三維感應測井電阻率各向異性在儲層流體識別中的應用

趙毅,章海寧,朱涵斌,李戈理,白彥,董元媛

(1.中國石油集團測井有限公司地質研究院,陜西西安710077;2.中國石油天然氣集團有限公司測井重點實驗室,陜西西安710077;3.中國石油集團測井有限公司測井技術研究院,陜西西安710077;4.中國石油天然氣集團有限公司測井技術試驗基地,陜西西安710077)

0 引 言

各向異性是指物質的全部或部分化學、物理等性質隨著方向的改變而有所變化,在不同的方向上呈現出差異的性質[1-2],各向異性是地層常見的性質。電阻率各向異性主要指電阻率在地下介質中各個方向上的不同,電阻率各向異性由電阻率各向異性系數(Anisotropy of Electrical Resistivity,AER)量化表征。電阻率各向異性系數是指垂直于地層方向測得的電阻率與平行于地層方向測得的電阻率比值的平方根,它的值常在1與2之間。

當前研究成果表明[3-6],造成地層電阻率各向異性的主要因素:①砂泥巖交互層、裂縫型地層,由于其獨特的地層結構以及不同巖性電阻率的較大差異使得該類儲層在宏觀特性上表現出較強的各向異性;②儲層中流體影響,尤其是混相流體作為儲層內導電路徑時,在不同方向電場條件下呈現較強的電阻率各向異性。由于前期缺乏可直接計算地層電阻率各向異性系數的測井資料,電阻率各向異性系數在儲層流體識別方面的研究相對較少。

三維感應測井儀器能同時測量出地層垂直、水平方向電阻率[7],能直接計算地層電阻率各向異性系數,為識別儲層流體性質提供了一種新方法。本文通過分析三維感應電阻率測井儀器在砂泥巖類儲層中實測電阻率響應特點,采用水平電阻率、垂直電阻率測井值計算電阻率各向異性系數,結合其他常規測井曲線識別儲層流體性質,經過試油驗證,本方法取得了較好的應用效果。

1 電阻率各向異性影響因素分析

1.1 巖性影響因素分析

1.1.1物理模型分析

前人研究表明,在薄互層發育的層狀巖石中,由于巖石內部顆粒結構、泥質和砂質組分的電性差異、層理特征等造成其電學、力學和滲流特征在平行層理方向和垂直層理方向存在明顯差異,即表現為各向異性[8-9]。平行于層理的真電阻率與垂直于層理的真電阻率存在較大差異,這是由兩種方向導電路徑不同、對應的電阻物理模型不同導致。假設巖石只有砂巖與泥巖以薄互層的形式組合,測量電阻率時存在著圖1所示的物理模型場景,該場景中包含水平方向(藍色)與垂直方向兩種電阻率(紅色)。

圖1場景中,水平電阻率對應并聯電阻等效電路,垂直電阻率對應串聯電阻等效電路。在該物理模型下,對應的電阻值計算如式(1)、式(2)[10]所示。

(1)

Rv=Vsand×Rsand+Vshale×Rshale

(2)

式中,Rh為水平電阻率,Ω·m;Rv為垂直電阻率,Ω·m;Rsand為砂巖電阻率,Ω·m;Rshale為泥巖電阻率,Ω·m;Vsand為純砂巖體積含量,小數;Vshale為純泥巖體積含量,小數。

假設薄互層模型中泥巖電阻率均為1 Ω·m,砂巖電阻率分別為10 Ω·m和100 Ω·m時,代入式(1)、式(2)求得兩種測量模式對應的電阻率值(見表1)。從表1可以看出,隨著砂巖成分增加,水平電阻率只是略微增大,但垂直電阻率明顯增大。由于水平電阻率與垂直電阻率對應不同的電路模型,垂直電阻率更能反映高電阻率成分,對于砂泥薄互層,垂直電阻率值能更好地反映砂巖層的電阻率響應特征。物理模擬結果表明,在砂泥薄互層中隨著砂巖成分增加,水平與垂直電阻率存在較明顯差異,其他碎屑巖儲層巖性類推此結論。

