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高频感应测井地质应用研究 张丽媛( 地质工程) 指导教师：范宜仁( 教授) 摘要 感应测井是研究储层电性特征的基本方法。随着油田勘探开发工 作进入后期，常规的双感应- 八侧向测井方法对于评价高阻层、薄层、 水淹层，低渗透储层存在很大的局限性。为此引进的高频等参数感应 测井技术( bhk 1 43 ) ，仪器一次起下可同时获得探测深度和频率不 同的五条电阻率曲线，更加详细、准确地研究电阻率的空间分布。应 用高频等参数感应测井方法可划分薄夹层，评价储层流体饱和类型，确 定储层水淹程度，判断储层的渗透能力，五条电阻率曲线通过快速迭 代反演的方法可计算地层的真电阻率、侵入带电阻率和侵入半径，确 定泥浆对储层的污染程度，进而优化射孔参数，达到增加储层产能目 的。 高频感应以其独特的结构设计，为我们提供更加丰富的地质信息， 成功的解决了常规感应无法解决的一些地质问题。本文以高频感应测 井资料为主要研究对象，研究高频感应测井的方法原理，优越性分析， 研究地层真电阻率、侵入带电阻率及侵入半径的测井解释方法及应用， 以及高频感应测井资料在胜利油田的应用实例。 关键词：高频感应，方法研究，侵入半径，地质应用 n t h es t u d yo fh i g h f r e q u e n c yi n d u c t o l o g g e o l o g i c a la p p l i c a t i o n z h a n gl i y u a n ( g e o l o g i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s rf a ny i r e n a b s t r a c t t h ei n d u e t o l o gi st h eb a s i cl o g g i n gm e t h o dt o 咖0 yt h er e s e r v o i r e l e c l r i c i t yp r o p e r t i e s w i t h t h e d e v e l o p m e n t o f e x p l o r a t i o n a n d d e v e l o p m e n t , t h en o r m a ld u a l i n d u c t i v e 8l a t e r a ll o g g i n gm e t h o di s a p p a r e n t l y l i m i t e df o rt h ee v a l u a t i o no fh i # - r e s i s t i v i t y , t h i na n d w a t e r - f l o o d e da n dl o w p e r m e a b l eo i l - b e a r i n g b e d si nt h el a t e r d e v e l o p m e n ts t a g e t h e r e f o r e ，t h eh i 曲- f r e q u e n c y i s o - p a r a m e t e r i n d u e t o l o g ( h 3 ) i si m p o r t e d i tc 缸a c q u i r e5r e s i s t i v i t y c t l l w e $ c o n c e r n i n gt h ed e p t ha n df r e q u e n c y , a n dm a y t h e 佗f o r es t u d yt h es p a f i d d i s t r i b u t i o no fr e s i s t i v i t ym o r ed e t a i l e da n da c c u r a t e t h ea p p l i c a t i o no f h i g h - f r e q u e n c yi n d u e t o l o gm a yr e s o l v e t h ep r o b l e m si n c l u d i n gt h e r e c o g n i z a t i o no ft h i nb e d s ，e v a l u a t i o no ff l u i dt y p e i nt h