高频等参数感应测井的井洞、井眼和侵入影响分析

仵 杰 靳 凡 孙 永 解茜草 李 强 张妙瑜

(西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室 陕西西安)

高频等参数感应测井的井洞、井眼和侵入影响分析

仵 杰 靳 凡 孙 永 解茜草 李 强 张妙瑜

(西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室 陕西西安)

针对高频等参数感应测井仪,分别计算分析了井洞、井眼和侵入对其测井响应的影响,发现这些影响与传统感应和阵列感应测井不一样。文章计算给出了各种参数的影响特性,利用相位几何因子理论解释了井洞影响造成的测井曲线上冲和下冲异常现象利用实际测井曲线的井洞影响分析验证了井洞影响数值模拟的正确性。这些结果有助于高频等参数感应测井数据的解释。

高频等参数感应测井;井洞;井眼;侵入影响

0 引 言

高频等参数感应测井仪器(VIKIZ)是俄罗斯的多探测深度电阻率测量仪器[1]。仪器设计思想不同于以几何因子理论为基础的传统感应和阵列感应测井仪器,而是以波动理论为基础,测量两个接收线圈之间的相位差,然后再刻度为地层电阻率。测量结果不用进行趋肤效应、围岩效应和井眼影响校正,直接用于油气评价,对现场测井解释非常方便。VIKIZ与传统双感应相比具有分层能力强,径向探测曲线多,可以识别地电阻率环带油气层等优点[2、3]。自2000年在胜利油田测试并进口第一支VIKIZ至今,中海油服、大庆油田和威尔罗根公司相继引进了该仪器。但是在不规则井眼中,发现井眼突变、有井洞时,5条探测深度曲线出现异常尖峰;在低阻泥浆大井眼中,即使是泥岩层,5条探测深度曲线仍然分离。本文将研究高频等参数测井的井洞影响特征,同时分析井眼和侵入对VIKIZ测井响应的影响。

1 VIKIZ的测量原理及井洞模型

高频等参数感应测井仪器VIKIZ的线圈系结构由5个发射线圈(T1～T5)和6个接收线圈(R1～R6)组成。当T1发射时,R1和R2接收,构成子阵列1;T2发射时,R2和R3接收,构成子阵列2,以此类推,共有5个3线圈系子阵列。每个子阵列对应一种工作频率,在保证距离差与间距比和频率开方与距离积均为常数的条件下,5个子阵列的频率从1到5分别为14 MHz、7MHz、3.5MHz、1.75MHz 和 0.875MHz。测量两个接收线圈感应电压的相位差,通过均质地层刻度表,将相位差转换为视电阻率,一共有5条测量曲线。

假设井洞是旋转对称的,图1是多个井洞模型,由井眼、井洞和地层组成。参数σm、σt、rh、rc和 hc分别是井眼泥浆电导率、地层电导率、井眼半径、井洞的径向深度和纵向宽度。当VIKIZ仪器沿井眼移动通过井洞时,第个子阵列的测量信号(相位差)与模型参数的关系可用函数表示为

图1 井洞模型

式(1)表明,当仪器参数给定时,影响测量响应的参数分别是σm、rh、σt及井洞几何参数rc和hc。

一般情况下,井洞影响除以上参数外,还与子阵列的发射与主接收线圈间距、两个接收线圈之间的距离和工作频率等因素有关。以下将通过模式匹配数值计算方法计算分析井洞几何参数、泥浆和地层电导率变化时对各子阵列的影响,用相位几何因子特性解释井洞导致异常的原因,然后再分析井眼影响和侵入影响。

2 井洞影响分析

计算了6种纵向宽度 hc,分别为0.3m、0.6m、1.0m、1.5m、2.0m和3.0m,为消除相互影响,取相邻井洞间距为10.0m。7种泥浆电导率(0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 和 8.0S/m),地层电导率为 0.018S/m(56Ω·m),井眼半径为0.136m。图2给出了井洞半径分别为0.15m、纵向宽度 hc分别为0.6m、1.0 m、1.5m和3.0m时的相位差曲线。

通过均匀地层中事先计算好的相位差与地层电阻率关系,即均质地层刻度表,可以转换为电阻率曲线。由于相位差曲线直接反应仪器特性,以下的分析中均指相位差曲线。

图2 子阵列1的相位几何因子

1)井洞纵向宽度的影响

当井洞纵向宽度小于等于0.6m时,各阵列曲线表现为,从左到右,曲线上冲和下冲的尖峰。当井洞纵向宽度大于1.0m时,子阵列1左边边界出现上冲的尖峰,中间有一平台,表现假“层”特征,右边边界是下冲的尖峰。随子阵列间距增加,峰值减小。这种井洞边界出现尖峰现象与子阵列的主接收间距(源距)和两个接收线圈之间的距离密切相关。当源距小于井洞的纵向宽度时,相位差曲线就会出现上下冲的尖峰,当源距大于井洞纵向宽度时,在井洞的两边出现尖峰,中间为井洞影响导致的假层。

