鉆井液侵入對(duì)陣列感應(yīng)電阻率的影響及電阻率特征分析
——以廊固凹陷W10斷塊沙四下儲(chǔ)層為例

薛輝竇 連彬 呂亞輝 肖博雅 齊秋紅 焦素麗

鉆井液侵入對(duì)陣列感應(yīng)電阻率的影響及電阻率特征分析
——以廊固凹陷W10斷塊沙四下儲(chǔ)層為例

薛輝竇 連彬 呂亞輝 肖博雅 齊秋紅 焦素麗

（中國石油華北油田公司地球物理勘探研究院）

廊固凹陷W10井區(qū)油氣層段陣列感應(yīng)電阻率特征表現(xiàn)復(fù)雜，不僅出現(xiàn)正差異，還出現(xiàn)高阻環(huán)帶、低阻環(huán)帶特征，單純依靠正差異模式解釋油氣層很容易造成漏判。根據(jù)鉆井液的侵入機(jī)理，通過利用阿爾奇公式對(duì)電阻率進(jìn)行數(shù)值模擬，將電阻率變化歸納為鉆井液濾液的驅(qū)替作用和擴(kuò)散作用，認(rèn)為驅(qū)替作用使電阻率降低，擴(kuò)散作用使電阻率增大。通過分析鉆井液侵入特點(diǎn)，建立高阻環(huán)帶和低阻環(huán)帶的形成模式圖，認(rèn)為鉆井液濾液與地層水電阻率的相對(duì)大小及鉆井液濾液與油水相滲透速度的相互關(guān)系是形成高阻環(huán)帶和低阻環(huán)帶的原因。最后用差異累計(jì)法識(shí)別不同陣列感應(yīng)電阻率特征所代表的流體類型。實(shí)例應(yīng)用表明，該方法應(yīng)用效果較好。圖6參15

廊固凹陷鉆井液侵入陣列感應(yīng)測(cè)井?dāng)?shù)值模擬低阻環(huán)帶高阻環(huán)帶

0 引言

下儲(chǔ)層低阻環(huán)帶和高阻環(huán)帶的形成原因及特征，為后期二次解釋提供理論依據(jù)。

在正常鉆井條件下，由于鉆井液柱的壓力大于巖層孔隙流體的壓力，將不可避免地導(dǎo)致鉆井液侵入到滲透地層中，從而改變井筒附近儲(chǔ)集層流體性質(zhì)及分布，致使井筒附近儲(chǔ)層徑向電阻率分布不均勻，反映在陣列感應(yīng)曲線上就是出現(xiàn)不同幅度的差異。一般認(rèn)為[1]，鉆井液以活塞式驅(qū)替原始地層流體，徑向電阻率變化為簡單的臺(tái)階狀模型，即對(duì)于淡水鉆井液侵入，油層變現(xiàn)為正差異，水層表現(xiàn)為負(fù)差異。實(shí)際上，鉆井液侵入地層是一個(gè)復(fù)雜的物理過程，侵入剖面不光是非臺(tái)階狀[2-3]，而且還呈漸變形態(tài)，同時(shí)侵入剖面還隨時(shí)間而變化，不斷向地層深處推進(jìn)[4]。再考慮到鉆井條件、鉆井液性質(zhì)、浸泡時(shí)間、巖石的地球物理性質(zhì)等影響，由于鉆井液的侵入而導(dǎo)致的徑向電阻率變化將更加復(fù)雜[5]。

通過對(duì)廊固凹陷W10斷塊鉆遇沙四下儲(chǔ)層的多口井的分析發(fā)現(xiàn)，由于淡水鉆井液的侵入，沙四下油層電阻率曲線差異性變化復(fù)雜，陣列感應(yīng)曲線不僅出現(xiàn)典型的正差異特征，而且還出現(xiàn)低阻環(huán)帶特征、高阻環(huán)帶特征。顯然，單純地依據(jù)正（負(fù)）差異劃分油（水）層很容易造成漏判甚至錯(cuò)判。本文主要通過對(duì)鉆井液侵入的機(jī)理進(jìn)行分析，用數(shù)值模擬的方法分析引起地層電阻率變化的因素，分析W10斷塊沙四

1 沙四下儲(chǔ)層陣列感應(yīng)電阻率特征

圖1 W10斷塊沙四下三種陣列感應(yīng)特征圖

同常規(guī)電阻率曲線相比，陣列感應(yīng)測(cè)井可以提供三種不同的縱向分辨率(1ft、2ft、4ft)、6條或者5條不同探測(cè)深度的電阻率曲線[6]，具有縱向分辨率更高，探測(cè)深度更深的特點(diǎn)。因此，可以用陣列感應(yīng)曲線詳細(xì)地描述鉆井液侵入引起的地層徑向電阻率變化，并借此判斷儲(chǔ)層流體性質(zhì)。