er e s e r v o i r , a s c e r t m n i n gt h ew a ：i e r - f l o o d i n g , d i s c r i m i n a t i n gt h ep e r m e a b i l i t yc a p a c i t y , a n dm o r e o v 盯, c a l c u l a t i o no ft h er e a la n di n v a d e dz o n er e s i s t i v i t ya n dt h e i n v a d e dr a d i u st h r o u g ht h eq u i c ks t a c k i n gi n v e r s i o no n5r e s i s t i v i t yc l i i v e $ ， s o 船t oa s c e r t a i nt h ep o l l u t i o no fr e s e r v o i rd u et ot h ed r i l l i n gm u d , o p t i m i z et h ep e r f o r a t i o np m a m e t e r s ，a n du l t i m a t e l y 廿l h a l l e e t h ep r o d u c i n g c a p a c i t y t h eh i g h f r e q u e n c yi n d u e t o l o gm a yp r o v i d em o r eg e o l o 百c a l l u i n f o r m a t i o n , a n dr e s o l v e dm a n yg e o l o g i c a lp r o b l e m se x i s t e di nt h en o r m a l i n d u c t o l o g h e r e i n , t h eh i e , h - f r e q u e n c yi s ，s t u d i e dw i t hr e s p e c to f m e c h a n i s m , a d v a n t a g ea n a l y s i s ，i n t e r p r e t a t i o nm e t h o da n da p p l i c a t i o no n t h es t u d yo fr e a la n di n v a d e dz o n er e s i s t i v i t ya n dt h ei n v a d e dr a d i u s ，a n d p r e m n t e dt h ec 黜s t u d yi nf l u es h e n g l io i lf i e l d k e yw o r d s ：h i g h - f r e q u e n c yi n d u c t i v i t y , m e t h o ds t u d y , i n v a d e dr a d i u s ， g e o l o g i c a la p p “c a t i o l l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 月如日 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 油 年 厂月如日 j - n 幻年j 月加日 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 感应测井的国内外研究现状 在地球物理测井中，电法测井是获得地层信息的主要手段。而感 应测井又是电法测井的最基本的方法，随着油田开发进入后期，地下 情况的日益复杂要求电法测井不仅能够提供储层的电性特征，还要提 供更多的地质信息，因此，感应测井方法就越来越引起人们的重视。 自上世纪6 0 年代初6 f f 4 0 感应测井仪的引入以来，许多年中它 作为主要的深电阻率测井仪而没有变化1 1 1 。1 9 8 3 年，s c h l u m b e r g e r 公 司在传统双感应聚焦线圈系基础上，提出了相量双感应测井仪器该 仪器用趋肤效应几何因子描述趋肤效应的影响，第一次从空间上进行 了趋肤效应校正。由于深感应测井具有盲频率，其分辨率改善受到限 制，随后出现增强型的仪器，它把深、中感应测井相结合，通过分辨 率匹配提高深感应测井的分辨率 2 1 。 