微电阻率扫描成像测井仪在伊拉克米桑油田地层评价中的应用

王禧润

(中海油田服务股份有限公司,北京 101149)

0 引言

微电阻率扫描成像技术由于其可视性、高分辨率、高井眼覆盖率和可以提供完整的地层岩性剖面等优点,可以近似于岩心描述,近年来迅速发展并被广泛应用于油气藏勘探开发作业中[1-6]。ERMI是中海油田服务股份有限公司自主研发的微电阻率扫描成像测井仪,是一种适用于导电型泥浆裸眼井,能对井周地层进行阵列扫描成像测量,生成井壁地层视电阻率图像的测井仪器[7]。ERMI测井图像可以直观显示井壁地层的层理、裂缝、孔洞与断层等信息,通过软件处理还可以对砂泥岩地层、缝洞型地层、碎屑岩地层以及各种复杂岩性地层进行精细评价。目前已形成了系列化的电成像仪器装备,能够满足绝大多数井况的电成像测井作业。

1 ERMI微电阻率扫描成像测井仪简介

ERMI电成像仪器配套使用的地面系统是中海油田服务股份有限公司自主研发的海洋石油测井成像系统(ELIS)。ERMI仪器由电子线路短节(包括绝缘短节)和推靠器短节两部分组成。电子线路短节用于完成仪器控制、信号发射、采集、处理和传输任务,金属外壳的外面套有用来屏蔽电流的玻璃钢管;绝缘短节通过绝缘陶瓷隔离其下部的电子线路短节和其上部的仪器金属外壳之间的电性。测井作业时,位于绝缘短节以上的仪器作为回路电极,仅有下部金属推靠器(包括极板)发射电流,推靠器短节用于完成6个极板的推靠任务。

2 ERMI微电阻率扫描成像测井仪测井原理

微电阻率扫描成像测井是基于电法测井的基本原理,通过密集组合的电扣传感器,阵列测量地层电阻率或电导率的微小变化,接收到的信号通过仪器高分辨率阵列扫描和数据处理,最终形成井壁图像。测井作业时,6个极板借助仪器马达的推力紧贴井壁,下部的推靠器发射交变电流,推靠器和极板体等金属起着聚焦电极作用,井筒内的泥浆和井壁构成回路,电流通过该回路回到仪器顶部的回路电极,如图1。地面软件对回路电极接收的电流进行一定的处理,把由岩性、物性变化以及裂缝、孔洞、层理等引起的井壁附近岩石电阻率的变化,转化为彩色或灰度图像,深色代表低电阻率,浅色代表高电阻率,从而可以直观而清晰地看到地层的岩性及几何界面的变化。仪器采样间隔为0.1 in,分辨率可以达到0.2 in。

图1 仪器测量原理图Fig.1 Instrument measurement schematic diagram

发射电极发射的低频交变电压信号通过变压器加载到仪器上部的回流电极和仪器下部的发射电极(主要为推靠器极板体和其上的电扣)之间,上部连接的自然伽马和方位仪器作为电扣发射电流经由地层回到仪器上的回流电极。推靠器上端和电子线路上的玻璃钢套筒可以保证电扣上发射的电流只能从电子线路顶端和自然伽马等仪器处回流到仪器中。

3 ERMI在伊拉克米桑油田地层评价中的应用

伊拉克米桑(Missan)油田地区地层岩性复杂多样,包括砂岩、白云岩、灰岩以及石膏等多种岩性,利用单一的常规测井资料来进行储层评价,存在一定的困难。尤其是在碳酸盐岩地层中,其构造特征复杂多样,储层、非储层岩性类型复杂,流体性质和界面不易识别,不同层位非均质性强,孔隙结构差异明显,在评价这种类型的储层时,常规测井方法具有较大的局限性。利用电成像测井资料丰富的信息,可以有效识别岩性、岩相,完成裂缝、孔洞评价和地层沉积环境分析,解决储层有效性定量评价等难题[8-10]。

3.1 米桑油田地质情况简介

米桑油田群位于伊拉克东南部的米桑省,距离首都巴格达350 km,靠近伊朗边界(图2)。油田群包括Fauqi油田,Abu Ghrab油田和Buzurgan油田等三个油田。由三个构造总体呈北西—南东走向的断背斜带组成,Abu Ghrab和Buzurgan油田的主体都位于伊拉克境内,Fauqi油田的主体位于伊朗境内。

