阵列感应测井在廊固凹陷W10断块沙四下储层中的侵入特征

薛辉, 窦连彬, 吕亚辉, 齐秋红, 焦素丽, 王津津

(中国石油华北油田公司地球物理勘探研究院, 河北 任丘 062552)

0 引 言

泥浆侵入到渗透性地层中,将会改变储层中原有的流体性质及分布,致使储层径向电阻率发生不均匀变化。一般认为,径向电阻率变化为简单的台阶状模型。实际上,泥浆侵入地层是一个复杂的物理过程,侵入剖面不光是非台阶状[1-3],而且还呈渐变形态。考虑到侵入时间、泥浆性质和岩石物理特征等条件的影响,侵入剖面变化更加复杂,常规电阻率曲线无法有效反映泥浆侵入导致地层径向电阻率变化[4]。根据阵列感应测井特点,林纯增等[5]认为,可以依据多条探测深度的电阻率曲线分析地层径向电阻率变化。关于低电阻率环带形成,前人做过很多研究,任书俊等[6]认为是同油水两相渗透率密切相关,张建华等[3]通过时间推移模拟认为低电阻率环带形成还跟侵入时间有关系,但对于高电阻率环带的形成,国内外的研究资料相对较少。

通过分析研究区阵列感应测井特征发现,由于淡水泥浆的侵入,廊固凹陷W10区块沙四下储层阵列感应测井曲线不仅出现正差异、负差异,还出现低电阻率环带、高电阻率环带特征。单纯依据正(负)差异划分油(水)层很容易造成漏判甚至错判。本文通过对泥浆侵入的机理分析,用数值模拟方法分析引起地层电阻率变化的因素,分析低电阻率环带和高电阻率环带的形成原因及特征,采用差异累计法判断储层流体性质,为后期二次解释提供理论依据。

1 泥浆侵入对电阻率影响

1.1 泥浆侵入机理

在井眼和原状地层压力差的驱动下,泥浆侵入地层可分为2个过程。

(1) 驱替过程。假设整个驱替过程是非混溶的,流体的渗流遵循Darcy定律,当存在毛细管现象和忽略重力影响时,则可用水相、油相质量平衡方程描述[7]

(j=o,w)

(1)

pc=po-pw

(2)

So+Sw=1

(3)

(2) 扩散过程。由于泥浆滤液和地层水矿化度不同,二者在侵入的前缘将发生物理混合,可用流体扩散方程表示[8]

(4)

式中,pc、pw、po分别为毛细管压力和水相、油相压力,Pa;So、Sw分别为含油、含水饱和度,%;μo、μw分别为油、水黏度Pa·s;K为地层绝对渗透率;Kro、Krw为油、水两相相对渗透率,D*非法定计量单位,1 D=0.987 μm2,下同;φ为孔隙度,%;qo、qw为单位地层厚度的油、水产量(采出为负,注入为正),kg/(s·m3);ρw、ρo分别为水、油的密度,g/cm3;r为地层径向半径;t为侵入时间,s;Cw、Cmf分别为地层水、钻井液滤液矿化度,mg/L。

把原始地层含水饱和度、原始地层压力、原始地层水矿化度作为初始条件,把井底定流动压力和封闭外边界作为边界条件,用有限差分方法联立求解式(1)至式(3),可得到钻井液滤液侵入地层后地层径向饱和度的分布特征、地层压力分布以及侵入半径变化特征。再把不同时刻求取的地层压力和流体饱和度径向分布带入式(4),可以得到不同时刻地层水矿化度的动态分布Cw(r,t)[9],根据地层水经验公式(5)计算给定温度条件下的地层水电阻率Rw(r,t)

(5)

利用阿尔奇公式得到径向电阻率分布Rf(r,t)

(6)

式中,a、b、m、n为岩电参数,是由储层性质决定的常数;Rw、Rmf分别为地层水、钻井滤液电阻率,Ω·m;T为温度, ℃。

1.2 侵入带电阻率数值模拟分析

泥浆侵入受储层岩性、物性、泥浆柱与地层压力差、泥浆性能、流体性质等因素的影响,根据电阻率的变化可以将泥浆侵入因素分为2类[10],一类引起电阻率增大,即泥浆的扩散作用,由于地层水的矿化度与泥浆滤液率之间存在浓度差,则二者之间发生离子交换,造成混合液矿化度降低,使得混合水电阻率增大,最终导致地层电阻率升高;另一类是引起电阻率减小,即泥浆的驱替作用,泥浆滤液不断地向地层中渗透,造成含水饱和度增大,地层电阻率降低。

