趙毅,章海寧,朱涵斌,李戈理,白彥,董元媛

(1.中國石油集團(tuán)測井有限公司地質(zhì)研究院,陜西西安710077;2.中國石油天然氣集團(tuán)有限公司測井重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安710077;3.中國石油集團(tuán)測井有限公司測井技術(shù)研究院,陜西西安710077;4.中國石油天然氣集團(tuán)有限公司測井技術(shù)試驗(yàn)基地,陜西西安710077)

0 引 言

各向異性是指物質(zhì)的全部或部分化學(xué)、物理等性質(zhì)隨著方向的改變而有所變化,在不同的方向上呈現(xiàn)出差異的性質(zhì)[1-2],各向異性是地層常見的性質(zhì)。電阻率各向異性主要指電阻率在地下介質(zhì)中各個(gè)方向上的不同,電阻率各向異性由電阻率各向異性系數(shù)(Anisotropy of Electrical Resistivity,AER)量化表征。電阻率各向異性系數(shù)是指垂直于地層方向測得的電阻率與平行于地層方向測得的電阻率比值的平方根,它的值常在1與2之間。

當(dāng)前研究成果表明[3-6],造成地層電阻率各向異性的主要因素:①砂泥巖交互層、裂縫型地層,由于其獨(dú)特的地層結(jié)構(gòu)以及不同巖性電阻率的較大差異使得該類儲(chǔ)層在宏觀特性上表現(xiàn)出較強(qiáng)的各向異性;②儲(chǔ)層中流體影響,尤其是混相流體作為儲(chǔ)層內(nèi)導(dǎo)電路徑時(shí),在不同方向電場條件下呈現(xiàn)較強(qiáng)的電阻率各向異性。由于前期缺乏可直接計(jì)算地層電阻率各向異性系數(shù)的測井資料,電阻率各向異性系數(shù)在儲(chǔ)層流體識(shí)別方面的研究相對(duì)較少。

三維感應(yīng)測井儀器能同時(shí)測量出地層垂直、水平方向電阻率[7],能直接計(jì)算地層電阻率各向異性系數(shù),為識(shí)別儲(chǔ)層流體性質(zhì)提供了一種新方法。本文通過分析三維感應(yīng)電阻率測井儀器在砂泥巖類儲(chǔ)層中實(shí)測電阻率響應(yīng)特點(diǎn),采用水平電阻率、垂直電阻率測井值計(jì)算電阻率各向異性系數(shù),結(jié)合其他常規(guī)測井曲線識(shí)別儲(chǔ)層流體性質(zhì),經(jīng)過試油驗(yàn)證,本方法取得了較好的應(yīng)用效果。

1 電阻率各向異性影響因素分析

1.1 巖性影響因素分析

1.1.1物理模型分析

前人研究表明,在薄互層發(fā)育的層狀巖石中,由于巖石內(nèi)部顆粒結(jié)構(gòu)、泥質(zhì)和砂質(zhì)組分的電性差異、層理特征等造成其電學(xué)、力學(xué)和滲流特征在平行層理方向和垂直層理方向存在明顯差異,即表現(xiàn)為各向異性[8-9]。平行于層理的真電阻率與垂直于層理的真電阻率存在較大差異,這是由兩種方向?qū)щ娐窂讲煌?、?duì)應(yīng)的電阻物理模型不同導(dǎo)致。假設(shè)巖石只有砂巖與泥巖以薄互層的形式組合,測量電阻率時(shí)存在著圖1所示的物理模型場景,該場景中包含水平方向(藍(lán)色)與垂直方向兩種電阻率(紅色)。

圖1場景中,水平電阻率對(duì)應(yīng)并聯(lián)電阻等效電路,垂直電阻率對(duì)應(yīng)串聯(lián)電阻等效電路。在該物理模型下,對(duì)應(yīng)的電阻值計(jì)算如式(1)、式(2)[10]所示。

(1)

Rv=Vsand×Rsand+Vshale×Rshale

(2)

式中,Rh為水平電阻率,Ω·m;Rv為垂直電阻率,Ω·m;Rsand為砂巖電阻率,Ω·m;Rshale為泥巖電阻率,Ω·m;Vsand為純砂巖體積含量,小數(shù);Vshale為純泥巖體積含量,小數(shù)。

