基于HDIL 的裂縫性砂巖地層響應(yīng)特性研究

賈圣胤，陳 凱，馬 征

（西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西西安 710065）

隨著油氣的不斷開采，高孔高滲的油氣儲層越來越少，而低孔低滲的油氣儲層成為了研究的重點。隨著資源的缺乏和技術(shù)水平的提高，致密性砂巖儲層成為了如今探測開采的焦點[1]，如塔里木油田的克深區(qū)塊，就是典型的致密性砂巖儲層。通常致密性砂巖儲層天然裂縫比較發(fā)育，儲層較深，鉆井通常需要在高壓條件下，導(dǎo)致鉆井液沿著裂縫侵入儲層，且侵入較深，使得后續(xù)的測井響應(yīng)出現(xiàn)異常。對于裂縫的預(yù)測評估而言，現(xiàn)在一般是通過成像測井來判斷裂縫發(fā)育程度，而成像測井因為成本原因，不能廣泛大量的在油田里運用，因此開始尋求通過常規(guī)測井的各種手段與方法來判斷裂縫發(fā)育程度[2]。HDIL 高分辨率陣列感應(yīng)測井儀器作為一種相對完善的電阻率測井儀器，由于分辨率高，探測深度深，侵入指示明顯，可提供豐富的地層信息，已成為電阻率測井的重要手段[3]，其測量效果得到了國內(nèi)外石油勘探領(lǐng)域的廣泛認可。

2014 年，皇凡生建立了天然裂縫網(wǎng)絡(luò)鉆井完井液漏失壓力預(yù)測模型[4]；2016 年，劉丹總結(jié)了高分辨率陣列感應(yīng)測井電阻率在致密砂巖儲層中的曲線特征[5]；2017 年，李宇騰研究了水平井中陣列感應(yīng)測井的響應(yīng)特性，制作了三層模型響應(yīng)圖版[6]；2018 年郭晨彤對陣列感應(yīng)測井HDIL 的傾角影響校正做了研究[7]；2019 年馮加明利用兩相滲流-對流擴散理論構(gòu)建了動態(tài)泥漿侵入正演地層模型，總結(jié)了動態(tài)泥漿侵入條件下陣列側(cè)向測井儀器的正演響應(yīng)特性[8]。對于泥漿漏失的研究，現(xiàn)在的主流方向主要是針對泥漿漏失壓力預(yù)測以及如何有效地進行堵漏，而對于泥漿漏失發(fā)生之后對后續(xù)測井造成的影響研究甚少。

本文正是基于上述考慮通過HDIL 高分辨率陣列感應(yīng)測井儀器，利用其分辨率高，探測深度深，侵入指示明顯的特點，對裂縫性泥漿漏失儲層特征進行三維描述。通過COMSOL 仿真軟件建立響應(yīng)模型，分析泥漿的類型、裂縫的張開度對HDIL 測井響應(yīng)特性的影響，為泥漿漏失下測井解釋提供可靠的依據(jù)，對陣列感應(yīng)測井儀器在致密性砂巖儲層中的勘探開發(fā)具有重要的意義[9，10]。

1 模型的構(gòu)建及其合理性驗證

1.1 儀器和裂縫地層模型的建立

裂縫是砂巖地層中泥漿漏失的主要通道，通常情況下，砂巖地層中存在數(shù)量非常龐大的天然微裂縫，其形態(tài)各異且分布極不均勻，考慮到模型的簡易性，本文利用HDIL 高分辨率陣列感應(yīng)測井儀器以單一誘導(dǎo)裂縫為主要研究對象探究其響應(yīng)機理，誘導(dǎo)裂縫（見圖1）。

圖1 誘導(dǎo)裂縫示意圖

HDIL 陣列感應(yīng)測井儀器是由七個單側(cè)布置的三線圈系子陣列組成；主接收線圈間距從152.4 mm 至2 387.6 mm，按對數(shù)等間隔布置；七個子陣列共用一個發(fā)射線圈，每個子陣列包含一個接收線圈和一個發(fā)射線圈，所有子陣列同時接收包含八個頻率（10 kHz、30 kHz、50 kHz、70 kHz、90 kHz、110 kHz、130 kHz 和150 kHz）的時間序列波形，儀器參數(shù)（見表1）。

