王輝,史國發(fā),林兵兵,宗飛,陳草棠,盧春利

(1.中國石油集團測井有限公司長慶分公司,陜西西安710201;2.中國石油集團測井有限公司大慶分公司,黑龍江大慶163412;3.中國石油集團測井有限公司技術中心,陜西西安710077)

0 引 言

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

DLL6503雙側向測井儀的淺側向探測深度為0.7 m,主要測量沖洗帶電阻率;深側向探測深度為2.5 m,主要測量原狀地層電阻率[2]。當鉆井液電阻率小于原狀地層電阻率時,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,即淺側向電阻率小于深側向電阻率為正差異。在非滲透層的泥巖段,由于沒有鉆井液的侵入,淺側向測得的也是原狀地層電阻率,因此,淺側向電阻率與深側向電阻率的曲線重合。泥巖段出現(xiàn)淺側向電阻率大于深側向電阻率的現(xiàn)象為泥巖負差異[3]。蘇里格氣田某區(qū)塊采用DLL6503測井儀測得的雙側向曲線出現(xiàn)泥巖負差異,造成現(xiàn)場測井資料無法驗收和地質解釋困難等問題,因此,有必要對此進行深入研究。

目前,關于負差異問題的研究,洪有密[4]認為,在現(xiàn)場采集得到的深、淺側向電阻率曲線既可呈現(xiàn)正差異(深側向電阻率>淺側向電阻率),也可出現(xiàn)負差異(深側向電阻率<淺側向電阻率)。在現(xiàn)場資料初步驗收時,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,一般測量曲線中如連續(xù)出現(xiàn)負差異,即深側向電阻率與淺側向電阻率的比值小于0.85,通常認為測井資料質量不合格[5]。

關于雙側向測井儀產生負差異的原因,李明等[6]認為可能與電極棒絕緣、圍巖和地層各向異性有關。鈕宏等[7]通過實驗表明,高分辨率雙側向儀器在測井時,將電壓測量參考點N電極設置于地面或井下,對淺側向電阻率測值無明顯影響,但采用井下N電極測井方式,將有可能引起深側向電阻率測值變低、雙軌甚至出現(xiàn)負差異的現(xiàn)象,特別是在高電阻率地層與低電阻率鉆井液的測量井段,該現(xiàn)象較為明顯。

1 蘇里格氣田負差異現(xiàn)象描述

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

1.1 大段負差異現(xiàn)象描述

連續(xù)10 m以上的大段負差異在X1井最為典型,其存在于泥質含量較穩(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)在個別井位。X1井部分層段表現(xiàn)出大于30 m的大段負差異現(xiàn)象,該井2 780～2 820 m井段出現(xiàn)約40 m的大段負差異現(xiàn)象(見圖1)。

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

1.2 薄層負差異現(xiàn)象描述

相對于大段負差異,薄層負差異的負差異長度為2～3 m,如X2井石千峰組2 847～2 850 m井段(見圖2)。由于該井使用鹽水鉆井液,用DLL6503雙側向儀器獲取的測井資料無法解釋泥巖處出現(xiàn)的薄層負差異現(xiàn)象。對X2井進行分析,出現(xiàn)負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

針對雙側向電阻率負差異問題,建立DLL6503雙側向儀器測井方法的數(shù)值模擬模型。在二維軸對稱情況下,采用柱坐標系,此時雙側向測井方法所計算的場可以簡化為二維全非均勻介質模型[8]。采用二維有限元方法進行數(shù)值計算,具體算法見參考文獻[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進行計算。主要的節(jié)點自由度是標量電位,利用APDL編寫程序,建模求解,采用APDL語言的優(yōu)點是能夠利用循環(huán)控制實現(xiàn)智能化分析,減少工作量[11]。具體仿真計算過程見參考文獻[12]。

2.2 大段負差異

2.2.1大段負差異原因分析

DLL6503雙側向儀器由11個電極組成:位于中心的主電極A0,上下對稱的2對監(jiān)督電極M1、M1′和M2、M2′,2對屏蔽電極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′),電極系詳細結構及尺寸詳見參考文獻[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備的影響。井下N電極的結構為N電極位于主電極A0(發(fā)射電極)和深側向接收電極B之間,而淺側向的N電極位于主電極A0與接收電極A2之上。對于深側向模式,N電極相對于B電極存在一定正電位,采用井下N電極時A電極的電位差(即電壓)相對偏低,而電阻率正比于電壓,即深側向電阻率偏低,但淺側向電阻率不變,故而出現(xiàn)負差異。因此,N電極位置可能是大段負差異的原因之一。

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

雙側向儀器老化會導致電極系內各電極間絕緣性變差、接觸和導通電阻增大,也會導致大段負差異,其影響程度比N電極的影響更大。其中,各電極間標準絕緣電阻大于500 MΩ,接觸和導通電阻小于0.3 Ω。

以X1井使用的DLL6503雙側向30號儀器為典型實例,其負差異部分層位可達20%,而目前最新的儀器已更新到100號以上,30號雙側向儀器已使用7年以上,A1與A2間絕緣電阻僅10 MΩ(儀器出廠值>500 MΩ),M2導通電阻達到1.5 Ω(儀器出廠值<0.3 Ω),電極系老化等問題對測量結果影響較大。

