钻遇断层水平井地层模型的阵列感应测井响应特性数值模拟

2017-04-24仵杰李宇腾付晨东董丽新姚东华

测井技术 2017年3期

仵杰, 李宇腾, 付晨东, 董丽新, 姚东华

(1.西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室, 陕西省油气井测控技术重点研究室, 陕西西安 710065; 2.大庆钻探工程公司测井公司, 黑龙江大庆 163412)

0 引言

随着油气勘探的不断深入,水平井技术增大了储集层面积,增强分散储层的横向连接能力,极大地发挥储层的生产潜力,提高原油的采收率[1-2]。理想情况下,水平井是沿储集层钻进。实际上,储集层的地质情况十分复杂,绝大多数的油气田都会受到断层的影响。常用的井下识别断层的方法:①地层信息的重复与缺失;②非漏失层发生泥浆漏失和意外的油气显示;③近距离内标准层的标高相差悬殊;④近距离内同层厚度突变;⑤油水界面明显差异;⑥断层在地层倾斜矢量图中的特征[3]。水平井中,由于井眼轨迹和地层分层相对角度较直井中变化明显,直井中常用的井下断层识别方法往往不适用,用常规方法分析测井曲线特征,将导致错误结论[4-7]。必须从方法理论上研究这些复杂地层中的测井响应特征。

本文基于COMSOL有限元软件实现了水平井钻遇断层模型中HDIL阵列感应测井响应三维数值计算问题,研究了水平井钻遇断层模型地质参数对测井响应的影响规律,并得出水平井中井下断层识别和估算断层倾斜角的方法。

1 地层建模设计

某油田1口钻遇断层水平井,水平井首先穿过3个储层,然后遇到断层,过断层后先错误下行进入泥岩,沿泥岩钻进一段距离,当发现轨迹偏离目的层时,才向上偏转,最后进入目的层,失去了近400 m的储集层。如果能从测井曲线特征正确判断水平井前方断层的情况,那么可以及时调整井眼轨迹,最大限度使水平井沿储集层钻进。

研究阵列感应测井响应特征,必须解决三维电磁场数值计算问题。将实际问题进行简化为3层断层模型,利用COMSOL有限元软件构建水平井钻遇断层三维模型,并进行三维网格剖分(见图1),其中网格剖分最密部分为测井仪器。模型中假定地层沿水平方向是均匀的,只沿垂直方向发生变化。以进入断层时下盘储层中心为坐标原点,过井眼的纵向剖面见图2。图2中数字“1、2、3、4、5”表示5种类型水平井。表1给出了5口不同位置水平井,表1中z表示水平井纵向相对于下盘储层中心的距离。依据地质学知识,断层是连续岩层在外力作用下遭到破坏断裂,并沿断裂面发生明显相对位移的一种地质构造现象。切断岩石并使两侧岩石发生位移的断裂面称为断层面,剖面上断层面与水平面的夹角为断层倾角。断层面两侧相对位移的岩体称为断盘,被错断的同一岩层的相对距离称为断距,位于断层面之上的断块为上盘,位于断层面之下的断块为下盘,其中下盘相对上升,上盘相对下降的断层称为正断层,而上盘相对上升,下盘相对下降的断层称为逆断层[1,6-10]。因此本文从断层面倾角α、断距h、层厚H和电导率对比度等角度分析钻遇断层水平井中测井响应曲线的主要特征。研究采用Baker Atlas的高分辨率感应测井仪器HDIL,HDIL仪器有7个子阵列、8个工作频率(10、30、50、70、90、110、130、150 kHz)。水平井中,基于几何因子的合成方法不再适用,原始数据表征了测井响应特征。本文分析受趋肤效应影响最小的频率10 kHz时7个子阵列的响应特性。

图1 水平井断层模型与三维网格剖分图

图2 过井眼纵向剖面示意图

水平井位置序号水平井纵向位置水平井位置分类1z=4.5m,距下盘上边界0.5m,上盘上边界2.5m。第1类:水平井由下盘上围岩进入上盘储层2z=-1.5m,距下盘下边界3.5m,上盘下边界0.5m。第2类:水平井由下盘储层进入上盘储层3z=-2.5m,距下盘围岩边界3.5m,上盘下边界0.5m。第3类:水平井由下盘储层进入上盘下围岩“3”靠近上盘储层,“4”远离上盘储层4z=-3.5m,距下盘下边界0.5m,上盘下边界1.5m。5z=-4.5m,距下盘下边界0.5m,上盘下边界2.5m。第4类:水平井由下盘下围岩到上盘下围岩