。 。” b p b 公司在1 9 8 3 年首先推出了商用的阵列感应测井仪器( a r r a y i n d u c t i o n s o n d e - - m s ) 。其线圈系由一个发射和四个接收线圈系组成， 所有接收信号数字化后传送到地面，由地面计算机进行处理【2 】。 1 9 8 7 年，h a l l i b u r t o n 推出了高分辨率感应测井仪器( h i g h r e s o l u t i o ni n d u c t i o n - - - h r i ) 。该仪器采用特殊的对称聚焦线圈系和信 号处理方法，同时测量实部信号和虚部信号。a t l a s 在上世纪9 0 年代 推出了测量r 和x 信号的双相位感应测井仪器( d u a lp h a s ei n d u c t i o n d p 几) ，该仪器仍是传统的双感应聚焦线圈系【2 】。1 一 中国石油大学( 华东) a - 程硕士学位论文第1 章前言 1 9 8 9 年m p i 公司开始研究一种新型阵列感应测井仪器( 氓) ，该 仪器有一个发射线圈和两个接收线圈，r 发射线圈发射宽频脉冲信号， 每个接收线圈的接收信号传送到地面，通过解m a x w e l l 方程组进行地 层电导率反演2 1 。 1 9 9 2 年，a t l a s 开始研究一种新型多频的阵列测井系统h d m ( h i g l ld e f i n i t i o ni n d u c t i o nl o g ) ，1 9 9 6 年a t l a s 正式公布了h d i l 及 其应用效果【2 】【3 1 。h d i l 是一种新的全数字化、全谱感应测井仪器，提 供6 条不同探测深度( 1 0 英寸、2 0 英寸、3 英寸、6 0 英寸、9 0 英寸和 1 2 0 英寸) 三组分辨率( 1 英尺、2 英尺和4 英尺) 的1 8 条电阻率曲线引。 高频等参数感应测井仪是9 0 年代后期由俄罗斯西西伯利亚地球 物理研究所研制出的一种新型感应仪器。高频等参数感应测井不同于 常规感应测井，它采用等参数设计，同时获得探测深度不同的五条电 阻率曲线，能够较详细地划分地层电阻率剖面，它突出的特点是可通 过快速迭代反演，准确的计算地层真电阻率、侵入带电阻率和侵入半 径。 电阻率测井是求取地层含水饱和度的最重要的方法，但是由于井 眼、围岩以及侵入的影响，使得电阻率测井测量的视电阻率实际是一 定范围内泥浆电阻率、围岩电阻率、侵入带电阻率和原状地层电阻率 的加权平均值。在大多数情况下，视电阻率的数值和原状地层电阻率 数值相差很大，尤其在咸水泥浆侵入和薄层中，这正是我国的大多数 油田都普遍存在的问题。由视电阻率求取原状地层电阻率的过程严格 2 中国石油大学( 华东) - r 程硕士学位论文第1 章前言 来说是一个多参数的非线性的反演问题。早先由于技术的问题人们只 能采用近似的简化的方法来处理此问题，现在，随着勘探开发实际的 要求，迫切需要严格的求解此问题的有效方法。 y a n g ( 1 9 8 4 年) 研究了利用最小二乘法由普通电阻率测井曲线求 取原状地层电阻率和地层厚度的可能性，数值模拟和在煤田的一个实 例说明了此方法的可行性，但是该文所采用的正演模型没有考虑井眼 的存在。s t a r tg i a n z e m ( 1 9 8 8 年) 围等提出类似的数值模式匹配快速 正演方法及最小二乘反演方法，研究了双侧向测井曲线同时反演侵入 半径及原状地层电阻率的问题，他们用微球聚焦曲线分层取值作为侵 入带电阻率r x o 。d 邶k i n ( 1 9 8 7 年) 吲提出了一种修正的阻尼最小二 乘方法，给出了理论模拟的结果和算法的收敛性证明，但没有给出实 际资料处理的结果。m a f r e n k e l ( 1 9 9 5 年) m 等、r g h a 】( v o o r t ( 1 9 8 8 ) 嘲 等利用此方法研究了双相位感应( d p 几) 、薄层电阻率( t b r t ) 、高 精度侧向测井( d 阳上) 和高精度感应测井( h d i l ) 反演问题，取得 了良好的效果，并将此方法称为快速迭代反演方法。俄罗斯地球物理 研究所( 1 9 9 7 年) 研制的高频等参数感应测井仪，编制相应的解释软 件，利用同时测量的探测深度不同的五条电阻率曲线反演出侵入带电 阻率，侵入带半径和原状地层电阻率，目前已经在胜利油田测量了1 0 0 口井，计算结果得到了证实。 