假設(shè)薄互層模型中泥巖電阻率均為1 Ω·m,砂巖電阻率分別為10 Ω·m和100 Ω·m時(shí),代入式(1)、式(2)求得兩種測量模式對(duì)應(yīng)的電阻率值(見表1)。從表1可以看出,隨著砂巖成分增加,水平電阻率只是略微增大,但垂直電阻率明顯增大。由于水平電阻率與垂直電阻率對(duì)應(yīng)不同的電路模型,垂直電阻率更能反映高電阻率成分,對(duì)于砂泥薄互層,垂直電阻率值能更好地反映砂巖層的電阻率響應(yīng)特征。物理模擬結(jié)果表明,在砂泥薄互層中隨著砂巖成分增加,水平與垂直電阻率存在較明顯差異,其他碎屑巖儲(chǔ)層巖性類推此結(jié)論。

1.1.2實(shí)驗(yàn)樣品分析

對(duì)5口取心井的19塊(長寬高均為3 cm的方塊)巖樣進(jìn)行電阻率各向異性測試。其中頁巖12塊、泥質(zhì)粉砂巖3塊、含灰泥巖2塊、泥質(zhì)云巖1塊、石灰?guī)r1塊,主要巖性為頁巖,其巖樣層理特征較為明顯。實(shí)驗(yàn)中分別對(duì)干樣、飽和水巖樣測試水平X方向與Y方向、垂直Z方向(見圖2)的電阻數(shù)據(jù)。

干樣實(shí)驗(yàn)前不做洗油洗鹽處理,能較真實(shí)地反應(yīng)地層巖石本身導(dǎo)電情況。干樣水平電阻率值分布在7 519.0～53 967.6 Ω·m,垂直電阻率值分布在18 701.6～75 868.8 Ω·m。干樣垂直方向與水平方向電阻率各向異性系數(shù)分布在0.9～1.7,平均值為1.4。干樣水平X方向與Y方向電阻率各向異性系數(shù)分布在0.9～1.6,平均值為1.1。干樣水平方向電阻率各向異性系數(shù)接近1,表明水平方向呈現(xiàn)各向同性特征;垂直方向與水平方向電阻率各向異性系數(shù)平均值為1.4,說明垂直方向與水平方向存在較明顯的電阻率各向異性。

表1 等效各向異性地層物理模型電阻率響應(yīng)理論值

圖2 電阻率測量實(shí)驗(yàn)方向示意圖

按巖性分別統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)干樣的垂直方向與水平方向電阻率各向異性系數(shù)。從平均值看石灰?guī)r的電阻率各向異性系數(shù)最高,為1.63,含灰泥巖和頁巖的電阻率方向異性系數(shù)分別為1.44和1.43;泥質(zhì)云巖的電阻率各向異性系數(shù)最低,僅為0.95。而頁巖樣品電阻率各向異性系數(shù)在0.91～1.73,其中電阻率各向異性系數(shù)最高值為1.73的頁巖,其巖心分析的巖性描述結(jié)論為紋層狀頁巖。分析認(rèn)為,巖石的層理結(jié)構(gòu)越發(fā)育,電阻率各向異性系數(shù)越大;反之,巖性越均一的儲(chǔ)層電阻率各向異性系數(shù)越小。

1.2 流體影響因素分析

飽和水巖樣更多反應(yīng)流體導(dǎo)電性。飽和水巖樣水平電阻率分布在4.6～328.1 Ω·m,垂直電阻率分布在42.3～935.4 Ω·m。飽和水巖樣垂直方向與水平方向電阻率各向異性系數(shù)分布在1.2～3.2,平均值為2.4。飽和水巖樣水平X與Y方向電阻率各向異性系數(shù)分布在0.7～1.1,平均值為1.0。飽和水巖樣電阻率受流體導(dǎo)電影響較大,在水平方向電阻率各向異性系數(shù)平均值為1.0,呈現(xiàn)各向同性特征,在垂直方向與水平方向電阻率各向異性系數(shù)平均值達(dá)2.4,呈現(xiàn)明顯的各向異性特征。

