阵列侧向测井正演响应分析及环境因素快速校正方法研究

doi:10.11720/wtyht.2019.0095

阵列侧向测井正演响应分析及环境因素快速校正方法研究

冯进¹, 倪小威², 杨清¹, 管耀¹, 刘迪仁^,³^,⁴

1. 中海石油(中国)有限公司深圳分公司,广东深圳 518054

2. 塔里木油田分公司,新疆库尔勒 841000

3. 长江大学油气资源与勘探技术教育部重点实验室,湖北武汉 430100

4. 长江大学地球物理与石油资源学院,湖北武汉 430100

Forward analysis of array laterolog and rapid correction of environmental factors

FENG Jin¹, NI Xiao-Wei², YANG Qing¹, GUAN Yao¹, LIU Di-Ren^,³^,⁴

1. Shenzhen Branch of CNOOC (China) Co., Ltd., Shenzhen 518054, China

2. Tarim Oilfield Company,CNPC,Korla 841000,China

3. Key Laboratory of Exploration Technologies for Oil and Gas Resources of Ministry of Education, Yangtze University,Wuhan 430100,China

4. College of Geophysics and Oil Resources, Yangtze University, Wuhan 430100, China

通讯作者: 刘迪仁(1965-),男,博士,教授,博士生导师,从事电法测井正反演、煤层气和复杂储层测井评价及光纤传感技术等方面的理论和应用研究工作。Email:liudr666@163.com

责任编辑: 沈效群

收稿日期: 2019-02-25 修回日期: 2019-04-28 网络出版日期: 2019-10-20

基金资助:

国家重大专项项目“南海东部海域勘探新领域及关键技术”. 2016ZX05024-004-006
国家重点研发计划项目. 2018YFC0603300

Received: 2019-02-25 Revised: 2019-04-28 Online: 2019-10-20

作者简介 About authors

冯进(1972-),男,高级工程师,硕士,现主要从事地球物理测井相关工作。Email:fengjin@cnooc.com.cn 。

摘要

电阻率测井资料是定性划分油气层和定量计算含油饱和度的重要依据,但电阻率测井资料易受到环境因素的影响,造成资料失真。本文以阵列侧向测井仪器EALT(elis array laterolog tool)为例(测量MLR1-MLR4四条视电阻率曲线),基于有限元数值模拟方法,研究了井眼、围岩、泥浆侵入对其响应的影响。计算结果表明,MLR1、MLR2、MLR3当井径大于8 in后即明显受到井眼影响,MLR4基本不受井径的影响,在高阻泥浆环境中测量结果严重失真;MLR1、MLR2、MLR3、MLR4当层厚小于0.4 m时受层厚影响严重;围岩电阻率与目的层电阻率差别越大,ELAT响应受到影响越大;MLR1-MLR3在侵入半径小于30 in时受其影响较大,地层电阻率与侵入带电阻率比值分别达到5、10、100后,视电阻率失真程度可达50%以上。基于正演分析,计算绘制了井眼、围岩、泥浆侵入影响校正图版,并针对较复杂的围岩校正图版提出了快速校正方法,可对阵列侧向测井资料环境因素校正提供一定参考。

关键词： 阵列侧向测井 ; 井眼 ; 围岩 ; 泥浆侵入 ; 校正图版

Abstract

Resistivity logging data constitute an important basis for qualitative division of oil and gas reservoirs and quantitative calculation of oil saturation. However, resistivity logging data are vulnerable to environmental factors, which results in distortion of resistivity logging data. Taking array laterolog instrument as an example and based on finite element numerical simulation method, te authors studied the influence of borehole, surrounding rock and mud intrusion on its response. The results show that MLR1, MLR2 and MLR3 are obviously affected by borehole diameter when the borehole diameter is greater than 8 minutes, MLR4 is basically not affected by borehole diameter, and EALT results in high resistance mud environment are seriously distorted. MLR1, MLR2, MLR3 and MLR4 are seriously affected by the thickness of the layer when the thickness of the layer is less than 0.4m. The larger the difference of resistivity between the surrounding rock and the target layer, the greater the influence of ELAT response. When the invasion radius is less than 30 minutes, R1-MLR3 is greatly affected. When the ratio of formation resistivity to invasion zone resistivity reaches 5,10,100, the apparent resistivity distortion can be higher than 50%. Based on forward analysis, the authors drew the correction chart of EALT wellbore, surrounding rock and mud invasion and propose a fast correction method for the complex correction chart of surrounding rock, which can provide some reference for the correction of environmental factors of EALT logging data.

