三维感应测井电阻率各向异性在储层流体识别中的应用

赵毅,章海宁,朱涵斌,李戈理,白彦,董元媛

(1.中国石油集团测井有限公司地质研究院,陕西西安710077;2.中国石油天然气集团有限公司测井重点实验室,陕西西安710077;3.中国石油集团测井有限公司测井技术研究院,陕西西安710077;4.中国石油天然气集团有限公司测井技术试验基地,陕西西安710077)

0 引 言

各向异性是指物质的全部或部分化学、物理等性质随着方向的改变而有所变化,在不同的方向上呈现出差异的性质[1-2],各向异性是地层常见的性质。电阻率各向异性主要指电阻率在地下介质中各个方向上的不同,电阻率各向异性由电阻率各向异性系数(Anisotropy of Electrical Resistivity,AER)量化表征。电阻率各向异性系数是指垂直于地层方向测得的电阻率与平行于地层方向测得的电阻率比值的平方根,它的值常在1与2之间。

当前研究成果表明[3-6],造成地层电阻率各向异性的主要因素:①砂泥岩交互层、裂缝型地层,由于其独特的地层结构以及不同岩性电阻率的较大差异使得该类储层在宏观特性上表现出较强的各向异性;②储层中流体影响,尤其是混相流体作为储层内导电路径时,在不同方向电场条件下呈现较强的电阻率各向异性。由于前期缺乏可直接计算地层电阻率各向异性系数的测井资料,电阻率各向异性系数在储层流体识别方面的研究相对较少。

三维感应测井仪器能同时测量出地层垂直、水平方向电阻率[7],能直接计算地层电阻率各向异性系数,为识别储层流体性质提供了一种新方法。本文通过分析三维感应电阻率测井仪器在砂泥岩类储层中实测电阻率响应特点,采用水平电阻率、垂直电阻率测井值计算电阻率各向异性系数,结合其他常规测井曲线识别储层流体性质,经过试油验证,本方法取得了较好的应用效果。

1 电阻率各向异性影响因素分析

1.1 岩性影响因素分析

1.1.1物理模型分析

前人研究表明,在薄互层发育的层状岩石中,由于岩石内部颗粒结构、泥质和砂质组分的电性差异、层理特征等造成其电学、力学和渗流特征在平行层理方向和垂直层理方向存在明显差异,即表现为各向异性[8-9]。平行于层理的真电阻率与垂直于层理的真电阻率存在较大差异,这是由两种方向导电路径不同、对应的电阻物理模型不同导致。假设岩石只有砂岩与泥岩以薄互层的形式组合,测量电阻率时存在着图1所示的物理模型场景,该场景中包含水平方向(蓝色)与垂直方向两种电阻率(红色)。

图1场景中,水平电阻率对应并联电阻等效电路,垂直电阻率对应串联电阻等效电路。在该物理模型下,对应的电阻值计算如式(1)、式(2)[10]所示。

(1)

Rv=Vsand×Rsand+Vshale×Rshale

(2)

式中,Rh为水平电阻率,Ω·m;Rv为垂直电阻率,Ω·m;Rsand为砂岩电阻率,Ω·m;Rshale为泥岩电阻率,Ω·m;Vsand为纯砂岩体积含量,小数;Vshale为纯泥岩体积含量,小数。

假设薄互层模型中泥岩电阻率均为1 Ω·m,砂岩电阻率分别为10 Ω·m和100 Ω·m时,代入式(1)、式(2)求得两种测量模式对应的电阻率值(见表1)。从表1可以看出,随着砂岩成分增加,水平电阻率只是略微增大,但垂直电阻率明显增大。由于水平电阻率与垂直电阻率对应不同的电路模型,垂直电阻率更能反映高电阻率成分,对于砂泥薄互层,垂直电阻率值能更好地反映砂岩层的电阻率响应特征。物理模拟结果表明,在砂泥薄互层中随着砂岩成分增加,水平与垂直电阻率存在较明显差异,其他碎屑岩储层岩性类推此结论。

