蘇里格氣田雙側(cè)向電阻率負(fù)差異現(xiàn)象研究

王輝,史國(guó)發(fā),林兵兵,宗飛,陳草棠,盧春利

(1.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司長(zhǎng)慶分公司,陜西西安710201;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163412;3.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司技術(shù)中心,陜西西安710077)

0 引 言

中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司生產(chǎn)的DLL6503(Dual Laterolog 6503)雙側(cè)向測(cè)井儀將電子儀內(nèi)置于電極系內(nèi),使得儀器長(zhǎng)度縮短近一半。與其他同系列儀器組合測(cè)井,縮減了儀器串的長(zhǎng)度,減少對(duì)鉆井口袋長(zhǎng)度的要求,降低鉆井成本,提高測(cè)井效率,在長(zhǎng)慶油田蘇里格氣田中得到廣泛的使用[1]。

DLL6503雙側(cè)向測(cè)井儀的淺側(cè)向探測(cè)深度為0.7 m,主要測(cè)量沖洗帶電阻率;深側(cè)向探測(cè)深度為2.5 m,主要測(cè)量原狀地層電阻率[2]。當(dāng)鉆井液電阻率小于原狀地層電阻率時(shí),滲透地層由于鉆井液侵入,使得侵入帶的電阻率小于原狀地層電阻率,即淺側(cè)向電阻率小于深側(cè)向電阻率為正差異。在非滲透層的泥巖段,由于沒(méi)有鉆井液的侵入,淺側(cè)向測(cè)得的也是原狀地層電阻率,因此,淺側(cè)向電阻率與深側(cè)向電阻率的曲線重合。泥巖段出現(xiàn)淺側(cè)向電阻率大于深側(cè)向電阻率的現(xiàn)象為泥巖負(fù)差異[3]。蘇里格氣田某區(qū)塊采用DLL6503測(cè)井儀測(cè)得的雙側(cè)向曲線出現(xiàn)泥巖負(fù)差異,造成現(xiàn)場(chǎng)測(cè)井資料無(wú)法驗(yàn)收和地質(zhì)解釋困難等問(wèn)題,因此,有必要對(duì)此進(jìn)行深入研究。

目前,關(guān)于負(fù)差異問(wèn)題的研究,洪有密[4]認(rèn)為,在現(xiàn)場(chǎng)采集得到的深、淺側(cè)向電阻率曲線既可呈現(xiàn)正差異(深側(cè)向電阻率>淺側(cè)向電阻率),也可出現(xiàn)負(fù)差異(深側(cè)向電阻率<淺側(cè)向電阻率)。在現(xiàn)場(chǎng)資料初步驗(yàn)收時(shí),需要綜合儀器的工作狀態(tài)、地層圍巖、地層各向異性及鉆井液侵入等因素,判斷采集資料是否合適,一般測(cè)量曲線中如連續(xù)出現(xiàn)負(fù)差異,即深側(cè)向電阻率與淺側(cè)向電阻率的比值小于0.85,通常認(rèn)為測(cè)井資料質(zhì)量不合格[5]。

關(guān)于雙側(cè)向測(cè)井儀產(chǎn)生負(fù)差異的原因,李明等[6]認(rèn)為可能與電極棒絕緣、圍巖和地層各向異性有關(guān)。鈕宏等[7]通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明,高分辨率雙側(cè)向儀器在測(cè)井時(shí),將電壓測(cè)量參考點(diǎn)N電極設(shè)置于地面或井下,對(duì)淺側(cè)向電阻率測(cè)值無(wú)明顯影響,但采用井下N電極測(cè)井方式,將有可能引起深側(cè)向電阻率測(cè)值變低、雙軌甚至出現(xiàn)負(fù)差異的現(xiàn)象,特別是在高電阻率地層與低電阻率鉆井液的測(cè)量井段,該現(xiàn)象較為明顯。

1 蘇里格氣田負(fù)差異現(xiàn)象描述

DLL6503雙側(cè)向測(cè)井儀在蘇里格氣田某區(qū)塊5口井中出現(xiàn)負(fù)差異現(xiàn)象,經(jīng)過(guò)分析判斷為泥巖段負(fù)差異,根據(jù)負(fù)差異段的連續(xù)性和長(zhǎng)度分為大段負(fù)差異和薄層負(fù)差異。其中,大段負(fù)差異指連續(xù)10 m以上的負(fù)差異;薄層負(fù)差異指長(zhǎng)度為2～3 m左右的負(fù)差異。

