库车超深气井油基泥浆条件下电成像测井对比研究*

范文同,蔡德洋，刘冬妮，朱 雷，陈 飞，陈 胜，赵 猛，魏 波

(1.中国石油塔里木油田分公司油气工程研究院 新疆 库尔勒 841000； 2.中国石油塔里木油田分公司勘探开发研究院 新疆 库尔勒 841000； 3.斯伦贝谢中国公司数据处理解释部 北京 100016)

0 引 言

塔里木地区库车前陆盆地山前构造异常，目的层上部盐膏层、高压盐水层发育，钻井液密度窗口较窄，需要采用抗高温高盐高密度的钻井液技术。油基泥浆具有良好的综合性能，能有效解决复杂深井的安全钻井与地层复杂之间的矛盾，实现超深油气资源高效勘探和开发。油基泥浆的规模化应用，给测井技术带来巨大挑战，原有水基泥浆条件适用的电成像测井，如FMI、EMI、STAR等仪器已不再适用，新兴的油基泥浆电成像测井应用效果难以与原有水基泥浆电成像效果媲美，更不能量化计算裂缝参数，这使得测井储层评价成为难题。为了实现储层综合评价，塔里木油田引进多种油基泥浆电成像测井仪器进行了测试应用，对几种油基泥浆电成像测井仪器的应用效果进行对比研究，明确了其各自的优势和特点。

1 仪器结构及原理概述

泥浆技术的更新迫使测井系列进行优化，油基泥浆产生的非导电井眼环境使常规电阻率成像测井仪无法使用，而新型的油基泥浆电成像测井仪也由此得以发展。目前在国内外开始使用的主要有几家大型油田服务公司的High-Definition FMI、Oil-Base Micro Imager、Earth Imager、Oil Mud Reservoir Imager几种仪器，下面介绍各自仪器的结构及测量原理。

1.1 FMI-HD仪器结构及原理

FMI-HD(High-Definition)与FMI仪器结构相同，拥有四臂，4个主极板，4个副极板，主、副极板上各有24个电极，共192个测量电极。测量到的电流包含两部分：一是随纽扣电极正对地层电阻率变化的高分辨率部分；二是随上、下电极间地层电阻率变化的低分辨率部分，如图1所示。井壁微电阻率图像实际是纽扣电极测量得到的电流图像，其中高分辨率电流部分与岩石的微电阻率变化相关，而图像可以反映出岩石结构和各类地质特征，从而进行岩性识别、粒度-分选-磨圆分析、沉积微相识别、裂缝分析、地应力方向分析、溶蚀结构分析和薄互层分析等。

图1 FMI-HD仪器结构及测量原理示意图

与FMI不同的是，该仪器采用全新的电子线路拓宽了适用的泥浆电阻率范围，采用增强的并行信号处理和高分辨率数模信号转换技术提高了信噪比，从而使它在盐水泥浆、油基泥浆和高阻地层中，都可以采集到比FMI更清晰的图像[1，2]。

1.2 OBMI仪器结构及原理

Oil-Based Mud Imager(简称OBMI)由4个极板40对测量电极组成。在每个成像极板上，交流电流从上下两个供电电极之间发射进入地层，在两个供电电极之间上下排列五对纽扣测量电极。纽扣电极用于测量上下纽扣电极间地层的电位差V，结合交流电流I和仪器几何因子k，利用欧姆定律：

Rxo=k(V/I)

(1)

即可计算导出冲洗带电阻率，综合所有测量电极的数据，就得到了OBMI仪器测量的井壁图像。OBMI仪器结构及测量原理如图2所示。由于仪器尺寸较小且测量电极数量较少，该仪器的井眼覆盖率不高，8 in(1 in=25.4 mm)井眼覆盖率为32%，为了提高井眼覆盖率，可以两支OBMI仪器进行串连测量[3-5]。