圖3 干樣、飽和水巖樣垂直與水平方向電阻率各向異性系數(shù)折線圖

圖3是實(shí)驗(yàn)測得的干樣、飽和水巖樣的垂直與水平方向電阻率各向異性系數(shù)折線圖。干樣的垂直與水平方向電阻率各向異性系數(shù)明顯低于飽和水巖樣的垂直與水平方向電阻率各向異性系數(shù)。徐波等[11]在巖心實(shí)驗(yàn)中也獲得過類似的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,隨著導(dǎo)電流體充注在巖樣儲(chǔ)集空間中,巖樣垂直與水平方向電阻率各向異性系數(shù)呈加大的趨勢(shì),流體提供的導(dǎo)電路徑在不同方向上呈現(xiàn)較強(qiáng)的電阻率各向異性特征。據(jù)此,對(duì)油氣儲(chǔ)層做出如下推測:純油層、氣層由于流體電阻率很大,充注在儲(chǔ)層中不能形成有效導(dǎo)電路徑,垂直與水平方向電阻率各向異性系數(shù)應(yīng)是低值;含水儲(chǔ)層隨著導(dǎo)電的水增多、導(dǎo)電路徑增多,電阻率各向異性系數(shù)逐漸增大。下文討論的各向異性均指垂直方向與水平方向各向異性。

2 典型流體三維感應(yīng)電阻率響應(yīng)特征

2.1 三維感應(yīng)電阻率識(shí)別流體的優(yōu)勢(shì)

高電阻率是油氣層的重要特征,但在測井過程中,砂泥巖薄互層和裂縫性油氣層往往表現(xiàn)為較低的電阻率測井值[12-13]。這是因?yàn)槌Ｒ?guī)感應(yīng)類測井測量的是儲(chǔ)層水平方向電阻率,水平方向電阻率模型類似并聯(lián)電路模型,砂泥巖薄互層和裂縫性油氣層中的低電阻率成分會(huì)大幅度降低儲(chǔ)層整體電阻率測井值。使用常規(guī)感應(yīng)電阻率測井曲線解釋時(shí)容易低估儲(chǔ)層真實(shí)電阻率,漏掉水平方向較低電阻率值的泥質(zhì)砂巖產(chǎn)層。

圖4 J1井典型流體響應(yīng)特征*非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

三維感應(yīng)測井資料能同時(shí)測得儲(chǔ)層垂直方向與水平方向的電阻率,垂直方向電阻率模型類似串聯(lián)電路模型,砂泥巖薄互層和裂縫性油氣層中、高電阻率砂巖及油氣等成分在垂直方向電阻率曲線中能得到較好的體現(xiàn),呈現(xiàn)出較高電阻率的特征。在砂泥巖薄互層條件下三維感應(yīng)曲線數(shù)值受巖性變化影響較大,表現(xiàn)為水平方向較低電阻率值、垂直方向較高電阻率值,兩者之間存在一定的電阻率各向異性。但在儲(chǔ)層巖性相對(duì)較純的條件下,垂直方向與水平方向電阻率數(shù)值的差異更多是由不同流體性質(zhì)帶來的:①當(dāng)流體性質(zhì)相對(duì)單一時(shí),水平方向電阻率與垂直方向電阻率曲線值接近,呈現(xiàn)較弱的電阻率各向異性;②當(dāng)流體性質(zhì)相對(duì)復(fù)雜、儲(chǔ)層中存在不同流體時(shí),三維感應(yīng)水平方向電阻率曲線值降低較多,垂直方向電阻率曲線值降低相對(duì)少,水平方向與垂直方向電阻率曲線呈現(xiàn)比較明顯的差異,此時(shí)表現(xiàn)為較強(qiáng)的電阻率各向異性。通過分析這種差異可對(duì)儲(chǔ)層中流體是屬于單一流體還是多相流體進(jìn)行判斷,識(shí)別流體性質(zhì)。在研究中,采用三維感應(yīng)垂直電阻率與水平電阻率對(duì)比,結(jié)合其他常規(guī)曲線對(duì)儲(chǔ)層流體性質(zhì)進(jìn)行判別,通過對(duì)儲(chǔ)層巖性為砂泥巖的12口直井進(jìn)行應(yīng)用,此方法可以有效識(shí)別儲(chǔ)層流體性質(zhì)。