1.1 大段負(fù)差異現(xiàn)象描述

連續(xù)10 m以上的大段負(fù)差異在X1井最為典型,其存在于泥質(zhì)含量較穩(wěn)定的劉家溝組,以及目的層段石千峰組、石河子組,但該現(xiàn)象只出現(xiàn)在個(gè)別井位。X1井部分層段表現(xiàn)出大于30 m的大段負(fù)差異現(xiàn)象,該井2 780～2 820 m井段出現(xiàn)約40 m的大段負(fù)差異現(xiàn)象(見(jiàn)圖1)。

圖1 X1井大段負(fù)差異*非法定計(jì)量單位,1 b/eV=6.241 46×10-10 m2/J,下同

1.2 薄層負(fù)差異現(xiàn)象描述

相對(duì)于大段負(fù)差異,薄層負(fù)差異的負(fù)差異長(zhǎng)度為2～3 m,如X2井石千峰組2 847～2 850 m井段(見(jiàn)圖2)。由于該井使用鹽水鉆井液,用DLL6503雙側(cè)向儀器獲取的測(cè)井資料無(wú)法解釋泥巖處出現(xiàn)的薄層負(fù)差異現(xiàn)象。對(duì)X2井進(jìn)行分析,出現(xiàn)負(fù)差異的低電阻率泥巖段周圍電阻率具有典型的縱向電阻率“中—高—低—高—中”的特征,如圖2中的③為低電阻率薄層泥巖,出現(xiàn)負(fù)差異;②、④為高電阻率層;①、⑤為中電阻率層。在不同井位、使用不同儀器,在滿足該地層條件后均出現(xiàn)薄層負(fù)差異現(xiàn)象,可基本排除儀器故障和人為操作的因素。

2 原因分析及解決措施

2.1 分析原理與方法

針對(duì)雙側(cè)向電阻率負(fù)差異問(wèn)題,建立DLL6503雙側(cè)向儀器測(cè)井方法的數(shù)值模擬模型。在二維軸對(duì)稱情況下,采用柱坐標(biāo)系,此時(shí)雙側(cè)向測(cè)井方法所計(jì)算的場(chǎng)可以簡(jiǎn)化為二維全非均勻介質(zhì)模型[8]。采用二維有限元方法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,具體算法見(jiàn)參考文獻(xiàn)[9-10]。

二維有限元數(shù)值模擬方法已較成熟,本文采用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行計(jì)算。主要的節(jié)點(diǎn)自由度是標(biāo)量電位,利用APDL編寫程序,建模求解,采用APDL語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)是能夠利用循環(huán)控制實(shí)現(xiàn)智能化分析,減少工作量[11]。具體仿真計(jì)算過(guò)程見(jiàn)參考文獻(xiàn)[12]。

2.2 大段負(fù)差異

2.2.1大段負(fù)差異原因分析

DLL6503雙側(cè)向儀器由11個(gè)電極組成:位于中心的主電極A0,上下對(duì)稱的2對(duì)監(jiān)督電極M1、M1′和M2、M2′,2對(duì)屏蔽電極A1、A1′和A2、A2′,取樣電極A1*、A1*′。其排列順序以A0為中心,向上(或向下)依次為M1(M1′)、M2(M2′)、A1(A1′)、A1*(A1*′)、A2(A2′),電極系詳細(xì)結(jié)構(gòu)及尺寸詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[2]。參考N電極主要有地面N電極和井下N電極。采用井下N電極方式,主要為了避免地面大型供電設(shè)備的影響。井下N電極的結(jié)構(gòu)為N電極位于主電極A0(發(fā)射電極)和深側(cè)向接收電極B之間,而淺側(cè)向的N電極位于主電極A0與接收電極A2之上。對(duì)于深側(cè)向模式,N電極相對(duì)于B電極存在一定正電位,采用井下N電極時(shí)A電極的電位差(即電壓)相對(duì)偏低,而電阻率正比于電壓,即深側(cè)向電阻率偏低,但淺側(cè)向電阻率不變,故而出現(xiàn)負(fù)差異。因此,N電極位置可能是大段負(fù)差異的原因之一。