1.1.2實驗樣品分析

對5口取心井的19塊(長寬高均為3 cm的方塊)巖樣進行電阻率各向異性測試。其中頁巖12塊、泥質粉砂巖3塊、含灰泥巖2塊、泥質云巖1塊、石灰巖1塊,主要巖性為頁巖,其巖樣層理特征較為明顯。實驗中分別對干樣、飽和水巖樣測試水平X方向與Y方向、垂直Z方向(見圖2)的電阻數據。

干樣實驗前不做洗油洗鹽處理,能較真實地反應地層巖石本身導電情況。干樣水平電阻率值分布在7 519.0～53 967.6 Ω·m,垂直電阻率值分布在18 701.6～75 868.8 Ω·m。干樣垂直方向與水平方向電阻率各向異性系數分布在0.9～1.7,平均值為1.4。干樣水平X方向與Y方向電阻率各向異性系數分布在0.9～1.6,平均值為1.1。干樣水平方向電阻率各向異性系數接近1,表明水平方向呈現各向同性特征;垂直方向與水平方向電阻率各向異性系數平均值為1.4,說明垂直方向與水平方向存在較明顯的電阻率各向異性。

表1 等效各向異性地層物理模型電阻率響應理論值

圖2 電阻率測量實驗方向示意圖

按巖性分別統計實驗干樣的垂直方向與水平方向電阻率各向異性系數。從平均值看石灰巖的電阻率各向異性系數最高,為1.63,含灰泥巖和頁巖的電阻率方向異性系數分別為1.44和1.43;泥質云巖的電阻率各向異性系數最低,僅為0.95。而頁巖樣品電阻率各向異性系數在0.91～1.73,其中電阻率各向異性系數最高值為1.73的頁巖,其巖心分析的巖性描述結論為紋層狀頁巖。分析認為,巖石的層理結構越發育,電阻率各向異性系數越大;反之,巖性越均一的儲層電阻率各向異性系數越小。

1.2 流體影響因素分析

飽和水巖樣更多反應流體導電性。飽和水巖樣水平電阻率分布在4.6～328.1 Ω·m,垂直電阻率分布在42.3～935.4 Ω·m。飽和水巖樣垂直方向與水平方向電阻率各向異性系數分布在1.2～3.2,平均值為2.4。飽和水巖樣水平X與Y方向電阻率各向異性系數分布在0.7～1.1,平均值為1.0。飽和水巖樣電阻率受流體導電影響較大,在水平方向電阻率各向異性系數平均值為1.0,呈現各向同性特征,在垂直方向與水平方向電阻率各向異性系數平均值達2.4,呈現明顯的各向異性特征。

圖3 干樣、飽和水巖樣垂直與水平方向電阻率各向異性系數折線圖

圖3是實驗測得的干樣、飽和水巖樣的垂直與水平方向電阻率各向異性系數折線圖。干樣的垂直與水平方向電阻率各向異性系數明顯低于飽和水巖樣的垂直與水平方向電阻率各向異性系數。徐波等[11]在巖心實驗中也獲得過類似的結果。實驗數據表明,隨著導電流體充注在巖樣儲集空間中,巖樣垂直與水平方向電阻率各向異性系數呈加大的趨勢,流體提供的導電路徑在不同方向上呈現較強的電阻率各向異性特征。據此,對油氣儲層做出如下推測:純油層、氣層由于流體電阻率很大,充注在儲層中不能形成有效導電路徑,垂直與水平方向電阻率各向異性系數應是低值;含水儲層隨著導電的水增多、導電路徑增多,電阻率各向異性系數逐漸增大。下文討論的各向異性均指垂直方向與水平方向各向異性。

2 典型流體三維感應電阻率響應特征

2.1 三維感應電阻率識別流體的優勢

高電阻率是油氣層的重要特征,但在測井過程中,砂泥巖薄互層和裂縫性油氣層往往表現為較低的電阻率測井值[12-13]。這是因為常規感應類測井測量的是儲層水平方向電阻率,水平方向電阻率模型類似并聯電路模型,砂泥巖薄互層和裂縫性油氣層中的低電阻率成分會大幅度降低儲層整體電阻率測井值。使用常規感應電阻率測井曲線解釋時容易低估儲層真實電阻率,漏掉水平方向較低電阻率值的泥質砂巖產層。

