洞穴型地層雙側(cè)向測井響應(yīng)模擬分析范文

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《石油勘探與開發(fā)雜志》2015年第六期

摘要：

為研究碳酸鹽巖、火山巖等洞穴型儲集層雙側(cè)向測井響應(yīng)特征，基于數(shù)值模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室縮小比例物理模擬系統(tǒng)的儀器及地層模型參數(shù)，并用物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)定數(shù)值模擬結(jié)果，進(jìn)而研究原始地層條件下洞穴型儲集層的雙側(cè)向測井響應(yīng)特征。結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)室地層徑向半徑和縱向長度分別為1.0m和2.0m，雙側(cè)向測井儀器縱向及徑向分別縮小為1/20和1/6時，即可滿足實(shí)驗(yàn)室縮小比例物理模擬的需要，且縮小比例物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對應(yīng)性好。利用物理模擬實(shí)驗(yàn)刻度后的數(shù)值模擬參數(shù)，研究洞穴型原狀地層雙側(cè)向測井響應(yīng)特征，結(jié)果表明：井旁洞穴雙側(cè)向測井曲線在洞穴中心深度位置視電阻率達(dá)到最低，雙側(cè)向測井值無法準(zhǔn)確反映洞穴真實(shí)電阻率值；洞穴半徑越大、充填物電阻率越低、洞穴距井壁越近，雙側(cè)向測井對井旁洞穴敏感性越強(qiáng)；深側(cè)向測井可識別的洞穴邊界至井壁徑向距離小于0.5m，淺側(cè)向測井可識別最大距離為0.3m。圖9參10

關(guān)鍵詞：

洞穴型地層；雙側(cè)向測井響應(yīng)；物理模擬；數(shù)值模擬；測井識別范圍

碳酸鹽巖、火山巖縫洞儲集體具有非均質(zhì)性強(qiáng)、各向異性明顯、洞穴發(fā)育尺寸不一、充填物類型多樣等特點(diǎn)，使得測井響應(yīng)復(fù)雜，測井識別與定量評價難度很大[1-6]，尤其目前對非軸對稱洞穴地層特別是井旁洞穴的電測井響應(yīng)模擬與分析研究極少，對洞穴的識別與評價缺少理論依據(jù)。物理模擬被廣泛用于儀器刻度和測試，是反映儀器探測性能的重要手段，同時物理模擬也是數(shù)值仿真與測井評價的重要“橋梁”。目前國內(nèi)外對裂縫、洞穴的物理模擬特別是實(shí)驗(yàn)室縮小比例物理模擬開展極少，且物理模擬與數(shù)值模擬對應(yīng)性及其各自有效性及適用性仍有待研究[7-10]。本文將數(shù)值模擬與物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，綜合研究洞穴型地層雙側(cè)向測井響應(yīng)特征。首先基于數(shù)值模擬確定實(shí)驗(yàn)室縮小比例系統(tǒng)地層模型大小及儀器參數(shù)，然后利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果相互對比驗(yàn)證，從而考察兩者對應(yīng)性與適用性，最后模擬研究原狀地層條件下洞穴的雙側(cè)向測井響應(yīng)特征，為洞穴型地層雙側(cè)向測井識別和評價提供了理論指導(dǎo)。

1洞穴型地層雙側(cè)向測井響應(yīng)研究方法

直流電測井物理模擬模型若按1∶1的規(guī)模建造，難度大、造價高、周期長。為此，在不影響測井響應(yīng)的前提下，研制實(shí)驗(yàn)室縮小比例洞穴模型和縮小比例雙側(cè)向測井儀器。首先需要明確縮小比例地層及儀器參數(shù)對測井響應(yīng)的影響，進(jìn)而驗(yàn)證其正確性。首先采用結(jié)構(gòu)化有限元方法優(yōu)化地層大小和雙側(cè)向儀器縮小比例，隨后研制雙側(cè)向測井儀器樣機(jī)并建立實(shí)驗(yàn)室物理模擬系統(tǒng)；測量縮小比例洞穴型地層雙側(cè)向測井響應(yīng)，并將物理模擬與數(shù)值計(jì)算結(jié)果相互驗(yàn)證與標(biāo)定；最后進(jìn)行原始地層條件下洞穴型地層數(shù)值模擬，分析洞穴尺寸、發(fā)育位置及充填物電阻率等對測井響應(yīng)的影響。