目前，纵向分辨率高、探测范围较广并在胜利油田得到广泛应用 的感应测井方法主要有两种，即俄罗斯的高频感应测井方法和a t l a s 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 的高分辨率阵列感应测井方法咖。 1 2 高频感应测井方法概况 高频感应测井方法( bhkh3 ) 是1 9 9 9 年引进的俄罗斯新西伯 利亚地球物理研究所的一项最新的研究成果。它能够详细、准确地研 究电阻率的空间分布，划分储层井眼剖面。应用高频等参数感应测井 技术可划分薄夹层，评价油气水界面，确定侵入带电阻率、地层真电阻 率及侵入半径。评价储层径向侵入剖面，包括高矿化水聚集带( 低阻 环带) ，由此研究储层中可动油的分布。自1 9 9 9 年引进高频感应测井 方法以来，先后在桩西、现河、东辛、纯梁等油田进行测井，在划分 薄层、识别低阻油气层、判断水淹级别、计算侵入半径等方面取得了 显著效果，它以其独特的结构设计，不仅能够提供更加丰富的地质信 息，而且成功的解决了常规感应无法解决的一些地质问题。 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章高频感应方法原理 第2 章高频感应测井方法原理 2 1 高频感应测井原理 2 i 1 测量原理 高频感应是一个五线圈系探测系统。如图2 - i 所示，t 。- t 5 为发射线 圈，( 其中t i 和毗及r 。组成一个线圈系) 。五个线圈系的排列如下： t 1 0 4 0 r 1 0 1 0 r 2 。长度0 5 m ，工作频率1 4 m h z ； t 2 0 5 7 r 2 0 1 4 r 3 长度0 7 1 ，t 作频率7 删z ； t 3 0 8 0 r 3 0 2 0 r 4 长度1 0 1 1 ，工作频率3 5 m 1 4 z ； t 4 1 1 3 r 4 0 2 8 r 5 长度1 4 1 ，工作频率i 7 5 - 9 z ； t 5 1 6 0 r 5 0 4 0 r 6 。长度2 0 m ，工作频率0 8 7 5 m h z 。 。所有线圈同轴。直接测量结果为 五条相位差曲线( 线性刻度) ，计算后 演变为五条视电阻率曲线( 对数刻 度) ，发射线圈由交流电供电。其供电 电流公式为： j = j o e 一“ 式中，( d - - 角频率 j o 一振幅 i = j 一虚数 t _ 时间 m 电电流 5 lllli a - 小“- - j ji ， 。 图2 - i 仪器结构简图 ( 2 。1 ) 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章高频感应方法原理 发射线圈的磁矩l i t 与电流、线圈面积s 和线圈的匝数n t 的关系如下： m i - j i l l s 一。一， - ( 2 - 2 ) 测量线圈的磁矩m r 等于一匝线圈的面积和线圈匝数之积： r 地= n r s。( 2 - 3 ) 发射线圈与远探测线圈( r 。) 之间的距离为线圈系的线圈距l 1 ，测量 线圈之间的相对距离l ，l ，为线圈系的轴距。 。 发射线圈中的交流电在均匀导电介质中，产生交流电磁场。如果 发射线圈和测量线圈间的距离远大于线圈的直径( l i ) ，那么这 些线圈可以用磁偶极子来代替。在这种情况下，在测量线圈中产生的 电磁场的表达式为： ， 。盖e ? ( 1 一蚴川2 ( 2 4 ) 式中，k 一波数，与介质参数有下列关系： k = 4 i o ) u o + , u o ) 2 ( 2 5 ) 其中，0 一电导率 u = uo l , t 。，l ao = 4 1 0 h z m ，l a ，一相对磁导率 e=2 oe ，o = 8 8 5 1 0 1 2 中m ，o i 一相对介电常数 在第j 个测量线圈中，感应电动势： 铲一孚(2-6) 勺一言 式中，中j ：pm r j h j 磁通量 测量线圈中电磁场的电动势表达式如下： 6 中国石油大学( 华东) i - 程硕士学位论文第2 章高频感应方法原理 ，：嗷些：嘶增警( 2 - 7 ) 丸2 帆蟾武一识锯嵩 在准稳定的环境下，在无磁性介质中波数k 演变成以下形式 ( 卿 1 0 0 q m ) ，将相位差转换成视电阻率时，k ，值最 大( 1 9 - 2 o ) 。 2 1 3 测量误差与反演之间的联系 高频感应探测器能够测量5 个相位差：由i ( i ；l 一，5 ，从 短距探测器到长距探测器) 。