沈建國,王元順,沈永進,朱留方,臧德福

(1.天津大學(xué)微電子學(xué)院(青島海洋工程研究院),天津300072;2.中石化勝利石油工程有限公司測井公司,山東東營257096)

0 引 言

剩余油評價和油層的正常開采需要了解地層的電導(dǎo)率[1]。套管井條件下,地層電導(dǎo)率的測量主要采取直流方法[2-7]和瞬變電磁方法。瞬變電磁測井利用電磁感應(yīng)原理,儀器居中上下移動,可以連續(xù)測量,獲得連續(xù)的電導(dǎo)率曲線。該曲線在套管井中獲得,受套管影響,與裸眼井測量的地層電導(dǎo)率有比較大的差別。

套管是導(dǎo)電介質(zhì),電導(dǎo)率高達106～108S/m,相對磁導(dǎo)率也很高,為400～1 000。在這樣的圓管內(nèi)部放置發(fā)射和接收線圈,其激發(fā)的瞬變磁場和瞬變電場與裸眼井完全不同。高磁導(dǎo)率影響磁場的分布,高電導(dǎo)率影響電場分布,線圈激發(fā)的磁場和電場都集中在套管內(nèi)部以及水泥環(huán)和地層,因此探測深度比較淺。擴徑時水泥環(huán)厚度大,在套管井測量的電導(dǎo)率主要是水泥環(huán)的電導(dǎo)率,地層電導(dǎo)率所占比例比較少。研究給出5.5 in(1)非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同套管實際測量的曲線,并分析其特點以及在油層水淹識別中的應(yīng)用。

1 過套管電導(dǎo)率測井波形

瞬變電磁過套管電導(dǎo)率測井采用瞬變電磁激發(fā)方式,用線圈電流的通、斷激發(fā)瞬變電磁場。其頻譜是連續(xù)的,與階躍函數(shù)的頻譜1/f接近,以低頻為主。這些低頻的電磁場在套管和地層內(nèi)的集膚深度均比較大,能夠穿過厚度比較薄(9 mm)的套管進入地層,在地層中激發(fā)渦流,該渦流再次穿過套管,在接收線圈上激發(fā)磁場。從測井響應(yīng)波形中分離地層渦流激發(fā)的二次場便可以得到地層的電導(dǎo)率,因為渦流激發(fā)的二次場與地層的電導(dǎo)率成正比。

測井過程中采用線圈電流正向?qū)?0 ms、正向關(guān)斷60 ms、反向?qū)?0 ms、反向關(guān)斷的方法激發(fā)。每個測量周期內(nèi)有4次瞬變電磁激發(fā)。每次激發(fā)時線圈電流快速變化,在套管井和地層中激發(fā)出快速變化的磁場,套管井中的線圈接收到不同的響應(yīng)波形。采用4個不同源距的線圈接收到4個不同的瞬態(tài)波形。每個波形均包含地層電導(dǎo)率信息,其徑向探測深度不一樣。源距越遠,探測深度越深。

圖1是5.5 in套管的原始測井波形。第1個源距L1=0.28 m,其響應(yīng)對激發(fā)時刻很靈敏,在導(dǎo)通或者關(guān)斷瞬間有個幅度很大的階躍,并伴隨著一定幅度的振蕩,之后波形開始慢速變化并且達到極值。第1個源距的波形達到極值比較早,其他波形達到極值比較晚,源距越長達到極值的時刻越晚。這些極值是瞬變激發(fā)的所有頻率成分在套管井響應(yīng)(既衰減又相移)以后,在接收線圈位置同相疊加的結(jié)果。其他時刻因為相位有差異,疊加以后幅度減小。

根據(jù)電磁感應(yīng)原理,原始測井波形由二次場的有用信號和直接耦合的無用信號組成。因為頻率低,無用信號幅度遠遠大于有用信號的幅度。用同一源距波形相減的方法將原始波形中的無用信號去掉,得到圖2所示的波形差。其幅度與2個測量點所測量地層的電導(dǎo)率差成正比。其中也有峰值,集中反映了地層的電導(dǎo)率信息,對地層電導(dǎo)率測量的靈敏度最高。

