三維感應(yīng)測(cè)井儀在松遼盆地北部低電阻率儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

白彥,李慶峰,陳濤,邢光龍,董麗新,宋青山

(1.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司測(cè)井技術(shù)研究院,陜西西安710077;2.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司大慶分公司,黑龍江大慶163000;3.燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,河北秦皇島066004)

0 引 言

準(zhǔn)確識(shí)別與評(píng)價(jià)低電阻率儲(chǔ)層是松遼盆地北部區(qū)塊測(cè)井解釋面臨的難點(diǎn):由于低電阻率儲(chǔ)層普遍發(fā)育砂泥薄互層或砂質(zhì)頁(yè)巖層,使傳統(tǒng)電阻率測(cè)井儀器所測(cè)量的電阻率值過(guò)低;低電阻率儲(chǔ)層大部分是由頁(yè)巖或細(xì)砂和高束縛水組成,地層電阻率具有各向異性,無(wú)法用傳統(tǒng)電阻率測(cè)井儀器探測(cè),使低電阻率儲(chǔ)層無(wú)法被有效表征,導(dǎo)致儲(chǔ)層低估或漏失。常規(guī)感應(yīng)測(cè)井儀器測(cè)量的是地層徑向電阻率,參與解釋計(jì)算的含油飽和度偏低,為低電阻率儲(chǔ)層的評(píng)價(jià)帶來(lái)困難。三維感應(yīng)測(cè)井技術(shù)為各向異性?xún)?chǔ)層勘探和評(píng)價(jià)提供了重要的手段[1-5],2000年Kriegshauser等[6]提出利用5個(gè)磁場(chǎng)分量來(lái)探測(cè)地層各向異性的三軸感應(yīng)測(cè)井儀;2003年Rosthal等[7]提出利用9個(gè)磁場(chǎng)分量來(lái)探測(cè)地層各向異性的多分量感應(yīng)測(cè)井儀;2004年Barber等[8]研制出陣列三軸感應(yīng)測(cè)井儀;2013年Hou等[9]研究了適用于油基鉆井液井眼的三維感應(yīng)測(cè)井儀,與各種常規(guī)電法測(cè)井技術(shù)不同,該儀器在測(cè)量地層各向異性、傾角及方位角等方面起到了很好的作用。

為了解決砂泥巖薄互層等復(fù)雜儲(chǔ)層低電阻率測(cè)量問(wèn)題[10-11],中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司研制了三維感應(yīng)測(cè)井儀(3D Induction Tool,3DIT),該儀器由1個(gè)三軸發(fā)射器、4個(gè)針對(duì)井眼校正和數(shù)據(jù)處理的短間距單軸接收陣列及3個(gè)三軸接收陣列組成,每對(duì)三軸發(fā)射接、接收陣列產(chǎn)生9個(gè)分量。在垂直井中的水平層,對(duì)于地層電導(dǎo)率,只有3個(gè)正交主分量響應(yīng)不為零,而在斜井或者是有角度的地層中,9個(gè)分量都有響應(yīng),對(duì)電阻率的計(jì)算都有貢獻(xiàn)。但是,當(dāng)區(qū)域存在低電阻率泥巖[12-13]、高電阻率鈣質(zhì)砂巖干擾時(shí),依靠電阻率數(shù)值大小去判別砂巖儲(chǔ)層中的流體性質(zhì)往往得到相反的結(jié)論,計(jì)算的地層含油飽和度會(huì)導(dǎo)致誤判的現(xiàn)象,這樣就會(huì)造成漏掉含油儲(chǔ)層的結(jié)果。因此,提出利用三維感應(yīng)測(cè)井資料有效低電阻率儲(chǔ)層表征,使用3DIT測(cè)量?jī)?chǔ)層電阻率,經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理可以有效反演地層水平和垂直電阻率,再基于解釋模型計(jì)算砂巖的電阻率,從而計(jì)算儲(chǔ)層含油飽和度;另外,考慮了儲(chǔ)層鈣質(zhì)含量影響,提出了一種有效消除鈣質(zhì)影響的解釋模型。最后,通過(guò)松遼盆地北部的測(cè)井實(shí)例描述了3DIT在低電阻率儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中的應(yīng)用。

1 三維感應(yīng)測(cè)井資料處理方法

(1)

(2)

分析式(1)和式(2),任意取向收發(fā)線圈測(cè)井響應(yīng)不僅決定于地層水平電阻率和垂直電阻率Rh和Rv分布,也和儀器軸相對(duì)于各向異性地層取向(地層傾角θ和方位角γ)有關(guān)。為了探測(cè)地層電阻率各向異性,三維感應(yīng)探測(cè)器采用三軸(X、Y和Z)正交發(fā)射線圈和接收線圈,收發(fā)線圈法向?qū)?yīng)平行,測(cè)量9組分量組成三維測(cè)量矩陣。3個(gè)對(duì)角元分量為測(cè)量主分量,其他為交叉分量。為了消除主分量測(cè)量直耦信號(hào),類(lèi)似于傳統(tǒng)感應(yīng)測(cè)井引入三軸屏蔽線圈,這樣每個(gè)分量測(cè)量對(duì)應(yīng)1組線圈,分別為發(fā)射線圈T、接收線圈R和屏蔽線圈B。

