苏里格气田双侧向电阻率负差异现象研究

王辉,史国发,林兵兵,宗飞,陈草棠,卢春利

(1.中国石油集团测井有限公司长庆分公司,陕西西安710201;2.中国石油集团测井有限公司大庆分公司,黑龙江大庆163412;3.中国石油集团测井有限公司技术中心,陕西西安710077)

0 引 言

中国石油集团测井有限公司生产的DLL6503(Dual Laterolog 6503)双侧向测井仪将电子仪内置于电极系内,使得仪器长度缩短近一半。与其他同系列仪器组合测井,缩减了仪器串的长度,减少对钻井口袋长度的要求,降低钻井成本,提高测井效率,在长庆油田苏里格气田中得到广泛的使用[1]。

DLL6503双侧向测井仪的浅侧向探测深度为0.7 m,主要测量冲洗带电阻率;深侧向探测深度为2.5 m,主要测量原状地层电阻率[2]。当钻井液电阻率小于原状地层电阻率时,渗透地层由于钻井液侵入,使得侵入带的电阻率小于原状地层电阻率,即浅侧向电阻率小于深侧向电阻率为正差异。在非渗透层的泥岩段,由于没有钻井液的侵入,浅侧向测得的也是原状地层电阻率,因此,浅侧向电阻率与深侧向电阻率的曲线重合。泥岩段出现浅侧向电阻率大于深侧向电阻率的现象为泥岩负差异[3]。苏里格气田某区块采用DLL6503测井仪测得的双侧向曲线出现泥岩负差异,造成现场测井资料无法验收和地质解释困难等问题,因此,有必要对此进行深入研究。

目前,关于负差异问题的研究,洪有密[4]认为,在现场采集得到的深、浅侧向电阻率曲线既可呈现正差异(深侧向电阻率>浅侧向电阻率),也可出现负差异(深侧向电阻率<浅侧向电阻率)。在现场资料初步验收时,需要综合仪器的工作状态、地层围岩、地层各向异性及钻井液侵入等因素,判断采集资料是否合适,一般测量曲线中如连续出现负差异,即深侧向电阻率与浅侧向电阻率的比值小于0.85,通常认为测井资料质量不合格[5]。

关于双侧向测井仪产生负差异的原因,李明等[6]认为可能与电极棒绝缘、围岩和地层各向异性有关。钮宏等[7]通过实验表明,高分辨率双侧向仪器在测井时,将电压测量参考点N电极设置于地面或井下,对浅侧向电阻率测值无明显影响,但采用井下N电极测井方式,将有可能引起深侧向电阻率测值变低、双轨甚至出现负差异的现象,特别是在高电阻率地层与低电阻率钻井液的测量井段,该现象较为明显。

1 苏里格气田负差异现象描述

DLL6503双侧向测井仪在苏里格气田某区块5口井中出现负差异现象,经过分析判断为泥岩段负差异,根据负差异段的连续性和长度分为大段负差异和薄层负差异。其中,大段负差异指连续10 m以上的负差异;薄层负差异指长度为2～3 m左右的负差异。

1.1 大段负差异现象描述

连续10 m以上的大段负差异在X1井最为典型,其存在于泥质含量较稳定的刘家沟组,以及目的层段石千峰组、石河子组,但该现象只出现在个别井位。X1井部分层段表现出大于30 m的大段负差异现象,该井2 780～2 820 m井段出现约40 m的大段负差异现象(见图1)。

图1 X1井大段负差异*非法定计量单位,1 b/eV=6.241 46×10-10 m2/J,下同

1.2 薄层负差异现象描述

相对于大段负差异,薄层负差异的负差异长度为2～3 m,如X2井石千峰组2 847～2 850 m井段(见图2)。由于该井使用盐水钻井液,用DLL6503双侧向仪器获取的测井资料无法解释泥岩处出现的薄层负差异现象。对X2井进行分析,出现负差异的低电阻率泥岩段周围电阻率具有典型的纵向电阻率“中—高—低—高—中”的特征,如图2中的③为低电阻率薄层泥岩,出现负差异;②、④为高电阻率层;①、⑤为中电阻率层。在不同井位、使用不同仪器,在满足该地层条件后均出现薄层负差异现象,可基本排除仪器故障和人为操作的因素。

2 原因分析及解决措施

2.1 分析原理与方法

针对双侧向电阻率负差异问题,建立DLL6503双侧向仪器测井方法的数值模拟模型。在二维轴对称情况下,采用柱坐标系,此时双侧向测井方法所计算的场可以简化为二维全非均匀介质模型[8]。采用二维有限元方法进行数值计算,具体算法见参考文献[9-10]。

二维有限元数值模拟方法已较成熟,本文采用有限元分析软件ANSYS进行计算。主要的节点自由度是标量电位,利用APDL编写程序,建模求解,采用APDL语言的优点是能够利用循环控制实现智能化分析,减少工作量[11]。具体仿真计算过程见参考文献[12]。