1.1.2实验样品分析

对5口取心井的19块(长宽高均为3 cm的方块)岩样进行电阻率各向异性测试。其中页岩12块、泥质粉砂岩3块、含灰泥岩2块、泥质云岩1块、石灰岩1块,主要岩性为页岩,其岩样层理特征较为明显。实验中分别对干样、饱和水岩样测试水平X方向与Y方向、垂直Z方向(见图2)的电阻数据。

干样实验前不做洗油洗盐处理,能较真实地反应地层岩石本身导电情况。干样水平电阻率值分布在7 519.0～53 967.6 Ω·m,垂直电阻率值分布在18 701.6～75 868.8 Ω·m。干样垂直方向与水平方向电阻率各向异性系数分布在0.9～1.7,平均值为1.4。干样水平X方向与Y方向电阻率各向异性系数分布在0.9～1.6,平均值为1.1。干样水平方向电阻率各向异性系数接近1,表明水平方向呈现各向同性特征;垂直方向与水平方向电阻率各向异性系数平均值为1.4,说明垂直方向与水平方向存在较明显的电阻率各向异性。

表1 等效各向异性地层物理模型电阻率响应理论值

图2 电阻率测量实验方向示意图

按岩性分别统计实验干样的垂直方向与水平方向电阻率各向异性系数。从平均值看石灰岩的电阻率各向异性系数最高,为1.63,含灰泥岩和页岩的电阻率方向异性系数分别为1.44和1.43;泥质云岩的电阻率各向异性系数最低,仅为0.95。而页岩样品电阻率各向异性系数在0.91～1.73,其中电阻率各向异性系数最高值为1.73的页岩,其岩心分析的岩性描述结论为纹层状页岩。分析认为,岩石的层理结构越发育,电阻率各向异性系数越大;反之,岩性越均一的储层电阻率各向异性系数越小。

1.2 流体影响因素分析

饱和水岩样更多反应流体导电性。饱和水岩样水平电阻率分布在4.6～328.1 Ω·m,垂直电阻率分布在42.3～935.4 Ω·m。饱和水岩样垂直方向与水平方向电阻率各向异性系数分布在1.2～3.2,平均值为2.4。饱和水岩样水平X与Y方向电阻率各向异性系数分布在0.7～1.1,平均值为1.0。饱和水岩样电阻率受流体导电影响较大,在水平方向电阻率各向异性系数平均值为1.0,呈现各向同性特征,在垂直方向与水平方向电阻率各向异性系数平均值达2.4,呈现明显的各向异性特征。

图3 干样、饱和水岩样垂直与水平方向电阻率各向异性系数折线图

图3是实验测得的干样、饱和水岩样的垂直与水平方向电阻率各向异性系数折线图。干样的垂直与水平方向电阻率各向异性系数明显低于饱和水岩样的垂直与水平方向电阻率各向异性系数。徐波等[11]在岩心实验中也获得过类似的结果。实验数据表明,随着导电流体充注在岩样储集空间中,岩样垂直与水平方向电阻率各向异性系数呈加大的趋势,流体提供的导电路径在不同方向上呈现较强的电阻率各向异性特征。据此,对油气储层做出如下推测:纯油层、气层由于流体电阻率很大,充注在储层中不能形成有效导电路径,垂直与水平方向电阻率各向异性系数应是低值;含水储层随着导电的水增多、导电路径增多,电阻率各向异性系数逐渐增大。下文讨论的各向异性均指垂直方向与水平方向各向异性。

2 典型流体三维感应电阻率响应特征

2.1 三维感应电阻率识别流体的优势

高电阻率是油气层的重要特征,但在测井过程中,砂泥岩薄互层和裂缝性油气层往往表现为较低的电阻率测井值[12-13]。这是因为常规感应类测井测量的是储层水平方向电阻率,水平方向电阻率模型类似并联电路模型,砂泥岩薄互层和裂缝性油气层中的低电阻率成分会大幅度降低储层整体电阻率测井值。使用常规感应电阻率测井曲线解释时容易低估储层真实电阻率,漏掉水平方向较低电阻率值的泥质砂岩产层。

