范文同,蔡德洋，劉冬妮，朱 雷，陳 飛，陳 勝，趙 猛，魏 波

(1.中國石油塔里木油田分公司油氣工程研究院 新疆 庫爾勒 841000； 2.中國石油塔里木油田分公司勘探開發(fā)研究院 新疆 庫爾勒 841000； 3.斯倫貝謝中國公司數(shù)據(jù)處理解釋部 北京 100016)

0 引 言

塔里木地區(qū)庫車前陸盆地山前構(gòu)造異常，目的層上部鹽膏層、高壓鹽水層發(fā)育，鉆井液密度窗口較窄，需要采用抗高溫高鹽高密度的鉆井液技術(shù)。油基泥漿具有良好的綜合性能，能有效解決復(fù)雜深井的安全鉆井與地層復(fù)雜之間的矛盾，實現(xiàn)超深油氣資源高效勘探和開發(fā)。油基泥漿的規(guī)模化應(yīng)用，給測井技術(shù)帶來巨大挑戰(zhàn)，原有水基泥漿條件適用的電成像測井，如FMI、EMI、STAR等儀器已不再適用，新興的油基泥漿電成像測井應(yīng)用效果難以與原有水基泥漿電成像效果媲美，更不能量化計算裂縫參數(shù)，這使得測井儲層評價成為難題。為了實現(xiàn)儲層綜合評價，塔里木油田引進多種油基泥漿電成像測井儀器進行了測試應(yīng)用，對幾種油基泥漿電成像測井儀器的應(yīng)用效果進行對比研究，明確了其各自的優(yōu)勢和特點。

1 儀器結(jié)構(gòu)及原理概述

泥漿技術(shù)的更新迫使測井系列進行優(yōu)化，油基泥漿產(chǎn)生的非導(dǎo)電井眼環(huán)境使常規(guī)電阻率成像測井儀無法使用，而新型的油基泥漿電成像測井儀也由此得以發(fā)展。目前在國內(nèi)外開始使用的主要有幾家大型油田服務(wù)公司的High-Definition FMI、Oil-Base Micro Imager、Earth Imager、Oil Mud Reservoir Imager幾種儀器，下面介紹各自儀器的結(jié)構(gòu)及測量原理。

1.1 FMI-HD儀器結(jié)構(gòu)及原理

FMI-HD(High-Definition)與FMI儀器結(jié)構(gòu)相同，擁有四臂，4個主極板，4個副極板，主、副極板上各有24個電極，共192個測量電極。測量到的電流包含兩部分：一是隨紐扣電極正對地層電阻率變化的高分辨率部分；二是隨上、下電極間地層電阻率變化的低分辨率部分，如圖1所示。井壁微電阻率圖像實際是紐扣電極測量得到的電流圖像，其中高分辨率電流部分與巖石的微電阻率變化相關(guān)，而圖像可以反映出巖石結(jié)構(gòu)和各類地質(zhì)特征，從而進行巖性識別、粒度-分選-磨圓分析、沉積微相識別、裂縫分析、地應(yīng)力方向分析、溶蝕結(jié)構(gòu)分析和薄互層分析等。

圖1 FMI-HD儀器結(jié)構(gòu)及測量原理示意圖

與FMI不同的是，該儀器采用全新的電子線路拓寬了適用的泥漿電阻率范圍，采用增強的并行信號處理和高分辨率數(shù)模信號轉(zhuǎn)換技術(shù)提高了信噪比，從而使它在鹽水泥漿、油基泥漿和高阻地層中，都可以采集到比FMI更清晰的圖像[1，2]。

1.2 OBMI儀器結(jié)構(gòu)及原理

Oil-Based Mud Imager(簡稱OBMI)由4個極板40對測量電極組成。在每個成像極板上，交流電流從上下兩個供電電極之間發(fā)射進入地層，在兩個供電電極之間上下排列五對紐扣測量電極。紐扣電極用于測量上下紐扣電極間地層的電位差V，結(jié)合交流電流I和儀器幾何因子k，利用歐姆定律：

Rxo=k(V/I)

(1)

即可計算導(dǎo)出沖洗帶電阻率，綜合所有測量電極的數(shù)據(jù)，就得到了OBMI儀器測量的井壁圖像。OBMI儀器結(jié)構(gòu)及測量原理如圖2所示。由于儀器尺寸較小且測量電極數(shù)量較少，該儀器的井眼覆蓋率不高，8 in(1 in=25.4 mm)井眼覆蓋率為32%，為了提高井眼覆蓋率，可以兩支OBMI儀器進行串連測量[3-5]。

