隨鉆電磁波電阻率測(cè)井在水平井各向異性地層響應(yīng)特征研究

李 鵬

(中海油田服務(wù)股份有限公司 油田技術(shù)事業(yè)部，河北 燕郊 065201)

1 引 言

隨著水平井鉆井?dāng)?shù)量的日益增加，直接利用水平井電阻率測(cè)井資料進(jìn)行油氣評(píng)價(jià)時(shí)，由于儀器響應(yīng)方式的不同，結(jié)果往往存在偏差，給測(cè)井解釋工作造成影響。水平井測(cè)量環(huán)境下，各向異性對(duì)測(cè)井響應(yīng)的影響開始逐漸受到關(guān)注。Ollivier Faivre等[1]利用陣列感應(yīng)和陣列側(cè)向數(shù)據(jù)表征了直井中電阻率各向異性特征。Zhao Jiangqing等[2]通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法測(cè)試了地層各向異性對(duì)測(cè)井響應(yīng)的影響。高偉等[3]總結(jié)了電性各向異性對(duì)大斜度井和水平井地層測(cè)量的影響，并且證明了利用測(cè)井曲線的組合響應(yīng)，能夠定性判別地層是否存在各向異性特征，同時(shí)地層各向異性讓測(cè)井定量評(píng)價(jià)變得更為復(fù)雜。在水平井測(cè)井解釋中，如果地層表現(xiàn)為各向異性，就不能直接將水平井中測(cè)量得到的電阻率用于油水識(shí)別，需計(jì)算出相應(yīng)的水平電阻率[4]。汪宏年等[5]開展了普通電阻率、雙側(cè)向和微球測(cè)井在各向異性地層中的響應(yīng)特征研究，并嘗試了利用側(cè)向和微球電阻率測(cè)井響應(yīng)差異，來(lái)判別各向異性地層的方法。范宜仁等[6]和胡松等[7]分別考察了大斜度井與水平井中地層各向異性對(duì)雙感應(yīng)測(cè)井響應(yīng)的影響，研究了井斜角、電阻率對(duì)比度以及地層各向異性等因素對(duì)雙感應(yīng)測(cè)井的影響規(guī)律。夏培等[8]和鄧少貴等[9]分別研究了各向異性水平地層與傾斜地層的雙側(cè)向測(cè)井響應(yīng)規(guī)律，研究結(jié)果表明：對(duì)于水平地層，雙側(cè)向測(cè)井響應(yīng)主要受層理方向上地層電阻率的影響，對(duì)于傾斜地層，垂向上的地層電阻率對(duì)測(cè)井響應(yīng)影響更大。

針對(duì)隨鉆電磁波電阻率測(cè)井儀器在水平井各向異性地層響應(yīng)特征進(jìn)行分析，忽略侵入影響，考察厚層下各向異性系數(shù)變化對(duì)測(cè)量曲線的影響情況，并定義曲線分離系數(shù)用于表征各向異性程度，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)測(cè)井資料，分析了水平井和直井電阻率存在顯著差異原因以及泥巖層出現(xiàn)不同探測(cè)深度測(cè)量曲線分離現(xiàn)象。上述考察結(jié)果和認(rèn)識(shí)為測(cè)井解釋評(píng)價(jià)提供了有益的指導(dǎo)。

2 各向異性地層定義及主要類型

2.1 各向異性地層定義

2.2 各向異性地層主要類型

地層各向異性現(xiàn)象普遍存在于砂泥巖薄互層、縫洞型地層、泥頁(yè)巖地層中。以砂泥巖薄互層為例，當(dāng)薄互層各個(gè)單層的厚度小于測(cè)井儀器縱向分辨率時(shí)，地層表現(xiàn)為宏觀各向異性介質(zhì)，其宏觀地層電導(dǎo)率僅由砂和泥的電導(dǎo)率決定。當(dāng)含烴地層包含不同粒度的薄互層或包含不同的孔隙分布時(shí)，同樣表現(xiàn)為電阻率的宏觀各向異性。當(dāng)?shù)貙訛檩^細(xì)的薄層，且交替出現(xiàn)時(shí)，會(huì)呈現(xiàn)出更為明顯的各向異性。因此，砂巖與泥巖薄層交互存在是產(chǎn)生地層各向異性的重要原因。