图2 OBMI仪器结构及测量原理

1.3 Earth Imager仪器结构及原理

Earth Imager(简称EI)仪器是基于油基泥浆测量环境而设计，共有6个测量极板，每个极板有8个条形接收电极。测量过程中，井壁与极板之间因油基泥浆和泥饼的存在，通常会形成一种不导电的介质，可以认为极板与地层形成了生成一定容抗的电容。采用交变电流能够将电容击穿，在极板与地层之间形成导电回路[6]，如图3所示。根据欧姆定律，电压和电流之间存在如下关系式：

图3 EI仪器结构及原理

(2)

式中：V为测量电压；I为测量电流；R为电阻；Xc为容抗；k为系数；f为频率；C为电容。

当交变电流达到一定的频率时，极板与地层之间形成电容容抗可以忽略不计。因此，电阻率与测量电压和测量电流之间的关系可以简写为：

R=k×V/I

(3)

由此可以得到地层电阻率和井壁成像数据。

1.4 OMRI仪器结构及原理

OMRI(Oil Mud Reservoir Imager)仪器有6个独立推靠测量极板，每个极板上有6对测量电极。与EI仪器不同，在测量过程中，该仪器将泥饼视为一个电阻和电容的耦合体；与EI仪器相同之处，二者均采用高频交流测量电流，将泥饼阻抗屏蔽，测量到地层电阻率。除此之外，OMRI的6个极板还采用不同的电流频率，以此来消除不同极板间测量电流的影响，使测量得到的数据更能反映地层真实特征[7]，如图4所示。

2 不同仪器性能参数对比

为研究各自仪器应用效果，在此对比各自的仪器性能。除FMI-HD同时适用于水基和油基泥浆外，其它三支仪器都只用于油基泥浆井况。四支仪器的耐温性能相当，耐压均在138 MPa以上，可以满足绝大部分井的测量。分辨率对比，FMI-HD和EI仪器要优于OBMI和OMRI仪器。井眼覆盖率方面，在8 in井眼情况下，FMI-HD仪器覆盖率最大，达到了80%，依次为EI、OMRI、OBMI，分别为63%、55%、32%。值得注意的是，OBMI仪器两支串联测量井眼覆盖率可以达到64%，但若仪器测量期间旋转过快，就会出现重复测量的现象，实际测量的井眼覆盖率也会稍有降低。各仪器的适用井眼尺寸及相关其它参数见表1。

图4 OMRI仪器结构及原理

3 油基泥浆对电成像测井的影响

油基泥浆条件下，微电阻率极板与井壁之间存在一层由油基泥浆生成的高阻泥饼，这使极板不能直接接触地层而不能成像。塔里木油田对某井进行试验性测量，研究泥浆类型对成像测井的影响。实验井采用油基泥浆钻井，后续用水基泥浆替换。

表1 油基泥浆电成像仪器参数

注：@8 in表示在8英寸管径中的工作状态

对比二者识别的裂缝数据发现：在初始油基泥浆条件下，测量数据的良好的255 m井段内，共拾取天然裂缝35条，其中电阻缝(颜色较亮色的裂缝)18条，电导缝(颜色较暗的裂缝)17条；水基泥浆条件下的同样测量井段，共拾取裂缝91条，均为电导缝，油基泥浆条件下裂缝识别数量只占到水基泥浆条件下的38%。由此可见，泥浆条件的改变对电成像的识别能力影响很大，如图5所示。

由于电阻率不同，裂缝充填不同的泥浆滤液，电成像得到的裂缝图像也会有所不同。在油基条件下，由于高阻泥浆充填，较为明亮的高阻缝，而在水基泥浆时又显示为较为暗淡的高导缝，通过前后对比可以判定该裂缝为张开缝。而在6 777 m井段以上的两条裂缝，在油基条件下，只能粗略看出有裂缝发育，且为颜色暗淡的高导缝；水基泥浆条件下，显示为高导缝，由此判定该两条裂缝为泥质充填缝。充填油基泥浆的张开缝的图像显示特征与方解石等高阻矿物充填特征相似，裂缝是否有效难以判别。由于油基泥浆侵入地层，改变了井壁附近地层电阻率，原有的通过浅电阻率刻度电阻率成像测井计算天然裂缝参数的方法不再适用，油基泥浆条件下的成像裂缝有效性判别更加困难。