根據(jù)對(duì)沙四下儲(chǔ)層陣列感應(yīng)電阻率曲線特征分析，發(fā)現(xiàn)油層段由于鉆井液的侵入，井徑縮徑明顯，陣列感應(yīng)電阻率存在三種特征（圖1）：①正差異特征，陣列感應(yīng)電阻率（M2R1-M2RX）隨探測(cè)深度增加而逐漸增大，例如WX8-3x井在3912~3927 m處，感應(yīng)電阻率呈正差異，為典型的油層低侵，測(cè)井解釋為油層，在該層投產(chǎn)，初期日產(chǎn)油8.99 t；②低阻環(huán)帶特征，陣列感應(yīng)電阻率呈簸箕狀，兩邊高，中間低；③高阻環(huán)帶特征，陣列感應(yīng)電阻率呈反簸箕狀，兩邊低，中間高。

2 鉆井液侵入機(jī)理及對(duì)電阻率影響

2.1 鉆井液侵入機(jī)理

在井眼和原狀地層壓力差的驅(qū)動(dòng)下，鉆井液侵入地層可分為兩個(gè)過程：

一是驅(qū)替過程，即鉆井液濾液對(duì)地層原始流體的驅(qū)替，假設(shè)整個(gè)驅(qū)替過程是非混溶的，流體的滲流遵循Darcy定律，當(dāng)存在毛細(xì)管現(xiàn)象和忽略重力影響時(shí)，則可用水相、油相質(zhì)量平衡方程描述[7]：

二是擴(kuò)散過程，由于鉆井液濾液和地層水礦化度不同，二者在侵入的前緣將發(fā)生物理混合，可用流體擴(kuò)散方程表示[8]：

把地層原始含水飽和度、地層原始?jí)毫?、地層原始水礦化度作為初始條件，把井底的流動(dòng)壓力和封閉外邊界作為邊界條件，用有限差分方法聯(lián)立求解（1）式至（3）式，可得到鉆井液濾液侵入地層后地層徑向飽和度的分布特征、地層壓力分布以及侵入半徑變化特征。再把不同時(shí)刻求取的地層壓力和流體飽和度徑向分布帶入（4）式，可以得到不同時(shí)刻地層水礦化度的動(dòng)態(tài)分布Cw（r,t）[9]，再根據(jù)地層水經(jīng)驗(yàn)公式（公式5）計(jì)算給定溫度條件下的地層水電阻率Rw（r,t）：

利用阿爾奇公式得到徑向電阻率分布Rf（r,t）：

圖2 地層電阻率與孔隙度和礦化度關(guān)系

式中a、b、m、n為巖電參數(shù)，是由儲(chǔ)層性質(zhì)決定的常數(shù)。

2.2 鉆井液侵入對(duì)電阻率的影響

鉆井液侵入受儲(chǔ)層巖性、物性、鉆井液柱與地層壓力差、鉆井液性能、流體性質(zhì)等因素的影響，根據(jù)電阻率的變化可以將鉆井液侵入的影響分為2類[10]：①鉆井液浸入引起電阻率增大，即鉆井液的擴(kuò)散作用，由于地層水與鉆井液濾液礦化度之間存在濃度差，則二者之間將發(fā)生離子交換，造成混合液礦化度降低，使得混合水電阻率增大，最終導(dǎo)致地層電阻率升高；②鉆井液浸入引起電阻率減小，即鉆井液的驅(qū)替作用，鉆井液濾液不斷地滲透，造成含水飽和度增大，使地層電阻率降低。

W10斷塊砂四下儲(chǔ)層孔隙度變化范圍在4%~ 20%，儲(chǔ)層含水飽和度平均為35%，地層水電阻率平均為0.15 Ω·m，對(duì)公式（6）進(jìn)行數(shù)值模擬，在圖（2）中可以看出孔隙度與地層電阻率負(fù)相關(guān)。在假定含水飽和度一定且孔隙度相同時(shí)，電阻率隨地層水礦化度減小而增大，說明擴(kuò)散作用使地層電阻率增大(圖2a)。在地層水礦化度一定且孔隙度相同時(shí)，地層電阻率隨含水飽和度增加而減小，說明驅(qū)替作用使電阻率降低（圖2b）。綜合圖2可以發(fā)現(xiàn)：在物性差（Φ< 12%）時(shí)礦化度減小（擴(kuò)散作用）對(duì)的電阻率增大幅度比物性好（Φ>12%）的電阻率增大幅度大，同樣物性差時(shí)含水飽和度增加（驅(qū)替作用）對(duì)的電阻率減小幅度比物性好的電阻率減小幅度大。從圖2中還可以看出孔隙度越大，含水飽和度和地層水礦化度對(duì)地層電阻率影響越小。