W10断块砂四下储层孔隙度变化范围为4%～20%,储层含水饱和度平均为35%,地层水电阻率平均为0.15 Ω·m,对公式(6)进行数值模拟,从图1可以看出孔隙度与地层电阻率负相关。在假定含水饱和度一定时,当孔隙度相同时,电阻率随地层水矿化度减小而增大,说明扩散作用使地层电阻率增大[见图1(a)]。在地层水矿化度一定时,当孔隙度相同时,地层电阻率随含水饱和度增加而减小,说明驱替作用使电阻率降低[见图1(b)]。

综合图1可以发现,在物性差(φ<12%)时地层水矿化度减小(扩散作用)对电阻率增大幅度比物性好(φ>12%)的电阻率增大幅度大,同样物性差时含水饱和度增加(驱替作用)对电阻率减小幅度比物性好的电阻率减小幅度大。从图1中还可以看出孔隙度越大,含水饱和度和地层水矿化度对地层电阻率影响越小。

当泥浆侵入地层,假定地层的孔隙度一定,根据式(6)可知,地层的电阻率只与含水饱和度和地层水电阻率有关系。为进一步分析地层电阻率与二者的关系,对WX0-1×井96号层进行数值模拟,该层段参数选取a=b=1,m=1.65,n=1.48,地层孔隙度为18%(见图2)。

(1) 地层水矿化度的变化范围要远大于含水饱和度的范围,因此矿化度的变化对地层电阻率的改变幅度要大于饱和度的变化对电阻率改变幅度。同时,当饱和度一定时,地层电阻率与矿化度的关系曲线为近似线性,即矿化度的变化对地层电阻率更加敏感,一旦矿化度发生改变,地层电阻率随之变化。

(2) 含水饱和度和地层水矿化度的增加,电阻率减小,当含水饱和度大于50%,电阻率下降幅度随含水饱和度增加逐渐变小,含水饱和度对地层电阻率影响减弱,说明驱替作用减弱,电阻率变化平缓。

用W2-10井2块孔隙度不同的岩心做淡水注入实验模拟泥浆的侵入过程,实验条件为地层水矿化度25 000 mg/L,注入水矿化度7 000 mg/L,注入压力为20 MPa。结果表明,地层电阻率与注入水饱和度为非对称的U形曲线(见图3)。从图3中可以看出,随着注入水不断侵入,含水饱和度迅速增加,驱替作用增强,电阻率减小。岩心1比岩心2物性差,电阻率减小幅度更大。

随着原始地层水不断的被淡化,矿化度的变化相比含水饱和度的变化对地层电阻率影响更大,即泥浆侵入造成扩散作用对电阻率增大的影响要强于驱替作用对电阻减小的影响,也就是图3中电阻率下降到一定极点时,随着含水饱和度增大,地层电阻率反而增加。实验结果与本文数值模拟结论吻合。

图1 地层电阻率与孔隙度和矿化度关系

图2 地层电阻率与矿化度和含水饱和度关系

图3 地层电阻率与注入水饱和度关系

2 阵列感应测井在W10断块曲线特征及应用

2.1 高电阻率环带特征分析

对于油水两相储集层,因为油(气)、水相相对渗透率不同造成泥浆驱替油(气)、水的速度不同,且其渗流速度取决于Kro/μo和Krw/μw这2个参数[11]。在冲洗带泥浆滤液完全驱替地层流体,这样在冲洗带内流体为泥浆滤液,残余油气(油气层)及残余水(水层),泥浆渗透速度大于油水相的渗透速度。因此,当泥浆滤液的电阻率远远大于地层水电阻率(泥浆滤液矿化度远远小于地层水矿化度)时,扩散作用大于驱替作用。

由于泥饼形成,泥浆滤液由径向渗滤转化为纵向渗滤[见图4(a)],在重力分异作用下,冲洗带内低密度的油(气)将向上移动代替泥浆滤液,2种原因都会导致冲洗带电阻率要大于过渡带电阻率,甚至是原状地层电阻率,在阵列感应电阻率曲线上会形成两端低、中间高的高电阻率环带特征。从图4(b)可以看出,在WX2-4×井40号层处泥饼的形成导致地层缩径,泥浆侵入明显,测井解释在该深度处孔隙度为11.8%,含水饱和度为31.5%,泥浆滤液的电阻率为2.18 Ω·m,地层水电阻率为0.08 Ω·m,高电阻率环带出现在20～60 in*非法定计量单位,1 in=25.4 mm,下同之间[见图4(b)],利用谭氏方法[12]计算的泥浆侵入直径为1.68 m,在阵列感应测井探测深度60～90 in之间,说明高电阻率环带在冲洗带范围内。