图4 J1井典型流体响应特征*非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

三维感应测井资料能同时测得储层垂直方向与水平方向的电阻率,垂直方向电阻率模型类似串联电路模型,砂泥岩薄互层和裂缝性油气层中、高电阻率砂岩及油气等成分在垂直方向电阻率曲线中能得到较好的体现,呈现出较高电阻率的特征。在砂泥岩薄互层条件下三维感应曲线数值受岩性变化影响较大,表现为水平方向较低电阻率值、垂直方向较高电阻率值,两者之间存在一定的电阻率各向异性。但在储层岩性相对较纯的条件下,垂直方向与水平方向电阻率数值的差异更多是由不同流体性质带来的:①当流体性质相对单一时,水平方向电阻率与垂直方向电阻率曲线值接近,呈现较弱的电阻率各向异性;②当流体性质相对复杂、储层中存在不同流体时,三维感应水平方向电阻率曲线值降低较多,垂直方向电阻率曲线值降低相对少,水平方向与垂直方向电阻率曲线呈现比较明显的差异,此时表现为较强的电阻率各向异性。通过分析这种差异可对储层中流体是属于单一流体还是多相流体进行判断,识别流体性质。在研究中,采用三维感应垂直电阻率与水平电阻率对比,结合其他常规曲线对储层流体性质进行判别,通过对储层岩性为砂泥岩的12口直井进行应用,此方法可以有效识别储层流体性质。

2.2 典型流体响应特征

(1)典型油层。图4中J1井23号层为比较典型的油层响应特征,阵列感应电阻率曲线呈现低阻侵入特征,阵列感应电阻率曲线、水平电阻率曲线、垂直电阻率曲线呈现形态饱满的高值特征。23号层中上部分自然伽马较高,指示储层含有一定的泥质成分,低电阻率的泥质成分拉低了水平方向整体电阻率,使得层内该部位水平方向电阻率明显小于垂直方向电阻率;23号层中下部位自然伽马较低,岩性较纯,垂直电阻率和水平电阻率数值相当,电阻率各向异性较弱,流体性质比较单一。类似23号层中下部位,岩性较纯时水平电阻率曲线与垂直电阻率曲线呈现形态饱满的高值,电阻率各向异性较弱,这样的响应特征是试验井中比较常见的油层响应特征。

(2)典型油水同层。典型油水同层的阵列感应电阻率略低,但其值高于水层,阵列感应电阻率曲线往往呈现局部凹陷形态;水平电阻率曲线、垂直电阻率曲线也呈现局部凹陷特征。当自然伽马曲线较平直、岩性较纯时,垂直电阻率明显大于水平电阻率;相较于水层,典型油水同层的垂直电阻率与水平电阻率曲线的差异更大。

(3)典型水层。图4中J1井33号层为典型水层,其阵列感应电阻率明显低于23号油层。33号层阵列感应电阻率曲线、三维感应电阻率曲线形态凹陷,呈现低值特征。33号层中下部位自然伽马值低,岩性较纯,垂直电阻率和水平电阻率数值相当,只有微弱差异,表明该层流体性质较单一,该段电阻率曲线更多反映流体的响应特征。

(4)典型干层。试验井中有两种比较典型的干层,即致密型、高泥质型干层。图4中22号层属于比较典型的致密型干层,阵列感应电阻率曲线、垂直电阻率曲线、水平电阻率曲线通常呈高值特征,不同探测深度电阻率接近,垂直和水平电阻率数值相当,电阻率各向异性不明显。高泥质型干层电阻率略低,受低电阻率泥岩成分影响,水平电阻率通常小于垂直电阻率,呈现比较强的电阻率各向异性。

