Research on Water Aquifer Prospecting Method in Drilling Hole

Fazhan Zhao, Wei Zhao, Yueheng Zhang, Peng Liu, Junjun Guo

1Shenhua Geological Exploration Co. Ltd., Shenhua Group, Beijing

2Shenhua Beidian Shengli Energy Co. Ltd., Beijing

Abstract

Keywords

1. 引言

在石油勘探、水文地質(zhì)、煤田礦井防治水都要進(jìn)行水層探測，目前探測水層的方法比較多，但是在鉆孔中探測水的方法主要以地球物理測井為主，它具有易于操作、快速、效率高等特點，因此在石油勘探和水文地質(zhì)探測中發(fā)揮重要的作用，通過對測井曲線的綜合解釋對水層做出判斷。

水層探測有鉆探法、地球物理物探法和地球物理測井法，目前應(yīng)用最廣泛的是用物探方法進(jìn)行地下水勘探。地下水賦存在巖石中，其電阻率與含水飽和度、礦化度、地層孔隙度等因素有關(guān)，地層含水后，其密度、聲波速度都會發(fā)生變化，水還有一個特性，它有比較高的介電常數(shù)。在物探中電法探測有電阻率法，激發(fā)極化法，天然電場選頻發(fā)，瞬變電磁法，地震法包括常規(guī)地震勘探法和高分辨率淺層地震法。而在井筒中探測水層的方法有進(jìn)行地球物理綜合測井法，介電測井法，核磁共振測井法。

2. 常規(guī)的地球物理測井曲線在判斷水層中的作用

常規(guī)的地球物理測井包括自然伽馬(GR，單位API)，自然電位(SP，單位mV)，井徑曲線(CALI，單位in 或cm)；深側(cè)向(RT 或LLD，單位Ω?m)，淺側(cè)向(RI 或LLS，單位Ω?m)，微球聚焦(RXO 或MSFL，單位Ω?m)；巖性密度(DEN 或RHOB，單位g/cm3)，補償聲波(AC 或DT，單位μs/ft 或μs/m)，補償中子(CNL 或NPHI，單位%或小數(shù)) [1] [2]。核磁共振在鉆孔中對水層的判斷基于哈里伯頓儀器的差譜法來確定水層[3] [4]。測井曲線在油層和水層具有不同的特征，在石油地球物理勘探中用來找油，而在水文地質(zhì)中用測井曲線的特征找水。

2.1. 自然電位曲線在水層的特征

自然電位測井曲線在水井中、油氣井中作為滲透層判斷的一個非常重要的曲線，它的功能主要用于砂泥巖剖面。由于自然電位測井在滲透層處有明顯的異常顯示，因此，它是劃分和評價儲集層的重要方法之一，也是指示水層的重要曲線之一。自然電位產(chǎn)生有三個方面的原因，當(dāng)?shù)貙铀V化度和鉆井液礦化度不同時，引起離子的擴散作用；泥質(zhì)顆粒對離子的吸附作用；當(dāng)?shù)貙訅毫εc鉆井液壓力不同時，在地層空隙中產(chǎn)生過濾作用。這些在井壁附近產(chǎn)生的電化學(xué)過程會產(chǎn)生自然電動勢，在測井曲線上表現(xiàn)為一定的偏移。自然電位測井曲線受巖性，地層水和泥漿濾液礦化度的比值，溫度，地層水和泥漿濾液含鹽性質(zhì)，地層厚度，井徑直徑的影響。在圖1 中，1267~1273 m，1276.5~1284 m，1293~1297 m，1304~1309 m，自然電位出現(xiàn)比較大的異常，與自然伽馬曲線有很好的對應(yīng)關(guān)系，因此是很好的滲透層。對于滲透層的分析，當(dāng)?shù)貙铀湍酀{濾液電阻率接近時，自然電位曲線異常幅度很小，接合自然伽馬和自然電位曲線綜合分析。