图2 米桑油田群区域概况Fig.2 Overview of Missan oilfield group

目前油田采出程度不到10%,油田群总体上处于开发初期。油田群内有两套储层,分别为发育在Buzurgan油田和Fauzq油田的白垩系Mishrif灰岩储层,以及发育在Abu Ghirab油田和Fauqi油田的第三系Asmari白云岩+灰岩+砂岩储层。该区域内岩性类型复杂,裂缝和溶孔发育非常丰富,隔层发育现象明显,井眼垮塌的情况较为严重,给现场作业带来了较大的挑战和风险。

米桑油田群钻遇的岩性剖面主要目的层为Asmari和Mishrif。Asmari埋深约2800～3200 m,主要岩性为白云岩、灰岩以及砂岩并有石膏夹层,岩性复杂,主要的储集空间有原生孔隙和次生孔隙(碳酸盐岩以溶蚀孔为主,并发育裂缝和微裂缝),储集空间复杂。Mishrif埋深约3800～4100 m,岩性为灰岩,溶蚀孔和微裂缝发育,构成了主要的储集空间。鉴于目的层段岩性以及储集空间的复杂性,高端测井技术的应用是必须的。

3.2 测井作业前的准备工作

针对该油田复杂的地质情况,必须做好测前设计,作业前应了解钻井设计和地质设计,并根据井眼尺寸、临井资料和钻井时起下钻的情况选取合适的扶正器,确保仪器居中效果良好的同时又不会导致仪器卡死[11]。大斜度井作业中,由于仪器串长度超过20 m,在狗腿度较大的地方容易遇阻遇卡,应在仪器串中增加柔性短节。如果使用油基钻井液,需提前更换为OGIT电成像仪器。

对于井眼垮塌严重和井况较差的地层,应提前优化测井时的极板压力,在保证能取得合格电成像资料的前提下,使用最小的极板压力,减小仪器剐蹭井壁产生掉块的几率。仪器遇卡后成像资料可能出现拉伸的情况,应根据拉伸长度重新测量该井段或补测该遇卡的井段,如果在补测过程中再次遇卡,应考虑通井或采取如减少极板压力等其他解决措施,提前做好风险预判并提出应对措施。

作业前要检查推靠器短节中液压油的容量,还需要对仪器进行相应的刻度和校验检查,确保仪器处于正常状态。ERMI仪器刻度包括井径和极板压力刻度、电阻率刻度和方位刻度三个部分。

刻度井径和极板压力一定按照软件提示的先后顺序进行刻度,小环177.8 mm(7 in)、大环381.0 mm(15 in)、极板压力最小、极板压力最大 (极板压力大小的刻度顺序可互换)。如果为了减少刻度中仪器开收腿次数而不按照上述操作步骤,那么刻度的井径结果与标准值会有很大偏差,而且极板压力刻度也会出现异常。刻度极板压力时,一定要在仪器开收腿到最大或最小,电流突然跳变这个过程结束后进行,而且电流跳变后应立刻关闭直流电进行刻度操作。如果没有出现跳变或者在电流出现多次跳变后,再关闭直流电进行刻度,会导致极板压力刻度的不准确。极板发射电流打开时,必须确保极板周围没有导电回路,避免造成极板短路损坏仪器。

3.3 测井资料质量控制

3.3.1 测井速度控制

采用成像模式测井时,速度应≤6 m/min;采用倾角模式测井时,速度应≤19 m/min。测井作业过程中,ERMI仪器的1号极板相对方位曲线(RB)显示仪器转动一周时,仪器在深度上移动距离应>12 m。

3.3.2 曲线质量

(1)井径曲线。测井时,三井径曲线应变化正常,不能出现负值与异常大值。当仪器进入套管时,可以在套管中进一步测量井径,仪器的井径读数应与套管内径的误差<5.08 mm(0.2 in)。

(2)方位曲线。方位曲线应该平滑连续,无异常变化(没有抖动、台阶与负值)。

(3)加速度计曲线。加速度三分量的平方和理论上为固定常量(曲线ACCQ的值理论上为1g,误差不超过0.001g),z轴加速度值应基本稳定,不能频繁大幅度变化。

(4)磁力计及相关曲线。磁力计三分量的平方和在理论上也为固定常量(曲线MAGQ的值应在1.0附近小幅波动)。QM读值应与井位所在地区的地磁倾角一致,QB读值应与井位所在地区的大地磁场强度一致。