2)井洞半径变化的影响

同一种泥浆电导率,当井洞半径由0.15m变大到0.2m时,如果井洞纵向宽度小于0.6m,子阵列1最高峰值变大,随子阵列间距增大变化减小。如果井洞纵向宽度小于1.0m,子阵列1左右边界的尖峰相对中间变小,中间假“层”明显,即井洞影响随着井洞半径的增大而增大。

3)泥浆电导率的影响

同一种井洞,如,hc=1.5m,rh=0.15m,泥浆电导率由小到大变化,相位差曲线的上下冲现象越来越大严重。当泥浆电导率为5.0S/m时,下冲出现负值,假层的现象变得复杂,短子阵列最明显。

4)井洞影响的原因分析

阵列感应测井的井洞影响可以用感应测井几何因子理论解释[5]。对于电磁波测井,有幅度和相位几何因子[6],VIKIZ仪器的工作频率与电磁波测井的频率接近,可用相位几何因子分析VIKIZ的井洞影响。图3给出了子阵列1的二维几何因子。

图3 井洞半径为0.15m时的相位曲线

从图3知:几何因子清楚描述井眼周围地层对相位的影响情况,负值说明对相位差影响是负贡献。当正负峰完全在井眼中时,正负值相互抵消,不会产生异常现象。当井洞径向半径小于子阵列的负值半径,井洞纵向宽度大于负值纵向范围2倍时,仪器从左向右移动,正峰先进入井洞,相位突然增大。当正峰离开井洞,负峰进入井洞时,正负信息相加,负大于正,结果为负,出现下冲尖峰。当井洞纵向宽度大于仪器主接收间距时,正负峰完全进入井洞,贡献为正,表现为假“层”现象。这就是短子阵列的响应表现为假层以及边界出现上下冲的原因。沿井轴方向异常出现位置与井洞纵向宽度有关。当几何因子落到井洞的面积较小时,井洞影响小,可忽略不计。当面该积较大时,井洞影响严重,产生异常响应。

3 井眼影响

图3的厚层同时显示了井眼影响,随井眼泥浆电导率增大,相位差并没有增大,而是减小,尤其是子阵列1;泥浆电导率小于2S/m时,3条曲线之间为负差异特征,5.0S/m时变为正差异。这种特征与阵列感应的井眼影响不一样,与均匀地层和直观的想法不一致。我们计算了井径、泥浆电导率和地层电导率变化时的响应,分析井眼影响特点。井径为6in(1=25.4 mm)、8in、10in、12in,泥浆电导率为 0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0S/m,地层电导率为 0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0S/m。

图4是井径为12in,固定地层电导率,泥浆电导率变化时的井眼响应曲线,从图知,当地层电导率=0.01S/m,泥浆电导率由小到大变化时,子阵列1有峰和谷。峰值附近(σm<2.5S/m),5条曲线是负差异特征。谷附近(σm>4S/m),5条曲线是正差异特征。当σt=1.0S/m时,子阵列1和2均为单峰,在峰值附近,5条曲线是负差异特征。

图4 井径=12in不同地层电导率的相位差曲线

解释:在均匀地层中,远接收线圈R2的相位角大于近接收线圈R1的相位角θ1,相位差θ2-θ1>0。具有一定的井眼大小时,θ2反映地层电导率,θ1反映井眼泥浆电导率。当泥浆电导率逐渐增大时,θ1也逐渐变大,而θ2变化较小,在某个泥浆电导率,必定出现θ2-θ1<0,这就是图4中5条探测深度曲线随泥浆电导率变化从正差异变为负差异的原因。同理可以解释图2(b)中子阵列1的相位差出现小于子阵列2的现象。

对于小于10in的井眼或者井眼泥浆电导率小于0.5S/m时,井眼泥浆电导率对子阵列1有一点影响,其它子阵列的影响可以忽略,因此在常规8in井眼或泥浆电导率小于0.5S/m时,测井响应的井眼影响很小。

4 侵入影响

考察存在泥浆侵入对测井响应的影响特征对利用不同探测深度曲线之间的关系进行油气评价具有十分重要的意义。取具有井眼、侵入和原状地层的径向三层模型,不考虑围岩的影响。计算地层电导率和侵入深度变化时的相位差,分析其响应特点。