2.2. 電阻率曲線在水層上的特征

目前地球物理測井的電阻率采用深、淺雙側(cè)向和微球聚焦，深側(cè)向的電流以園餅狀進(jìn)入地層，因此它反映的是隨深度變化的地層深處原始地層的電阻率，微球聚焦測量的是沖洗帶的電阻率，由于水層賦存在巖石的孔隙當(dāng)中，由大的孔隙吼道連同，如果地層水比較淡，則有比較高的電阻率，如果地層水含鹽度比較高，則電阻率比較低，甚至低于圍巖的電阻率，圍巖一般為泥巖，比表面比較大，含有大量的束縛水，其束縛水孔隙度為沉積時的地層水，因此在測井曲線上的水層，有時是高電阻率，有時是低電阻率。電阻率與水層或油氣層的關(guān)系要建立在試水、試油資料的基礎(chǔ)上來判斷儲層的性質(zhì)。

2.3. 中子孔隙度曲線在水層上的特征

補償中子反映的是地層中的含氫指數(shù)，地層中的含氫指數(shù)越高，中子孔隙度值越大。水層有一定的中子孔隙度值，在泥巖中，包含大量的束縛水，中子孔隙度也比較大，有的水層中子孔隙度高出泥巖層中子孔隙度值，有時泥巖的中子孔隙度甚至高出純水層的中子孔隙度值，通過中子孔隙度或密度確定孔隙度的大小，結(jié)合自然電位、電阻率曲線，通過綜合分析，中子孔隙度能很好的指示水層的位置。

在圖1 中，該地層為砂泥巖互層，1267~1273 m，1276.5~1284 m，1293~1297 m，1304~1309 m 為滲透層，通過密度曲線計算，地層孔隙度在25%~28%之間，而滲透層的地層電阻率稍微高出圍巖的電阻率，滲透層的中子孔隙度比泥巖層高出大約5 個孔隙度單位，通過綜合分析，自然伽馬與自然電位顯示滲透性非常好，補償中子和巖性密度顯示孔隙度非常大，而電阻率絕對值只有7~9 歐姆米，根據(jù)鄰井的水分析資料建立的模板分析，對應(yīng)的這三個儲層是水層。

在圖1 的測井綜合圖中，自然伽馬，自然電位，補償密度的特征比較明顯。

在圖2 所示測井綜合曲線圖中，該地層為砂泥巖互層，根據(jù)自然伽馬和自然電位曲線分析，1392~1400 m，1417.5~1424 m，1425~1431 m 為滲透層，在圖2 所示的井段內(nèi)，自然電位曲線不明顯，有微弱的負(fù)異常，說明泥漿濾液電阻率與地層水電阻率接近，自然伽馬劃分地層非常明顯；而巖性密度和補償中子曲線顯示地層有很大的孔隙度，從密度計算的地層的孔隙度大約為25%左右，中子孔隙度為18%~21%孔隙度單位；在泥巖層，1400~1417.5 m，補償中子顯示的中子孔隙度平均為42%孔隙度單位，說明在泥巖地層中含有非常高的泥質(zhì)束縛水，泥巖的中子孔隙度值大于滲透層的中子孔隙度值；在圖2 所示的井段內(nèi)，電阻率曲線特征為滲透層的電阻率低于泥巖電阻率曲線。根據(jù)試水資料分析，這三層均為水層。

Figure 2. Compositive well-logging graph 圖2. 測井曲線綜合圖

3. 致密砂巖地層測井曲線特征

比較致密的砂巖地層，有效孔隙度很小，滲透率也很小，鈣質(zhì)含量相對較高，在常規(guī)測井資料中，自然伽馬曲線值比較低，變化也比較小，自然電位曲線幾乎是直線，電阻率曲線最高可達(dá)幾百歐姆米，巖性對電阻率的貢獻(xiàn)大于孔隙中流體的貢獻(xiàn)，補償中子很小，地層密度高達(dá)2.69~2.70 g/cm3左右，因此常規(guī)的測井曲線在致密砂巖地層特征不明顯。有些致密砂巖裂縫發(fā)育，由于裂縫的存在使?jié)B透率很高，地下水流通非?；钴S，但是自然伽馬、自然電位、巖性密度、補償中子曲線沒有任何特征顯示，因此用常規(guī)的測井曲線在致密砂巖地層找水相對困難?；鹕綆r和碳酸鹽地層中的水賦存在裂縫中，由于自然伽馬和自然電位不能有效的指示滲透層，電阻率曲線受巖性的影響比較大，水層特征不明顯或者沒有。

