實驗研究洞穴地層的雙側向測井響應特征

葛新民, 范宜仁, 李 軍, 張 昕, 王曉暢, 王 磊, 曹 重

(1.中國石油大學(華東)地球科學與技術學院,山東青島 266580; 2.海洋國家實驗室海洋礦產資源評價與探測技術功能實驗室,山東青島 266071; 3.中國石化石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083; 4.中國石油冀東油田分公司陸上作業(yè)區(qū),河北唐山 063200)

洞穴型儲層在中國塔里木、四川和南襄等盆地十分發(fā)育,是油氣穩(wěn)產、增產的主力儲集層[1-5]。受沉積、構造、成巖和改造作用等多因素影響,洞穴的發(fā)育規(guī)模、分布特征、充填物類型和充填程度變化大、測井方法難以對該類儲層進行有效識別和評價。國內外學者基于電成像、聲波和核磁共振等測井技術開展了過井和井旁洞穴的數值模擬及識別方法研究,取得一定效果[6-11]。然而,這些特殊測井技術的成本較高,很難大規(guī)模推廣應用。雙側向測井作為油氣勘探的一種常規(guī)測井方法,具有較強的電流聚焦能力和較大的探測范圍,在表征井旁地質構造、識別地層流體中具有獨特優(yōu)勢。國內外學者針對裂縫性地層雙側向測井響應特征開展了大量的數值模擬、物理實驗和現(xiàn)場應用等研究[12-13],但鮮有關于洞穴型地層的研究。近年來部分學者進行了雙側向測井在洞穴型地層的數值模擬工作,但缺乏物理模擬和實際測井資料的驗證,研究成果的可靠性有待商榷。筆者基于自主設計的雙側向測井實驗平臺開展洞穴地層的物理模擬,通過研究洞穴尺寸、充填性質、發(fā)育位置和形狀等特征對深淺側向電阻率的影響,總結洞穴型儲層的雙側向測井響應規(guī)律。

1 實驗平臺及方法

根據前期研究結果可知[14],當雙側向測井儀器縱橫向等比例縮小為1/20時深淺側向電場分布與儀器縱向縮小為1/20、橫向縮小為1/6時基本一致?？紤]到實驗的可實施性,物理模擬的尺度參數設置為:地層徑向半徑為1 m,地層縱向高度為2 m,儀器縱向縮小比例為1/20,橫向縮小比例為1/6。圖1 為縮小比例樣機雙側向測井電場分布(以儀器中心點為原點,檢測點位于儀器中心點之上時距離為負,位于中心點之下時距離為正)。

圖1 縮小比例樣機雙側向測井電場分布Fig.1 Electric field distribution of downscaled dual laterolog

為方便實驗操作及模型參數的更改,提高設備利用率,摒棄將露頭巖石作為基巖的傳統(tǒng)做法[15],采用多級反滲透裝置得到電阻率高的去離子水,根據氯化鈉濃度與電阻率關系配制具有特定電阻率的溶液,模擬高阻基巖;洞穴模型采用特質模具澆筑,主要材料為水泥、石墨、水泥固化劑和蒸餾水等。模型成分穩(wěn)定,導電性能容易控制,制作周期短,固結之后均質性強,強度高。圖2為溶液和洞穴模型的電阻率配比關系,圖3為制作的洞穴模型實物照片。

圖2 溶液和洞穴模型的電阻率配比關系Fig.2 Resistivity variation in solution and cavern model

圖3 洞穴模型實物Fig.3 Cave models

通過單因素控制法,主要開展以下影響因素研究:①洞穴尺寸的影響(半徑為5、10、20 cm);②洞穴充填物電阻率的影響(電阻率為1、10、50、100、500 Ω·m);③洞穴形狀的影響(球體、柱體、長方體);④洞穴發(fā)育位置的影響(與井眼距離分別為0、1、2 cm)。受測量條件及噪聲的影響,數據需要經平滑濾波,深度校正等處理后,才能得到理想結果。在本文中應用七點平滑濾波法對數據進行預處理,設相鄰采樣值間呈三次函數變化,則可以用一條三次函數曲線Zt來進行擬合

Zt=a0+a1t+a2t3+a3t3.

(1)

(2)

6(Ti-1+Ti+1)+7Ti].

