利用测井资料判断地层出水的方法

蒋宏伟周英操崔 猛,翟应虎王克雄赵 庆

(1.中国石油钻井工程技术研究院,北京 100195;2.中国石油大学(北京)石油天然气工程学院,北京昌平 102249)

◀钻井与完井▶

利用测井资料判断地层出水的方法

蒋宏伟1周英操1崔 猛1,2翟应虎2王克雄2赵 庆1

(1.中国石油钻井工程技术研究院,北京 100195;2.中国石油大学(北京)石油天然气工程学院,北京昌平 102249)

空气钻井技术具有大幅度提高机械钻速、缩短钻井周期等优点,但空气钻井技术的主要障碍之一是地层出水。单一的测井资料解释方法不易准确地识别出水地层,因此建立和应用新的地层出水识别方法是非常必要的。利用声波时差测井和双侧向电阻率测井资料,建立了判断出水层位的新方法——声电综合法。该方法判断出水地层的标准有3条:1)由地层的声波时差转化得到的视电阻率与深侧向电阻率的比值大于1;2)地层的深侧向电阻率小于100Ω·m;3)地层的双侧向电阻率差一般为零或负幅度差。若某一地层同时满足上述3条标准,即为出水层。该方法经现场应用验证正确可靠,对空气钻井的推广应用具有重要意义。

气体钻井;测井数据;出水层;声波速度;电阻率测井;民参1井

空气钻井具有大幅度提高钻井速度、缩短钻井周期等优点[1-11],但空气钻井的应用是有条件的。空气钻井的主要障碍之一是地层出水,地层水进入井筒会引起井壁水化失稳和岩屑携带困难,甚至造成卡钻等钻井事故,所以在进行空气钻井时需要准确判断出水地层[12]。单一的测井资料解释方法不易准确识别出水地层,尤其对于复杂岩性地层,识别方法往往受到多种因素的影响。因此,建立和应用新的地层出水识别方法是必要的。在常规测井技术中,声波时差测井与电阻率测井均被广泛应用,因此可以利用邻井完整的声波时差和电阻率测井资料进行分析和研究。笔者分析了声波时差测井资料与电阻率测井资料之间的关系,结合地层测井资料的规律提出了判断地层出水的新方法。

1 判断出水地层的常用测井方法

声波时差测井也叫声波速度测井,是利用测量到的地层声波传播速度来判断地层岩性、估算地层孔隙度的测井方法。声波在地层中的传播速度和岩石的成分、弹性、密度有关,还和地层的孔隙度、孔隙中所含流体的性质有关。由于天然气的声波传播速度比油水的声波传播速度要小得多,因此气层的声波时差大于油水层的声波时差,可以利用这一特点来判断气层[13]。

电阻率测井测量的地层参数是岩石的电阻率。岩石电阻率的大小取决于岩石的组织结构和孔隙度,岩石孔隙中所含流体的性质、化学成分及其浓度和含量,岩石的胶结程度等。沉积岩中岩石骨架的电阻率很高,因此沉积岩的导电能力主要取决于岩石孔隙中地层流体。当地层孔隙含水时,由于地层水中所含盐类的导电离子数目比较多,因此地层水的导电性增强,岩石的电阻率会比较小。而当地层孔隙中含油时,由于油的电阻率很高,几乎不导电,因此岩石电阻率会比较大,即岩石孔隙中含油越多,岩石的电阻率就越大。

2 基本原理

2.1 声波时差测井

2.1.1 孔隙度与声波时差的关系

1)对于泥质含量低的地层 利用声波时差可以计算岩石的孔隙度,其计算公式(Wyllie公式)为:

式中,Δt为地层的声波时差,μs/m;Δtf为岩石孔隙中流体的声波时差,μs/m;Δtma为岩石骨架的声波时差,μs/m。在地层岩性已知的条件下,Δtf、Δtma可作为常数。

2)对于泥质含量高的地层 孔隙度和声波时差之间的关系式为:

式中,Vsh为泥质含量,%;Δtsh为泥质声波时差,μs/m。

3)对于碳酸盐岩地层 孔隙度和声波时差之间的关系式为:

式中,m′为一常数,取值范围为2.0～2.2。

2.1.2 孔隙流体性质对声波时差的影响[14]

对于孔隙度相同的地层,当其孔隙空间所含流体性质不同时,地层岩石的声波传播速度也不同。

1)孔隙度相同的砂岩,其含水时的声波传播速度高于其含油时的声波传播速度;而且砂岩的孔隙度越大、砂岩骨架的声波传播速度越高时,孔隙度相同的含水砂岩和含油砂岩的声波传播速度差异越明显。但是,即使是孔隙度为20%～30%的纯砂岩,其全部含水时的声波传播速度仅比其全部含油时的声波传播速度高7%～15%,且含油砂岩地层孔隙中实际上不可能全部含油(即含油饱和度不可能为100%)。因此,仅根据声波传播速度的差异来判断砂岩地层是否含水是比较困难的。