當(dāng)鉆井液侵入地層，假定地層的孔隙度均一，根據(jù)（6）式可知，地層的電阻率只跟含水飽和度和地層水電阻率有關(guān)系。為了進(jìn)一步分析地層電阻率分別與含水飽和度和礦化度的關(guān)系，對(duì)WX0-1x井96號(hào)層進(jìn)行數(shù)值模擬，該層段參數(shù)選取a=b=1，m= 1.65，n=1.48，地層孔隙度為18%。從圖3中可以看出：

（1）地層水礦化度的變化范圍要遠(yuǎn)大于含水飽和度的范圍，因此礦化度的變化對(duì)地層電阻率的改變幅度要大于飽和度的變化對(duì)電阻率的改變幅度。同時(shí)當(dāng)飽和度一定時(shí)，地層電阻率與礦化度的關(guān)系曲線為近似線性（圖3a），即礦化度的變化對(duì)地層電阻率更加敏感，一旦礦化度發(fā)生改變，地層電阻率隨之變化。

（2）含水飽和度和地層水礦化度增加，電阻率將減?。▓D3a），當(dāng)含水飽和度大于50%時(shí)，電阻率下降幅度隨含水飽和度增加逐漸變?。▓D3b），含水飽和度對(duì)地層電阻率影響減弱，說明驅(qū)替作用減弱。

圖3說明在鉆井液侵入前期，當(dāng)?shù)貙铀V化度與鉆井液濾液礦化度差異大時(shí)，礦化度的變化相比含水飽和度的變化對(duì)地層電阻率影響更大，即鉆井液侵入造成擴(kuò)散作用對(duì)電阻率增大的影響要強(qiáng)于驅(qū)替作用對(duì)電阻減小的影響。隨著鉆井液濾液不斷地侵入，鉆井液濾液的礦化度與地層水礦化度的差異性減小，擴(kuò)散作用減弱，且含水飽和度增大，驅(qū)替作用增強(qiáng)，地層電阻率減小，變化趨于平緩。

圖3 地層電阻率與礦化度和含水飽和度關(guān)系

3 陣列感應(yīng)電阻率在徑向侵入剖面上的特征分析

鉆井液濾液的侵入改變了原狀地層電阻率，造成了地層電阻率在徑向上的變化，這種變化是漸變的、連續(xù)的。從井壁到原狀地層，鉆井液濾液逐漸減少，對(duì)地層電阻率的影響也逐漸減小。鉆井液在侵人地層的過程中，鉆井液中大于孔喉半徑的顆粒會(huì)部分停留在地層表面，堆積并在壓力差的作用下形成泥餅，在泥餅形成初期，鉆井液濾液迅速的向地層中滲透，且以徑向滲濾為主，不斷地驅(qū)替儲(chǔ)層中的流體，在儲(chǔ)層中就形成了以井筒為中心的沖洗帶、過渡帶、原狀地層。

3.1 高阻環(huán)帶特征分析

對(duì)于油水兩相儲(chǔ)集層，因?yàn)橛停猓?、水相相?duì)滲透率不同造成鉆井液驅(qū)替油（氣）、水的速度不同，且其滲流速度取決于Kro/μo和Krw/μw兩個(gè)參數(shù)[11]。在沖洗帶，鉆井液濾液完全驅(qū)替地層流體，其內(nèi)流體就為鉆井液濾液、殘余油氣（油氣層）及殘余水（水層），由于鉆井液滲透速度大于油水相的滲透速度，因此當(dāng)鉆井液濾液的電阻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地層水電阻率（鉆井液濾液礦化度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地層水礦化度）時(shí)，擴(kuò)散作用大于驅(qū)替作用，在陣列感應(yīng)電阻率曲線上就有可能形成高阻環(huán)帶（圖4a）,從圖4c中可以看出在40號(hào)層深度處，鉆井液侵入明顯，地層縮徑，測(cè)井解釋在該深度處孔隙度為11.8%，含水飽和度為31.5%，鉆井液濾液的電阻率為2.18Ω·m，地層水電阻率為0.08Ω·m，高阻環(huán)帶出現(xiàn)范圍是20~60 in之間(圖4b)，測(cè)井解釋為油層。