2實(shí)驗(yàn)室物理模擬系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)選及建立

2.1實(shí)驗(yàn)室物理模擬系統(tǒng)及數(shù)值模擬模型首先建立洞穴型地層雙側(cè)向測井實(shí)驗(yàn)室物理模擬系統(tǒng)（見圖1a），該物理模擬系統(tǒng)主要包括：地層模塊、測量模塊及處理模塊。地層模塊由基巖模塊和洞穴模塊組成。其中，基巖采用可調(diào)電阻率的高電阻率蒸餾水溶液模擬，電阻率為100～2000•m，洞穴采用水泥與石墨混合配制而成，電阻率為50～500•m。測量模塊的步進(jìn)電機(jī)勻速拖動雙側(cè)向測井儀器樣機(jī)經(jīng)過洞穴地層，測量信號傳至地面電路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，最后利用地面操作系統(tǒng)及繪圖軟件進(jìn)行實(shí)時成圖。該系統(tǒng)可設(shè)置洞穴位置以及洞穴和基巖電阻率，具有簡潔、方便靈活的優(yōu)點(diǎn)。

2.2基于數(shù)值模擬的儀器及地層參數(shù)選取

雙側(cè)向測井樣機(jī)制造過程中，由于受制造工藝的限制，儀器縱向和橫向縮小比例不一致，其縱向縮小比例遠(yuǎn)大于徑向縮小比例。另外，地層模型截?cái)噙吔绲拇嬖诳赡苡绊戨妶鲂螒B(tài)及電流分布，進(jìn)而導(dǎo)致縮小比例模型測井響應(yīng)與實(shí)際地層情況不符。因此縮小比例地層及儀器設(shè)計(jì)時，必須綜合考慮地層截?cái)噙吔绾蛢x器縱橫向縮小比例的影響。本文以1229雙側(cè)向測井儀為例，采用有限元數(shù)值模擬技術(shù)，綜合考慮截?cái)噙吔绾蛢x器縱橫向縮小比例不一致的影響，以實(shí)現(xiàn)儀器參數(shù)及地層尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先確定儀器縱橫向縮小比例，儀器橫向縮小比例不影響其探測性能，而實(shí)驗(yàn)室制造工藝條件下，儀器橫向半徑最小為0.75cm，即橫向最大縮小比例為1/6；縱向縮小比例主要取決于主發(fā)射電極，其最小尺寸為0.6cm，即縱向最大縮小比例為1/20。地層模型尺寸的選取主要考慮截?cái)噙吔鐚x器產(chǎn)生的電場分布的影響，由數(shù)值模擬可知縱向尺寸一般取為徑向半徑的兩倍。若徑向半徑足夠大，此時地層縱向和徑向截?cái)噙吔缇桓淖儍x器電場的分布。因此只需不斷改變地層徑向半徑大小，最終優(yōu)化確定最小徑向半徑即可。數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，徑向半徑大于1.0m時，縱橫向截?cái)噙吔鐚x器電場的影響可忽略不計(jì)。假定地層電阻率為100•m，地層邊界無限遠(yuǎn)，儀器縱向及橫向均等比例縮小為1/20時，深側(cè)向和淺側(cè)向測井電場分布分別如圖2a、2b所示。圖2c、2d為綜合考慮地層截?cái)噙吔绾蛢x器縱橫向非等比例縮小比例時深淺側(cè)向測井電場分布。其中，地層徑向半徑為1m，縱向高度為2m，儀器縱向縮小為1/20，徑向縮小為1/6。對比圖2可知，采用上述截?cái)噙吔鐥l件及儀器參數(shù)時，深淺側(cè)向測井電場的幅度略有變化，但其形態(tài)保持不變，深淺側(cè)向測井電場分布范圍基本一致。這表明雙側(cè)向樣機(jī)在地層中的電磁場特性基本不受截?cái)噙吔缂翱s小比例不一致的影響。