3 电阻率各向异性在流体识别中的应用

3.1 电阻率各向异性的流体识别方法

通过分析砂泥岩储层条件下三维感应电阻率响应特征,利用垂直方向电阻率与水平方向电阻率数值计算电阻率各向异性系数,以电阻率各向异性系数作为辅助流体识别的曲线,形成了基于电阻率各向异性的流体识别方法。通过现场验证,当岩性较纯的砂岩储层电阻率各向异性系数大于1.1时,层内往往存在多相流体。因此,对电阻率各向异性系数曲线以1.1为界限进行曲线充填,当电阻率各向异性系数大于1.1时,首先判断是否为岩性变化导致的各向异性系数增大,若不是,则判断该层内流体性质复杂、存在多相流体,此时再结合常规测井曲线,可识别流体性质。该方法已在砂泥岩类储层中12口井共57个储层层段进行验证,其中52个层段解释结论与试油结论吻合,符合率达91.2%。现场试验表明,三维感应电阻率各向异性流体识别方法在砂泥岩类储层中应用效果较好。反过来,也间接证明了在岩性较纯的砂岩层段,电阻率各向异性更多地反映流体性质差异。

3.2 典型流体识别效果

(1)典型油层。运用三维感应测井垂直电阻率、水平电阻率计算电阻率各向异性系数。如图5所示,J2井20、21号层岩性较纯,各向异性系数低于1.1,接近1,表明储层流体单一,结合其他测井曲线特征识别为油层,试油后日产纯油5.496 t。

图5 J2井电阻率各向异性系数油层识别效果图

(2)典型油水同层。如图6所示,J3井4号层电阻率各向异性系数局部较高,1 402.5 m位置自然伽马最低,但电阻率各向异性系数达1.3,表明层内有多种流体。结合阵列感应电阻率整体较高,但其形态略带凹陷的特征,识别为油水同层;3号层岩性相对较致密,5号层泥质含量相对更高,3、5号层的电阻率各向异性系数符合干层特征。现场对3、4、5号层同时射孔,试油后日产油0.048 t,4号层试油结论为低产油水同层。

(3)典型水层。如图7所示,J4井15号层岩性较纯,垂直、水平电阻率接近,电阻率各向异性系数接近1,较低的电阻率各向异性系数表明层内流体单一。结合阵列感应电阻率整体较低,其形态略带凹陷的特征,判断为水层。现场试油后日产水0.84 t,试油结论为水层。

(4)典型干层。如图8所示,J5井67、69号层泥质含量较高,层内岩性最纯的位置垂直电阻率与水平电阻率接近,其他位置受泥质增多影响,其垂直电阻率大于水平电阻率。相对层内岩性单一位置,其他位置的电阻率各向异性系数更高,电阻率各向异性系数更多反应的是岩性的特征。结合阵列感应电阻率曲线、三孔隙度曲线特征,判断为干层,现场试油后只见油花,试油结论为干层。

图6 J3井电阻率各向异性系数油水同层识别效果图

图7 J4井电阻率各向异性系数水层识别效果图

图8 J5井电阻率各向异性系数干层识别效果图

4 结 论

(1)储层垂直、水平电阻率各向异性是储层内部岩性与流体的综合反应,岩性类型和流体性质均为电阻率各向异性的影响因素。

(2)岩性越复杂、岩石的层理结构越发育,电阻率各向异性系数越大;反之,岩性越纯越均一的储层,其电阻率各向异性系数越小。

(3)在应用三维感应水平电阻率、垂直电阻率差异进行流体识别时,要优先结合其他常规测井曲线区分造成电阻率各向异性的主要因素,判断是由储层岩性变化还是流体性质变化导致的电阻率差异。

(4)岩性相对均一的情况下,储层内流体性质越复杂,三维感应垂直电阻率与水平电阻率差异越大,垂直、水平电阻率各向异性系数越大;反之,储层流体性质越单一,垂直电阻率与水平电阻率越接近,垂直、水平电阻率各向异性系数越小。三维感应测井的垂直、水平电阻率各向异性系数,可作为流体识别的有效指标。