圖1 5.5 in套管井原始測井波形

圖2 2個不同深度同一源距測量波形相減以后的波形

2 過套管電導(dǎo)率曲線及其在節(jié)箍處的形狀

將圖2中的有用信號取出得到過套管電導(dǎo)率曲線(見圖3)。該曲線與真正的地層電導(dǎo)率曲線相差1個所選擇的標(biāo)準(zhǔn)層的電導(dǎo)率值,即存在1個系統(tǒng)誤差。圖3中,最明顯的是套管節(jié)箍的響應(yīng)曲線,其幅度非常大。將其中1個套管節(jié)箍單獨畫出得到圖4(a)。其中不同源距的響應(yīng)形狀差異明顯。第1個源距的波形接近于單個峰,第2個源距的波形中間出現(xiàn)1個反向的峰,兩邊是2個向下的峰,隨著源距增加,中間反向峰的寬度逐漸增加,峰值變平滑。這類似于Doll幾何因子[見圖4(b)]在不同徑向半徑時隨z的變化曲線。Doll幾何因子具有類似于火山口的形狀,在徑向半徑比較小時,幾何因子隨z的變化曲線有2個峰,并且中間夾1個反向峰。套管節(jié)箍處多余出來的套管厚度電導(dǎo)率很高,其等效為地層電導(dǎo)率[8]時對應(yīng)的徑向半徑r0是固定的,源距不同,幾何因子的形狀不一樣,在徑向上取r0值以后所得到的響應(yīng)曲線形狀不一樣。源距短,曲線只有1個單峰,源距增加,曲線中間出現(xiàn)反向峰,該峰隨著源距的加長變平緩,說明:套管井的幾何因子形狀與Doll幾何因子相似,其火山口形狀比Doll幾何因子的扁并且平。

圖3 圖2中的有用信號隨深度的變化規(guī)律

圖4 節(jié)箍處的響應(yīng)曲線形狀以及Doll幾何因子

套管節(jié)箍在徑向上只有1個套管的厚度,10 mm左右。但其對響應(yīng)曲線的影響很大,主要為①套管的電導(dǎo)率很高,節(jié)箍處在徑向上增加的套管厚度相對于地層來講很薄,但是等效的電導(dǎo)率很高;②套管的高導(dǎo)磁性和導(dǎo)電性使得電磁場都集中在套管的金屬中,場強很強,套管外地層的電磁場只有在靠近套管位置才比較強,隨著徑向上離開套管的距離增加,電磁場幅度快速衰減。套管井瞬變電磁主要測量套管周圍地層的電導(dǎo)率,探測深度很淺。

3 過套管電導(dǎo)率與裸眼井電導(dǎo)率曲線

將圖3中幅度比較大的井段曲線與裸眼井測量的電導(dǎo)率曲線繪制在一起得到圖5。其中,GRL是裸眼井測量的曲線,GR是套管井測量的曲線。對比發(fā)現(xiàn),兩者有一致性,有些井段基本重合,如1 315～1 320 m井段,曲線變化趨勢一段;有些井段差異比較明顯。這說明圖4所示的有效信號確實反映了地層的電導(dǎo)率變化。

按照地層特征進行分析,在不擴徑的泥巖地層地層,2次測量的電導(dǎo)率曲線應(yīng)該重疊比較好。砂巖地層則因為石油開發(fā),地層電導(dǎo)率發(fā)生了變化,有差異,該差異顯示了開發(fā)前后油層的變化,能夠指示剩余油的分布。

圖5 過套管電導(dǎo)率曲線與裸眼井測量的電導(dǎo)率曲線對比

4 水淹層識別

過套管電導(dǎo)率測量的主要目的是判別水淹情況,對剩余油進行識別。對圖5中的油層進行分析。縮短測量井段,只聚焦測井的目的層得到圖6。其中1 325～1 330 m段是1個比較厚的油層,1 340～1 343 m段是1個油層。將油層上面(1 300～1 320 m段)的曲線重合則發(fā)現(xiàn):1 313～1 320 m井段、1 302～1 305 m井段基本重合,曲線形狀和變化趨勢一致。其他井段不能夠重合,油層之間的泥巖沒有重疊在一起。對比可以發(fā)現(xiàn),在2次測量的電導(dǎo)率曲線不一致的井段,自然伽馬曲線也不一致,形狀有了明顯的變化。另外,這個井段長度已經(jīng)接近50 m,井溫相差1.5 ℃,套管的電導(dǎo)率隨井溫的變化不能忽視。這也是導(dǎo)致上下泥巖井段電導(dǎo)率與裸眼井不重合的主要原因之一。