2)对于碳酸盐岩地层(石灰岩和白云岩地层),其孔隙度小,在目前的测量条件下,根据声波传播速度的差异来判断含水层和含油层是非常困难的。

3)如果砂岩地层中含气,则其声波传播速度和含水砂岩相比,会有明显的降低。在砂岩地层中,只要含气饱和度大于5%,其声波传播速度和孔隙中全部含水的砂岩相比,有明显的差异。

2.2 双侧向电阻率测井

2.2.1 孔隙度与双侧向电阻率之间的关系

1)纯砂岩地层

当地层孔隙中含有地层水时,岩石电阻率会受地层水的电阻率、含量及分布特点的影响。假设岩石孔隙中饱含水时的电阻率为R0,此时R0主要取决于岩石的孔隙度φ和地层水电阻率 Rw,即R0=f(Rw,φ)。研究发现,岩石电阻率不断随着所含地层水的电阻率的变化而变化,并且它们之间有近似成正比的关系。对于同一岩样,岩石电阻率与所含水的电阻率的比值为一常数,并且这个比值只与岩石孔隙度、胶结情况和孔隙形状有关,而与包含在岩石孔隙中的地层水电阻率无关[15-16]。用 F表示这个比值,则有:

式中,a为比例系数,其值取决于地层的岩性;m为胶结系数,随着岩石胶结程度的不同而变化,变化范围为1.5～3.0,一般约为2.0;φ为岩石孔隙度。

当岩石的孔隙中含水时,岩石电阻率除了与岩石的孔隙度、胶结情况及孔隙形状有关外,还与地层水在孔隙中的饱和度及分布有关。引入一个新的参数,叫岩石电阻增大系数,它表示岩石的真电阻率Rt与该岩石完全含水时的电阻率 R0的比值。用 I表示岩石电阻增大系数,则有:

式中,Sw为含水饱和度;n为饱和度指数;b为系数。指数n和系数b与地层岩性有关,不同地区的n和b的值不同。

联立式(4)和式(5),消去 R0可得到地层含水饱和度的公式(阿尔奇公式):

在双侧向电阻率测井中,深侧向电阻率测井反映的是地层的原始电阻率,因此用深侧向电阻率RLLD代替 Rt,则有:

2)含有泥质的地层

对于含有泥质的地层,其含水饱和度的表达式(Hossin方程)为:

式中,Rc为分散黏土的电阻率。

2.2.2 孔隙流体性质对双侧向电阻率的影响

双侧向电阻率测井根据探测深度分为深侧向测井和浅侧向测井,深侧向测井测出的视电阻率主要反映地层的原始电阻率,而浅侧向测井主要反映近井地带钻井液侵入带的电阻率。双侧向电阻率测井主要用于快速直观地判断油、水层。由于深侧向测井探测范围较广,深、浅侧向电阻率受井眼影响的程度比较接近,这样就可以利用深、浅侧向测井测出的视电阻率曲线幅度差直观地判断油、水层[17]。

1)出水层的深侧向电阻率一般小于100Ω·m。通过分析油田现场出水地层的双侧向电阻率测井资料,发现出水层的深侧向电阻率一般小于100 Ω·m(气层的深侧向电阻率一般大于100Ω·m,在130Ω·m以上;干层的深侧向电阻率一般大于400Ω·m),因此当地层的深侧向电阻率小于100 Ω·m时,即 RLLD<100Ω·m时,可以判断该地层为水层[18]。

2)出水层的双侧向电阻率差一般为零或负幅度差。相对于钻井液滤液而言,地层水矿化度一般较高,钻井液滤液电阻率偏高,形成增阻侵入,这时出水层段在双侧向电阻率上呈深浅曲线重叠(增阻性侵入不明显)或呈明显的负幅度差(明显增阻侵入),即出水层一般在 RLLD/RLLS=1.0以下区域(干层时双侧向电阻率比值一般为1)[19-20]。因此当地层时,判断该地层为水层。

由于地层受到钻井液侵入深度的影响,还不能仅依靠上述的两条标准来判断出水层,必须结合其他方法综合判断。

2.3 声波时差和深侧向电阻率之间的关系

2.3.1 纯砂岩地层

根据上面的分析,可以看出利用声波时差测井和双侧向电阻率测井资料虽然都可以判断出水层,但都存在准确度不高的问题,因此考虑把声波时差和双侧向电阻率结合起来判断水层。首先分析声波时差与深侧向电阻率的关系,对于纯砂岩地层,可利用式(7)计算孔隙度:

联立式(1)与式(9),可得声波时差与深侧向电阻率之间的关系:

当地层完全含水时,即Sw=1时,式(10)变为:

对于一口井或一个区域来说,式(11)中除深侧向电阻率以外,其他参数均可视为常数。从式(11)可以看出,声波时差与电阻率成反比,即电阻率变大,所对应的声波时差变小。通过式(11)还可以发现声波时差与深侧向电阻率之间存在一种相关关系。

2.3.2 非纯砂岩地层

对于非纯砂岩地层,将式(2)和式(8)联立,可以得到:

2.3.3 碳酸盐岩地层

对于碳酸盐岩地层,将式(3)和式(8)联立,可以得到:

分析式(12)和式(13),同样也可以发现声波时差与深侧向电阻率之间存在相关关系。

2.4 声电比值判断出水地层

根据对声波时差和双侧向电阻率测井的分析,考虑到利用声波时差和电阻率测井资料虽然都可以判断出水层位,但都存在准确度偏低的问题,而且声波时差更适合区分气层和油水层。因此,可以把声波时差转化为视电阻率,并与深侧向电阻率结合起来判断出水地层。

在相同条件下,声波时差变小,则声波时差转换所得的视电阻率变大;声波时差变大,则声波时差转化的视电阻率变小。因此,当地层为水层时,测量的声波时差减小,声波时差转换的视电阻率增大,就会出现声波时差转换的视电阻率大于测量的深侧向电阻率的情况[21]。

因此,建立判断水层的标准:当 RΔt>RLLD时,所对应的地层为水层[21]。由于电阻率均为正值,同时为了作图的方便,把地层为水层时的判断标准RΔt> R转化为,即判断水层的标准为。

LLD利用上述方法,绘制井深和的示意图,可以初步判断出水层。当时,地层可能为气层或干层。

3 声波时差和双侧向电阻率综合法

前面介绍的判断出水地层的3条标准分别是:

1)地层的深侧向电阻率一般小于100Ω·m;

2)地层的双侧向电阻率差一般为零或负幅度差;

分别应用上述3条标准判断水层,判断结果和现场实际都不太一致。因此,笔者综合应用3条标准判断水层,即:

笔者将这种判断水层的方法称为声波时差和双侧向电阻率综合法。

4 实例分析

根据声波时差和双侧向电阻率综合法的判断标准,对民参1井的声波时差和深侧向电阻率的测井数据进行回归分析,得到民参1井声波时差转化为电阻率的公式为:

根据式(14),将民参1井的声波时差转化为视电阻率,然后根据声波时差和双侧向电阻率综合法分别绘制井深-深侧向电阻率示意图、井深-双侧向电阻率比值示意图、井深-声电比值示意图来综合判断水层,其数据的部分处理结果如图1所示。

图1 民参1井的测井数据处理结果示意

分析图 1可以得到:3 846.6～3 848.6和4 012.2～4 015.2 m井段,同时满足,因此判断这两个井段为水层,其余井段为非水层。

表1为民参1井现场钻进中实际结果与判断结果的对比。

表1 民参1井现场钻进中的实际结果和判断结果

从表1可以看出,民参1井3 847.5～4 014.5 m井段的水层判断结果和现场钻进中的实际结果完全一致。

5 结 论

1)利用声波速度测井和双侧向电阻率测井资料,建立了声电综合判断出水层的方法。

2)实例验证表明,利用声电综合法判断出水地层可行,准确度较高。

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[审稿 孟英峰]

Formation Water Production Prediction Based on Well Logging Data

Jiang Hongwei1Zhou Yingcao1Cui Meng1,2Zhai Yinghu2Wang Kexiong2Zhao Qing1(1.Drilling Technology Research Institute,CN PC,Beijing,100195,China;2.College of Oil and Gas Engineering,China University ofPetroleum,Changping,Beijing,102249,China)

Air drilling can improve penetration rate and reduce well drilling period,while the primary challenge of air drilling is formation water production.It is difficult to identify formations water production using single well logging data.Therefore,it is necessary to develop a method to identify formation water production.The acoustoelectric method which uses wave slowness and dual laterolog(DLL)resistivity logging data to identify formation water production was developed.There are 3 criteria to determine formation water production,1)the ratio between apparent electrical resistivity transformed from wave slowness and deep laterolog(LLD)electrical resistivity is higher than 1.0,2)the electrical resistivity from LLD is less than100Ω·m,3)the difference between DLL is zero or negative.The formation is a water formation if it meets the above three criteria.The field application shows that this method is reliable.It is very important for the application of air drilling.

gas drilling;logging data;water layer;acoustic velocity;resistivity logging;Mincan 1 Well

book=2010,ebook=89

TE242.6

A

1001-0890(2010)02-0028-05

2009-03-24;改回日期:2010-01-19

蒋宏伟(1978—),男,河南鄢陵人,2001年毕业于江汉石油学院石油工程专业,2004年获得石油大学(北京)油气井工程专业硕士学位,2007年获得中国石油大学(北京)油气井工程专业博士学位,主要从事欠平衡钻井技术与应用方面的研究。

联系方式:(010)52781745,jianghwdri@cnpc.com.cn