地層各向異性類型主要包括以下三類[10]：

1)砂泥巖等不同介質(zhì)交替出現(xiàn)的薄互層，表現(xiàn)為宏觀各向異性；

2)同一介質(zhì)由于巖石顆粒、滲透率、孔隙結(jié)構(gòu)等不同而表現(xiàn)出各向異性；

3)巖層中薄的電導(dǎo)性或電阻性條帶表現(xiàn)出的各向異性。

這三種地層結(jié)構(gòu)分別如圖1所示。

圖1 各向異性的表現(xiàn)形式

3 層狀泥巖/砂巖交互層中電導(dǎo)率間關(guān)系

砂泥巖互層普遍存在電性各向異性，如果互層序列較厚，則感應(yīng)測(cè)井電導(dǎo)率與在均勻各向異性地層中得到的電導(dǎo)率均反映地層宏觀電導(dǎo)率，如果互層序列較薄，則應(yīng)進(jìn)行校正處理以正確判斷宏觀地層電導(dǎo)率。實(shí)踐表明，多數(shù)泥巖層本身就存在各向異性特征，如果不考慮各項(xiàng)異性規(guī)律，根據(jù)感應(yīng)測(cè)井得到的地層宏觀電阻率會(huì)比事實(shí)上更大。

若泥巖是各向同性的，則宏觀水平電導(dǎo)率σH為

σH=hsdσsd+hshσsh

(1)

宏觀垂向電導(dǎo)率σV為

σV=(hsd/σsd+hsh/σsh)-1

(2)

用電阻率表示為

RV=hsdRsd+hshRsh

(3)

通常泥巖是各向異性的，那么宏觀水平電導(dǎo)率σH為

σH=hsdσsd+hshσsh,H

(4)

宏觀垂向電導(dǎo)率σV為

σV=(hsd/σsd+hsh/σsh,V)-1

(5)

用電阻率表示為

RV=hsdRsd+hshRsh,V

(6)

同時(shí)砂泥巖含量滿足

hsd+hsh=1

(7)

上述各式中，hsd表示砂巖含量;hsh表示泥巖含量;σsd表示砂巖電導(dǎo)率;σsh表示泥巖電導(dǎo)率;σsh,H表示泥巖水平電導(dǎo)率;σsh,V表示泥巖垂向電導(dǎo)率，Rsh表示泥巖電阻率，Rsh,V表示泥巖垂向電阻率。

感應(yīng)測(cè)井與側(cè)向測(cè)井在均勻各向異性地層中得到的是：Rlog=RH/β。

4 各向異性系數(shù)對(duì)儀器響應(yīng)特征影響考察

通過(guò)正演考察，可以模擬ADR675儀器在水平井中不同各向異性系數(shù)的電阻率測(cè)井響應(yīng)規(guī)律。地層模型采用三層水平井地層，移動(dòng)井眼與儀器使之穿過(guò)層界面，考察儀器在不同深度點(diǎn)的響應(yīng)規(guī)律。模型中間層厚設(shè)定為4.0 m，且無(wú)泥漿侵入，中間目的層水平電阻率RH為10.0 Ω·m，泥漿電阻率為0.1 Ω·m，井徑為8.5 in，各向異性系數(shù)在1至3之間變化。地層模型及參數(shù)圖2所示。

圖2 水平井各向異性地層模型

圖3是帶方位的相位差電阻率模擬結(jié)果，從模擬結(jié)果可知：隨著各向異性系數(shù)增大，方位相位差電阻率增大；在層界面處出現(xiàn)極化角，從低阻進(jìn)入高阻的極化角小于從高阻進(jìn)入低阻的極化角，說(shuō)明極化現(xiàn)象和地層背景電阻率相關(guān)；長(zhǎng)源距極化角大于短源距極化角。圖3～圖6中，橫坐標(biāo)是深度(模型的測(cè)井深度)，縱坐標(biāo)是儀器響應(yīng)值(儀器的電阻率測(cè)量值Ra)。

圖3 水平井各向異性地層模型方位電阻率正演仿真結(jié)果(相位差電阻率)

圖4是帶方位的幅度比電阻率模擬結(jié)果，從模擬結(jié)果可知，隨著各向異性系數(shù)增大，方位幅度比電阻率增大；與方位相位差電阻率相同，在層界面處出現(xiàn)極化角，從低阻進(jìn)入高阻的極化角小于從高阻進(jìn)入低阻的極化角；長(zhǎng)源距極化角大于短源距極化角。和方位相位差相比，方位幅度比電阻率極化角更明顯，且方位幅度電阻率隨各向異性系數(shù)增大分離程度比方向相位差電阻率分離程度小。

圖4 水平井各向異性地層模型方位電阻率正演仿真結(jié)果(幅度比電阻率)