圖1為3DIT儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖[3]。由圖1(a)可見(jiàn),三維感應(yīng)探測(cè)器由1組三軸發(fā)射線圈、3組不同接收位置的三軸接收線圈(A24、A60、A90)組成的測(cè)量9個(gè)分量的子陣列,同時(shí)增加4組不同接收位置的單軸接收線圈(A06、A10、A16、A39)測(cè)量ZZ分量,共同組成7組三維陣列感應(yīng)探測(cè)器。圖1(b)為三軸X、Y和Z方向發(fā)射與接收線圈結(jié)構(gòu),其中對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)X和Y方向線圈,尺寸大小與匝數(shù)相同、與Z方向線圈保持同軸共點(diǎn)。由圖1(c)可見(jiàn),每組三維子陣列包含1個(gè)三軸發(fā)射線圈和1個(gè)三軸接收線圈與三軸屏蔽線圈組成的三線圈系結(jié)構(gòu),LR、LB為接收線圈與屏蔽線圈到發(fā)射線圈的距離。

圖1 3DIT三維感應(yīng)測(cè)井儀結(jié)構(gòu)圖

參照式(1),考慮3DIT儀器線圈系參數(shù),三維感應(yīng)儀器測(cè)井響應(yīng)方程可以寫(xiě)為

nβ,σα,β=Kα,βVα,β,α,β=x,y,z

(3)

式中,α和β分別為收發(fā)分量指標(biāo);D為屏蔽線圈和接收線圈有效面積比,選擇合適的D值可以有效地消除主分量直耦電動(dòng)勢(shì);σα,β為α和β對(duì)應(yīng)測(cè)量分量電導(dǎo)率的測(cè)量值,S/m;α和β分別為測(cè)量分量電壓信號(hào)(接收和屏蔽線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)差值);Kα,β為刻度系數(shù)。

與傳統(tǒng)感應(yīng)測(cè)井測(cè)量ZZ分量反演地層各向同性電阻率相比,3DIT測(cè)井資料涉及多響應(yīng)分量多參數(shù)反演問(wèn)題,非線性導(dǎo)致反演不適定性非常嚴(yán)重;加之實(shí)際測(cè)井環(huán)境的復(fù)雜性(井眼影響和鄰層影響)增加了3DIT資料反演難度。分3步求解3DIT測(cè)井資料反演問(wèn)題:①利用均勻介質(zhì)GREEN函數(shù)解析解[4],采用反演方法提取θ、γ、Rh、Rv視值,主要是盡可能提取到誤差較小的θ和γ;②利用柱狀分層介質(zhì)中GREEN函數(shù)數(shù)值解實(shí)現(xiàn)測(cè)量井眼影響校正[5];③利用平面分層介質(zhì)中的GREEN函數(shù)數(shù)值解實(shí)現(xiàn)Rh、Rv鄰層影響校正。經(jīng)過(guò)上述資料處理流程,可以獲得原狀地層Rh、Rv測(cè)量值,為低電阻率儲(chǔ)層解釋和評(píng)價(jià)建立堅(jiān)實(shí)的資料基礎(chǔ)。值得指出的是,在各向異性介質(zhì)中三維感應(yīng)可以提供θ和Rv信息,這些是傳統(tǒng)電阻率測(cè)井難以做到的。

2 含泥巖、砂巖和鈣質(zhì)三組分測(cè)井解釋方法

3DIT測(cè)井資料反演水平電阻率和垂直電阻率(Rh和Rv)在儲(chǔ)層飽和度評(píng)價(jià)中的應(yīng)用:①在砂泥巖儲(chǔ)層中,依據(jù)地層電阻率測(cè)井解釋模型,由Rh和Rv反求出砂巖和泥巖電阻率;②根據(jù)砂泥巖電阻率和體積比計(jì)算儲(chǔ)層飽和度。其中,基于薄交互層單軸各向異性解釋模型,由地層各向異性電阻率提取薄交互地層組分,砂巖、泥巖電阻率和體積比是三維感應(yīng)測(cè)井資料解釋的關(guān)鍵。

圖2(a)為常用的砂巖—泥巖薄交互層各向異性模型[14-15],本文采用圖2(b)所示泥巖、砂巖和鈣質(zhì)混合層模型解決地層含有鈣質(zhì)的情況。圖2(a)描述各向異性地層模型中,Rh和Rv對(duì)砂巖電阻率Rsand和泥巖電阻率Rshale及其體積比Fsand和Fshale響應(yīng)方程為

(4)