通過(guò)數(shù)值模擬將影響量化。量化的方式是對(duì)儀器在均勻介質(zhì)中的電極系數(shù)K值差異進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果表明,使用井下N電極時(shí),深側(cè)向電極系數(shù)K比使用地面N電極時(shí)的電極系數(shù)K減少約5.5%,而淺側(cè)向電極系數(shù)不變。由于視電阻率正比于電極系數(shù)K,故井下N電極的深側(cè)向電阻率比地面N電極的深側(cè)向電阻率減少約5.5%。

雙側(cè)向儀器老化會(huì)導(dǎo)致電極系內(nèi)各電極間絕緣性變差、接觸和導(dǎo)通電阻增大,也會(huì)導(dǎo)致大段負(fù)差異,其影響程度比N電極的影響更大。其中,各電極間標(biāo)準(zhǔn)絕緣電阻大于500 MΩ,接觸和導(dǎo)通電阻小于0.3 Ω。

以X1井使用的DLL6503雙側(cè)向30號(hào)儀器為典型實(shí)例,其負(fù)差異部分層位可達(dá)20%,而目前最新的儀器已更新到100號(hào)以上,30號(hào)雙側(cè)向儀器已使用7年以上,A1與A2間絕緣電阻僅10 MΩ(儀器出廠值>500 MΩ),M2導(dǎo)通電阻達(dá)到1.5 Ω(儀器出廠值<0.3 Ω),電極系老化等問(wèn)題對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大。

2.2.2大段負(fù)差異解決方法與結(jié)果

針對(duì)大段負(fù)差異現(xiàn)象,采取如下措施:①將井下N電極切換為地面N電極;②使用新儀器或?qū)⒃f儀器的電極系進(jìn)行徹底檢修升級(jí),確保電極系絕緣和導(dǎo)通電阻符合標(biāo)準(zhǔn)。采取這2項(xiàng)措施后,在X3、X4和X5井的測(cè)井資料中,泥巖處都未出現(xiàn)大段負(fù)差異現(xiàn)象(見(jiàn)圖3)。由圖3中紅色方框標(biāo)出的層位可見(jiàn),這3口井中連續(xù)10 m以上的大段泥巖處深、淺側(cè)向電阻率重合較好,均未出現(xiàn)大段負(fù)差異;但其中薄層泥巖處還存在負(fù)差異,如X3井1 450.5～1 452.0 m井段和X4井1 449.0～1 450.5 m井段,這些井段對(duì)這2項(xiàng)措施不敏感。由此可見(jiàn)薄層泥巖處的負(fù)差異不是由于N電極和儀器電極系老化所致,另有其他原因,需其他解決方法。

對(duì)后續(xù)十幾口井的測(cè)井資料進(jìn)行跟蹤,未發(fā)現(xiàn)有大段泥巖負(fù)差異現(xiàn)象出現(xiàn),現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)隊(duì)和地質(zhì)解釋人員也均未再反映大段負(fù)差異問(wèn)題,由此確定大段負(fù)差異現(xiàn)象已經(jīng)得到解決。

圖3 X3、X4和X5井雙側(cè)向曲線

2.3 薄層負(fù)差異

在解決大段負(fù)差異問(wèn)題的基礎(chǔ)上,明確薄層負(fù)差異出現(xiàn)的層組,通過(guò)數(shù)值仿真確定問(wèn)題產(chǎn)生的原因,提出解決方案。

2.3.1薄層負(fù)差異原因分析

建立具有薄層負(fù)差異特征的縱向電阻率“中—高—低—高—中”5層地層模型,與圖2的①、②、③、④、⑤地層相對(duì)應(yīng)。這5層地層電阻率和厚度分別設(shè)為:①20 Ω·m,2 m;②80 Ω·m,2 m;③10 Ω·m,3 m;④50 Ω·m,2 m;⑤20 Ω·m,2 m。模型中的DLL6503雙側(cè)向測(cè)井儀電極系結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4,以A0為中心,上下對(duì)稱。從A0向儀器上部,各電極環(huán)與絕緣套厚度依次:A0為22.8 cm,絕緣套1為12.8 cm;M1為2.5 cm,絕緣套2為12.8 cm;M2為2.5 cm,絕緣套3為20.3 cm;A1為36 cm,絕緣套4為0.7 cm;A1*為1.2 cm,絕緣套5為77.5 cm。其中絕緣套1至5為各電極之間的絕緣部分。

具體建模原理與方法見(jiàn)2.1。通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),縱向電阻率符合“中—高—低—高—中”的特殊地層條件后,中間低電阻率段會(huì)出現(xiàn)薄層負(fù)差異的現(xiàn)象。

