介电扫描测井技术在长庆油田的应用

程玉梅，张小刚，魏国

（1.中国石油长庆油田公司勘探部，陕西西安710018；2.斯伦贝谢中国公司，北京100015）

介电扫描测井技术在长庆油田的应用

程玉梅1，张小刚1，魏国2

（1.中国石油长庆油田公司勘探部，陕西西安710018；2.斯伦贝谢中国公司，北京100015）

低孔隙度低渗透率的储层中孔隙结构比较复杂，地层水矿化度未知，利用电阻率区分流体性质困难。介电扫描测井仪器采用铰接式极板，有4种不同的频率，具有不同的探测深度，最深可达到4in，能够测量地层介电常数。油气和水的介电常数差异很大，介电扫描测井通过反演得到的介电常数计算侵入带内的含水孔隙度，与常规测井或核磁共振测井得到的总孔隙度对比得到侵入带内的油气饱和度。介电扫描测井技术除可以得到地层的含水孔隙度外，同时能得到反映岩石结构的参数m、n或者阳离子交换能力。介绍介电扫描测井的基本方法、工作原理和应用。对长庆油田介电扫描测井实例进行了分析，测井解释结果与试油结论一致。

测井解释；介电扫描测井；介电常数；储层评价；流体性质；长庆油田

0 引 言

20世纪80年代引入的介电测量技术因测量的限制、精度一般及质量控制的缺乏，未能广泛应用［1］。新一代的介电扫描测井仪克服了这些局限性，可用于精确地层评价。在低孔隙度低渗透率的储层中，利用电阻率区分流体性质有很大的局限性，介电扫描测井利用油气和水的介电常数差异大的特性区分流体类型具有独特的优势。自2008年斯伦贝谢公司推出介电扫描测井以来，国外在不同类型的储层中都进行了大量的采集。本文在介绍介电扫描测井方法的基础上，分析了介电扫描测井在长庆油田测井解释中的尝试，并给出了初步的应用结论。

1 介电扫描测井技术

介电扫描测井测量地层的介电常数。介电常数是物质的基本物理属性，介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场（真空中）与最终介质中电场的比值即为介电常数，又称相对电容率。在真空中电磁波从发射器到接收器，信号的幅度和相位没有任何变化。但如果同样的电磁波在介质中传播，信号的相位和幅度都会发生变化，这些变化与发射器到接收器的距离和其中的介质有关（见图1）。在高频段，信号幅度的变化主要与介质的电导率有关而相位的变化与介质的介电常数有关［2］。

图1 电磁波的传播

介电属性可以和岩石物理参数联系起来，在介电扫描测井的频率范围内，导致介电极化的因素主要有3种（见图2）。第1种称为电子极化，在没有外加电磁场时，电子云和原子核的电荷中心重合，对外显示不出极化特性，当施加一外加电场时，原子中的电子云和原子核的等效电荷中心不再重合，从而形成电偶极矩。不同的流体和矿物其介电常数是已知的，比如油的介电常数为2.2，石英的介电常数为4.65。第2种是取向极化，对于一些极性分子由于结构上的不对称而具有固有电矩，比如水分子中有2个氢原子和1个氧原子，在无外加电场时，由于热运动，这些分子的取向完全是无规律的，电介质在宏观上不显示电性。在外电场的作用下，每个分子的电矩受到电场的力矩作用，趋于同外加电场平行，即趋于有序化从而对外呈现出电矩，水的介电常数可高达80，相比油气和岩石高出1个数量级。第3种主要的极化机理叫做界面极化。由于电介质组分的不均匀性以及其他不完整性，例如杂质、缺陷的存在等，电介质中少量自由电荷停留在俘获中心或介质不均匀的分界面上而不能相互中和，形成空间电荷层，从而改变空间的电场。从效果上相当于增强电介质的介电性能。

图2 3种主要的极化机理

总的介电常数是一个复函数，其实部为相对介电常数，虚部为电导率、电磁波频率的函数。在高频段，比如介电扫描的最高频率1GHz时，可以用复反射指数模型（CRIM）描述这种叠加［3］。

式中，ε＊为总的有效介电常数；εr为相对介电常数；σ为电导率；ω为电磁波的频率；ε0为真空中的介电常数；φT为总孔隙度；Sw为含水饱和度；εo为油气的介电常数；εm为岩石骨架的介电常数为水的介电常数，是温度、矿化度和压力的函数。

