薛輝, 竇連彬, 呂亞輝, 齊秋紅, 焦素麗, 王津津

(中國石油華北油田公司地球物理勘探研究院, 河北 任丘 062552)

0 引 言

泥漿侵入到滲透性地層中,將會改變儲層中原有的流體性質及分布,致使儲層徑向電阻率發(fā)生不均勻變化。一般認為,徑向電阻率變化為簡單的臺階狀模型。實際上,泥漿侵入地層是一個復雜的物理過程,侵入剖面不光是非臺階狀[1-3],而且還呈漸變形態(tài)?？紤]到侵入時間、泥漿性質和巖石物理特征等條件的影響,侵入剖面變化更加復雜,常規(guī)電阻率曲線無法有效反映泥漿侵入導致地層徑向電阻率變化[4]。根據(jù)陣列感應測井特點,林純增等[5]認為,可以依據(jù)多條探測深度的電阻率曲線分析地層徑向電阻率變化。關于低電阻率環(huán)帶形成,前人做過很多研究,任書俊等[6]認為是同油水兩相滲透率密切相關,張建華等[3]通過時間推移模擬認為低電阻率環(huán)帶形成還跟侵入時間有關系,但對于高電阻率環(huán)帶的形成,國內外的研究資料相對較少。

通過分析研究區(qū)陣列感應測井特征發(fā)現(xiàn),由于淡水泥漿的侵入,廊固凹陷W10區(qū)塊沙四下儲層陣列感應測井曲線不僅出現(xiàn)正差異、負差異,還出現(xiàn)低電阻率環(huán)帶、高電阻率環(huán)帶特征。單純依據(jù)正(負)差異劃分油(水)層很容易造成漏判甚至錯判。本文通過對泥漿侵入的機理分析,用數(shù)值模擬方法分析引起地層電阻率變化的因素,分析低電阻率環(huán)帶和高電阻率環(huán)帶的形成原因及特征,采用差異累計法判斷儲層流體性質,為后期二次解釋提供理論依據(jù)。

1 泥漿侵入對電阻率影響

1.1 泥漿侵入機理

在井眼和原狀地層壓力差的驅動下,泥漿侵入地層可分為2個過程。

(1) 驅替過程。假設整個驅替過程是非混溶的,流體的滲流遵循Darcy定律,當存在毛細管現(xiàn)象和忽略重力影響時,則可用水相、油相質量平衡方程描述[7]

(j=o,w)

(1)

pc=po-pw

(2)

So+Sw=1

(3)

(2) 擴散過程。由于泥漿濾液和地層水礦化度不同,二者在侵入的前緣將發(fā)生物理混合,可用流體擴散方程表示[8]

(4)

式中,pc、pw、po分別為毛細管壓力和水相、油相壓力,Pa;So、Sw分別為含油、含水飽和度,%;μo、μw分別為油、水黏度Pa·s;K為地層絕對滲透率;Kro、Krw為油、水兩相相對滲透率,D*非法定計量單位,1 D=0.987 μm2,下同;φ為孔隙度,%;qo、qw為單位地層厚度的油、水產(chǎn)量(采出為負,注入為正),kg/(s·m3);ρw、ρo分別為水、油的密度,g/cm3;r為地層徑向半徑;t為侵入時間,s;Cw、Cmf分別為地層水、鉆井液濾液礦化度,mg/L。

把原始地層含水飽和度、原始地層壓力、原始地層水礦化度作為初始條件,把井底定流動壓力和封閉外邊界作為邊界條件,用有限差分方法聯(lián)立求解式(1)至式(3),可得到鉆井液濾液侵入地層后地層徑向飽和度的分布特征、地層壓力分布以及侵入半徑變化特征。再把不同時刻求取的地層壓力和流體飽和度徑向分布帶入式(4),可以得到不同時刻地層水礦化度的動態(tài)分布Cw(r,t)[9],根據(jù)地層水經(jīng)驗公式(5)計算給定溫度條件下的地層水電阻率Rw(r,t)

(5)

利用阿爾奇公式得到徑向電阻率分布Rf(r,t)

(6)

式中,a、b、m、n為巖電參數(shù),是由儲層性質決定的常數(shù);Rw、Rmf分別為地層水、鉆井濾液電阻率,Ω·m;T為溫度, ℃。

1.2 侵入帶電阻率數(shù)值模擬分析

泥漿侵入受儲層巖性、物性、泥漿柱與地層壓力差、泥漿性能、流體性質等因素的影響,根據(jù)電阻率的變化可以將泥漿侵入因素分為2類[10],一類引起電阻率增大,即泥漿的擴散作用,由于地層水的礦化度與泥漿濾液率之間存在濃度差,則二者之間發(fā)生離子交換,造成混合液礦化度降低,使得混合水電阻率增大,最終導致地層電阻率升高;另一類是引起電阻率減小,即泥漿的驅替作用,泥漿濾液不斷地向地層中滲透,造成含水飽和度增大,地層電阻率降低。

