾A角越大，破碎帶長(zhǎng)度就越小，破碎帶對(duì)儲(chǔ)集層的影響就越小，這時(shí)越能反映出斷層上下盤的視電阻率；2）在鉆遇到破碎帶位置時(shí)，斷層傾角越小的斷層測(cè)得的電阻率越大。且在此，30°傾角不符合該規(guī)律，出現(xiàn)這種情況是因?yàn)?0°傾角的破碎帶會(huì)比45°、60°及80°傾角的破碎帶要長(zhǎng)，導(dǎo)致測(cè)量得出的電阻率滯后；3）在同一斷層傾角下，不同探測(cè)模式的視電阻率響應(yīng)曲線也有差別，從淺探測(cè)模式到深探測(cè)模式視電阻率也在不斷減小。

3 斷層斷距影響

模型參數(shù)設(shè)置：斷層傾角，圍巖電阻率等均與初始模型一致，對(duì)不同斷層斷距下斷層斷距對(duì)陣列側(cè)向測(cè)井儀器的影響進(jìn)行了分析；五種斷距不同的情況分別進(jìn)行了分析研究（圖4），分別是正斷層斷距為4 m、正斷層斷距為2 m、正斷層斷距為1 m、逆斷層斷距為1 m、逆斷層斷距為2 m。圖4為同一探測(cè)模式下不同斷距及同一斷距不同探測(cè)模式的響應(yīng)曲線，部分?jǐn)?shù)值響應(yīng)特征如圖4所示，其中橫坐標(biāo)x為不同的鉆遇位置（m），縱坐標(biāo)Ra為不同的視電阻率（Ω·m）。

通過(guò)數(shù)據(jù)分析可知：1）在圍巖電阻率小于目的層電阻率時(shí)，各個(gè)斷距測(cè)得的斷層上盤視電阻率由淺探測(cè)模式到深探測(cè)模式不斷減小的；而探測(cè)模式為R1時(shí)不滿足這個(gè)規(guī)律；在探測(cè)模式為R1的圖中測(cè)得的視電阻率規(guī)律符合其他探測(cè)模式測(cè)得的視電阻率規(guī)律。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)镽1探測(cè)模式較淺導(dǎo)致的；2）在相同探測(cè)模式及相同鉆遇位置下，斷層上盤測(cè)得的視電阻率會(huì)隨著斷距的增大而減??；出現(xiàn)這種規(guī)律是因?yàn)閮x器在井中的測(cè)量半徑是固定的，隨著斷距的增大，破碎帶長(zhǎng)度也在增大，模型中破碎帶設(shè)置電阻率為17 Ω·m，且隨著探測(cè)模式距離的增加，斷距越大，測(cè)得的視電阻率受到破碎帶及圍巖電阻率影響越大；3）如圖4d所示，當(dāng)斷距增大到4 m時(shí)，測(cè)得的斷層上盤的視電阻率趨近于圍巖電阻率。這是因?yàn)閮x器在井眼中的位置是固定的，而隨著斷距增大，儀器沒有隨著斷距增大改變位置。

4 圍巖的影響

圖4 斷層斷距響應(yīng)曲線Fig.4 Response curve of fault interval

模型斷距為逆斷層斷距為2 m，斷層傾角為45°，將圍巖分為上圍巖與下圍巖并針對(duì)三種情況進(jìn)行了分析。

4.1 上圍巖的影響

模型地層參數(shù)：下圍巖電阻率參數(shù)固定，上圍巖與下圍巖電阻率之比分別為1、10、50、200、500，分析了這五種上圍巖與下圍巖電阻率之比的響應(yīng)曲線；圖5為同一探測(cè)模式下不同上圍巖電阻率的響應(yīng)曲線，部分?jǐn)?shù)據(jù)響應(yīng)特征如圖5所示，其中橫坐標(biāo)x為不同的鉆遇位置（m），縱坐標(biāo)Ra為不同的視電阻率（Ω·m）。

通過(guò)分析可知：1）在相同的探測(cè)模式下，斷層上盤測(cè)的電阻率不會(huì)隨著上圍巖電導(dǎo)率的變化而變化，而是很穩(wěn)定。出現(xiàn)這種規(guī)律是因?yàn)閿鄬訛槟鏀鄬?，上盤相對(duì)于下盤上升，測(cè)井儀器更多的是受到斷層上盤電阻率的影響，而斷層上盤在這里是一個(gè)定值，所以測(cè)得的電阻率變化不明顯；2）從淺探測(cè)模式到深探測(cè)模式，由圖5可知斷層上盤之間的測(cè)得的視電阻率在增大。在儀器探測(cè)模式增大時(shí)，得到的視電阻率受圍巖的影響增大，所以深探測(cè)模式中，斷層下盤之間的電阻率比淺探測(cè)模式變化大；3）在上圍巖設(shè)置的電導(dǎo)率不變的情況下，斷層下盤之間測(cè)得的電阻率會(huì)隨著探測(cè)模式的加深而不斷變大?？梢杂^察到在上圍巖電阻率與下圍巖電阻率之比為500時(shí)，不同探測(cè)模式測(cè)得的下盤電阻率變化不大，而上圍巖電阻率與下圍巖電阻率之比為1時(shí)，不同探測(cè)模式測(cè)得的電阻率會(huì)隨著淺探測(cè)模式到深探測(cè)模式不斷減小。