Keywords： array laterolog ; borehole ; surrounding rock ; mud invasion ; correction chart

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本文引用格式

冯进, 倪小威, 杨清, 管耀, 刘迪仁. 阵列侧向测井正演响应分析及环境因素快速校正方法研究. 物探与化探[J], 2019, 43(5): 1097-1104 doi:10.11720/wtyht.2019.0095

FENG Jin, NI Xiao-Wei, YANG Qing, GUAN Yao, LIU Di-Ren. Forward analysis of array laterolog and rapid correction of environmental factors. Geophysical and Geochemical Exploration[J], 2019, 43(5): 1097-1104 doi:10.11720/wtyht.2019.0095

0 引言

随着油气勘探开发的进行,油气藏评价日益趋向精细化^[1,2,3]。传统的双侧向测井只能提供两条纵向分辨率较低的视电阻率曲线,不能满足电阻率多参数精细反演和薄互层等复杂储层的评价需求,而阵列侧向测井在基本保持了双侧向径向探测能力的基础上,可以提供丰富的视电阻率曲线,很好地解决了双侧向测井的局限性,目前在国内外油田已逐步被推广应用^[4,5,6]。阵列侧向测井资料易受到环境因素的影响,不能真实反映地层真电阻率信息,需进行校正处理^[7,8,9]。但油田现场往往直接将探测深度最深的视电阻率曲线直接当做地层真电阻率来使用^[10],这样毫无疑问会造成含油饱和度计算出现偏差,甚至会造成油气层误判。所以,进行阵列侧向测井的环境因素校正是十分重要的,图版校正即为一种简便而有效的环境因素校正方法。

目前,针对阵列侧向测井的正演响应及环境因素校正研究已有了一定进展。仵杰等^[11]对阵列侧向测井在二维地层模型下的响应进行了研究;邓少贵等^[12]对斜井中的阵列侧向测井响应进行了正演模拟研究;刘振华等^[13]研究了阵列侧向测井的径向侵入特性、井眼效应和层厚影响;潘克家等^[14]研究了包含井眼、侵入带、围岩和目的层的轴对称地层模型中的阵列侧向测井正演响应;邓少贵等^[15]研究了煤层气储层中的阵列侧向测井响应,总结了响应规律;范宜仁等^[16]基于有限元方法,研究了阵列侧向测井在简化的二维非均匀介质模型下的正演响应;祝鹏等^[17]研究了大斜度井及水平井中的阵列侧向测井正演响应。调研可知,目前关于阵列侧向测井的正演响应研究较多,但未有文献提出明确的环境因素校正方法^[18]。EALT为2016年成功试产的新型阵列侧向测井仪器,且已在我国东部海域被广泛应用^[19],目前关于该阵列侧向测井仪器的正演及环境因素校正方法等方面的研究较少。

本文基于有限元数值模拟方法,研究了井眼、围岩、泥浆侵入对阵列侧向测井响应的影响,并进行了响应规律总结,绘制了井眼、围岩、泥浆侵入校正图版,同时对围岩校正图版进行非线性分段拟合,提出了快速校正方法,本文研究可对EALT仪器环境因素校正提供一定参考。