這種薄層負(fù)差異現(xiàn)象與深、淺側(cè)向測(cè)量模式的探測(cè)區(qū)域有關(guān)。圖4為DLL6503雙側(cè)向測(cè)井儀探測(cè)區(qū)域示意圖,其中紅色代表淺側(cè)向模式,黃色代表深側(cè)向模式,上、下A2電極內(nèi)端面間距3.4 m,上、下A2電極外端面間距9.4 m。出現(xiàn)低電阻率段負(fù)差異的現(xiàn)象時(shí),低電阻率段位于上、下A2電極內(nèi)端面間距內(nèi),高電阻率段位于上、下A2電極周圍,中電阻率段位于上、下A2外端面以外。

圖4 DLL6503雙側(cè)向探測(cè)區(qū)域示意圖

根據(jù)電極系設(shè)計(jì)尺寸和結(jié)構(gòu),結(jié)合圖2中的地層模型,在簡(jiǎn)化后的物理模型中,探測(cè)低電阻率薄層③時(shí),受上、下的中、高電阻率圍巖影響

Ra=J1×Rt1+J1×Rt5+J2×Rt2+

J2×Rt4+J3×Rt3

式中,Ra為雙側(cè)向測(cè)得的地層③的視電阻率,Ω·m;Rt1～Rt5為地層①～⑤的電阻率,Ω·m;J1、J2、J3為不同縱向區(qū)域?qū)y(cè)量信號(hào)的權(quán)重系數(shù),由于深、淺側(cè)向模式縱向探測(cè)區(qū)域不同,則深、淺側(cè)向的權(quán)重系數(shù)不同。模擬結(jié)果表明,淺側(cè)向比深側(cè)向中J2更大,而J2為Rt2和Rt4的高電阻率層,故造成淺側(cè)向測(cè)值較深側(cè)向測(cè)值高,即產(chǎn)生負(fù)差異。

2.3.2薄層負(fù)差異解決措施

基于上述認(rèn)識(shí),提出擬解決方案為更改電極系結(jié)構(gòu),改變深、淺側(cè)向模式探測(cè)區(qū)域。將原對(duì)稱雙側(cè)向下部的A1*′電極與A2′電極間的距離縮短一半,使其與上部電極非對(duì)稱,通過(guò)二維有限元的方法進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

圖5 非對(duì)稱雙側(cè)向和對(duì)稱雙側(cè)向數(shù)值模擬結(jié)果

非對(duì)稱雙側(cè)向和對(duì)稱雙側(cè)向數(shù)值模擬結(jié)果見(jiàn)圖5。在相同的縱向電阻率“中—高—低—高—中”5層特殊模型下仿真結(jié)果顯示,8～10 m處原來(lái)對(duì)稱雙側(cè)向出現(xiàn)低電阻率負(fù)差異的層位,在非對(duì)稱雙側(cè)向上已經(jīng)基本重合,在上、下高電阻率段出現(xiàn)正差異。由于該模型中泥巖薄層上、下的相鄰層位為高電阻率層,而高電阻率層通常是砂巖等滲透性地層,該地層出現(xiàn)正差異,符合雙側(cè)向的測(cè)井原理,再結(jié)合其他測(cè)井曲線進(jìn)行綜合分析,可得到合理的地質(zhì)解釋。

基于數(shù)值模擬的研究結(jié)果,對(duì)原DLL6503雙側(cè)向儀器的電極系結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。將A1*′電極與A2′電極間的絕緣套去掉,A1*′電極與A2′電極間的距離縮短為原來(lái)的一半,上部各電極不做任何改變,從而使上、下電極非對(duì)稱,與模擬試驗(yàn)中的模型保持一致。

2.3.3薄層負(fù)差異解決結(jié)果

將改進(jìn)后的非對(duì)稱雙側(cè)向儀器與原對(duì)稱雙側(cè)向儀器進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。在X6井,完成了對(duì)稱和非對(duì)稱2種雙側(cè)向儀器的測(cè)井對(duì)比試驗(yàn),在電阻率具有“中—高—低—高—中”5層特殊地層條件下的低電阻率薄層,原對(duì)稱雙側(cè)向出現(xiàn)薄層負(fù)差異,而改進(jìn)后的非對(duì)稱雙側(cè)向的深、淺側(cè)向電阻率曲線重合(見(jiàn)圖6)。圖6中2 954～2 955 m和2 960～2 962 m井段的低電阻率薄層處的負(fù)差異已明顯消除,深、淺側(cè)向電阻率曲線完全重合,薄層負(fù)差異問(wèn)題得到較好的解決。在消除薄層負(fù)差異的同時(shí),在相鄰的高電阻率層出現(xiàn)正差異,實(shí)際測(cè)井結(jié)果與模擬研究一致,試驗(yàn)效果符合預(yù)期。