圖4 J1井典型流體響應特征*非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

三維感應測井資料能同時測得儲層垂直方向與水平方向的電阻率,垂直方向電阻率模型類似串聯電路模型,砂泥巖薄互層和裂縫性油氣層中、高電阻率砂巖及油氣等成分在垂直方向電阻率曲線中能得到較好的體現,呈現出較高電阻率的特征。在砂泥巖薄互層條件下三維感應曲線數值受巖性變化影響較大,表現為水平方向較低電阻率值、垂直方向較高電阻率值,兩者之間存在一定的電阻率各向異性。但在儲層巖性相對較純的條件下,垂直方向與水平方向電阻率數值的差異更多是由不同流體性質帶來的:①當流體性質相對單一時,水平方向電阻率與垂直方向電阻率曲線值接近,呈現較弱的電阻率各向異性;②當流體性質相對復雜、儲層中存在不同流體時,三維感應水平方向電阻率曲線值降低較多,垂直方向電阻率曲線值降低相對少,水平方向與垂直方向電阻率曲線呈現比較明顯的差異,此時表現為較強的電阻率各向異性。通過分析這種差異可對儲層中流體是屬于單一流體還是多相流體進行判斷,識別流體性質。在研究中,采用三維感應垂直電阻率與水平電阻率對比,結合其他常規曲線對儲層流體性質進行判別,通過對儲層巖性為砂泥巖的12口直井進行應用,此方法可以有效識別儲層流體性質。

2.2 典型流體響應特征

(1)典型油層。圖4中J1井23號層為比較典型的油層響應特征,陣列感應電阻率曲線呈現低阻侵入特征,陣列感應電阻率曲線、水平電阻率曲線、垂直電阻率曲線呈現形態飽滿的高值特征。23號層中上部分自然伽馬較高,指示儲層含有一定的泥質成分,低電阻率的泥質成分拉低了水平方向整體電阻率,使得層內該部位水平方向電阻率明顯小于垂直方向電阻率;23號層中下部位自然伽馬較低,巖性較純,垂直電阻率和水平電阻率數值相當,電阻率各向異性較弱,流體性質比較單一。類似23號層中下部位,巖性較純時水平電阻率曲線與垂直電阻率曲線呈現形態飽滿的高值,電阻率各向異性較弱,這樣的響應特征是試驗井中比較常見的油層響應特征。

(2)典型油水同層。典型油水同層的陣列感應電阻率略低,但其值高于水層,陣列感應電阻率曲線往往呈現局部凹陷形態;水平電阻率曲線、垂直電阻率曲線也呈現局部凹陷特征。當自然伽馬曲線較平直、巖性較純時,垂直電阻率明顯大于水平電阻率;相較于水層,典型油水同層的垂直電阻率與水平電阻率曲線的差異更大。

(3)典型水層。圖4中J1井33號層為典型水層,其陣列感應電阻率明顯低于23號油層。33號層陣列感應電阻率曲線、三維感應電阻率曲線形態凹陷,呈現低值特征。33號層中下部位自然伽馬值低,巖性較純,垂直電阻率和水平電阻率數值相當,只有微弱差異,表明該層流體性質較單一,該段電阻率曲線更多反映流體的響應特征。

(4)典型干層。試驗井中有兩種比較典型的干層,即致密型、高泥質型干層。圖4中22號層屬于比較典型的致密型干層,陣列感應電阻率曲線、垂直電阻率曲線、水平電阻率曲線通常呈高值特征,不同探測深度電阻率接近,垂直和水平電阻率數值相當,電阻率各向異性不明顯。高泥質型干層電阻率略低,受低電阻率泥巖成分影響,水平電阻率通常小于垂直電阻率,呈現比較強的電阻率各向異性。