图5 油基泥浆条件(左)与水基泥浆条件(右)FMI-HD成像效果对比

4 油基泥浆电成像仪应用效果分析

通过试验井不同泥浆工况下成像图像对比表明，油基泥浆条件下的电成像图像对储层地质特征的表述能力较差，为了更为有效的描述储层，在不同的井进行了不同电成像测井仪器的对比测量，以对比几支仪器的测量效果。

4.1 OBMI应用效果分析

该仪器现场应用一般采用2支串联测量，正常情况下井眼覆盖率可以提高一倍，达到64%(8 in井眼)。仪器每个极板上都有五个纽扣电极对，可以测量处5个图像像素。测量纽扣间距即为图像像素大小，该仪器像素尺寸为1 cm2；仪器的纵向分辨率为30 mm，可以测量薄岩层的厚度，但受围岩影响，其薄层图像会产生畸变，对薄层定量分析有一定误差。通过多井的应用对比研究，发现OBMI仪器对高角度裂缝不敏感，对地层层理特征很敏感。OBMI仪器在用于沉积构造分析和地层倾角和构造解释方面效果良好；但是由于其图像覆盖率、分辨率比FMI-HD低，对裂缝的识别能力较差，无法判断裂缝是否有效，因此在储层特征及裂缝识别方面，该仪器优势不明显。如图6所示为一口油基泥浆试验井，对比FMI-HD与OBMI采集图像可以看出：OBMI识别层理方面更为突出，薄层、纹层等沉积特征都能识别，在同一层段，FMI-HD很容易识别的井眼崩落特征OBMI却难以识别。

4.2 EI应用效果分析

通过多井测量发现，EI仪器兼具了裂缝特征和沉积构造特征识别能力，整体效果良好，可以进行裂缝识别和沉积相特征解释等相关研究工作。但在井眼环境差，裂缝张开度小的地层，电阻率对比度低的环境下，成像效果一般，成像分辨率降低，对裂缝的识别存在一定困难。下图是EI和FMI-HD同一井段图像对比：地质特征方面，EI图像提供的信息要比后者丰富，地层产状、层理界面等地质特征更为清晰，这是仪器原理的体现；裂缝识别方面，二者识别的裂缝数量基本相同，但FMI-HD识别的裂缝边界清晰，而EI识别的裂缝则先模糊，这与仪器的测量精度密切相关，如图7所示。

图6 FMI-HD(左)与OBMI(右)成像效果对比

图7 EI(左)与FMI-HD(右)成像效果对比

4.3 OMRI应用效果分析

OMRI仪器由于分辨率较低，在储层裂缝识别方面优势不明显，但其获取沉积构造等地质特征能力与OBMI基本相当。在油田一口测试井的同一井段，两支仪器识别沉积特征基本一致，均可用于对于沉积相、井旁构造等方面的地质研究，如图8所示。

图8 OBMI(左)与OMRI(右)成像效果对比

5 结 论

1)油基泥浆条件下，原有的水基泥浆电成像测井仪器不再适用；而油基泥浆电成像仪器受高阻环境影响，表述地质构造和储层特征能力降低，同时水基泥浆条件下通过电成像数据定量计算裂缝参数的方法不再适用。

2)对比几种油基泥浆电成像测井仪器发现：FMI-HD能够识别规模较大的裂缝，但沉积构造描述能力较差； OBMI较难识别裂缝，但可以进行沉积相及井旁构造研究；EI可用于沉积构造解释和裂缝识别，但也只能识别规模较大的裂缝；OMRI识别裂缝能力较差，但可用于沉积构造分析；结合仪器参数和对比效果，可针对需求选择性应用。

3)结合常规测井曲线及地质资料，油基泥浆电成像资料可以定性描述岩性、地质构造、裂缝发育情况等重要储层特征，实现储层的综合评价。