2.3縮小比例儀器探測特性

本文進(jìn)一步從雙側(cè)向測井偽幾何因子角度出發(fā)，研究圖2所用參數(shù)條件對縮小比例雙側(cè)向測井儀器徑向探測特性的影響。不考慮井眼影響時，無限邊界條件下儀器縱橫向縮小比例均為1/20和截?cái)噙吔鐥l件下儀器縱橫向縮小比例分別為1/20和1/6時，雙側(cè)向測井偽幾何因子如圖3所示。其中侵入帶電阻率為1•m，原狀地層電阻率為10•m。由圖3可知實(shí)驗(yàn)室采用的儀器參數(shù)對淺側(cè)向測井響應(yīng)無影響，而對深側(cè)向測井響應(yīng)略有影響，但理想條件及實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)的深淺側(cè)向測井徑向探測特性基本不變，從而驗(yàn)證了所用參數(shù)的可行性。綜上，實(shí)驗(yàn)室條件下采用的地層參數(shù)為縱向高度2m，徑向半徑1m，雙側(cè)向測井儀器樣機(jī)縱向和橫向分別縮小為1/20和1/6時，既可保證儀器響應(yīng)不變，又能滿足實(shí)際實(shí)驗(yàn)條件限制及儀器樣機(jī)制造的需要。

3洞穴型地層雙側(cè)向測井響應(yīng)特征

3.1縮小比例洞穴型地層雙側(cè)向測井響應(yīng)特征利用以上確定的地層及儀器參數(shù)，建立圖1所示物理模擬系統(tǒng)，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室洞穴型地層雙側(cè)向測井物理模擬，并利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)定數(shù)值模擬結(jié)果。圖4所示為洞穴緊貼井壁時物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與刻度后的數(shù)值模擬結(jié)果對比。結(jié)果表明：儀器進(jìn)入洞穴范圍時，深淺側(cè)向電阻率均先減小后增大，且在洞穴中心深度位置的電阻率測井響應(yīng)值達(dá)到最小，縮小比例實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與刻度后的數(shù)值結(jié)果對應(yīng)較好。為進(jìn)一步對比驗(yàn)證上述標(biāo)定的準(zhǔn)確性，改變洞穴距井壁的徑向距離，模擬不同位置洞穴的雙側(cè)向測井響應(yīng)。圖5中洞穴半徑為9.25cm，充填物電阻率為220～230•m，洞穴左邊界距離井壁的徑向距離分別為0、1cm、2cm和5cm，基巖電阻率為970～1030•m。結(jié)果表明：深淺側(cè)向電阻率測井實(shí)驗(yàn)結(jié)果略有波動，但不同位置實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律及幅值與數(shù)值模擬結(jié)果一致，即隨著洞穴遠(yuǎn)離井壁，雙側(cè)向測井視電阻率值不斷增大，據(jù)此進(jìn)一步驗(yàn)證了刻度后數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.2地層條件下洞穴型地層雙側(cè)向測井響應(yīng)特征

利用物理模擬實(shí)驗(yàn)刻度后的數(shù)值模擬參數(shù)，將其推廣至地層條件下研究洞穴型地層雙側(cè)向測井響應(yīng)特征，分別考慮洞穴內(nèi)充填物電阻率及洞穴發(fā)育位置等對測井響應(yīng)的影響。

3.2.1充填物電阻率的影響

選擇半徑為3m的洞穴，研究充填物電阻率由1•m變化到1000•m時，洞穴中心深度位置的電阻率測井響應(yīng)。設(shè)定基巖電阻率為1000•m，洞穴左邊界到井壁的徑向距離分別為0.05m、0.15m、0.25m和0.50m時，計(jì)算洞穴中心位置處的雙側(cè)向測井值。由圖6可見，深淺側(cè)向測井值呈小的負(fù)差異，這主要是因?yàn)樯顐?cè)向測井探測范圍大，其易受井旁洞穴影響；隨著充填物電阻率的增加，雙側(cè)向視電阻率值緩慢增大，當(dāng)充填物電阻率大于100•m時，深淺側(cè)向曲線重合。總體上看，洞穴中心深度位置的深淺側(cè)向電阻率值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于充填物電阻率值，說明雙側(cè)向測井值難以準(zhǔn)確反映井旁洞穴充填物的電阻率真實(shí)信息。