式（1）、式（2）是老一代介电测井仪器求取含水饱和度的关系式。骨架部分的介电常数由常规测井曲线得到的矿物模型提供，然后假定水的介电常数，孔隙度可以通过密度、中子或者核磁共振测井提供，油的介电常数是已知的，如此就可以得到介电测井探测范围内含水的孔隙度也就是φT与Sw的乘积。

实际上介电常数和电导率都是频散的，即其值随着频率的不同而变化。如图3所示介电常数随着频率的升高而降低，电导率随频率升高而增大。导致频散的原因包括孔隙度、含水饱和度、水的矿化度、温度、岩石结构和岩石表面积等。新一代的介电扫描测井仪器可以测量这一频散，然后通过反演得到地层水的矿化度、反映岩石结构的参数等。

介电常数可以用式（3）表示

式中，Btexture表示岩石结构参数。

图3 介电常数和电导率的频散

目前已经有多种不同的模型分析岩石骨架、流体的组合形式及其对频散的影响［4］。因此通过该模型除了可以得到地层的含水孔隙度外，同时能得到反映岩石结构的参数m、n或者阳离子交换能力［5－6］。

2 介电扫描测井仪

新一代介电扫描测井仪采用了全铰接式极板，可确保极板与地层很好接触。铰接式极板是圆柱形，天线设计成磁偶极子，通过井径仪推靠臂将极板推向地层，使发射器和接收器紧帖到井壁上。仪器具有2个偶极子发射器（TA，TB）位于极板中间，在其两侧对称分布有4对磁偶极子接收器（RA1－RA4，RB1－RB4），同时还有2个电子探头（PA，PB），用于测量泥饼的物理特性。仪器的极板结构如图4所示，2个发射器和8个接收器中的每一个都可以在纵向和横向模式极化下工作。介电扫描有4个不连续的工作频率，其频率范围从20MHz到1GHz，每个测量周期包括72个幅度测量和72个相位测量，通过多组发射器－接收器组合进行井眼补偿。其探测深度与发射频率、发射器－接收器间距与地层特性有关，其范围在1～4in＊＊非法定计量单位，1in＝25.4mm；1mD＝0.98×10－4μm2，下同之间，纵向的分辨率可高达1in。介电扫描测井仪的主要优点：采用了铰接式极板；有4种不同的频率，能够探测电子极化、取向极化和界面极化机理；发射器和接收器都是偶极子探头，能够测量地层的各向异性信息；4种不同的发射器－接收器源距；具有不同的探测深度，最深可达到4in；具有专用的处理软件简化了资料的处理解释。

介电扫描测井仪的主要应用：①在低矿化度地层水、淡水和地层水矿化度未知的储层中提供侵入带的含油气饱和度；②在碳酸盐岩储层中提供孔隙结构指数m、n；③在砂岩地层中计算地层的阳离子交换能力CEC；④在稠油油藏中提供关于油流动能力的信息。

图4 介电扫描测井仪探头结构

3 介电扫描测井的应用

图5 A井延9段常规测井解释综合图

A井为长庆油田的1口油探井。图5为延9段的测井解释综合图，2 025.5～2 040.2m井段为一较厚的砂体，该砂体的电阻率自上而下逐渐降低，在2 038.0～2 039.0m井段阵列感应探测深度90in的电阻率小于2Ω·m，10in探测深度的电阻率为6Ω·m，呈明显的高侵特征，电阻率曲线内凹的形态明显，声波时差为270μs／m，密度为2.43g／cm3，中子孔隙度为24%，测井解释的孔隙度为16%，录井显示很微弱，测井解释下段为水层。2 029.0～2 032.5m井段电阻率相比下部而言高，但也是高侵的特征，流体性质不好解释，常规测井把上段解释为干层和水层。图6为A井延9段介电扫描测井的处理成果图。图6中第1道是不同频率的介电常数（左侧）和电导率（右侧），可以看到介电常数与下部相比稍小而电导率稍低。第2道黑色曲线为常规曲线计算的总孔隙度，深兰色虚线为介电测井扫描得到的含水孔隙度，二者的差异代表油的体积，2 029.0～ 2 032.0m井段的差异明显，而下部砂层段则基本重合。第3道为介电扫描测井得到的含油饱和度。可以看到2 029.0～2 032.5m井段介电扫描测井得到的含油饱和度超过40%，而下部砂层为0，因此解释上部为油层。对2 029.0～2 031.0m井段射孔，初产油6.04t／d，说明介电扫描测井结果正确。