表1 模型儀器參數(shù)

由于目的儲層中裂縫數(shù)量較多，裂縫幾何尺寸較小，考慮到COMSOL 中網(wǎng)格剖分的復(fù)雜性，以及常規(guī)鉆井中鉆井泥漿多含泥漿漏失填堵材料，較寬的裂縫在泥漿漏失中起主導(dǎo)作用，所以將眾多裂縫等效成一條張開度相對較大的誘導(dǎo)裂縫作為研究對象，裂縫本身的參數(shù)為張開度、延展距離，本文所研究的裂縫張開度均為5 mm 以上（含5 mm）。

結(jié)合前文儀器參數(shù)、裂縫參數(shù)建立如下模型（見圖2）。

圖2 誘導(dǎo)裂縫模型

1.2 數(shù)值計算的驗證

由于均勻介質(zhì)地層可以通過感應(yīng)測井理論公式計算解析解，所以可以通過對比均質(zhì)下的COMSOL 數(shù)值解和理論公式計算的解析解來驗證模型的可靠性和網(wǎng)格剖分的合理性。將地層電導(dǎo)率設(shè)為0.01 S/m，發(fā)射線圈發(fā)射電流設(shè)為1 A，發(fā)射頻率設(shè)為20 kHz，算得COMSOL 數(shù)值解與理論公式解析解（見表2）。

通常認為只要誤差控制在3%以內(nèi)，模型就是正確的，剖分也是合理的，從表2 可以看到，七個子陣列最大誤差為0.129 1%，遠小于3%，說明建立的模型是正確的，下面只要利用這個模型，結(jié)合所要研究的內(nèi)容逐步展開研究即可，為了減少計算量、節(jié)約計算時間，儀器在井眼中移動范圍為上下6 m，步長設(shè)為0.3 m。

表2 數(shù)值解與解析解及兩者相對誤差對比表

2 數(shù)值模擬

本文主要研究HDIL 高分辨率陣列感應(yīng)測井儀器對于裂縫性泥漿漏失的響應(yīng)特性，影響儀器測井響應(yīng)敏感性的因素主要包括泥漿的類型、裂縫的張開度。COMSOL 軟件計算得到的為電壓信號，為了比較分析，將其轉(zhuǎn)化為視電導(dǎo)率，并取其實部，這是因為在實踐中發(fā)現(xiàn)，虛部信號容易受到測量環(huán)境的影響，如泥漿中含磁性物質(zhì)的影響，導(dǎo)致虛部測量信號精度較低。本文模型基于以下假設(shè)條件：

（1）地層滲透率很低，裂縫是泥漿主要流通通道，泥漿僅沿裂縫侵入，不考慮其他形式的侵入；

（2）裂縫內(nèi)只有單一鉆井液流體流動，且鉆井液不與巖石發(fā)生化學(xué)物理反應(yīng)，泥漿漏失不導(dǎo)致裂縫尖端擴展和延伸。

2.1 不同裂縫張開度的影響

對于等效的裂縫模型，其幾何參數(shù)只有兩個，即張開度、延展距離，通常只研究張開度對測井響應(yīng)特征的影響。利用控制變量法固定其他量，只更改一個影響因素分析其響應(yīng)特性。設(shè)定發(fā)射線圈發(fā)射頻率為20 kHz，目的層厚為2 m，泥漿電導(dǎo)率為1 S/m，目的層電導(dǎo)率為0.01 S/m，圍巖電導(dǎo)率為0.1 S/m，延伸距離為5 m，張開度取0.1 m、0.6 m、1 m、1.5 m，算得其七個子陣列的視電導(dǎo)率（見圖3）。

圖3 張開度對視電導(dǎo)率的影響

從圖3 可以看出：

（1）隨著張開度的變大，曲線越來越平滑，峰值增大，且同一張開度下，短子陣列的峰值要大于長子陣列的峰值，這是由于短子陣列的探測深度更淺，近井眼區(qū)域?qū)τ谝曤妼?dǎo)率的貢獻更大。