4. 核磁共振在判斷水層中的作用

核磁共振測井技術(shù)在油田地球物理測井中得到廣泛的應(yīng)用，它是利用氫原子核受磁化后弛豫所產(chǎn)生的核磁共振現(xiàn)象所進(jìn)行孔隙度和滲透率以及流體性質(zhì)測井的一門新的測井技術(shù)，它不受巖性的巖性[5] [6] [7]。哈里伯頓在核磁共振的模式設(shè)計了多個不同的模式，其中雙等待模式，即差譜法為判斷水層、油層奠定了基礎(chǔ)。它是根據(jù)不同流體具有不同的極化速率，不同的縱向馳豫時間等性質(zhì)來判別油氣的一種方法。在地層中，輕烴與孔隙水完全極化所需要的時間差異較大，對于孔隙水，在極短的極化時間就足以使其完全極化，而輕質(zhì)油與天然氣則需要較長的極化時間才能完全極化，設(shè)置長等待和短等待時間，如果地層孔隙是水，這兩個譜完全相同，如果地層有輕烴存在，長、短極化時間得到的T2分布就會有明顯差異，這兩個T2譜相減，水的信號可以相互抵消，而油與氣的信號則余留在差譜中，由此識別油氣，而T2譜完全相同時就是水層，如圖3 所示。

Figure 3. Nuclear magnetic resonance image well-logging graph 圖3. 核磁共振成像測井圖

圖3 是核磁共振測井結(jié)果處理后的成果圖，最右側(cè)是通過差譜得到的結(jié)果，從圖看出，1762~1765 m是油層信號，在T2譜上有油的信號，而1784~1788.5 m 在T2譜上，長等待和短等待兩個譜之差為水的信號，因此，該層為水層，從核磁共振資料看出，該層有效孔隙度為21%左右，滲透率為20 毫達(dá)西。

核磁共振儀器在石油鉆孔中使用，其探測深度很淺，只有幾個厘米，在石油地球物理測井中，可以滿足大部分井眼直徑的要求。從目前的資料看，在水文地質(zhì)方面找水方面，法國研制的核磁共振儀器在地面對地下水進(jìn)行探測，也有了一定的應(yīng)用研究，而且具有較深的探測深度，將核磁共振儀器移至地面探測水層有非常廣闊的前景。

5. 不同探測方法的差異性和適用條件對比

地球物理測井是測量精度最高的一種方法，在綜合測井中，通過自然電位，自然伽馬以及電阻率，密度或聲波的變化進(jìn)行綜合分析就可以確定水層，其分辨率非常高，使用性比較廣。

核磁共振測井是利用氫原子的弛豫特征，氫原子核受磁化后弛豫所產(chǎn)生的核磁共振現(xiàn)象所進(jìn)行孔隙度和滲透率以及流體性質(zhì)測井的一門新的測井技術(shù)，水層中的氫核受到極化后，T2譜發(fā)生變化，氫原子含量越多，受到極化后產(chǎn)生的T2譜特征越明顯，通過對接收的核磁信號轉(zhuǎn)換形成不同類型的T2譜，譜的形狀與水中質(zhì)子的數(shù)量有關(guān)，即核磁共振信號的幅值與所探測空間內(nèi)水的含量有線性關(guān)系，因此構(gòu)成了一種直接找水技術(shù)。在核磁共振的差譜模式中，根據(jù)譜特征和差譜后的特征就可確定水層。但是目前核磁共振測井的探測深度比較淺，只有5 cm 左右，而且價格非常昂貴，測井速度非常慢，不能被廣泛應(yīng)用。

介電測井采用發(fā)射天線發(fā)射高頻電磁波，在地層傳播后被接收探頭接收，含水層在測井曲線上衰減特征和相位角與非水層不同，通過綜合分析就可確定水層，一般在油田測井用于確定水淹層。

6. 結(jié)論

1) 測井資料在鉆孔中找水有直觀高效的特點。

2) 在測井曲線上自然電位曲線、電阻率曲線、補償中子曲線對水層均有一定的指示，在復(fù)雜巖性地層，通過綜合解釋，能得到可靠的解釋結(jié)論。

3) 核磁共振在通過對孔隙中流體的極化，采用長短兩個等待時間形成兩個不同的T2譜，兩個譜之差可以顯示油層或水層的信號，在石油鉆孔已經(jīng)大量的使用。

4) 由于致密砂巖地層固有的特征，用常規(guī)測井曲線在碳酸鹽地層找水比較困難。

基金項目

國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFC0501102-04)。