圖6 油層井段的電導(dǎo)率曲線與自然伽馬曲線

為此,繼續(xù)平移套管井測量的電導(dǎo)率曲線使得油層下部的泥巖段重合得到圖7。可見,油層的電導(dǎo)率曲線與裸眼井的電導(dǎo)率曲線有明顯的差異。其中電導(dǎo)率明顯提高,層內(nèi)下部電導(dǎo)率低,上部電導(dǎo)率高,這說明油層的上部出現(xiàn)了水淹的情況。特別是1 325～1 330 m井段上部的電導(dǎo)率曲線明顯出現(xiàn)了臺階。油層的油被采出,孔隙中間換成了水,或者說該層被水淹。

圖7 油層井段的電導(dǎo)率曲線與自然伽馬曲線

5 分析與討論

瞬變電磁測量的曲線變化趨勢與裸眼井電導(dǎo)率曲線接近,但是有很多層位不一致,不能夠完全重合。這是受套管影響以后,套管井電導(dǎo)率曲線特有的特征。套管的存在使得線圈激發(fā)的磁場分布與裸眼井有比較大的差別。套管的磁導(dǎo)率高使磁場都集中在套管內(nèi)部。由連續(xù)性條件知道,套管周圍的水泥環(huán)的磁場也比較強,其激發(fā)的渦流幅度比較大,對渦流信號的貢獻大;地層的磁場相對比較弱,對渦流信號貢獻小。最終表現(xiàn)為探測深度淺,水泥環(huán)的電導(dǎo)率深刻影響電導(dǎo)率測量結(jié)果。套管本身的電導(dǎo)率對響應(yīng)影響很大,溫度不同,套管電導(dǎo)率不一樣,響應(yīng)也會變化。

瞬變電磁激發(fā)的主要優(yōu)點是頻譜連續(xù),每個頻率成分均攜帶地層的電導(dǎo)率信息,這些電導(dǎo)率信息經(jīng)過一定距離傳播以后在接收線圈形成峰值(見圖2),與單頻相比增加了地層電導(dǎo)率測量的靈敏度。

目前的套管井中瞬變電磁電導(dǎo)率測井有以下主要特點。

(1)在5.5 in套管井中,瞬變電磁測量的電導(dǎo)率曲線在不擴徑、自然伽馬沒有明顯改變的泥巖地層中,可以找到其重合比較好的井段。該結(jié)果說明瞬變電磁測井真正測量到了地層的電導(dǎo)率。

(2)因為套管的存在,瞬變電磁場主要集中在套管內(nèi),使得徑向探測深度比較淺,水泥環(huán)厚度對電導(dǎo)率測井曲線影響明顯。

(3)套管井電導(dǎo)率儀器的源距短,探測深度淺,與裸眼井測量的深部地層的電導(dǎo)率有一定的差異。

(4)地層開發(fā)一段時間以后,套管測量的自然伽馬曲線會發(fā)生一定的變化,與裸眼井測量的自然伽馬曲線形狀出現(xiàn)差異。這樣的泥巖地層,電導(dǎo)率也會出現(xiàn)一定的差異。套管井所測量的地層電導(dǎo)率曲線與裸眼井有一定的差異,加上溫度對套管電導(dǎo)率的影響,因此不能要求套管井測量的地層電導(dǎo)率與裸眼井測量的電導(dǎo)率形狀完全一致。在目的層附近有一定井段能夠重疊、曲線變化趨勢一致即可。

(5)用油層內(nèi)部測量的電導(dǎo)率曲線的變化形狀可以判斷該層的生產(chǎn)狀況,識別水淹層位和剩余油分布。

(6)現(xiàn)有儀器對5.5 in套管井基本合適。

6 結(jié) 論

(1)在套管井內(nèi),控制發(fā)射線圈電流導(dǎo)通和關(guān)斷激發(fā)瞬變電磁場,對套管井中的響應(yīng)進行測量,其波形中包含地層電導(dǎo)率信息,因為瞬變電磁場以低頻為主,集膚深度大,能夠穿過套管進入地層。所激發(fā)的連續(xù)頻譜經(jīng)過套管、水泥環(huán)和地層的相移和衰減,在接收線圈疊加在一起能夠形成峰值,突出地層電導(dǎo)率的信息,較單頻激發(fā)所攜帶的信息量多。

(2)套管的電導(dǎo)率高使得瞬變電磁測井的探測深度淺,套管節(jié)箍處不同源距的響應(yīng)曲線與Doll幾何因子的特征一致。因此,套管井瞬變電磁測井可以用幾何因子進行分析。在不擴徑井段所測量的連續(xù)曲線與地層電導(dǎo)率具有明顯的相關(guān)性,其在油層內(nèi)的變化趨勢反映了油層的水淹以及層內(nèi)剩余油的分布狀況,可以用于剩余油分布或水淹層識別。