1 阵列侧向测井电极系结构及地层模型

阵列侧向测井仪器电极系结构如图1所示。电极系由主电极A₀,5对屏蔽电极(A₁ $A_{1}^{'}$ 、A₂ $A_{2}^{'}$ 、A₃ $A_{3}^{'}$ 、A₄ $A_{4}^{'}$ 、A₅ $A_{5}^{'}$ )和7对监督电极(M₁ $M_{1}^{'}$ 、M₂ $M_{2}^{'}$ 、M₃ $M_{3}^{'}$ 、M₄ $M_{4}^{'}$ 、M₅ $M_{5}^{'}$ 、M₆ $M_{6}^{'}$ 、M₇ $M_{7}^{'}$ ))组成,监督电极及屏蔽电极均以主电极为中心对称分布。设置不同的测量工作参数,获得4条视电阻率曲线,介绍如下。

图1

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图1 电极系结构

Fig.1 Electrode structure

MLR1:主电极A₀发射主电流,A₁、 $A_{1}^{'}$ 发射相同极性的屏蔽电流,充当屏蔽电极,A₂、 $A_{2}^{'}$ 、A₃、 $A_{3}^{'}$ 、A₄、 $A_{4}^{'}$ 充当回流电极,A₅、 $A_{5}^{'}$ 主电极不参与模式MLR1的工作。发射的主电流受到的屏蔽作用弱,流入地层不远即开始发散回流,探测深度最浅。MLR1的探测深度为9 in。

MLR2:主电极A₀发射主电流,A₁、 $A_{1}^{'}$ 、A₂、 $A_{2}^{'}$ 发射相同极性的屏蔽电流,充当屏蔽电极,A₃、 $A_{3}^{'}$ 、A₄、 $A_{4}^{'}$ 充当回流电极,A₅、 $A_{5}^{'}$ 主电极不参与模式MLR2的工作。由于屏蔽电极加长,对主电流的约束能力增强,探测深度有一定程度的变大。MLR2的探测深度为13 in。

MLR3:主电极A₀发射主电流,A₁、 $A_{1}^{'}$ 、A₂、 $A_{2}^{'}$ 、A₃、 $A_{3}^{'}$ 发射相同极性的屏蔽电流,充当屏蔽电极,A₄、 $A_{4}^{'}$ 充当回流电极,电极A₅、 $A_{5}^{'}$ 主电极不参与模式MLR3的工作。MLR2的探测深度为19 in。

MLR4:主电极A₀发射主电流,A₁、 $A_{1}^{'}$ 、A₂、 $A_{2}^{'}$ 、A₃、 $A_{3}^{'}$ 、A₄、 $A_{4}^{'}$ 发射相同极性的屏蔽电流,充当屏蔽电极,A₅、 $A_{5}^{'}$ 充当回流电极。由于屏蔽电极最长,对主电流的约束力度最大,主电流流入地层深部才开始发散,故探测深度最深。MLR4的探测深度为37 in。

构建三层层状介质模型,模型满足旋转轴对称特征,如图2所示。图中,R_t为地层电阻率,Ω·m;R_s为围岩电阻率,Ω·m;R_m为泥浆电阻率,Ω·m;R_x₀为侵入带电阻率,Ω·m;r_x₀为侵入带半径,in;d为井径,in;H为层厚,m。坐标系以仪器中心为原点,井轴方向为z轴,垂直井轴为ρ轴。

图2

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图2 地层模型

Fig.2 Formation model

2 阵列侧向测井有限元正演理论

阵列侧向测井正演响应可以用偏微分方程来描述^[20]:

(1)$\nabla\cdot\frac{\nabla\varphi}{R}=-\nabla\cdot\vec{J}$

式中:φ为待求电位函数;R为电阻率,Ω·m; $\vec{J}$ 为电流密度,A/m²。

实际正演研究区域为除去仪器部分的全部地层,对于满足旋转对称性的直井模型,式(1)可表达为:

(2)

\frac{\partial}{\partial ρ} (\frac{1}{R} \frac{\partial φ}{\partial ρ}) + ρ \frac{\partial}{\partial z} (\frac{1}{R} \frac{\partial φ}{\partial z}) = 0 。