2.2 大段负差异

2.2.1大段负差异原因分析

DLL6503双侧向仪器由11个电极组成:位于中心的主电极A0,上下对称的2对监督电极M1、M1′和M2、M2′,2对屏蔽电极A1、A1′和A2、A2′,取样电极A1*、A1*′。其排列顺序以A0为中心,向上(或向下)依次为M1(M1′)、M2(M2′)、A1(A1′)、A1*(A1*′)、A2(A2′),电极系详细结构及尺寸详见参考文献[2]。参考N电极主要有地面N电极和井下N电极。采用井下N电极方式,主要为了避免地面大型供电设备的影响。井下N电极的结构为N电极位于主电极A0(发射电极)和深侧向接收电极B之间,而浅侧向的N电极位于主电极A0与接收电极A2之上。对于深侧向模式,N电极相对于B电极存在一定正电位,采用井下N电极时A电极的电位差(即电压)相对偏低,而电阻率正比于电压,即深侧向电阻率偏低,但浅侧向电阻率不变,故而出现负差异。因此,N电极位置可能是大段负差异的原因之一。

通过数值模拟将影响量化。量化的方式是对仪器在均匀介质中的电极系数K值差异进行模拟。模拟结果表明,使用井下N电极时,深侧向电极系数K比使用地面N电极时的电极系数K减少约5.5%,而浅侧向电极系数不变。由于视电阻率正比于电极系数K,故井下N电极的深侧向电阻率比地面N电极的深侧向电阻率减少约5.5%。

双侧向仪器老化会导致电极系内各电极间绝缘性变差、接触和导通电阻增大,也会导致大段负差异,其影响程度比N电极的影响更大。其中,各电极间标准绝缘电阻大于500 MΩ,接触和导通电阻小于0.3 Ω。

以X1井使用的DLL6503双侧向30号仪器为典型实例,其负差异部分层位可达20%,而目前最新的仪器已更新到100号以上,30号双侧向仪器已使用7年以上,A1与A2间绝缘电阻仅10 MΩ(仪器出厂值>500 MΩ),M2导通电阻达到1.5 Ω(仪器出厂值<0.3 Ω),电极系老化等问题对测量结果影响较大。

2.2.2大段负差异解决方法与结果

针对大段负差异现象,采取如下措施:①将井下N电极切换为地面N电极;②使用新仪器或将原旧仪器的电极系进行彻底检修升级,确保电极系绝缘和导通电阻符合标准。采取这2项措施后,在X3、X4和X5井的测井资料中,泥岩处都未出现大段负差异现象(见图3)。由图3中红色方框标出的层位可见,这3口井中连续10 m以上的大段泥岩处深、浅侧向电阻率重合较好,均未出现大段负差异;但其中薄层泥岩处还存在负差异,如X3井1 450.5～1 452.0 m井段和X4井1 449.0～1 450.5 m井段,这些井段对这2项措施不敏感。由此可见薄层泥岩处的负差异不是由于N电极和仪器电极系老化所致,另有其他原因,需其他解决方法。

对后续十几口井的测井资料进行跟踪,未发现有大段泥岩负差异现象出现,现场作业队和地质解释人员也均未再反映大段负差异问题,由此确定大段负差异现象已经得到解决。

图3 X3、X4和X5井双侧向曲线

2.3 薄层负差异

在解决大段负差异问题的基础上,明确薄层负差异出现的层组,通过数值仿真确定问题产生的原因,提出解决方案。

2.3.1薄层负差异原因分析

建立具有薄层负差异特征的纵向电阻率“中—高—低—高—中”5层地层模型,与图2的①、②、③、④、⑤地层相对应。这5层地层电阻率和厚度分别设为: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双侧向测井仪电极系结构见图4,以A0为中心,上下对称。从A0向仪器上部,各电极环与绝缘套厚度依次:A0为22.8 cm,绝缘套1为12.8 cm;M1为2.5 cm,绝缘套2为12.8 cm;M2为2.5 cm,绝缘套3为20.3 cm;A1为36 cm,绝缘套4为0.7 cm;A1*为1.2 cm,绝缘套5为77.5 cm。其中绝缘套1至5为各电极之间的绝缘部分。

具体建模原理与方法见2.1。通过数值模拟发现,纵向电阻率符合“中—高—低—高—中”的特殊地层条件后,中间低电阻率段会出现薄层负差异的现象。

这种薄层负差异现象与深、浅侧向测量模式的探测区域有关。图4为DLL6503双侧向测井仪探测区域示意图,其中红色代表浅侧向模式,黄色代表深侧向模式,上、下A2电极内端面间距3.4 m,上、下A2电极外端面间距9.4 m。出现低电阻率段负差异的现象时,低电阻率段位于上、下A2电极内端面间距内,高电阻率段位于上、下A2电极周围,中电阻率段位于上、下A2外端面以外。