2.2 典型流體響應(yīng)特征

(1)典型油層。圖4中J1井23號(hào)層為比較典型的油層響應(yīng)特征,陣列感應(yīng)電阻率曲線呈現(xiàn)低阻侵入特征,陣列感應(yīng)電阻率曲線、水平電阻率曲線、垂直電阻率曲線呈現(xiàn)形態(tài)飽滿的高值特征。23號(hào)層中上部分自然伽馬較高,指示儲(chǔ)層含有一定的泥質(zhì)成分,低電阻率的泥質(zhì)成分拉低了水平方向整體電阻率,使得層內(nèi)該部位水平方向電阻率明顯小于垂直方向電阻率;23號(hào)層中下部位自然伽馬較低,巖性較純,垂直電阻率和水平電阻率數(shù)值相當(dāng),電阻率各向異性較弱,流體性質(zhì)比較單一。類似23號(hào)層中下部位,巖性較純時(shí)水平電阻率曲線與垂直電阻率曲線呈現(xiàn)形態(tài)飽滿的高值,電阻率各向異性較弱,這樣的響應(yīng)特征是試驗(yàn)井中比較常見的油層響應(yīng)特征。

(2)典型油水同層。典型油水同層的陣列感應(yīng)電阻率略低,但其值高于水層,陣列感應(yīng)電阻率曲線往往呈現(xiàn)局部凹陷形態(tài);水平電阻率曲線、垂直電阻率曲線也呈現(xiàn)局部凹陷特征。當(dāng)自然伽馬曲線較平直、巖性較純時(shí),垂直電阻率明顯大于水平電阻率;相較于水層,典型油水同層的垂直電阻率與水平電阻率曲線的差異更大。

(3)典型水層。圖4中J1井33號(hào)層為典型水層,其陣列感應(yīng)電阻率明顯低于23號(hào)油層。33號(hào)層陣列感應(yīng)電阻率曲線、三維感應(yīng)電阻率曲線形態(tài)凹陷,呈現(xiàn)低值特征。33號(hào)層中下部位自然伽馬值低,巖性較純,垂直電阻率和水平電阻率數(shù)值相當(dāng),只有微弱差異,表明該層流體性質(zhì)較單一,該段電阻率曲線更多反映流體的響應(yīng)特征。

(4)典型干層。試驗(yàn)井中有兩種比較典型的干層,即致密型、高泥質(zhì)型干層。圖4中22號(hào)層屬于比較典型的致密型干層,陣列感應(yīng)電阻率曲線、垂直電阻率曲線、水平電阻率曲線通常呈高值特征,不同探測深度電阻率接近,垂直和水平電阻率數(shù)值相當(dāng),電阻率各向異性不明顯。高泥質(zhì)型干層電阻率略低,受低電阻率泥巖成分影響,水平電阻率通常小于垂直電阻率,呈現(xiàn)比較強(qiáng)的電阻率各向異性。

3 電阻率各向異性在流體識(shí)別中的應(yīng)用

3.1 電阻率各向異性的流體識(shí)別方法

通過分析砂泥巖儲(chǔ)層條件下三維感應(yīng)電阻率響應(yīng)特征,利用垂直方向電阻率與水平方向電阻率數(shù)值計(jì)算電阻率各向異性系數(shù),以電阻率各向異性系數(shù)作為輔助流體識(shí)別的曲線,形成了基于電阻率各向異性的流體識(shí)別方法。通過現(xiàn)場驗(yàn)證,當(dāng)巖性較純的砂巖儲(chǔ)層電阻率各向異性系數(shù)大于1.1時(shí),層內(nèi)往往存在多相流體。因此,對(duì)電阻率各向異性系數(shù)曲線以1.1為界限進(jìn)行曲線充填,當(dāng)電阻率各向異性系數(shù)大于1.1時(shí),首先判斷是否為巖性變化導(dǎo)致的各向異性系數(shù)增大,若不是,則判斷該層內(nèi)流體性質(zhì)復(fù)雜、存在多相流體,此時(shí)再結(jié)合常規(guī)測井曲線,可識(shí)別流體性質(zhì)。該方法已在砂泥巖類儲(chǔ)層中12口井共57個(gè)儲(chǔ)層層段進(jìn)行驗(yàn)證,其中52個(gè)層段解釋結(jié)論與試油結(jié)論吻合,符合率達(dá)91.2%?，F(xiàn)場試驗(yàn)表明,三維感應(yīng)電阻率各向異性流體識(shí)別方法在砂泥巖類儲(chǔ)層中應(yīng)用效果較好。反過來,也間接證明了在巖性較純的砂巖層段,電阻率各向異性更多地反映流體性質(zhì)差異。