1)地层电导率变化对相位的影响

图5 地层电导率变化时的相位曲线

井径为10in,泥浆电导率为3.33S/m,侵入电导率为0.2S/m,侵入深度为0.5m,地层电导率为0.01、0.02、0.05、0.1、0.5、1.0S/m,计算出的相位差随地层电导率的变化关系如图5所示。当地层电导率小于侵入电导率(0.2S/m)时,相位差曲线是负差异特征,除子阵列1和2,其余子阵列之间的分离程度变小。地层电导率大于侵入电导率时,子阵列2、3、4和5之间是正差异特征,且分离较大,但是子阵列1却大于子阵列2,表现出存在低阻环带的假象,这是测井解释中用低阻环带识别油层必须注意的问题。

2)侵入深度变化对相位的影响

低侵模型:井径为10in,泥浆电导率为3.33S/m,侵入带电导率为0.2S/m,地层电导率为0.01S/m,侵入半径为0.2m～2.5m,计算结果如图6(a)所示。侵入半径小于0.75m,5个子阵列曲线是负差异特征;大于1.75m,5个子阵列均反应侵入带电导率。

高侵模型:井径为10in,泥浆电导率为3.33S/m,侵入带电导率为0.1S/m,地层电导率为1S/m,侵入半径为0.2m～2.0m,计算结果如图6(b)所示。侵入半径小于0.75m,4个子阵列曲线是正差异特征,子阵列1与2相差很小;大于1.25m,5个子阵列均反应侵入带电导率。

图6 侵入深度变化时的相位曲线

图6 说明VIKIZ利用5条不同探测深度曲线之间的分离识别油气有一定的适应条件。对于图6对应的模型,适应条件为侵入半径小于0.75m,且低侵比高侵好。高侵时,要注意子阵列1的异常。

5 具体实例分析

图7是井洞影响实例图,图7(a)和图7(b)是某口井的一段井径和实际测井相位差曲线(相位差大表示电阻率低),井眼泥浆电阻率为0.3(电导率3.33S/m)。由图7(a)可以看出,井径曲线在x22m-x23m和x28m-x30m两处存在不同大小的井洞,井径一般在0.26m左右,最大值达到0.5m。从图7(b)知:1)井洞影响使相位差曲线出现下冲和上冲,与相位差的井洞影响相对应;2)在无井洞处,子阵列1与2接近,子阵列2与3和分离明显,与井眼影响模拟结果一致;子阵列4和5基本重合,说明子阵列5读到地层真电阻率;3)与侵入影响分析比较,侵入半径小于0.4m。

图7 井洞影响实例

6 结 论

高频等参数5探测深度测井仪器VIKIZ受井洞、井眼和侵入影响具有一下特点:

1)井洞影响使5条电阻率测井曲线在井洞边界出现下冲和上冲现象,数值大小与井洞尺寸、泥浆和地层电阻率、子阵列的主接收间距以及两接收间距有关,当井洞宽度大于仪器主接收间距时,出现假层现象。

2)高频等参数的5条测井响应曲线中,只有子阵列1受井眼影响明显。随泥浆电导率增大,子阵列的相位差可能增大,也可能减小,甚至出现负值,具体由井径、泥浆与地层电导率比值决定。

3)当泥浆侵入半径小于0.75m,可以用高频等参数的子阵列2、3、4和5四条曲线间的分离程度识别油气水特征。子阵列1受侵入的影响,可能接近甚至大于子阵列2的电阻率。

以上研究结论已用于实际测井数据解释。

[1] Novosibirsk.VIKIZmethodforoilandgasboreholes[M].Branch“Geo”ofthePublishingHouseoftheSBRAS,2002,112

[2] 刑光龙,王现银,刘曼芬.高频等参数感应测井的探测特性分析[J].测井技术,2003,27(3)

[3] 丁 柱,张金莉,童茂松.高频等参数感应测井的探测特性分析[J].工程地球物理学报,2006,3(2)

[4] 仵 杰,庞巨丰,徐景硕.感应测井几何因子理论及其应用研究[J].测井技术,2001,25(6)

[5] ZhouQ,HillikerD.J.Norwood.GeometricFactorand AdaptiveDeconvolutionofMWD-PWRTOOLS[J].The LogAnalyst,1992

[6] 刘智涌.相位感应测井仪器设计及其信号处理研究[D].成都:电子科技大学,2003

P631.8+11

B

1004-9134(2010)02-0047-05

2009-07-24 编辑:高红霞)

仵 杰,男,1965年生,教授,博士,现在西安石油大学主要从事电磁测井理论、数值模拟和阵列感应信号处理方面的研究。邮编:710065