圖4 高阻環(huán)帶原理與WX2-4X高阻環(huán)帶測(cè)井曲線特征圖

3.2 低阻環(huán)帶特征分析

隨著鉆井液的持續(xù)侵入，當(dāng)油水相的滲透速度大于鉆井液滲透速度時(shí)，高阻的油層首先被驅(qū)替，在過渡帶內(nèi)導(dǎo)電流體主要為鉆井液濾液、束縛水、未被驅(qū)替的可動(dòng)水，以致在未侵入帶之前形成一個(gè)含水飽和度相對(duì)較高的環(huán)帶形空間[12]（圖5a），即為低阻環(huán)帶。該環(huán)帶內(nèi)地層水富集，地層電阻率較沖洗帶電阻率、原狀地層電阻率都低。就形成了地層水聚集帶，當(dāng)?shù)貙铀娮杪市∮阢@井液電阻率時(shí)，就有可能形成低阻環(huán)帶。圖5c是WX8-2X低阻環(huán)帶示意圖，在3766.6~3774m處，井徑縮徑，鉆井液侵入明顯，鉆井液濾液電阻率為1.38Ω·m，地層水電阻率為0.06Ω·m，低阻環(huán)帶出現(xiàn)范圍為20~60 in之間(圖5b)，測(cè)井解釋為油層。

圖5 低阻環(huán)帶原理及WX8-2X低阻環(huán)帶測(cè)井曲線圖

4 感應(yīng)電阻率特征識(shí)別方法及應(yīng)用|

通過對(duì)高阻環(huán)帶和低阻環(huán)帶的形成機(jī)理分析，認(rèn)為高阻環(huán)帶和低阻環(huán)帶是油層存在的充分條件[13]，因此當(dāng)陣列感應(yīng)不同探測(cè)深度電阻率出現(xiàn)低阻環(huán)帶或高阻環(huán)帶特征時(shí)，便可認(rèn)為儲(chǔ)層含油。根據(jù)對(duì)W10斷塊沙四下儲(chǔ)層陣列感應(yīng)電阻率特征分析，發(fā)現(xiàn)高阻環(huán)帶和低阻環(huán)帶的主要出現(xiàn)范轉(zhuǎn)為20~60in，本文采用差異累計(jì)法[14-15]建立不同探測(cè)深度電阻率曲線總差異。該方法放大了不同流體性質(zhì)的差異特征，且能夠定量描述儲(chǔ)層的差異特征。設(shè)置兩個(gè)參數(shù)D1、D2，計(jì)算公式如下：

式中：

M2R1～M2RX為陣列感應(yīng)2 ft縱向分辨率的10～120 in不同徑向探測(cè)深度的電阻率數(shù)值。

對(duì)于水層，淡水鉆井液鉆井條件下，鉆井液濾液高侵，陣列感應(yīng)電阻率隨探測(cè)深度逐漸降低，D1<1，D2<1；正差異油層，鉆井液濾液低侵，電阻率逐漸增大，D1>1，D2>1，高阻環(huán)帶地層，感應(yīng)電阻率呈中間高，兩邊低，D1>1，D2<1；低阻環(huán)帶油層電阻率中間低，兩邊高，D1<1，D2>1。

WX2-1x井8號(hào)層在深度3503.8~3506.8 m處不同探測(cè)深度感應(yīng)電阻率呈低阻環(huán)帶特征（圖1、圖6），測(cè)井孔隙度為13.2%，滲透率為24.8 mD，含水飽和度為49.8%，D1為0.27，D2為1.81。解釋為油層。在該層段試油日產(chǎn)油16.04 t，產(chǎn)氣1.08×104m3，不產(chǎn)水。

圖6 WX2-1x高阻環(huán)帶陣列感應(yīng)測(cè)井曲線圖

5 結(jié)論

（1）W10斷塊采用淡水鉆井液鉆井,由于鉆井液侵入，在沙四下油層段陣列感應(yīng)電阻率呈現(xiàn)正差異、低阻環(huán)帶、高阻環(huán)帶三種特征。

（2）鉆井液侵入可導(dǎo)致徑向電阻率改變，主要?dú)w結(jié)為鉆井液的驅(qū)替作用和擴(kuò)散作用。驅(qū)替作用使含水飽和度升高，電阻率下降；鉆井液擴(kuò)散作用使礦化度降低，地層電阻率升高。在鉆井液侵入初期當(dāng)鉆井液濾液的礦化度小于地層水的礦化度時(shí)，擴(kuò)散作用對(duì)電阻率增大的影響要強(qiáng)于驅(qū)替作用對(duì)電阻減小的影響，隨著鉆井液不斷侵入，驅(qū)替作用增強(qiáng)，擴(kuò)散作用減弱，地層電阻率降低。