介质的模型参数向量为芦= b ，岛，以 ， 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章高频感应方法原理 式中m 模型参数的数日。例如在井眼侵入带一地层模型中，参数 有5 个：泥浆电阻率，井眼半径，侵入带电阻率，侵入带外径，岩层 电阻率。众所周知，灵敏度嘞与相位差由t 和参数乃的关系式如下： 嘞= 掣 ( 2 - i i ) 在参数变化不大的情况下，模型参数的相对变化昂和信号的相对变化 压西之间的关系可以描述为： 融矿2 鲫 ( 2 1 2 ) 式中巫= 铷萌，丛如，融戎 测量相位差的相对误差向量， 昂= & 蝙，舾眈，出凸 由模型参数计算的相对误差的向量。灵敏度 的矩阵称为矩阵d 的因次( 5 m ) ： 西= 篱卜1 ，驴k ，m 。 o 沼 从表达式( 1 2 ) 中可以看出如果已知测量的相位差的相对误差压砂， 那么就可以评价由模型参数昂计算的相对误差： 昂= ( d 7 d ) 。1 d 7 巫妒 ，( 2 1 4 ) 式中d 7 表示的是d 转置矩阵。关系式( 2 - 1 4 ) 是分析径向和垂向探测 特征的基础，而且可以评价探测曲线和曲线反演的质量。 2 2 高频感应测井技术优越性分析 高频感应与常规感应对比有以下4 个特点； 1 ) 、高频感应具有较高的分层能力。常规感应无法解决纵向分辨 9 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章高频感应方法原理 率和径向探测深度这一矛盾，即提高纵向分辨率要以减小探测深度为 代价，而加大探测深度又导致纵向分辨率降低，高频感应采用等参数 设计，利用不同频率和不同长度的线圈系进行测量，采集相对相位差， 较好解决了这一矛盾。 当6 r t , 一- 1 0 时，纵向分辨率为o 钿： 。 当6r t 2 0 时，纵向分辨率为0 3 m 。 这样在上述误差限内，可划分出0 3 - 0 4 m 厚的薄夹层。 2 ) 、高频感应具有较好的径向分辨率“。准确评价0 5 - 2 0 0q 范围内的地层电阻率，常规感应电阻率测量范围小，地层电阻率超过 3 0 - 4 0 q m 曲线就失去线性，甚至出现“平头”，高频感应利用高频磁 场提高了高阻信号的级别，从而拓宽了电阻率的测量范围。 对于低侵( r x o r t 0 5 q 1 8 r m o 0 5 0 m 1 8 2 3 泥浆侵入机理研究 高频感应除了给我们提供探测深度不同的五条电阻率曲线外，还 可以通过快速迭代反演的方法计算出泥浆侵入深度。泥浆侵入深度即 侵入半径，是定量描述储集层受泥浆及其滤液侵入特性的一个重要 参数。通过研究侵入半径，可以分析泥浆滤液侵入地层特性，划分 渗透性地层，分析泥浆滤液侵入对测井响应的影响，确定侵入带流 体驱替状况，评价储层流体性质，确定储层受污染状况，同时还可 以指导射孔方案。泥浆侵入机理的研究是研究侵入半径的基础“”。 2 3 1 泥浆及滤液动态侵入过程 钻井过程中泥浆与地层的作用是双向的，地层中可溶性盐类 ( 石膏、盐岩、芒硝) 、各种流体( 油、气、水) 以及岩石细粒( 如 粘土、砂子) 会使泥浆性能发生不符合施工要求的变化，称为泥浆 受侵。另一方面，泥浆在正向压差作用下侵入地层。其具体过程如 下：从井眼形成的瞬间开始泥浆和泥浆水便向孔隙性地层渗透，在 中国石油大学( 华东) i 程硕士学位论文第2 章高频感应方法原理 这一段时间内还未形成泥饼，称为瞬时失水过程；泥饼形成后，在 泥浆循环状态下，失水量由大到小至恒定，这一段时间属于动失水 过程；钻进若干时间后，起下钻过程中停止泥浆循环，此时泥饼加 厚，仍发生失水现象，但逐渐减小，这一阶段称为静失水过程：之 后动失水过程和静失水过程交替出现，最终泥饼保持一定的厚度， 累积失水量达到一定数值，形成动态平衡。 2 3 2 侵入机理概述 实验和理论计算证明，形成泥浆侵入动态平衡的过程中泥浆及 其侵入地层发生了非常复杂的物理、化学和物理化学反应。这主要 表现在以下几个方面n 岫： 1 ) 、在正向压差作用下，一部分固相颗粒进入井眼附近的地层 中，随后堵塞孔喉，阻止固相颗粒的进入，迫使固相颗粒在井壁 附近沉积下来形成一层渗透性很低的泥饼。泥饼的渗透率随时间 成指数下降。 2 ) 、泥浆滤液在正向压差作用下驱替储层中的原始流体。当为 不相溶流体( 如水驱油) 时，驱替过程是主要的：当为相溶流体( 如 高矿化度的泥浆滤液驱替低矿化度的地层水) 时，不仅存在驱替过 程，同时存在离子扩散和对流传质现象。 3 ) 、侵入过程常伴随着储层污染的发生。储层污染是指泥浆滤 液与地层流体不配伍引起的一系列物理、化学反应。