图7是A井长82段测井解释综合图。2 610.0～2 625.0m井段是相对比较均质的砂体。该段的声波时差为240μs／m，密度为2.42g／cm3，中子孔隙度为20%，探测深度90in的深感应电阻率为20Ω·m，探测深度10in的感应电阻率为30Ω·m。其他探测深度的感应电阻率与90in的重合，岩心分析孔隙度为14%，渗透率为1mD，含油饱和度为20%。2 613.0～2 625.5m井段进行了钻井取心，取心描述含油级别为油斑和油迹，局部无油气显示，说明含油并不均匀，常规测井解释为油层。图8为A井长82段介电扫描测井的处理成果图。从介电扫描测井得到的含油饱和度（左数第3道）可看到含油饱和度在纵向上变化较大，高的可超过40%，低的为0，对比该饱和度曲线和岩心的含油性描述可发现二者具有很好的一致性，取心描述为油斑，介电扫描测井的饱和度为40%左右，比如2 616.0～2 621.5m井段，取心描述无显示的层段比如2 622.5～2 624.5m，介电扫描得到的含油饱和度也很低，除局部有些高尖子外多为0。由此可见介电扫描测井与岩心的对应性很好，并且具有很高的纵向分辨率。该段试油日产油33.66t，无水，结论与介电扫描测井解释结果一致。

图8 A井长82介电扫描处理成果图

4 结论与建议

介电扫描测井在设计上具有明显的理论优势。该技术能够很好地解决复杂储层、地层水矿化度未知情况下流体识别的问题。同时仪器具有很高的纵向分辨率，这对于储层内部结构特征的精细刻画是非常有利的。

介电扫描测井的最大探测深度为4in，在泥浆侵入较深的情况下得到的都是侵入带的油气饱和度，因此还需要结合其他测井资料进行测井解释。新一代介电扫描测井技术在国内的应用刚刚展开，相信随着采集井数的增多，其价值将逐步体现出来。

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［2］ Jonathan M，Shyam A.Wireline Dielectric Measurements Make a Comeback：Applications in Oman for a New Generation Dielectric Log Measurement［C］∥SPWLA 51st Annual Logging Symposium，2010.

［3］ Wharton R P，Hazen G A，Rau R N，et al.Electromagnetic Propagation：Advances in Technique and Interpretation［C］∥SPE 9267，1980.

［4］ Romulo C，Eric D，Jim H.Dielectric Logging New Technology and Application［J］.Oilfield Review，2011，Spring.

［5］ Seleznev N.Dielectric Mixing Laws for Fully and Partially Saturated Carbonate Rocks［C］∥SPWLA 45th，Annual Logging Symposium，2004.

［6］ Seleznev N.Formation Properties Derived from Multifrequency Dielectric Measurement［C］∥SPWLA 47th，Annual Logging Symposium，2006.

Application of Dielectric Scanner Logging in Changqing Oilfield

CHENG Yumei1，ZHANG Xiaogang1，WEI Guo2
（1.Exploration Department，PetroChina Changqing Oilfield Company，Xi’an，Shaanxi 710018，China；2.Schlumberger China，Beijing 100015，China）

It is difficult to determine fluid types in low porosity and permeability reservoirs with very complex pore sizes and unknown water salinity.Dielectric scanner logging tool uses gemel poles with 4kinds of frequencies，and has different probing depths with 4in deepest depth，and can measure formation permittivity.Permittivity difference of hydrocarbon and water is bigger.Water porosity of the invaded zone is estimated through the permittivity by inversion，then hydrocarbon saturation is got by comparing the total porosity from conventional log or NMR log.Dielectric scanner logging technology not only acquires formation water porosity，but also get m，n reflecting rock structure and cation exchange capacity.Introduced are the basic method，the principle and application of dielectric scanner logging.Analyzed are cases of dielectric scanner logging in Changqing oilfield，and the interpretation results agree well with testing results.

log interpretation，dielectric scanner logging，permittivity，reservoir evaluation，fluid property，Changqing oilfield

P631.84

A

2012－03－26 本文编辑 余迎）

1004－1338（2012）03－0277－05

程玉梅，女，1965年生，高级工程师，从事测井新技术应用研究与管理工作。