通過(guò)平均相位差電阻率(圖5)和平均方位幅度比電阻率(圖6)對(duì)比結(jié)果可知：在各向異性地層環(huán)境下，相位差電阻率更接近地層垂直電阻率，幅度比電阻率更接近地層水平電阻率；隨著各向異性系數(shù)增大，相位差電阻率曲線分離程度比幅度比電阻率曲線分離程度更大；在層界面處，幅度比電阻率極化犄角現(xiàn)象比相位差極化犄角明顯。長(zhǎng)源距的相位差電阻率和幅度比電阻率受井眼影響更小，可也用長(zhǎng)源距幅度比電阻率ARH48A與長(zhǎng)源距相位差電阻率ARH48P的差值來(lái)指示曲線分離程度Sapll，根據(jù)分離程度，統(tǒng)計(jì)其和各向異性系數(shù)間關(guān)系，為反演各向異性系數(shù)初值選取提供指導(dǎo)。

圖5 水平井各向異性地層模型平均電阻率正演仿真結(jié)果(相位差電阻率)

圖6 水平井各向異性地層模型平均電阻率正演仿真結(jié)果(幅度比電阻率)

(8)

通過(guò)正演模型仿真，研究水平井下地層各向異性對(duì)儀器響應(yīng)分離影響，模型參數(shù)為三層水平井地層模型，中間目的層水平電阻率變化范圍10.0～20.0 Ω·m，垂直電阻率變化范圍RV/RH：2～25，圍巖電阻率Rs=6.0 Ω·m，無(wú)泥漿侵入，井眼直徑D=8.5 in，泥漿電阻率Rm=0.1 Ω·m，中間目的層厚4 m。

由圖7模擬結(jié)果可以看出，曲線分離程度值隨各向異性系數(shù)增大而減小(分離程度絕對(duì)值隨各向異性系數(shù)增大而增大)，且分離程度值均小于0(即幅度比電阻率小于相位差電阻率)，曲線分離程度與背景電阻率基本成線性關(guān)系，與各向異性系數(shù)成非線性關(guān)系變化。

圖7 水平井曲線分離程度隨各向異性系數(shù)變化規(guī)律

5 各向異性應(yīng)用實(shí)例與分析

圖8是隨鉆電磁波ADR儀器在各向異性地層中的測(cè)井響應(yīng)曲線，圖9是隨鉆電磁波ARC儀器在各向異性地層中的測(cè)井響應(yīng)曲線。通過(guò)水平井和探井(直井)測(cè)量隨鉆視電阻率對(duì)比，探井視電阻率在10.0～40.0 Ω·m之間，水平井視電阻率在90.0～200.0 Ω·m之間，可以判斷出探井油層電阻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于水平井油層視電阻率，可見地層各向異性對(duì)視電阻率測(cè)量存在重要影響。

圖8 各向異性對(duì)ADR測(cè)井儀器影響實(shí)例

圖9 各向異性對(duì)ARC測(cè)井儀器影響實(shí)例

圖10是隨鉆電磁波MPR儀器在泥巖段的測(cè)井響應(yīng)。泥巖的壓實(shí)和脫水過(guò)程會(huì)在泥巖里面產(chǎn)生黏土小板塊，靠近這些黏土小板塊的黏土表面的補(bǔ)償離子具有可移動(dòng)性，這就導(dǎo)致了在它平面的方向具有更高的導(dǎo)電性，產(chǎn)生各向異性，引起不同探測(cè)深度的電阻率分離。

圖10 各向異性對(duì)MPR測(cè)井儀器影響實(shí)例

6 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行仿真考察，得出以下結(jié)論：

1)儀器在直井和水平井環(huán)境下響應(yīng)方式不同，直接利用水平井測(cè)量的電阻率曲線進(jìn)行測(cè)井解釋得到的結(jié)果往往存在偏差。

2)隨著地層各向異性系數(shù)增大，方位相位差電阻率隨之增大；地層邊緣出現(xiàn)極化角現(xiàn)象，從低阻地層進(jìn)入高阻地層的極化角小于從高阻地層進(jìn)入低阻地層的極化角，說(shuō)明極化現(xiàn)象與地層背景電阻率相關(guān)；長(zhǎng)源距極化角大于短源距極化角。同方位相位差相比，方位幅度比電阻率極化角更明顯，且方位幅度電阻率隨各向異性系數(shù)增大分離程度比方位相位差電阻率分離程度小。

3)對(duì)于各向異性地層，平均相位差電阻率更接近地層垂直電阻率，平均幅度比電阻率更接近地層水平電阻率；隨著各向異性系數(shù)增大，平均相位差電阻率曲線分離程度比平均幅度比電阻率曲線分離程度更大；在層界面處，平均幅度比電阻率極化犄角現(xiàn)象比平均相位差電阻率極化犄角更明顯。

4)由實(shí)測(cè)井資料分析可知，泥巖往往表現(xiàn)為各向異性，在泥巖層出現(xiàn)曲線分離現(xiàn)象，且各向異性地層會(huì)導(dǎo)致探井油層電阻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于水平井油層測(cè)量的視電阻率。