(5)倾角曲线。六条倾角曲线必须具有良好的相关性,曲线相似性对决定测井质量和判断极板与井壁贴靠情况非常重要。所有曲线不能有过多的饱和情况,增加极板压力有助于改善贴靠情况,但也会影响仪器运动,严重时可能造成仪器遇卡。

(6)成像曲线。测井图像应颜色对比合理、图像清晰、特征明显、容易辨认,不应出现与地层特征和井眼状况无关的抖动、跳跃或“木纹”现象,相应的方位曲线没有异常变化,图像上反映的地层特征和方位应该与声成像具有一致性,并且与常规测井资料相对应。在仪器的动态范围内,成像资料图像出现连续饱和的测量井段不得超过1 m,出现饱和图像的累计测量井段不应超过总测量井段的1%。在目的层段,数据中断造成的图像和数据缺失井段应<0.5 m。在全井段,图像上因仪器遇卡引起的拉伸井段累积长度不得超过总测量井段长度的5%,仪器因遇卡造成的图像拉伸现象在深度连续超过1 m以上时应进行补测。

3.4 现场操作注意事项

极板表面与地层接触的地方必须光滑,例如电扣表面必须与极板盖在同一高度,不能有螺钉高于电扣表面。仪器保养后要仔细地安装极板,如果有条件可打磨极板表面使极板更平滑。极板表面不光滑可能会造成电扣之间微小的高度差,就会引起图像出现条带的情况。注意保持极板清洁,不能有油污附着在电扣上,每次下井后需彻底清洁极板。如有条件可用细砂纸轻轻打磨电扣,但尽量不要在电扣上留下划痕。

测井前,分别用8 in与12 in井径环对仪器的井径测量进行检验,误差要小于0.2 in。在套管内不要打开极板发射,否则会烧毁仪器。

如果出现一条或几条倾角曲线缺失(如极板损坏或松动),ELIS后处理软件可以根据其他5条曲线(最少4条)进行倾角计算。如果井眼过大,极板可能贴靠不好,在冲洗带中由于响应不好会造成极板悬浮的状态,当仪器转动或离开冲洗带后这种现象会恢复。由于6个推靠臂的独立运动,仪器能保证与井壁的良好接触,极板与平面有±30°的转动范围。水基泥浆在高阻地层中(2000 Ω·m)偶尔出现曲线饱和。极板的误差可能导致负的偏差,结果导致电阻率曲线值超过2000 Ω·m甚至负数。

在某个极板悬空时,会导致极板的成像模糊。在防转短节太松、极板机械连接未调整好、或是极板上粘有泥饼时会出现这种现象,悬空极板的成像会比其他极板的图像更黑。如果有太多的泥饼粘附在电扣上,图像也会变得模糊,这会影响到细节的分辨。出现上述情况时,应将仪器提出并清洗极板,重新测井。

4 ERMI在米桑油田的应用成果

ERMI仪器在米桑油田已经完成了数十口井的测井作业,作业成功率高,作业效果优秀,取得的测井资料质量较高,在识别岩性、裂缝和溶孔、构造分析和地应力分析等方面起到了关键性的作用,处理解释成果丰富,为该地区的勘探开发做出了较大的贡献。

4.1 识别岩性

米桑油田Asmari地层中岩性复杂,包括白云岩、灰岩、砂岩以及石膏等4种岩性,如果不能进行准确识别,将无法对储层进行有效评价。成像测井图代表了沿井壁的地层电阻率非均质特征的变化,而这种变化往往是由于地层的孔隙结构、岩石类型和泥质含量的变化所引起的。通过对比岩心资料,认识各种岩性在成像图上的显示特征,就能有效地对岩性进行识别[12-13]。

4.1.1 石膏

石膏属于蒸发岩类,位于Asmari油藏的顶部。相比于其他岩性,石膏是高阻致密岩层,在ERMI静态图像上显示亮白色,很容易和其他岩性进行区分,见图3。

图3 石膏的成像图Fig.3 Imaging image of gypsum

4.1.2 白云岩

白云岩属于沉积岩,主要分布在Asmari油藏的上部,通常和石膏共生。在ERMI静态图上显示亮黄色(但比石膏稍暗),并可见伴生的石膏团块。该地层微裂缝和溶孔发育,是主要的储集空间,见图4。