（2）當張開度很小時，如圖3（a），張開度為0.1 m時，長子陣列在層界面處視電導(dǎo)率無明顯變化，這是由于長子陣列源距較長，分層能力較差，故長子陣列不能識別張開度太小的微小裂縫漏失，短子陣列可以識別。

（3）在短子陣列中，會出現(xiàn)“薄層層角”現(xiàn)象，這是由于裂縫上下目的薄層的存在，隨著張開度的增加，“層角”會逐漸消失。

2.2 不同泥漿電導(dǎo)率的影響

在鉆井中，通常使用三類泥漿，淡水泥漿（電導(dǎo)率1 S/m）、鹽水泥漿（電導(dǎo)率10 S/m）、油基泥漿，不同泥漿類型下，HDIL 高分辨率陣列感應(yīng)測井儀器的響應(yīng)不同。本文研究的泥漿類型對測井響應(yīng)的影響主要針對泥漿電導(dǎo)率為1 S/m 和10 S/m 兩種類型。設(shè)定裂縫張開度1 m，延伸距離5 m，將模型分為高阻圍巖（圍巖電導(dǎo)率0.01 S/m，目的層電導(dǎo)率0.1 S/m）、低阻圍巖（圍巖電導(dǎo)率0.1 S/m，目的層電導(dǎo)率0.01 S/m）兩種類型，數(shù)字模擬計算泥漿漏失下的測井響應(yīng)（見圖4）。

從圖4 可以看出：

（1）同一圍巖類型，不同泥漿體系下，視電導(dǎo)率響應(yīng)曲線變化趨勢是一致的，幅值大小隨泥漿電導(dǎo)率等比變化；從圖4 中可以看出，長子陣列受圍巖影響較大，短子陣列受井眼影響較大。

（2）同一泥漿體系下，低阻圍巖較高阻圍巖模型在層界面處視電導(dǎo)率曲線隨儀器位置變化的更快，即高阻圍巖由峰值變到其收斂的圍巖電導(dǎo)率值需要一個較大高度差。結(jié)合圖4（a）、圖4（b）同樣可以看出泥漿電導(dǎo)率的增大也會使曲線的變化率減小，不過影響相對較小。通常利用半幅點法來劃分地層，即在電阻率曲線變化一半的地方進行，對圖4 中視電導(dǎo)率曲線做半幅點法，得到的裂縫厚度與給定的張開度（1 m）對比，可以得到如下結(jié)論：低阻圍巖下，泥漿電導(dǎo)率越小，通過做短子陣列的視電導(dǎo)率曲線的半幅點，確定的裂縫厚度與真實值最為接近。

（3）“層角”現(xiàn)象只在圖4（a）中出現(xiàn)，說明泥漿電導(dǎo)率的增加會弱化薄層層角現(xiàn)象，而高阻圍巖模型下，由于目的層本身電導(dǎo)率的增大，使得“層角”也被弱化。

圖4 兩種圍巖模型下泥漿類型對視電導(dǎo)率的影響

3 結(jié)論

通過建立HDIL 高分辨率陣列感應(yīng)測井儀器的誘導(dǎo)裂縫響應(yīng)模型，模擬計算了不同泥漿類型下、不同裂縫張開度下的響應(yīng)特性，探究了HDIL 高分辨率陣列感應(yīng)測井儀器在裂縫性砂巖地層的響應(yīng)機理。得到以下結(jié)論：

（1）利用HDIL 高分辨率陣列感應(yīng)測井儀器，對誘導(dǎo)裂縫的研究表明，長子陣列不能識別張開度太小的微小裂縫漏失，短子陣列可以；隨著張開度的增加“層角”會被弱化。

（2）同一圍巖類型，不同泥漿體系下，視電導(dǎo)率響應(yīng)曲線變化趨勢是一致的，幅值大小隨泥漿電導(dǎo)率等比變化；泥漿電導(dǎo)率越小，通過做短子陣列的視電導(dǎo)率曲線的半幅點，確定的裂縫厚度與真實值越為接近；泥漿電導(dǎo)率的增加會弱化“薄層層角”。