3.2.2洞穴發(fā)育位置的影響

井旁洞穴雙側(cè)向測井響應(yīng)不僅受洞穴尺寸和洞穴內(nèi)充填物的影響，同時還需要考慮井旁洞穴發(fā)育位置的不同對曲線響應(yīng)幅度的影響。假設(shè)雙側(cè)向測井儀器主電極中心與洞穴中心處于同一深度位置，井內(nèi)鉆井液和基巖電阻率分別為1•m和1000•m，洞穴內(nèi)充填物電阻率為1•m，洞穴半徑分別為0.5m、1.0m、2.0m、3.0m和5.0m。由圖7可見，隨著洞穴逐漸遠(yuǎn)離井壁，深淺側(cè)向視電阻率均迅速增大，且淺側(cè)向測井值增大速度明顯高于深側(cè)向，這主要是因?yàn)闇\側(cè)向測井探測深度較淺，洞穴對深側(cè)向視電阻率值影響更大；對于深側(cè)向測井，當(dāng)洞穴左邊界距井壁徑向距離大于2.0m后，測井值基本趨于基巖電阻率并保持不變，而對于淺側(cè)向測井而言，當(dāng)洞穴左邊界距井壁徑向距離大于1.0m后，視電阻率不再發(fā)生變化。洞穴位置固定時，隨著洞穴半徑的增大，深側(cè)向測井響應(yīng)值不斷減小，淺側(cè)向測井視電阻率值先迅速減小后基本保持不變，這是由于淺側(cè)向測井探測范圍小所致。

3.2.3雙側(cè)向測井對井旁洞穴的識別范圍

假定深淺側(cè)向測井對井旁洞穴的敏感因子g為（2）式中Ra為深淺側(cè)向測井視電阻率值，Ra越小深淺側(cè)向測井對井旁洞穴敏感性越高。洞穴半徑為1.0m，井內(nèi)鉆井液電阻率和基巖電阻率分別為1•m和2000•m時，洞穴中心深度位置的雙側(cè)向測井響應(yīng)對充填物電阻率和洞穴邊界至井壁徑向距離的敏感性如圖8所示。若以g=0.3為雙側(cè)向測井識別界限，分別提取不同基巖電阻率條件下敏感因子為0.3的等值線，制作不同洞穴半徑、基巖電阻率時，井旁洞穴雙側(cè)向測井識別范圍圖版（見圖9），圖中綠色、黃色、紫色部分分別為井旁洞穴半徑為1.0m、3.0m和5.0m時所能識別的充填物電阻率及洞穴邊界至井壁距離范圍。由圖9可知，隨著洞穴尺寸的增大，井旁洞穴雙側(cè)向測井識別范圍不斷增加。充填物電阻率小于30•m時，隨著基巖電阻率的加大，雙側(cè)向測井探測深度降低，導(dǎo)致井旁洞穴雙側(cè)向測井識別范圍略有減小；充填物電阻率大于30•m時，井旁洞穴雙側(cè)向測井識別范圍隨基巖電阻率增大而不斷增大。與井眼鉆穿型洞穴相比，井旁洞穴雙側(cè)向測井可識別的充填物電阻率范圍減小。洞穴半徑較小時，井旁洞穴深淺側(cè)向測井識別范圍基本一致，洞穴半徑較大時，受徑向探測范圍影響，深側(cè)向測井識別范圍大于淺側(cè)向測井。

4結(jié)論

基于數(shù)值模擬結(jié)果，儀器縱橫向縮小比例分別為1/20和1/6時，縮小比例地層模型縱向截?cái)噙吔绺叨葹?m，徑向半徑為1m時，即可忽略地層截?cái)噙吔绾蛢x器縱橫向縮小比例不同對雙側(cè)向測井響應(yīng)的影響；物理模擬與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對應(yīng)性好，不同洞穴發(fā)育位置的雙側(cè)向測井物理模擬結(jié)果與標(biāo)定后的數(shù)值模擬結(jié)果一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了刻度后數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性；在洞穴中心深度處，雙側(cè)向測井值達(dá)到最小，但深淺側(cè)向視電阻率值遠(yuǎn)大于洞穴充填物電阻率值，洞穴半徑較小時，井旁洞穴深淺側(cè)向測井識別范圍基本一致，洞穴半徑較大時，深側(cè)向測井識別范圍大于淺側(cè)向測井，深側(cè)向可識別的洞穴邊界至井壁距離小于0.5m，淺側(cè)向測井識別距離小于0.3m。

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作者：范宜仁王磊葛新民范卓穎巫振觀劉家雄黃瑞 單位：中國石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院中國石油大學(xué)CNPC測井重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國石油天然氣勘探開發(fā)公司