4.1.3 灰岩

灰岩属于沉积碳酸盐岩,主要分布在Asnari油藏的下部和Mishrif油藏。ERMI静态图像上显示为亮黄色,动态图像上显示溶孔发育,见图5。

图5 灰岩的成像图Fig.5 Imaging image of limestone

4.1.4 砂岩

砂岩属于沉积碎屑岩,分布于Asmari油藏的中下部。ERMI静态图上显示为暗黄色,层状结构发育,见图6。

图6 砂岩的成像图Fig.6 Imaging image of sandstone

4.1.5 其他岩性

泥岩在米桑油田地区分布稳定,是划分地层的重要标志。从成像图上来看,泥岩主要有块状构造(图7)和层状构造(图8)。

图7 块状泥岩Fig.7 Massive mudstone

图8 层状泥岩Fig.8 Layered mudstone

4.2 识别裂缝

在测井资料图像中识别的裂缝,既有真实的地质构造特征,也有因钻井施工造成的诱导痕迹,还有由于测井方法本身造成的异常。为了得到准确的测井解释成果,必须使用电成像测井资料结合测井解释,仔细辨别图像特征,推断该现象的成因[14-17]。

4.2.1 真假裂缝

裂缝总是与构造运动和溶蚀相伴生,宽度不均且不规则;层理一般是一组平行或者接近平行的高电导异常,非常窄且均匀;缝合线是压溶作用的结果,两端有细微近似垂直的高电导异常,一般平行于层界面且不具有渗透性;泥质条带的高电导异常通常与层界面平行且比较规则。裂缝图像见图9。

图9 真假裂缝Fig.9 True and false cracks

4.2.2 天然裂缝与诱导缝

诱导裂缝和天然裂缝都是应力、岩石强度和孔隙压力综合作用的结果,成因是环境压力超过了岩石的破裂压力梯度。可根据成像测井资料区分天然裂缝和诱导裂缝,主要通过裂缝的一些特征面标记、矿化作用和几何形状等特征来判断,见图10。

图10 天然裂缝与诱导裂缝Fig.10 Natural cracks and induced cracks

4.3 孔洞识别

米桑油田主要目的层裂缝和孔洞发育,尤其是溶蚀孔构成了储集层主要的储集空间。溶蚀孔在地层中主要的分布形式及成像特征见图11、图12和图13。

图11 孔洞在地层中的分布形式Fig.11 The hole distribution pattern in formation

图12 孔洞在成像图上的特征Fig.12 Characteristics of holes on imaging images

图13 泥岩碎屑在成像图上的特征 Fig.13 The characteristics of mudstone debris on imaging picture

4.4 构造分析和地应力分析

4.4.1 构造分析

一般认为泥岩沉积发生在低能量的沉积环境中,水流比较平缓,形成的层理沉积构造一般平行于地层的原始沉积[18-20]。在构造分析中,一般找一段泥岩,分析泥岩层理的构造,认为这个构造反映了原始地层的构造。

图14是米桑油田某井的构造分析图,从图14(a)电成像测井图可以看出地层比较平缓,通过成像程序分析,地层倾角8°～10°,方位是南西向,210°左右。得到的成果与图14(b)构造图对应的较好,说明构造分析的准确性较高。

图14 构造分析Fig.14 Structure analysis

4.4.2 地应力分析

在钻井过程中发生的井壁崩落和诱导缝都与地应力密切相关。由于井壁崩落造成的椭圆井眼的长轴方向为最小主应力方向,而垂直于长轴的方向就为最大主应力方向。诱导缝的走向也代表了最大主应力的方向[21-22]。

图15是该井目的层地应力分析。由图15(a)可见,地层最大主应力方向是北向。该井同时测量了交叉偶极声波,通过图15(b)交叉偶极声波资料各向异性分析得到的最大主应力方向和由成像资料得到的最大主应力方向相一致。

图15 最大应力分析Fig.15 Maximum stress analysis

5 结论

米桑油田岩性复杂多样,孔洞和裂缝发育,仅依靠常规测井资料难以进行精确评价。而电成像测井具有分辨率高、直观的特点,可以用来识别岩性、孔隙类型及结构,评价地层构造。成像测井技术可以判断裂缝发育程度,提供产状和发育层段,结合双侧向和斯通利波资料,可以判断裂缝的径向延伸特征及裂缝的有效性。根据成像测井资料可以获得地层的倾向和倾角,应用井壁崩落和钻井诱导缝的方法,根据成像测井资料可以确定地应力方向。