W10斷塊砂四下儲層孔隙度變化范圍為4%～20%,儲層含水飽和度平均為35%,地層水電阻率平均為0.15 Ω·m,對公式(6)進行數(shù)值模擬,從圖1可以看出孔隙度與地層電阻率負相關。在假定含水飽和度一定時,當孔隙度相同時,電阻率隨地層水礦化度減小而增大,說明擴散作用使地層電阻率增大[見圖1(a)]。在地層水礦化度一定時,當孔隙度相同時,地層電阻率隨含水飽和度增加而減小,說明驅替作用使電阻率降低[見圖1(b)]。

綜合圖1可以發(fā)現(xiàn),在物性差(φ<12%)時地層水礦化度減小(擴散作用)對電阻率增大幅度比物性好(φ>12%)的電阻率增大幅度大,同樣物性差時含水飽和度增加(驅替作用)對電阻率減小幅度比物性好的電阻率減小幅度大。從圖1中還可以看出孔隙度越大,含水飽和度和地層水礦化度對地層電阻率影響越小。

當泥漿侵入地層,假定地層的孔隙度一定,根據(jù)式(6)可知,地層的電阻率只與含水飽和度和地層水電阻率有關系。為進一步分析地層電阻率與二者的關系,對WX0-1×井96號層進行數(shù)值模擬,該層段參數(shù)選取a=b=1,m=1.65,n=1.48,地層孔隙度為18%(見圖2)。

(1) 地層水礦化度的變化范圍要遠大于含水飽和度的范圍,因此礦化度的變化對地層電阻率的改變幅度要大于飽和度的變化對電阻率改變幅度。同時,當飽和度一定時,地層電阻率與礦化度的關系曲線為近似線性,即礦化度的變化對地層電阻率更加敏感,一旦礦化度發(fā)生改變,地層電阻率隨之變化。

(2) 含水飽和度和地層水礦化度的增加,電阻率減小,當含水飽和度大于50%,電阻率下降幅度隨含水飽和度增加逐漸變小,含水飽和度對地層電阻率影響減弱,說明驅替作用減弱,電阻率變化平緩。

用W2-10井2塊孔隙度不同的巖心做淡水注入實驗模擬泥漿的侵入過程,實驗條件為地層水礦化度25 000 mg/L,注入水礦化度7 000 mg/L,注入壓力為20 MPa。結果表明,地層電阻率與注入水飽和度為非對稱的U形曲線(見圖3)。從圖3中可以看出,隨著注入水不斷侵入,含水飽和度迅速增加,驅替作用增強,電阻率減小。巖心1比巖心2物性差,電阻率減小幅度更大。

隨著原始地層水不斷的被淡化,礦化度的變化相比含水飽和度的變化對地層電阻率影響更大,即泥漿侵入造成擴散作用對電阻率增大的影響要強于驅替作用對電阻減小的影響,也就是圖3中電阻率下降到一定極點時,隨著含水飽和度增大,地層電阻率反而增加。實驗結果與本文數(shù)值模擬結論吻合。

圖1 地層電阻率與孔隙度和礦化度關系

圖2 地層電阻率與礦化度和含水飽和度關系

圖3 地層電阻率與注入水飽和度關系

2 陣列感應測井在W10斷塊曲線特征及應用

2.1 高電阻率環(huán)帶特征分析

對于油水兩相儲集層,因為油(氣)、水相相對滲透率不同造成泥漿驅替油(氣)、水的速度不同,且其滲流速度取決于Kro/μo和Krw/μw這2個參數(shù)[11]。在沖洗帶泥漿濾液完全驅替地層流體,這樣在沖洗帶內流體為泥漿濾液,殘余油氣(油氣層)及殘余水(水層),泥漿滲透速度大于油水相的滲透速度。因此,當泥漿濾液的電阻率遠遠大于地層水電阻率(泥漿濾液礦化度遠遠小于地層水礦化度)時,擴散作用大于驅替作用。

由于泥餅形成,泥漿濾液由徑向滲濾轉化為縱向滲濾[見圖4(a)],在重力分異作用下,沖洗帶內低密度的油(氣)將向上移動代替泥漿濾液,2種原因都會導致沖洗帶電阻率要大于過渡帶電阻率,甚至是原狀地層電阻率,在陣列感應電阻率曲線上會形成兩端低、中間高的高電阻率環(huán)帶特征。從圖4(b)可以看出,在WX2-4×井40號層處泥餅的形成導致地層縮徑,泥漿侵入明顯,測井解釋在該深度處孔隙度為11.8%,含水飽和度為31.5%,泥漿濾液的電阻率為2.18 Ω·m,地層水電阻率為0.08 Ω·m,高電阻率環(huán)帶出現(xiàn)在20～60 in*非法定計量單位,1 in=25.4 mm,下同之間[見圖4(b)],利用譚氏方法[12]計算的泥漿侵入直徑為1.68 m,在陣列感應測井探測深度60～90 in之間,說明高電阻率環(huán)帶在沖洗帶范圍內。