主要分为两大 类：一是滤液及储层内粘土矿物等敏感性矿物造成五敏伤害，伤害 1 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章高频感应方法原理 形式表现为粘土晶格膨胀、分散运移、矿物沉淀、盐类析出、微粒 运移堵塞等：二是泥浆滤液中无机处理剂、有机处理剂和表面活性 剂等与地层流体不配伍，产生化学反应，形成乳化物、无机结垢( 碳 酸钙、硫酸钡) 、有机结垢( 原油中沥青石蜡析出) 、细菌堵塞等。 4 ) 、由于地层是非均质性，毛管力作用下会引发“指进现象”， 同时由于油水重率差和油水粘度差的作用，造成侵入剖面的的非活 塞式，在宏观上表现为渐变的过程并仍可大致分为冲洗带、过渡带 和未侵入带，但不同于台阶式。其理论形态大致如图2 3 所示。 图2 - 3 饱和度侵入剖面示意图， 因此从侵入机理来看，泥浆侵入及其滤液侵入剖面应该是渐变 的。对泥浆侵入机理的认识是研究井周储层参数动态变化规律的基 础，而泥浆和泥饼的性能则是决定这一动态平衡过程的基础，同时 他们对测井响应会产生重要影响，从测井响应我们又可以反过来研 究泥浆侵入特性。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章高频感应方法原理 2 3 3 侵入半径的定义 泥浆的侵入现象使井壁附近的介质发生了变化，形成了一围绕 井孔的环带。如图2 - 4 ，在靠近井壁的岩石孔隙中，原有的流体几 乎全部被泥浆滤液所代替，这一部分成称为冲洗带：从冲洗带往里， 泥浆滤液逐渐减少，直到未被侵入的原状地层，这一环带称为过渡 带；冲洗带和过渡带合称为侵入带。泥浆滤液的这种侵入特性改变 了原状地层电阻率，造成了地层电阻率在径向上的变化，这种变化 是渐变的、连续的。从井壁到原状地层，泥浆滤液逐渐减少，对地 层电阻率的影响也逐渐减小。 一 熏 冲 一耗 泥一 冲 置 状 洗 饼饼 洗 状 过 过 地 带 地 菠 棱 层 莆 层 昔 莆 - 一d _ ! 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章高频感应方法原理 过阿尔奇公式求得电阻率r 在径向上驹变化关系r ( r i ) ，然后确定 出泥浆滤液侵入半径酊进定标准如下： 1 r ( o 卜盈( 矗) p 丑( ，馥s 式中r ，( o ，为原状地层电阻率一e 如i ) 为径向半径、虹处电阻率，且 为一百分数：可取5 ，、1 0 ，。，5 0 等值。根据研究区的地层特 点选定e ，+ ；即前计算出满足这个标准的侵入半径r i 。 2 3 4 侵入半径确定方法 1 ) 、解释图版 解释图版是根据理论计算或实验结果做出韵，人们先用解释图 版对测井曲线进行各种环境影响校正，求出尽可能少受环境影响 的、更能真实反映地层及其流体性质的测井值，再进行测井解释。 为了有效消除侵入带影响，准确求得地层真电阻率，目前一般都采 c 一 二 用深探测、中探测、浅探测三种电阻率测井组合的测井仪，采用相 应的泥浆侵入校正图版( 又称旋风图版，如图2 - 5 ) 进行解释，求 得地层真电阻率、冲洗带电阻率及侵入半径。但这种人工解释图版 作校正的方法只能对少数储集层的某些测井曲线进行个别环境影 响因素的校正，它既不适合计算机数据处理，也不能对井段所有地 层都进行比较全面的环境影响校正。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章高频感应方法原理 图2 - 5 泥浆侵入校正图版 2 ) 、单一电阻率反演手段 单一电阻率反演，又称为三参数反演，是利用深探测、中探测、 浅探测三种电阻率测井曲线，应用有限元法、边界元、神经网络等 数学方法，采用台阶状模型( 侵入带、原状地层) ，反演计算侵入 半径、冲洗带电阻率、原状地层电阻率。 但台阶状模型过于简单，不能真实反映地层实际情况，同时在 反演计算过程中，由于地层的真值往往是未知的，反演结果的局部 1 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章高频感应方法原理 收敛性使得当初始猜测值选得离真值太远时，迭代过程会在初值附 近收敛而远离真值；同时三参数反演具有多解性，增加了测井储层 分析的难度，严重时会形成错误的估计。 3 ) 、电阻率联合反演 利用电阻率测井结果反演可得到地层真电阻率、冲洗带电阻率 及侵入半径，但是，电测井响应的反问题是一组非线性方程，有限 的测量数据以及非线性方程线性化，易导致反演结果具有局部收敛 性和非唯一性。