根据EALT工作原理,对式(2)添加对应边界条件,形成相应的定解问题。构建出的对应泛函,将带边界条件的定解问题转换为泛函求极值问题^[21]:

(3)

\begin{array}{r} F & = \frac{1}{2} \underset{Ω}{\int \int \int} σ [{(\frac{\partial φ}{\partial ρ})}^{2} + {(\frac{\partial φ}{\partial z})}^{2}] d ρ d z - \sum_{E} I_{E} Φ_{E} \\ = Φ_{1} + Φ_{2}, \end{array}

其中:

(4)

Φ_{1} = \frac{1}{2} \underset{Ω}{\int \int \int} σ [{(\frac{\partial φ}{\partial ρ})}^{2} + {(\frac{\partial φ}{\partial z})}^{2}] d ρ d z,

(5)

Φ_{2} = - \sum_{E} I_{E} Φ_{E} 。

式中:I_E为电极E上的电流;Φ_E为电极E上的电位;Ω为仪器表面和无穷远边界所包围的整个空间。利用前线解法计算该极值问题即可得到EALT阵列侧向测井的响应。

3 正演响应特性分析及校正图版

3.1 井眼的影响及校正

井眼泥浆特性、井径大小均会对阵列侧向测井视电阻率产生较大影响,在实际资料处理过程中会进行井眼校正来消除井眼的影响。分别研究井径、井眼泥浆电阻率对阵列侧向测井正演响应的影响,图3a、图3b为正演计算结果。图3a计算参数设置:

图3

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图3 井眼的影响

a—井径的影响;b—泥浆电阻率的影响

Fig.3 Effect of boreholes

a—impact of boreholes; b—effect of mud resistivity

R_t为10 Ω·m,R_m为0.1 Ω·m,无围岩及侵入带存在。图3b计算参数设置:R_t为10 Ω·m,d为8 in,无围岩及侵入带存在。从图3a可以看出,阵列侧向正演响应在低阻泥浆条件下随着井径的增大而减小;保持泥浆电阻率不变,MLR1~MLR3当井径大于8 in后即受到明显影响,此时需要进行井眼校正处理,而探测深度最深的MLR4受井径变化影响较小。从图3b可以看出,保持井径不变,当R_t/R_m>1时,受泥浆电阻率影响较小;当R_t/R_m<1时视电阻率失真,即阵列侧向测井适用于高阻地层、低阻泥浆井。

基于以上正演分析,制作了阵列侧向测井响应井眼校正图版,如图4所示。井眼校正图版的横坐标为视电阻率与泥浆电阻率的比值,纵坐标为井眼校正系数R_t/R_a,图版的模数为井径。在利用该图版进行井眼校正时,校正点横坐标可由视电阻率资料与泥浆资料得到,图版模数可根据井径资料获得,即可在校正图版上唯一确定校正点坐标,提取纵坐标即可得到井眼校正系数。

图4

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图4 井眼校正图版

Fig.4 Well hole correction plate

3.2 围岩的影响及校正

由于阵列侧向测井电极系往往比目的层厚度更大,所以电极系发射的电流会不可避免地流入围岩中,即视电阻率中会有上下围岩的贡献,进行围岩校正可以使得真电阻率的求取更加准确。研究了层厚、围岩电阻率对阵列侧向测井响应的影响,结果如图5所示。图5a计算参数设置:R_t为40 Ω·m,R_m为0.1 Ω·m,d为8 in,R_s为5 Ω·m,无侵入带存在;图5b计算参数设置:R_t为40 Ω·m,R_m为0.1 Ω·m,d为8 in,H为0.3 m,无侵入带存在。从图5a可知, 保持围岩电阻率不变, 当H小于0.4 m 时,MLR1~MLR4随层厚剧烈变化,即对于薄互层地层来说,对电阻率测井资料进行围岩校正是必不可少的;MLR1、MLR2、MLR3分别当H为2 m、4 m、6 m时基本不受围岩影响,不需要进行围岩校正,而MLR4对于大多数地层情况(0<H≤10 m)都需要进行围岩校正处理。4条曲线随着层厚变化会出现“下凹平台”现象,一般来说,探测深度浅的模式“下凹平台”现象明显,探测深度深的模式“下凹平台”范围大。从图5b可知,保持层厚不变,围岩电阻率偏离地层电阻率越大,视电阻率失真越严重,但当R_t/R_s<200后围岩电阻率继续减小对仪器响应影响不大。