圖2 OBMI儀器結(jié)構(gòu)及測量原理

1.3 Earth Imager儀器結(jié)構(gòu)及原理

Earth Imager(簡稱EI)儀器是基于油基泥漿測量環(huán)境而設(shè)計，共有6個測量極板，每個極板有8個條形接收電極。測量過程中，井壁與極板之間因油基泥漿和泥餅的存在，通常會形成一種不導(dǎo)電的介質(zhì)，可以認為極板與地層形成了生成一定容抗的電容。采用交變電流能夠?qū)㈦娙輷舸?，在極板與地層之間形成導(dǎo)電回路[6]，如圖3所示。根據(jù)歐姆定律，電壓和電流之間存在如下關(guān)系式：

圖3 EI儀器結(jié)構(gòu)及原理

(2)

式中：V為測量電壓；I為測量電流；R為電阻；Xc為容抗；k為系數(shù)；f為頻率；C為電容。

當交變電流達到一定的頻率時，極板與地層之間形成電容容抗可以忽略不計。因此，電阻率與測量電壓和測量電流之間的關(guān)系可以簡寫為：

R=k×V/I

(3)

由此可以得到地層電阻率和井壁成像數(shù)據(jù)。

1.4 OMRI儀器結(jié)構(gòu)及原理

OMRI(Oil Mud Reservoir Imager)儀器有6個獨立推靠測量極板，每個極板上有6對測量電極。與EI儀器不同，在測量過程中，該儀器將泥餅視為一個電阻和電容的耦合體；與EI儀器相同之處，二者均采用高頻交流測量電流，將泥餅阻抗屏蔽，測量到地層電阻率。除此之外，OMRI的6個極板還采用不同的電流頻率，以此來消除不同極板間測量電流的影響，使測量得到的數(shù)據(jù)更能反映地層真實特征[7]，如圖4所示。

2 不同儀器性能參數(shù)對比

為研究各自儀器應(yīng)用效果，在此對比各自的儀器性能。除FMI-HD同時適用于水基和油基泥漿外，其它三支儀器都只用于油基泥漿井況。四支儀器的耐溫性能相當，耐壓均在138 MPa以上，可以滿足絕大部分井的測量。分辨率對比，F(xiàn)MI-HD和EI儀器要優(yōu)于OBMI和OMRI儀器。井眼覆蓋率方面，在8 in井眼情況下，F(xiàn)MI-HD儀器覆蓋率最大，達到了80%，依次為EI、OMRI、OBMI，分別為63%、55%、32%。值得注意的是，OBMI儀器兩支串聯(lián)測量井眼覆蓋率可以達到64%，但若儀器測量期間旋轉(zhuǎn)過快，就會出現(xiàn)重復(fù)測量的現(xiàn)象，實際測量的井眼覆蓋率也會稍有降低。各儀器的適用井眼尺寸及相關(guān)其它參數(shù)見表1。

圖4 OMRI儀器結(jié)構(gòu)及原理

3 油基泥漿對電成像測井的影響

油基泥漿條件下，微電阻率極板與井壁之間存在一層由油基泥漿生成的高阻泥餅，這使極板不能直接接觸地層而不能成像。塔里木油田對某井進行試驗性測量，研究泥漿類型對成像測井的影響。實驗井采用油基泥漿鉆井，后續(xù)用水基泥漿替換。

表1 油基泥漿電成像儀器參數(shù)

注：@8 in表示在8英寸管徑中的工作狀態(tài)

對比二者識別的裂縫數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：在初始油基泥漿條件下，測量數(shù)據(jù)的良好的255 m井段內(nèi)，共拾取天然裂縫35條，其中電阻縫(顏色較亮色的裂縫)18條，電導(dǎo)縫(顏色較暗的裂縫)17條；水基泥漿條件下的同樣測量井段，共拾取裂縫91條，均為電導(dǎo)縫，油基泥漿條件下裂縫識別數(shù)量只占到水基泥漿條件下的38%。由此可見，泥漿條件的改變對電成像的識別能力影響很大，如圖5所示。

由于電阻率不同，裂縫充填不同的泥漿濾液，電成像得到的裂縫圖像也會有所不同。在油基條件下，由于高阻泥漿充填，較為明亮的高阻縫，而在水基泥漿時又顯示為較為暗淡的高導(dǎo)縫，通過前后對比可以判定該裂縫為張開縫。而在6 777 m井段以上的兩條裂縫，在油基條件下，只能粗略看出有裂縫發(fā)育，且為顏色暗淡的高導(dǎo)縫；水基泥漿條件下，顯示為高導(dǎo)縫，由此判定該兩條裂縫為泥質(zhì)充填縫。充填油基泥漿的張開縫的圖像顯示特征與方解石等高阻礦物充填特征相似，裂縫是否有效難以判別。由于油基泥漿侵入地層，改變了井壁附近地層電阻率，原有的通過淺電阻率刻度電阻率成像測井計算天然裂縫參數(shù)的方法不再適用，油基泥漿條件下的成像裂縫有效性判別更加困難。