（3）高阻環(huán)帶的形成主要是因?yàn)樵跊_洗帶鉆井液滲透速度大于油水相的滲透速度，在鉆井液濾液的電阻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地層水電阻率（鉆井液濾液礦化度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地層水礦化度）時(shí)，便會(huì)形成高阻環(huán)帶，在油水的滲透速度大于鉆井液濾液的滲透速度時(shí)，地層水電阻率小于鉆井液電阻率含水飽和度前緣和地層水的礦化度前緣由于推移速度不同，會(huì)出現(xiàn)含水飽和度較高的低阻環(huán)帶。

（4）通過對(duì)W10斷塊沙四下儲(chǔ)層陣列感應(yīng)電阻率的分析，發(fā)現(xiàn)高阻環(huán)帶和低阻環(huán)帶出現(xiàn)在20~60 in，可以根據(jù)陣列感應(yīng)電阻率之間的差異，用差異累積法識(shí)別流體的類型，在實(shí)際應(yīng)用中取得較好的效果。

[1]張松揚(yáng)，陳玉魁.鉆井液侵入機(jī)理特征及影響因素研究[J].勘探地球物理進(jìn)展，2002，25（6）:28-31.

[2]陳福煊，孫嘉戌.鉆井液濾液侵人孔隙地層徑向?qū)щ娞匦缘哪M實(shí)驗(yàn)[J]，地球物理學(xué)報(bào)，1996，39（2）:371-378.

[3]陳福煊.電阻率時(shí)間推移測(cè)井解釋[J].天然氣工業(yè)，1996，16（1）:25-28.

[4]張建華，件杰，蔡文淵，等.高分辨率陣列感應(yīng)測(cè)井動(dòng)態(tài)響應(yīng)的計(jì)算分析[J].測(cè)井技術(shù)，2011，35（5）:412-417.

[5]仵杰，馬歡波，解茜草，等.儲(chǔ)層中陣列感應(yīng)測(cè)井響應(yīng)負(fù)差異機(jī)理研究[J].測(cè)井技術(shù)，2010,34（6）:548-553.

[6]李虎，范宜仁，胡云云，等.基于陣列感應(yīng)與自然電位聯(lián)合反演地層水電阻率[J].地球物理學(xué)報(bào),2013，56（2）: 688-695.

[7]李長喜，歐陽健，周燦燦，等.淡水鉆井液侵入油層形成低電阻率環(huán)帶的綜合研究與應(yīng)用分析[J].石油勘探與開發(fā)，2005，32（2）:82-86.

[8]鄧少貴，范宜仁，謝關(guān)寶，等.鉆井液侵入地層雙感應(yīng)測(cè)井曲線正負(fù)差異特性分析[J].測(cè)井技術(shù)，2004，28（6）:476-478.

[9]張建華，劉振華，件杰.電法測(cè)井原理與應(yīng)用[M]，西安:西北大學(xué)出版社，2002.

[10]李艷華，鄒長春，劉春芳，等.塔河油田碎屑巖儲(chǔ)集層鉆井液侵入帶的測(cè)井響應(yīng)[J].新疆石油地質(zhì)，2006，6（27）：712-716

[11]廖東良，低阻環(huán)帶的識(shí)別和分析[J]，西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，36（1）:39-44.

[12]雍世和，張超謨.測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)處理與資料解釋[M]，東營:中國石油大學(xué)出版社，2007.

[13]趙政璋，歐陽健，陸大衛(wèi)，等.低阻油氣藏測(cè)井識(shí)別評(píng)價(jià)方法與技術(shù)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2006

[14]馬肅濱,闞玉泉,王現(xiàn)良,等.吐哈盆地臺(tái)北凹陷低電阻率環(huán)帶油層陣列感應(yīng)測(cè)井識(shí)別方法[J].測(cè)井技術(shù)，2011，35（6）:550-552.

[15]丁娛嬌，邵維志，李慶合，等.一種利用陣列感應(yīng)測(cè)井技術(shù)識(shí)別儲(chǔ)層流體性質(zhì)的方法[J].測(cè)井技術(shù),2009，33（3）：238-242.

（修改回稿日期2016-01-05編輯陳玲）

薛輝，男，1986年出生，碩士研究生，2014年畢業(yè)于西南石油大學(xué)礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)，助理工程師；現(xiàn)從事油氣藏綜合評(píng)價(jià)研究工作。地址：（062552）河北省任丘市華北油田地球物理勘探研究院。電話：18733007074。E-mail：XH630445@163.com