2.2 低電阻率環(huán)帶特征分析

隨著泥漿的持續(xù)侵入,當油水相的滲透速度大于泥漿滲透速度時,高電阻率的油層首先被驅替。在過渡帶內導電流體主要為泥漿濾液、束縛水、未被驅替的可動水,以致在未侵入帶之前形成一個含水飽和度相對較高的環(huán)帶形空間[13][見圖5(a)],形成了地層水聚集帶,即低電阻率環(huán)帶。該環(huán)帶內地層水富集,地層電阻率較沖洗帶電阻率、原狀地層電阻率都低,當?shù)貙铀娮杪市∮谀酀{濾液電阻率時,在陣列感應曲線上呈簸箕狀、兩邊高、中間低的低電阻率環(huán)帶特征。

圖4 高電阻率環(huán)帶原理與WX2-4×井高電阻率環(huán)帶測井曲線特征圖

圖5 低電阻率環(huán)帶原理及WX8-2×井低電阻率環(huán)帶測井曲線圖

圖5是WX8-2×井低電阻率環(huán)帶示意圖。在3 766.6～3 774 m井段,井徑明顯縮徑,泥漿侵入明顯,泥漿濾液電阻率為1.38 Ω·m,地層水電阻率為0.06 Ω·m,低電阻率環(huán)帶出現(xiàn)在20～60 in之間。譚氏方法計算泥漿侵入直徑為1.16 m,在陣列感應測井探測深度40 in附近,說明低電阻率環(huán)帶在過渡帶范圍內。

2.3 陣列感應電阻率曲線應用

根據(jù)對W10斷塊沙四下儲層陣列感應電阻率曲線特征分析,在儲層段由于泥漿的侵入及流體性質的不同,陣列感應出現(xiàn)正差異、負差異、高電阻率環(huán)帶、低電阻率環(huán)帶4種特征(見圖6)。特別是高電阻率環(huán)帶和低電阻率環(huán)帶,通過對其形成原因分析,認為高電阻率環(huán)帶和低電阻率環(huán)帶是油層存在的充分條件[14],即當陣列感應測井不同探測深度電阻率出現(xiàn)高電阻率環(huán)帶或低電阻率環(huán)帶特征時,便可認為儲層含油。

通過對研究區(qū)陣列感應測井特征分析,發(fā)現(xiàn)高電阻率環(huán)帶和低電阻率環(huán)帶的主要出現(xiàn)在20～60 in之間。本文采用差異累計法[15-16]建立不同探測深度電阻率曲線總差異。該方法放大了不同流體性質的差異特征,且能夠定量描述儲層的差異特征。設置2個參數(shù)D1、D2,計算公式為

(7)

(8)

式中,M2R1～M2RX為陣列感應測井2 ft縱向分辨率的10～120 in不同徑向探測深度電阻率數(shù)值,Ω·m;D1、D2為陣列感應比值,無量綱。

正差異特征:陣列感應測井電阻率(M2R1～M2RX)隨探測深度增加而逐漸增大(見圖6),D1>1,D2>1,如WX8-3×井在3 912～3 927 m井段,D1=4.51,D2=2.13,測井解釋為油層。該層投產(chǎn)初期日產(chǎn)油8.99 t。

圖6 4種陣列感應測井特征圖

負差異特征:陣列感應電阻率隨探測深度逐漸降低(見圖6),D1<1,D2<1,對WX0-2×井3 664～3 675 m井段用差異累積法分析,D1=0.63,D2=0.81,在該層段試油,日產(chǎn)水60.9 m3,證實為水層。

高電阻率環(huán)帶特征:感應電阻率呈中間高,兩邊低(見圖6),D1>1,D2<1,如WX2-4×井3 630～3 641 m井段,D1=13.9,D2=0.69,測井解釋為油層,在該層段試油,日產(chǎn)油3.1 t。

低電阻率環(huán)帶特征:電阻率中間低,兩邊高(見圖6),D1<1,D2>1,如WX2-1×井在深度3 503.8～3 506.8 m井段,D1=0.27,D2=1.81,測井解釋為油層。在該層段試油日產(chǎn)油16.04 t,產(chǎn)氣1.08萬m3,不產(chǎn)水。

3 結 論

(1) W10斷塊沙四下儲層電阻率與孔隙度負相關,孔隙度越小,物性越差,電阻率降低的幅度越大。電阻率與礦化度同樣負相關,在含水飽和度一定時,電阻率與礦化度關系近乎直線,同含水飽和度相比,礦化度變化對電阻率更加敏感。

(2) 數(shù)值模擬泥漿侵入導致地層電阻率變化的因素,把電阻率變化分為驅替作用和擴散作用2種,驅替作用使含水飽和度升高,電阻率下降,泥漿擴散作用使礦化度降低,電阻率升高,這與淡水注入試驗分析結果相一致。

(3) W10斷塊沙四下儲層高電阻率環(huán)帶和低電阻率環(huán)帶出現(xiàn)在20～60 in之間,可以根據(jù)陣列感應電阻率之間的差異,采用差異累積法識別不同陣列感應電阻率特征所代表的流體類型。在實際應用中取得較好的效果。

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