4.2 下圍巖的影響

模型地層參數(shù)：上圍巖電阻率參數(shù)固定，下圍巖與上圍巖電阻率之比分別為1、10、50、200、500，分析了這五種下圍巖與上圍巖電阻率之比的響應(yīng)曲線；圖6為同一探測(cè)模式下不同下圍巖電阻率的響應(yīng)曲線，部分?jǐn)?shù)據(jù)響應(yīng)特征如圖6所示，其中橫坐標(biāo)x為不同的鉆遇位置（m），縱坐標(biāo)Ra為不同的視電阻率（Ω·m）。

由圖6可知：在相同探測(cè)模式下，陣列側(cè)向儀器測(cè)得的視電阻率會(huì)隨著下圍巖電阻率的增大而增大。因?yàn)殡S著下圍巖電阻率的增大，下圍巖電阻率對(duì)于斷層的影響也會(huì)變大，造成測(cè)得的電阻率也在不斷增大；在下圍巖視電阻率不變的情況下，隨著淺探測(cè)模式到深探測(cè)模式，斷層下盤不同下圍巖測(cè)得的視電阻率之間的差不斷增大。這是因?yàn)殡S著淺探測(cè)模式到深探測(cè)模式，儀器的探測(cè)半徑在加大，這時(shí)下圍巖的電阻率也在增大，所以造成測(cè)得的電阻率不斷增大。

圖5 斷層上圍巖響應(yīng)曲線Fig.5 Response curve of upper surrounding rock of fault

4.3 上下圍巖電阻率相同時(shí)的影響

模型地層參數(shù)：上圍巖電阻率與下圍巖電阻率設(shè)置的相同，分別是0.2 Ω·m、2 Ω·m、10 Ω·m、40 Ω·m、100 Ω·m，分別分析對(duì)比了這五種圍巖電阻率響應(yīng)曲線；圖7為同一圍巖影響因素下不同探測(cè)模式的響應(yīng)曲線，部分?jǐn)?shù)據(jù)響應(yīng)特征如圖7所示，其中橫坐標(biāo)x為不同的鉆遇位置（m），縱坐標(biāo)Ra為不同的視電阻率（Ω·m）。

通過(guò)數(shù)據(jù)分析可知：1）在探測(cè)模式相同及鉆遇到斷層下盤時(shí)，儀器測(cè)得的視電阻率會(huì)隨著圍巖電阻率的增加而減??；2）在圍巖電阻率在10～40 Ω·m之間時(shí)，測(cè)得的R1到R5之間電阻率之差不超過(guò)1 Ω。

圖6 斷層下圍巖響應(yīng)曲線Fig.6 Response curve of lower surrounding rock of fault

5 結(jié)論

1）在斷層傾角不斷增大時(shí)，斷層上下盤的電阻率響應(yīng)曲線也漸漸趨于平緩。鉆遇到破碎帶位置時(shí)，斷層傾角越小的斷層測(cè)得的破碎帶視電阻率越大。

2）在相同探測(cè)模式及相同鉆遇位置下，斷層上盤測(cè)得的視電阻率會(huì)隨著斷距的增大而減?。怀霈F(xiàn)這種規(guī)律是因?yàn)閮x器在井中的測(cè)量半徑是固定的，隨著斷距的增大，破碎帶長(zhǎng)度也在增大，模型中破碎帶設(shè)置電阻率為17 Ω·m，且隨著探測(cè)半徑的增加，斷距越大，測(cè)得的視電阻率受到破碎帶及圍巖電阻率影響越大。

圖7 圍巖響應(yīng)曲線Fig.7 Response curve of surrounding rock

3）在斷層為逆斷層，斷距固定且斷層傾角固定時(shí)，斷層上盤的視電阻率受到下圍巖電阻率的影響相對(duì)于受上圍巖電阻率的影響較大，斷層下盤的視電阻率受到上圍巖的電阻率影響相對(duì)于受下圍巖電阻率影響較大。