圖6 X6井雙側(cè)向曲線對(duì)比圖

深入分析出現(xiàn)的正差異,該正差異大多出現(xiàn)在高電阻率層。圖6中2 962～2 970 m井段高電阻率層出現(xiàn)正差異,從雙側(cè)向測(cè)井原理推斷該正差異可能為砂巖等高電阻率滲透性地層的侵入所致,而伽馬曲線顯示該層為大段砂巖,與雙側(cè)向電阻率曲線的正差異相互印證。但2 948 m～2 951 m井段處雙側(cè)向電阻率曲線出現(xiàn)正差異,伽馬曲線顯示泥巖,二者不符,注意到該段井徑曲線中的X井徑值與Y井徑值與其他井段比相差較大,說(shuō)明該處存在擴(kuò)井和橢圓形井眼等井眼不規(guī)則情況,雙側(cè)向儀器可能處于嚴(yán)重偏心狀態(tài),而常規(guī)的雙側(cè)向井眼校正方法無(wú)法對(duì)這種復(fù)雜井眼進(jìn)行校正[13],推測(cè)該處的雙側(cè)向曲線已失真,所顯示的正差異無(wú)參考意義。

綜上所述,薄層泥巖處雙側(cè)向的深、淺側(cè)向電阻率曲線完全重合,與泥巖的非滲透性及雙側(cè)向的測(cè)井原理完全相符,可得到合理的地質(zhì)解釋,因此,負(fù)差異問(wèn)題在薄層泥巖處也得以解決。在蘇里格氣田后續(xù)的測(cè)井作業(yè)中,使用改進(jìn)后的非對(duì)稱雙側(cè)向儀器所測(cè)資料均未再出現(xiàn)薄層負(fù)差異現(xiàn)象,現(xiàn)場(chǎng)資料驗(yàn)收合格,地質(zhì)解釋合理,該方法較好地解決了薄層負(fù)差異問(wèn)題。

3 結(jié) 論

(1)蘇里格氣田某區(qū)塊部分井段DLL6503雙側(cè)向電阻率曲線表現(xiàn)出深側(cè)向電阻率低于淺側(cè)向電阻率的負(fù)差異現(xiàn)象,可根據(jù)負(fù)差異的厚度劃分為大段負(fù)差異和薄層負(fù)差異,其現(xiàn)象與原因各不相同。

(2)對(duì)于大段負(fù)差異現(xiàn)象,通過(guò)對(duì)儀器的使用情況和模擬量化分析,找出了大段負(fù)差異出現(xiàn)的原因?yàn)镹電極位置、儀器老化、電極系絕緣電阻等因素,通過(guò)改變N電極位置、更換新儀器和對(duì)舊電極系進(jìn)行絕緣處理等措施后,大段負(fù)差異現(xiàn)象得到解決。

(3)對(duì)于薄層負(fù)差異,采用有限元數(shù)值模擬等方法進(jìn)行量化分析,確定該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因?yàn)殡姌O系結(jié)構(gòu),對(duì)電極系結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)后,模擬結(jié)果中負(fù)差異得以消除。將改進(jìn)后的非對(duì)稱雙側(cè)向儀器與改進(jìn)前的對(duì)稱雙側(cè)向儀器進(jìn)行下井試驗(yàn)對(duì)比,試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相符,在電阻率為“中—高—低—高—中”5層組合地層條件下,薄層負(fù)差異被較好地消除,相鄰高電阻率層出現(xiàn)正差異,再結(jié)合其他測(cè)井曲線可以得到合理的地質(zhì)解釋,較好地解決了薄層負(fù)差異問(wèn)題。

(4)根據(jù)對(duì)大段負(fù)差異和薄層負(fù)差異分析出的不同原因,分別采取相應(yīng)的解決措施,經(jīng)下井驗(yàn)證,兩種負(fù)差異現(xiàn)象消失,解決了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)井資料出現(xiàn)負(fù)差異時(shí)無(wú)法驗(yàn)收和地質(zhì)無(wú)法解釋的難題。