图5

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图5 围岩的影响

a—层厚的影响; b—围岩电阻率的影响

Fig.5 Effect of surrounding rocks

a—effect of thickness; b—effect of resistivity of surrounding rocks

基于以上分析,绘制围岩校正图版,如图6所示。在利用该图版进行围岩校正时,图版模数可以由视电阻率资料直接确定,横坐标可以由分层数据确定,即可以唯一确定校正点坐标,提取纵坐标即可获得围岩校正系数,实现围岩校正。

图6

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图6 围岩校正图版

Fig.6 Calibration of surrounding rock

由于围岩校正图版较复杂,曲线变化趋势变化较大,采用图版插值法时如要保证精度,需进行分区插值,比较繁琐。在此将围岩校正图版进行数字化,将数字化结果进行非线性拟合,针对不同的围岩条件形成不同的围岩校正公式,这样可大大简化围岩校正工作的复杂性。以MLR1为例。当H分布在0.1~0.4 m之间时,设围岩校正公式为:

(6)

R_{a} / R_{t} = a_{1} \cdot H^{3} + a_{2} \cdot H^{2} + a_{3} \cdot H + a_{4};

当H分布在0.4 m~1 m之间时,校正公式为:

(7)

R_{a} / R_{t} = a_{1} \cdot H^{4} + a_{2} \cdot H^{3} + a_{3} \cdot H^{2} + a_{4} \cdot H^{1} + a_{5};

当H分布在1 m~2 m之间时,校正公式为:

(8)

R_{a} / R_{t} = a_{1} \cdot H + a_{2} 。

表1~表3给出了校正公式中的系数。

表1 MLR1围岩校正系数(0.1 m≤H≤0.4 m)

Table 1 MLR1 correction coefficient table for surrounding rocks(0.1 m≤H≤0.4 m)

R_t/R_s	0.1	0.2	0.5	2	4	6	10	20	50
a₁	-75.74	-35.00	-1.42	-14.32	-23.43	-19.44	-5.69	16.28	28.54
a₂	85.29	44.01	6.73	9.42	18.53	17.66	9.94	-4.43	-14.15
a₃	-33.00	-18.80	-4.66	-0.56	-2.53	-2.75	-1.70	0.71	2.48
a₄	5.70	3.91	1.95	0.56	0.41	0.34	0.21	0.03	-0.11
R²	0.98	0.97	0.99	1	0.96	0.99	0.97	0.99	1

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表2 MLR1围岩校正系数(0.4 m≤H≤1 m)

Table 2 MLR1 correction coefficient table for surrounding rocks(0.4 m≤H≤1 m)

R_t/R_s	0.1	0.2	0.5	2	4	6	10	20	50
a₁	10.07	5.29	1.76	-2.28	-6.46	-10.35	-17.21	-29.20	-41.71
a₂	-29.26	-15.38	-5.11	6.62	18.87	30.30	50.49	85.97	124.10
a₃	29.83	15.68	5.23	-6.95	-20.08	-32.40	-54.24	-92.93	-136.10
a₄	-12.29	-6.42	-2.17	3.10	-9.19	14.97	25.28	43.73	65.31
a₅	3.05	2.10	1.38	0.44	-0.64	-1.66	-3.46	-6.73	-10.77
R²	0.99	0.97	0.95	0.98	0.97	0.96	0.99	1	0.99

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表3 MLR1围岩校正系数表(1 m≤H≤2 m)