由(4)式得到Rsand>Rh,可以有效表征低電阻率儲(chǔ)層。要提取到確切的砂巖電阻率還必須已知層狀砂泥巖體積比Fsand和Fshale,而且模型要求地層只有砂巖和泥巖二元組分。但是松遼盆地北部低電阻率儲(chǔ)層不是簡(jiǎn)單的砂泥巖二元組分,儲(chǔ)層常常含有鈣質(zhì)(具有較大的電阻率),是泥巖、砂巖和鈣質(zhì)三元組分。針對(duì)這種三元組分儲(chǔ)層仍然采用式(4)解釋模型又會(huì)出現(xiàn)砂巖電阻率高估現(xiàn)象。為了解決這一問(wèn)題,需要建立三元組分解釋模型。一種模型是CAI等[16]提出泥巖、砂巖和鈣質(zhì)薄交互層模型[見(jiàn)圖3(a)],Rh和Rv對(duì)Rsand、Rshale和鈣質(zhì)電阻率Rca及其體積比Fsand、Fshale和Fca響應(yīng)方程為

(5)

(6)

3 實(shí)測(cè)資料應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

3.1 實(shí)例一

圖4為3DIT在大慶油田某井測(cè)井解釋成果圖,該井的井徑為8.5 in[注]非法定計(jì)量單位,1 in=25.4 mm,下同,井眼鉆井液的電阻率為1.2 Ω·m。由3DIT測(cè)井資料反演水平電阻率和垂直電阻率,垂直電阻率普遍高于水平電阻率,地層電阻率具有明顯的各向異性。對(duì)比發(fā)現(xiàn),該井段的聲波、中子值比其它層高,密度值低,反映儲(chǔ)層物性變差,從計(jì)算結(jié)果看,常規(guī)水平電阻率接近20號(hào)層垂直電阻率,垂直電阻率與水平電阻率之比略大,反映砂體中的泥質(zhì)薄夾層變少,該層位表現(xiàn)純油層特征,聯(lián)合計(jì)算的含油飽和度為68%,實(shí)際測(cè)試結(jié)果日產(chǎn)油5.8 t,無(wú)水。結(jié)果表明,聯(lián)合應(yīng)用地層水平電阻率和垂直電阻率解釋方法是可行的。

圖2 各向異性電阻率地層模型

圖3 計(jì)算地層模型及示例

圖4 3DIT測(cè)井資料成果圖

圖5 3DIT測(cè)井資料成果圖

3.2 實(shí)例二

根據(jù)圖5,對(duì)井段(1 935～1 960 m)進(jìn)行綜合反演處理,得到地層傾角、水平電阻率和垂直電阻率,進(jìn)一步處理得到砂巖體積比Fsand與砂巖電阻率Rsand,然后結(jié)合常規(guī)結(jié)果進(jìn)行了薄互層分析。通過(guò)與常規(guī)儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn),AT90探測(cè)的電阻率曲線最大值為30 Ω·m,且垂直電阻率大于水平電阻率,在薄互層特征比較明顯的地層中薄互層位置處與常規(guī)分析結(jié)果有明顯不同,常規(guī)分析發(fā)現(xiàn)有效儲(chǔ)層不明顯,利用三維電磁感應(yīng)薄互層分析發(fā)現(xiàn)烴源巖內(nèi)部也存在一些薄層砂體和鈣質(zhì)層,1 944～1 948 m層段砂巖體積比高,59、60號(hào)層狀砂比例高,有效厚度比常規(guī)評(píng)價(jià)增大,是一些潛在的有效儲(chǔ)層。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)使用三維感應(yīng)測(cè)井儀測(cè)量?jī)?chǔ)層電導(dǎo)率,經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理可以有效地反演出地層水平電阻率和垂直電阻率。再基于各向異性電阻率解釋模型計(jì)算砂巖的電阻率,進(jìn)而計(jì)算儲(chǔ)層含油氣飽和度。建立了含泥巖、砂巖和鈣質(zhì)三組分測(cè)井解釋方法,有效地提高了低電阻率儲(chǔ)層評(píng)價(jià)精度,通過(guò)實(shí)際測(cè)井資料處理驗(yàn)證了解釋方法的可行性。

(1)開(kāi)發(fā)了三維感應(yīng)測(cè)井儀及其配套資料處理方法,可以提供低電阻儲(chǔ)層水平電阻率、垂直電阻率和地層傾角信息,為低電阻儲(chǔ)層評(píng)價(jià)難題解決提供了有效的技術(shù)途徑。

(2)泥巖、砂巖和鈣質(zhì)三組分解釋模型的應(yīng)用有效解決了由水平電阻率和垂直電阻率提取砂巖電阻率存在嚴(yán)重高估的問(wèn)題,提高了儀器在砂泥巖薄互層中電阻率測(cè)量和儲(chǔ)量估算的精度。

(3)松遼盆地北部測(cè)井應(yīng)用效果表明三維感應(yīng)測(cè)井儀器在低電阻率儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中有重要的應(yīng)用價(jià)值,為進(jìn)一步現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

(4)三維感應(yīng)測(cè)井技術(shù)還處于發(fā)展中,針對(duì)其他復(fù)雜儲(chǔ)層資料處理方法和解釋方法還需要深入研究和不斷完善。