(3)

用此方法逐點進行計算便可得到一條平滑的曲線,將原始采樣數據中周期小于等于7個采樣間距的隨機干擾有效地抑制。

2 實驗結果

通過對比之前的物理模擬和數值模擬數據,發(fā)現(xiàn)兩者在同等條件下具有基本相似的測量結果,驗證了儀器測量的穩(wěn)定性[14]。本文中重點闡述物理模擬結果及取得的規(guī)律性認識。

2.1 洞穴尺寸

圖4是半徑(ra)分別為5、10、20 cm,電阻率均為27 Ω·m的球型洞穴貼井壁測量得到的深淺側向電阻率曲線(基巖電阻率約為800 Ω·m)。從圖中可知,隨著洞穴直徑增大,深側向電阻率明顯降低,淺側向電阻率有小幅度降低,洞穴規(guī)模對深側向的貢獻更大,雙側向對大規(guī)模洞穴有較好的探測效果。

2.2 洞穴充填性質

圖5是半徑ra為10 cm的不同電阻率球型洞穴貼井壁時,測量得到的深淺側測井響應(基巖電阻率Rb為900 Ω·m)。從圖中可知,隨著洞穴充填電阻率Rfill的降低,深淺側向電阻率都呈減小的趨勢,兩者具有相同的變化規(guī)律。洞穴與井壁的距離為roff-ra。

圖4 不同洞穴尺度的深淺側向測井響應Fig.4 Dual laterolog response at different cave scales

圖5 不同洞穴充填電阻率的深淺側向測井響應Fig.5 Dual laterolog response of cave filled with different resistivity

2.3 洞穴位置

洞穴與井壁的距離不同,雙側向測井響應也有明顯變化,反映雙側向測井的徑向探測能力。圖6(a)～(h)是半徑ra為10 cm、基巖電阻率Rb為900 Ω·m、充填物電阻率Rfill分別為313、227、177和826 Ω·m時的球形洞穴在離井壁不同距離roff-ra時的雙側向測井響應。從圖中可知,深淺側向電阻率與洞穴與井壁的距離成正比。當洞穴的電阻率增大到與基巖電阻率相近時,深淺側向電阻率與基巖基本一致,洞穴與基巖電阻率的比值是控制深淺側向響應特征的關鍵因素。

2.4 洞穴形狀

圖7為電阻率相同,但形狀不同的洞穴貼井壁測量得到的深淺側向電阻率(球型洞穴半徑為10 cm,方型洞穴邊長為20 cm,電阻率均為133 Ω·m)。由圖可知,深淺側向電阻率對球形洞穴的識別能力大于方型洞穴,說明洞穴徑向延伸對電阻率的貢獻大;方型洞穴在縱向上的響應范圍大于球形洞穴,說明洞穴縱向延伸對邊界效應的貢獻大?；陔p側向測井曲線形態(tài)能大致反應洞穴形狀,球形洞穴呈指針型,方形洞穴呈箱型。

圖6 洞穴與井壁距離不同時的深淺側向測井響應Fig.6 Dual laterolog response at different distances between caves and borehole

圖7 不同形狀洞穴的深淺側向測井響應對比Fig.7 Dual laterolog response of caves with different shapes

3 結 論

(1)洞穴尺寸對雙側向測井電阻率的大小及范圍均有影響。電阻率降低量和變化面積與洞穴尺寸成正比。

(2)洞穴的填充電阻率主要影響雙側向電阻率的大小。深淺側向電阻率值與洞穴電阻率與基巖電阻率對比度成反比,當洞穴電阻率與基巖電阻率相近時,雙側向測井很難反映洞穴的特征。

(3)洞穴與井壁的相對位置是影響雙側向測井電阻率的重要因素。雙側向電阻率隨著洞穴與井壁距離的增大而增大,當洞穴與儀器的距離大于儀器有效探測范圍,雙側向電阻率對洞穴無反映;雙側向測井對洞穴發(fā)育規(guī)模的指示能力差。

(4)基于雙側向測井曲線的形態(tài)可進行洞穴形狀的定性識別。一般來說,球形洞穴的曲線形態(tài)為指針型,方形洞穴的曲線形態(tài)為箱型。