3 電阻率各向異性在流體識別中的應用

3.1 電阻率各向異性的流體識別方法

通過分析砂泥巖儲層條件下三維感應電阻率響應特征,利用垂直方向電阻率與水平方向電阻率數值計算電阻率各向異性系數,以電阻率各向異性系數作為輔助流體識別的曲線,形成了基于電阻率各向異性的流體識別方法。通過現場驗證,當巖性較純的砂巖儲層電阻率各向異性系數大于1.1時,層內往往存在多相流體。因此,對電阻率各向異性系數曲線以1.1為界限進行曲線充填,當電阻率各向異性系數大于1.1時,首先判斷是否為巖性變化導致的各向異性系數增大,若不是,則判斷該層內流體性質復雜、存在多相流體,此時再結合常規測井曲線,可識別流體性質。該方法已在砂泥巖類儲層中12口井共57個儲層層段進行驗證,其中52個層段解釋結論與試油結論吻合,符合率達91.2%?，F場試驗表明,三維感應電阻率各向異性流體識別方法在砂泥巖類儲層中應用效果較好。反過來,也間接證明了在巖性較純的砂巖層段,電阻率各向異性更多地反映流體性質差異。

3.2 典型流體識別效果

(1)典型油層。運用三維感應測井垂直電阻率、水平電阻率計算電阻率各向異性系數。如圖5所示,J2井20、21號層巖性較純,各向異性系數低于1.1,接近1,表明儲層流體單一,結合其他測井曲線特征識別為油層,試油后日產純油5.496 t。

圖5 J2井電阻率各向異性系數油層識別效果圖

(2)典型油水同層。如圖6所示,J3井4號層電阻率各向異性系數局部較高,1 402.5 m位置自然伽馬最低,但電阻率各向異性系數達1.3,表明層內有多種流體。結合陣列感應電阻率整體較高,但其形態略帶凹陷的特征,識別為油水同層;3號層巖性相對較致密,5號層泥質含量相對更高,3、5號層的電阻率各向異性系數符合干層特征?，F場對3、4、5號層同時射孔,試油后日產油0.048 t,4號層試油結論為低產油水同層。

(3)典型水層。如圖7所示,J4井15號層巖性較純,垂直、水平電阻率接近,電阻率各向異性系數接近1,較低的電阻率各向異性系數表明層內流體單一。結合陣列感應電阻率整體較低,其形態略帶凹陷的特征,判斷為水層?，F場試油后日產水0.84 t,試油結論為水層。

(4)典型干層。如圖8所示,J5井67、69號層泥質含量較高,層內巖性最純的位置垂直電阻率與水平電阻率接近,其他位置受泥質增多影響,其垂直電阻率大于水平電阻率。相對層內巖性單一位置,其他位置的電阻率各向異性系數更高,電阻率各向異性系數更多反應的是巖性的特征。結合陣列感應電阻率曲線、三孔隙度曲線特征,判斷為干層,現場試油后只見油花,試油結論為干層。

圖6 J3井電阻率各向異性系數油水同層識別效果圖

圖7 J4井電阻率各向異性系數水層識別效果圖

圖8 J5井電阻率各向異性系數干層識別效果圖

4 結 論

(1)儲層垂直、水平電阻率各向異性是儲層內部巖性與流體的綜合反應,巖性類型和流體性質均為電阻率各向異性的影響因素。

(2)巖性越復雜、巖石的層理結構越發育,電阻率各向異性系數越大;反之,巖性越純越均一的儲層,其電阻率各向異性系數越小。

(3)在應用三維感應水平電阻率、垂直電阻率差異進行流體識別時,要優先結合其他常規測井曲線區分造成電阻率各向異性的主要因素,判斷是由儲層巖性變化還是流體性質變化導致的電阻率差異。

(4)巖性相對均一的情況下,儲層內流體性質越復雜,三維感應垂直電阻率與水平電阻率差異越大,垂直、水平電阻率各向異性系數越大;反之,儲層流體性質越單一,垂直電阻率與水平電阻率越接近,垂直、水平電阻率各向異性系數越小。三維感應測井的垂直、水平電阻率各向異性系數,可作為流體識別的有效指標。