为验证模型的可靠性和网格剖分的合理性需要对数值计算误差进行验证。将COMSOL计算得到的数值解与解析解进行对比,取均匀地层电导率0.01 S/m。数值计算时考虑仪器骨架大小(半径0.045 m),填充空气。表2给出了数值解、解析解及其相对误差。数值解的最短子阵列略小于解析解,这是因为线圈置于空气填充仪器棒,与解析解不一样[5]。最大相对误差为1.035%,其他子阵列误差绝对值均小于1%,这说明建立的模型及网格剖分是合理的。

图3 5种钻遇断层情形水平井阵列感应测井响应曲线

2 HDIL数值模拟测井响应分析

2.1 不同水平井位置的测井响应

取储层电导率σt为0.01 S/m,为0.1 S/m,储层厚度8 m,断层倾角α为45°,断距h为2 m,数值计算5种水平井钻遇断层时的测井响应(见图3),表3是5种水平井钻遇断层情况的响应特征分析。

围岩电导率σs

通过分析大量数值计算可知,钻遇断层水平井位置不同,测井响应发生不同变化,响应特征为3部分:下盘、上盘和断层前后。

(1) 如果水平井钻过断层两侧的地层不同,响应将出现明显变化。如果两侧的地层相同,依据井距层边界不同,其响应变化不一样。

(2) 当水平井钻过断层两侧的地层不同,最长子阵列距断层面约2.5 m时,响应开始发生变化,该距离对应发射与主接收间距。根据此特征可以判断断层面位置。

表3 钻遇断层时响应特性和井位置的关系

图4 倾斜角为60°时响应曲线

2.2 断层面倾角影响分析

取断层倾角α为60°,模型其他参数与图3相同,5种水平井钻遇断层测井响应数值计算结果见图4。

比较图4与图3可知,两者差别主要是响应曲线的交点发生变化,图4前移。这是因为倾角增大后,断层界面前移。记图2中水平井1时井眼轨迹穿过断层面交点为p,交点p处横坐标记为d,有d=-z/ tanα。图4(a)中响应曲线交点即为测井仪器穿过断层面时交点,可从图4中读得交点处横坐标即为d值,此时有断层界面位置与倾角的关系α=-arctanz/d,由此可以计算断层的倾斜角度。

2.3 围岩影响分析

2.3.1 围岩电导率对比度变化影响

取储层电导率σt=0.1 S/m,围岩电导率σs=0.01 S/m,此时围岩与目的层电导率对比度为0.1,其余模型参数不变。数值计算的测井响应如图5所示。比较图5和图3可知:

(1) 由于储层电导率比围岩大,7个子阵列读数之间的相互关系与图3完全相反。与表2中电导率为0.01 S/m的均匀地层测量值相比,图5中,井在围岩中时,受储层高电导率影响,长子阵列读数大于短子阵列;在储层中时,受低电导率围岩影响,长子阵列读数小于短子阵列。

(2) 图5(e)中,井在下盘围岩中时,受高电导率储层和低电导率围岩影响比较复杂,7个子阵列响应乱序;在上盘围岩中时,主要受高电导率储层影响,长子阵列读数大于短子阵列。

2.3.2 断距对测井响应影响(围岩厚度影响)

围岩厚度变化影响与断距影响本质相同。取断距h=4 m,模型其他参数与图3相同,数值计算测井响应,结果见图6。此时, 下盘距上盘错位较远,表1中的水平井2变为类型3,水平井2、3和4均由下盘储层进入上盘围岩,距上盘围岩下边界分别为1.5、2.5 m和3.5 m。比较图6与图3知:

图5 钻遇断层水平井测井响应(围岩与目的层电导率对比度=0.1)

图6 h=4 m时响应曲线

(1) 井在下盘时7个子阵列的数值和关系与图3一致,进入上盘后,井眼距层边界的位置发生变化,7个子阵列的读数也发生变化。图6(a)中,读数更接近储层电导率。图6(b)、(c)和(d)中,随距层边界增加,读数更接近围岩电导率。图6(d)中,进入上盘的井距层边界4.5 m,子阵列1至4的值几乎完全反映围岩的电导率(与表2的均质接近),其余还受低电导率储层的影响。

(2) 经过断层时,图6比图3变化明显,不同子阵列开始变化的位置与图3一致,可清楚地识别断层的存在。

3 实测断层响应分析

图7是某油田1口钻遇断层水平井HDIL实测响应数据(频率为10 kHz),取钻遇断层段局部放大(斜深2 405～2 440 m井段),其井眼轨迹见图7。

图7 钻遇断层水平井实测图

图7中,井位于下盘储层时,短阵列读数接近目的层,长子阵列受高电导率围岩影响,大于短子阵列。随仪器向前移动,子阵列7最先开始变大,其他短阵列相继变大。在2 419 m处钻遇断层面,响应曲线近似交于一点。进入上盘下围岩后,围岩电导率大于储层,短子阵列读数大于长子阵列。由于水平井钻过断层两侧的地层不同,最长子阵列距断层面约2.5 m时,响应开始发生变化,该距离对应发射与主接收间距。