2.2 低电阻率环带特征分析

随着泥浆的持续侵入,当油水相的渗透速度大于泥浆渗透速度时,高电阻率的油层首先被驱替。在过渡带内导电流体主要为泥浆滤液、束缚水、未被驱替的可动水,以致在未侵入带之前形成一个含水饱和度相对较高的环带形空间[13][见图5(a)],形成了地层水聚集带,即低电阻率环带。该环带内地层水富集,地层电阻率较冲洗带电阻率、原状地层电阻率都低,当地层水电阻率小于泥浆滤液电阻率时,在阵列感应曲线上呈簸箕状、两边高、中间低的低电阻率环带特征。

图4 高电阻率环带原理与WX2-4×井高电阻率环带测井曲线特征图

图5 低电阻率环带原理及WX8-2×井低电阻率环带测井曲线图

图5是WX8-2×井低电阻率环带示意图。在3 766.6～3 774 m井段,井径明显缩径,泥浆侵入明显,泥浆滤液电阻率为1.38 Ω·m,地层水电阻率为0.06 Ω·m,低电阻率环带出现在20～60 in之间。谭氏方法计算泥浆侵入直径为1.16 m,在阵列感应测井探测深度40 in附近,说明低电阻率环带在过渡带范围内。

2.3 阵列感应电阻率曲线应用

根据对W10断块沙四下储层阵列感应电阻率曲线特征分析,在储层段由于泥浆的侵入及流体性质的不同,阵列感应出现正差异、负差异、高电阻率环带、低电阻率环带4种特征(见图6)。特别是高电阻率环带和低电阻率环带,通过对其形成原因分析,认为高电阻率环带和低电阻率环带是油层存在的充分条件[14],即当阵列感应测井不同探测深度电阻率出现高电阻率环带或低电阻率环带特征时,便可认为储层含油。

通过对研究区阵列感应测井特征分析,发现高电阻率环带和低电阻率环带的主要出现在20～60 in之间。本文采用差异累计法[15-16]建立不同探测深度电阻率曲线总差异。该方法放大了不同流体性质的差异特征,且能够定量描述储层的差异特征。设置2个参数D1、D2,计算公式为

(7)

(8)

式中,M2R1～M2RX为阵列感应测井2 ft纵向分辨率的10～120 in不同径向探测深度电阻率数值,Ω·m;D1、D2为阵列感应比值,无量纲。

正差异特征:阵列感应测井电阻率(M2R1～M2RX)随探测深度增加而逐渐增大(见图6),D1>1,D2>1,如WX8-3×井在3 912～3 927 m井段,D1=4.51,D2=2.13,测井解释为油层。该层投产初期日产油8.99 t。

图6 4种阵列感应测井特征图

负差异特征:阵列感应电阻率随探测深度逐渐降低(见图6),D1<1,D2<1,对WX0-2×井3 664～3 675 m井段用差异累积法分析,D1=0.63,D2=0.81,在该层段试油,日产水60.9 m3,证实为水层。

高电阻率环带特征:感应电阻率呈中间高,两边低(见图6),D1>1,D2<1,如WX2-4×井3 630～3 641 m井段,D1=13.9,D2=0.69,测井解释为油层,在该层段试油,日产油3.1 t。

低电阻率环带特征:电阻率中间低,两边高(见图6),D1<1,D2>1,如WX2-1×井在深度3 503.8～3 506.8 m井段,D1=0.27,D2=1.81,测井解释为油层。在该层段试油日产油16.04 t,产气1.08万m3,不产水。

3 结 论

(1) W10断块沙四下储层电阻率与孔隙度负相关,孔隙度越小,物性越差,电阻率降低的幅度越大。电阻率与矿化度同样负相关,在含水饱和度一定时,电阻率与矿化度关系近乎直线,同含水饱和度相比,矿化度变化对电阻率更加敏感。

(2) 数值模拟泥浆侵入导致地层电阻率变化的因素,把电阻率变化分为驱替作用和扩散作用2种,驱替作用使含水饱和度升高,电阻率下降,泥浆扩散作用使矿化度降低,电阻率升高,这与淡水注入试验分析结果相一致。

(3) W10断块沙四下储层高电阻率环带和低电阻率环带出现在20～60 in之间,可以根据阵列感应电阻率之间的差异,采用差异累积法识别不同阵列感应电阻率特征所代表的流体类型。在实际应用中取得较好的效果。

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