Table 3 MLR1 correction coefficient table for surrounding rocks (1 m≤H≤2 m)

R_t/R_s	0.1	0.2	0.5	2	4	6	10	20	50
a₁	-2.32	-3.74	-10.81	13.79	8.83	7.81	7.08	6.60	6.28
a₂	4.32	5.74	12.81	-11.79	-6.83	-5.81	-5.08	-4.60	-4.28
R²	1	1	1	1	1	1	1	1	1

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3.3 泥浆侵入的影响及校正

泥浆侵入目的层会破坏井周介质原始电阻率特性,导致仪器测量结果不能真实反映储层电阻率信息,在实际资料处理过程中要进行图版校正或者反演处理来消除泥浆侵入的影响。分别研究了侵入带半径、侵入带电阻率对阵列侧向测井响应的影响,图7a、图7b为数值计算结果。图7a计算参数设置:R_t为20 Ω·m,R_m为0.1 Ω·m,d为8 in,R_xo为2 Ω·m。图7b计算参数设置:R_t为20 Ω·m,R_m为0.1 Ω·m,d为8 in,r_xo为10 in。从图7a可以看出,当保持侵入带电阻率不变时,随着侵入带半径的增大阵列侧向测井视电阻率均开始偏离原始地层电阻率,接近侵入带电阻率。MLR1~MLR3在r_xo小于30 in时随r_xo剧烈变化,且当r_xo大于60 in后MLR1~MLR3基本等于侵入带电阻率,此结论可为后期反演提供约束条件。从图7b可以看出,保持侵入深度不变,侵入带电阻率与地层电阻率差异越大,视电阻率失真越严重,当R_t/R_i分别达到5、10、100后,MLR1~MLR3失真程度达到50%以上。

图7

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图7 泥浆侵入的影响

a—侵入半径的影响;b—侵入带电阻率的影响

Fig.7 Effect of mud intrusion

a—impact of intrusion radius; b—impact of intrusive zone resistivity

基于以上分析制作了泥浆侵入校正图版,如图8所示,利用该图版可实现泥浆侵入校正。在利用该图版进行校正时,需将微球型聚焦测井或邻近侧向测井视电阻率近似当做冲洗带电阻率,利用MLR1、MLR4进行插值,可以获取侵入带半径以及地层真电阻率。该方法操作简单,但资料利用率不高且图版覆盖地层条件有限。在泥浆侵入不深的情况下可以利用该图版进行校正,但针对侵入情况较复杂的地层,进行电阻率多参数反演是消除泥浆侵入影响的最有效的手段。

图8

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图8 泥浆侵入校正图版

Fig.8 Mud intrusion correction plate

4 结论

基于有限元数值模拟方法,研究了井眼、围岩、泥浆侵入对阵列侧向测井响应的影响,并制作了环境因素校正图版,得出了以下结论:

1) MLR1、MLR2、MLR3受井眼影响较大,当井径大于8 in后即需要进行井眼校正,MLR4受井径影响较小;阵列侧向测井仪器适用于高阻地层、低阻泥浆井。

2) 当层厚小于0.4 m时,MLR1—MLR4随层厚剧烈变化;当 MLR1、MLR2、MLR3的层厚分别达到2 m、4 m、6 m时基本不受围岩影响;MLR4几乎对于所有地层(0<H≤10 m)都需要进行围岩校正。围岩电阻率与地层电阻率相差越大,电阻率失真越严重。

3) MLR1—MLR3在r_xo小于30 in时随r_xo剧烈变化,且当r_xo大于60 in后MLR1~MLR3基本等于侵入带电阻率;侵入带电阻率与地层电阻率差异越大,视电阻率失真越严重,当R_t/R_xo分别达到5、10、100后,MLR1—MLR3失真程度达到50%以上。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

杨博, 潘懋, 侯晓琳 .

岩性折剖面自识别可视化算法在安塞油田的应用

[J]. 特种油气藏, 2017,24(4):98-100.