3.2 典型流體識(shí)別效果

(1)典型油層。運(yùn)用三維感應(yīng)測井垂直電阻率、水平電阻率計(jì)算電阻率各向異性系數(shù)。如圖5所示,J2井20、21號(hào)層巖性較純,各向異性系數(shù)低于1.1,接近1,表明儲(chǔ)層流體單一,結(jié)合其他測井曲線特征識(shí)別為油層,試油后日產(chǎn)純油5.496 t。

圖5 J2井電阻率各向異性系數(shù)油層識(shí)別效果圖

(2)典型油水同層。如圖6所示,J3井4號(hào)層電阻率各向異性系數(shù)局部較高,1 402.5 m位置自然伽馬最低,但電阻率各向異性系數(shù)達(dá)1.3,表明層內(nèi)有多種流體。結(jié)合陣列感應(yīng)電阻率整體較高,但其形態(tài)略帶凹陷的特征,識(shí)別為油水同層;3號(hào)層巖性相對(duì)較致密,5號(hào)層泥質(zhì)含量相對(duì)更高,3、5號(hào)層的電阻率各向異性系數(shù)符合干層特征?，F(xiàn)場對(duì)3、4、5號(hào)層同時(shí)射孔,試油后日產(chǎn)油0.048 t,4號(hào)層試油結(jié)論為低產(chǎn)油水同層。

(3)典型水層。如圖7所示,J4井15號(hào)層巖性較純,垂直、水平電阻率接近,電阻率各向異性系數(shù)接近1,較低的電阻率各向異性系數(shù)表明層內(nèi)流體單一。結(jié)合陣列感應(yīng)電阻率整體較低,其形態(tài)略帶凹陷的特征,判斷為水層。現(xiàn)場試油后日產(chǎn)水0.84 t,試油結(jié)論為水層。

(4)典型干層。如圖8所示,J5井67、69號(hào)層泥質(zhì)含量較高,層內(nèi)巖性最純的位置垂直電阻率與水平電阻率接近,其他位置受泥質(zhì)增多影響,其垂直電阻率大于水平電阻率。相對(duì)層內(nèi)巖性單一位置,其他位置的電阻率各向異性系數(shù)更高,電阻率各向異性系數(shù)更多反應(yīng)的是巖性的特征。結(jié)合陣列感應(yīng)電阻率曲線、三孔隙度曲線特征,判斷為干層,現(xiàn)場試油后只見油花,試油結(jié)論為干層。

圖6 J3井電阻率各向異性系數(shù)油水同層識(shí)別效果圖

圖7 J4井電阻率各向異性系數(shù)水層識(shí)別效果圖

圖8 J5井電阻率各向異性系數(shù)干層識(shí)別效果圖

4 結(jié) 論

(1)儲(chǔ)層垂直、水平電阻率各向異性是儲(chǔ)層內(nèi)部巖性與流體的綜合反應(yīng),巖性類型和流體性質(zhì)均為電阻率各向異性的影響因素。

(2)巖性越復(fù)雜、巖石的層理結(jié)構(gòu)越發(fā)育,電阻率各向異性系數(shù)越大;反之,巖性越純?cè)骄坏膬?chǔ)層,其電阻率各向異性系數(shù)越小。

(3)在應(yīng)用三維感應(yīng)水平電阻率、垂直電阻率差異進(jìn)行流體識(shí)別時(shí),要優(yōu)先結(jié)合其他常規(guī)測井曲線區(qū)分造成電阻率各向異性的主要因素,判斷是由儲(chǔ)層巖性變化還是流體性質(zhì)變化導(dǎo)致的電阻率差異。

(4)巖性相對(duì)均一的情況下,儲(chǔ)層內(nèi)流體性質(zhì)越復(fù)雜,三維感應(yīng)垂直電阻率與水平電阻率差異越大,垂直、水平電阻率各向異性系數(shù)越大;反之,儲(chǔ)層流體性質(zhì)越單一,垂直電阻率與水平電阻率越接近,垂直、水平電阻率各向異性系數(shù)越小。三維感應(yīng)測井的垂直、水平電阻率各向異性系數(shù),可作為流體識(shí)別的有效指標(biāo)。