2.2.2大段負差異解決方法與結果

針對大段負差異現(xiàn)象,采取如下措施:①將井下N電極切換為地面N電極;②使用新儀器或將原舊儀器的電極系進行徹底檢修升級,確保電極系絕緣和導通電阻符合標準。采取這2項措施后,在X3、X4和X5井的測井資料中,泥巖處都未出現(xiàn)大段負差異現(xiàn)象(見圖3)。由圖3中紅色方框標出的層位可見,這3口井中連續(xù)10 m以上的大段泥巖處深、淺側向電阻率重合較好,均未出現(xiàn)大段負差異;但其中薄層泥巖處還存在負差異,如X3井1 450.5～1 452.0 m井段和X4井1 449.0～1 450.5 m井段,這些井段對這2項措施不敏感。由此可見薄層泥巖處的負差異不是由于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。

對后續(xù)十幾口井的測井資料進行跟蹤,未發(fā)現(xiàn)有大段泥巖負差異現(xiàn)象出現(xiàn),現(xiàn)場作業(yè)隊和地質解釋人員也均未再反映大段負差異問題,由此確定大段負差異現(xiàn)象已經得到解決。

圖3 X3、X4和X5井雙側向曲線

2.3 薄層負差異

在解決大段負差異問題的基礎上,明確薄層負差異出現(xiàn)的層組,通過數(shù)值仿真確定問題產生的原因,提出解決方案。

2.3.1薄層負差異原因分析

建立具有薄層負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地層相對應。這5層地層電阻率和厚度分別設為: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雙側向測井儀電極系結構見圖4,以A0為中心,上下對稱。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2.1。通過數(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,中間低電阻率段會出現(xiàn)薄層負差異的現(xiàn)象。

這種薄層負差異現(xiàn)象與深、淺側向測量模式的探測區(qū)域有關。圖4為DLL6503雙側向測井儀探測區(qū)域示意圖,其中紅色代表淺側向模式,黃色代表深側向模式,上、下A2電極內端面間距3.4 m,上、下A2電極外端面間距9.4 m。出現(xiàn)低電阻率段負差異的現(xiàn)象時,低電阻率段位于上、下A2電極內端面間距內,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雙側向探測區(qū)域示意圖

根據(jù)電極系設計尺寸和結構,結合圖2中的地層模型,在簡化后的物理模型中,探測低電阻率薄層③時,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為雙側向測得的地層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)域對測量信號的權重系數(shù),由于深、淺側向模式縱向探測區(qū)域不同,則深、淺側向的權重系數(shù)不同。模擬結果表明,淺側向比深側向中J2更大,而J2為Rt2和Rt4的高電阻率層,故造成淺側向測值較深側向測值高,即產生負差異。

2.3.2薄層負差異解決措施

基于上述認識,提出擬解決方案為更改電極系結構,改變深、淺側向模式探測區(qū)域。將原對稱雙側向下部的A1*′電極與A2′電極間的距離縮短一半,使其與上部電極非對稱,通過二維有限元的方法進行數(shù)值模擬研究。

圖5 非對稱雙側向和對稱雙側向數(shù)值模擬結果

非對稱雙側向和對稱雙側向數(shù)值模擬結果見圖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果顯示,8～10 m處原來對稱雙側向出現(xiàn)低電阻率負差異的層位,在非對稱雙側向上已經基本重合,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,符合雙側向的測井原理,再結合其他測井曲線進行綜合分析,可得到合理的地質解釋。

基于數(shù)值模擬的研究結果,對原DLL6503雙側向儀器的電極系結構進行改進。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的一半,上部各電極不做任何改變,從而使上、下電極非對稱,與模擬試驗中的模型保持一致。

2.3.3薄層負差異解決結果

將改進后的非對稱雙側向儀器與原對稱雙側向儀器進行對比試驗。在X6井,完成了對稱和非對稱2種雙側向儀器的測井對比試驗,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,原對稱雙側向出現(xiàn)薄層負差異,而改進后的非對稱雙側向的深、淺側向電阻率曲線重合(見圖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差異已明顯消除,深、淺側向電阻率曲線完全重合,薄層負差異問題得到較好的解決。在消除薄層負差異的同時,在相鄰的高電阻率層出現(xiàn)正差異,實際測井結果與模擬研究一致,試驗效果符合預期。

圖6 X6井雙側向曲線對比圖

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,從雙側向測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,說明該處存在擴井和橢圓形井眼等井眼不規(guī)則情況,雙側向儀器可能處于嚴重偏心狀態(tài),而常規(guī)的雙側向井眼校正方法無法對這種復雜井眼進行校正[13],推測該處的雙側向曲線已失真,所顯示的正差異無參考意義。

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

3 結 論

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

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

(3)對于薄層負差異,采用有限元數(shù)值模擬等方法進行量化分析,確定該現(xiàn)象產生的原因為電極系結構,對電極系結構進行改進后,模擬結果中負差異得以消除。將改進后的非對稱雙側向儀器與改進前的對稱雙側向儀器進行下井試驗對比,試驗結果與數(shù)值模擬結果相符,在電阻率為“中—高—低—高—中”5層組合地層條件下,薄層負差異被較好地消除,相鄰高電阻率層出現(xiàn)正差異,再結合其他測井曲線可以得到合理的地質解釋,較好地解決了薄層負差異問題。

(4)根據(jù)對大段負差異和薄層負差異分析出的不同原因,分別采取相應的解決措施,經下井驗證,兩種負差異現(xiàn)象消失,解決了現(xiàn)場測井資料出現(xiàn)負差異時無法驗收和地質無法解釋的難題。