图4 DLL6503双侧向探测区域示意图

根据电极系设计尺寸和结构,结合图2中的地层模型,在简化后的物理模型中,探测低电阻率薄层③时,受上、下的中、高电阻率围岩影响

Ra=J1×Rt1+J1×Rt5+J2×Rt2+

J2×Rt4+J3×Rt3

式中,Ra为双侧向测得的地层③的视电阻率,Ω·m;Rt1～Rt5为地层①～⑤的电阻率,Ω·m;J1、J2、J3为不同纵向区域对测量信号的权重系数,由于深、浅侧向模式纵向探测区域不同,则深、浅侧向的权重系数不同。模拟结果表明,浅侧向比深侧向中J2更大,而J2为Rt2和Rt4的高电阻率层,故造成浅侧向测值较深侧向测值高,即产生负差异。

2.3.2薄层负差异解决措施

基于上述认识,提出拟解决方案为更改电极系结构,改变深、浅侧向模式探测区域。将原对称双侧向下部的A1*′电极与A2′电极间的距离缩短一半,使其与上部电极非对称,通过二维有限元的方法进行数值模拟研究。

图5 非对称双侧向和对称双侧向数值模拟结果

非对称双侧向和对称双侧向数值模拟结果见图5。在相同的纵向电阻率“中—高—低—高—中”5层特殊模型下仿真结果显示,8～10 m处原来对称双侧向出现低电阻率负差异的层位,在非对称双侧向上已经基本重合,在上、下高电阻率段出现正差异。由于该模型中泥岩薄层上、下的相邻层位为高电阻率层,而高电阻率层通常是砂岩等渗透性地层,该地层出现正差异,符合双侧向的测井原理,再结合其他测井曲线进行综合分析,可得到合理的地质解释。

基于数值模拟的研究结果,对原DLL6503双侧向仪器的电极系结构进行改进。将A1*′电极与A2′电极间的绝缘套去掉,A1*′电极与A2′电极间的距离缩短为原来的一半,上部各电极不做任何改变,从而使上、下电极非对称,与模拟试验中的模型保持一致。

2.3.3薄层负差异解决结果

将改进后的非对称双侧向仪器与原对称双侧向仪器进行对比试验。在X6井,完成了对称和非对称2种双侧向仪器的测井对比试验,在电阻率具有“中—高—低—高—中”5层特殊地层条件下的低电阻率薄层,原对称双侧向出现薄层负差异,而改进后的非对称双侧向的深、浅侧向电阻率曲线重合(见图6)。图6中2 954～2 955 m和2 960～2 962 m井段的低电阻率薄层处的负差异已明显消除,深、浅侧向电阻率曲线完全重合,薄层负差异问题得到较好的解决。在消除薄层负差异的同时,在相邻的高电阻率层出现正差异,实际测井结果与模拟研究一致,试验效果符合预期。

图6 X6井双侧向曲线对比图

深入分析出现的正差异,该正差异大多出现在高电阻率层。图6中2 962～2 970 m井段高电阻率层出现正差异,从双侧向测井原理推断该正差异可能为砂岩等高电阻率渗透性地层的侵入所致,而伽马曲线显示该层为大段砂岩,与双侧向电阻率曲线的正差异相互印证。但2 948 m～2 951 m井段处双侧向电阻率曲线出现正差异,伽马曲线显示泥岩,二者不符,注意到该段井径曲线中的X井径值与Y井径值与其他井段比相差较大,说明该处存在扩井和椭圆形井眼等井眼不规则情况,双侧向仪器可能处于严重偏心状态,而常规的双侧向井眼校正方法无法对这种复杂井眼进行校正[13],推测该处的双侧向曲线已失真,所显示的正差异无参考意义。

综上所述,薄层泥岩处双侧向的深、浅侧向电阻率曲线完全重合,与泥岩的非渗透性及双侧向的测井原理完全相符,可得到合理的地质解释,因此,负差异问题在薄层泥岩处也得以解决。在苏里格气田后续的测井作业中,使用改进后的非对称双侧向仪器所测资料均未再出现薄层负差异现象,现场资料验收合格,地质解释合理,该方法较好地解决了薄层负差异问题。

3 结 论

(1)苏里格气田某区块部分井段DLL6503双侧向电阻率曲线表现出深侧向电阻率低于浅侧向电阻率的负差异现象,可根据负差异的厚度划分为大段负差异和薄层负差异,其现象与原因各不相同。

(2)对于大段负差异现象,通过对仪器的使用情况和模拟量化分析,找出了大段负差异出现的原因为N电极位置、仪器老化、电极系绝缘电阻等因素,通过改变N电极位置、更换新仪器和对旧电极系进行绝缘处理等措施后,大段负差异现象得到解决。

(3)对于薄层负差异,采用有限元数值模拟等方法进行量化分析,确定该现象产生的原因为电极系结构,对电极系结构进行改进后,模拟结果中负差异得以消除。将改进后的非对称双侧向仪器与改进前的对称双侧向仪器进行下井试验对比,试验结果与数值模拟结果相符,在电阻率为“中—高—低—高—中”5层组合地层条件下,薄层负差异被较好地消除,相邻高电阻率层出现正差异,再结合其他测井曲线可以得到合理的地质解释,较好地解决了薄层负差异问题。

(4)根据对大段负差异和薄层负差异分析出的不同原因,分别采取相应的解决措施,经下井验证,两种负差异现象消失,解决了现场测井资料出现负差异时无法验收和地质无法解释的难题。