圖5 油基泥漿條件(左)與水基泥漿條件(右)FMI-HD成像效果對比

4 油基泥漿電成像儀應(yīng)用效果分析

通過試驗井不同泥漿工況下成像圖像對比表明，油基泥漿條件下的電成像圖像對儲層地質(zhì)特征的表述能力較差，為了更為有效的描述儲層，在不同的井進行了不同電成像測井儀器的對比測量，以對比幾支儀器的測量效果。

4.1 OBMI應(yīng)用效果分析

該儀器現(xiàn)場應(yīng)用一般采用2支串聯(lián)測量，正常情況下井眼覆蓋率可以提高一倍，達到64%(8 in井眼)。儀器每個極板上都有五個紐扣電極對，可以測量處5個圖像像素。測量紐扣間距即為圖像像素大小，該儀器像素尺寸為1 cm2；儀器的縱向分辨率為30 mm，可以測量薄巖層的厚度，但受圍巖影響，其薄層圖像會產(chǎn)生畸變，對薄層定量分析有一定誤差。通過多井的應(yīng)用對比研究，發(fā)現(xiàn)OBMI儀器對高角度裂縫不敏感，對地層層理特征很敏感。OBMI儀器在用于沉積構(gòu)造分析和地層傾角和構(gòu)造解釋方面效果良好；但是由于其圖像覆蓋率、分辨率比FMI-HD低，對裂縫的識別能力較差，無法判斷裂縫是否有效，因此在儲層特征及裂縫識別方面，該儀器優(yōu)勢不明顯。如圖6所示為一口油基泥漿試驗井，對比FMI-HD與OBMI采集圖像可以看出：OBMI識別層理方面更為突出，薄層、紋層等沉積特征都能識別，在同一層段，F(xiàn)MI-HD很容易識別的井眼崩落特征OBMI卻難以識別。

4.2 EI應(yīng)用效果分析

通過多井測量發(fā)現(xiàn)，EI儀器兼具了裂縫特征和沉積構(gòu)造特征識別能力，整體效果良好，可以進行裂縫識別和沉積相特征解釋等相關(guān)研究工作。但在井眼環(huán)境差，裂縫張開度小的地層，電阻率對比度低的環(huán)境下，成像效果一般，成像分辨率降低，對裂縫的識別存在一定困難。下圖是EI和FMI-HD同一井段圖像對比：地質(zhì)特征方面，EI圖像提供的信息要比后者豐富，地層產(chǎn)狀、層理界面等地質(zhì)特征更為清晰，這是儀器原理的體現(xiàn)；裂縫識別方面，二者識別的裂縫數(shù)量基本相同，但FMI-HD識別的裂縫邊界清晰，而EI識別的裂縫則先模糊，這與儀器的測量精度密切相關(guān)，如圖7所示。

圖6 FMI-HD(左)與OBMI(右)成像效果對比

圖7 EI(左)與FMI-HD(右)成像效果對比

4.3 OMRI應(yīng)用效果分析

OMRI儀器由于分辨率較低，在儲層裂縫識別方面優(yōu)勢不明顯，但其獲取沉積構(gòu)造等地質(zhì)特征能力與OBMI基本相當。在油田一口測試井的同一井段，兩支儀器識別沉積特征基本一致，均可用于對于沉積相、井旁構(gòu)造等方面的地質(zhì)研究，如圖8所示。

圖8 OBMI(左)與OMRI(右)成像效果對比

5 結(jié) 論

1)油基泥漿條件下，原有的水基泥漿電成像測井儀器不再適用；而油基泥漿電成像儀器受高阻環(huán)境影響，表述地質(zhì)構(gòu)造和儲層特征能力降低，同時水基泥漿條件下通過電成像數(shù)據(jù)定量計算裂縫參數(shù)的方法不再適用。

2)對比幾種油基泥漿電成像測井儀器發(fā)現(xiàn)：FMI-HD能夠識別規(guī)模較大的裂縫，但沉積構(gòu)造描述能力較差； OBMI較難識別裂縫，但可以進行沉積相及井旁構(gòu)造研究；EI可用于沉積構(gòu)造解釋和裂縫識別，但也只能識別規(guī)模較大的裂縫；OMRI識別裂縫能力較差，但可用于沉積構(gòu)造分析；結(jié)合儀器參數(shù)和對比效果，可針對需求選擇性應(yīng)用。

3)結(jié)合常規(guī)測井曲線及地質(zhì)資料，油基泥漿電成像資料可以定性描述巖性、地質(zhì)構(gòu)造、裂縫發(fā)育情況等重要儲層特征，實現(xiàn)儲層的綜合評價。