在实际反演中，由于地层的真值往往是未知的，反 演结果的局部收敛性使得当初始猜测值选得离真值太远时，迭代过 程会在初值附近收敛而远离真值；而反演问题的非唯一性则增加了 测井储层分析的难度，严重时会形成错误的估计，丢失烃类聚集层 或把水层误认为油( 气) 层。 对于电法测井反问题的局部收敛性，通常利用图版及取芯、录 井、试井等信息，尽可能地选择接近真值的初值，同时改进反演方 法，从反演方法本身加以完善。对于反演问题的非唯一性，最简单 的就是同时给出多个可能的解，供测井分析家们去筛选、对比，选 择合理的结果，减小解释误差。同时给出反问题的解中可能存在的 最大的地层电阻率值以及最小的地层电阻率值，它们分别对应于最 大含油饱和度和最含小油饱和度，但是当这多个可能的解差异较大 时，会形成相互矛盾的结果，给测井解释带来困惑。改善非唯一性 的另外一种途径就是增加测井信息，通常电阻率测井是把感应型 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章高频感应方法原理 ( 如感应类测井仪器) 和电流型( 如侧向、横向类测井仪器) 测井方法 组合起来进行测井，在组合测井中的各种仪器可以优势互补。以获 得更多的信息，充分反映目的层性态。测井中的单一测井仪器响应 进行反演，显然未能充分利用已有的其它测井数据。而联合反演具 有较强的实用性。目前的电测井一般是把不同探测深度( 深、中、 浅) 、测量原理迥异( 感应型、电流型) 的仪器组合起来进行因此， 充分利用所有的测井结果，把各种铡量方法的测井仪器响应联合起 来进行反演，可以增加约束条件，减小解的分布范围，避免一些相 互矛盾的结果。但该方法依然采用传统台阶状模型，不能反映地层 实际情况，反演结果不可靠。 4 ) 、高频感应快速迭代反演 高频感应测井包含了较为丰富的信息，使构建更为合理的地层 模型进行多参数反演成为可能。侵入过渡带模型把径向地层分为井 眼、冲洗带、过渡带和原状地层，其中过渡带的电阻率线性变化， 较为真实地反映了侵入区域的电阻率径向侵入特性。 、快速迭代反演方法原理“”如下： 如图2 - 5 中a 图所示，不失一般住，假设地层具有轴对成性，此 时普通电阻率测井问题可简化为二维。设z 轴沿井轴向上，r 轴水平。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章高频感应方法原理 8 二维非均匀介质模型b 电阻率参数径向变化模型 图2 - 6 普通电阻率测井地层模拟示意图 有k 个水平分层由下到上分别是第1 层、第2 层，最后一层，其 中第f 层侵入半径为r 。，侵入带电阻率为k 。，地层的真电阻率为r 。 如图2 - 6 中b 图所示；井中泥浆的电阻率为i i l 井半径为r b 。可以认 为，层的界限已知，并且存在a ，b ，r 0 使： a r m i b ，a r t i b ，r b r i r 第f 层到井轴距离为r 处的电阻率值由式( i i ) 的函数决定： f b 而( ，) ： i 兄 0 s ， 吒s ，s 弓 s ， ( 2 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) 用来反演的测井响应曲线为z ( f ) ，其中，为源点到接收点的距离，0 o 且，对应第i 层，i = i ，k ，z e ，这里e 属于l 2 ( a ，b ) k 上的误差分布厂用( 石，a ，石) 表示。对此测量空间f = 兀e 引入 如下范数叫| - m a x 0 鼻，j 哼厂，j e x 的映象借助于算子g 实现 批1 j ( g ：x f ) ，g x = ( g l 工， j ) f ，g x = ( g x ，a g l x ) f ，这里蜀是由x 1 9 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章高频感应方法原理 到e 的映象。元素萨可以通过电场微( 积) 分方程的边值问题解决a 要解决未知模型参量聋用公式( 2 1 7 ) ： g x = f ( 2 1 7 ) 由于实际存在测量误差，我们用近似值八f f ) 代替真实值a 算子h ：h 斗f 由下式： ( ，a ，屯) = ( ( ) ，呜( 屯) ，a 以( 以) ) ( 2 - 1 8 ) 这里 ：哼f 为第f 层一维正问题的算子，啊( ) = 蜀( ，他) ( 利用 无限厚三层标准曲线计算h ，这样大大减少了计算量，这正是该算法 区别于普通算法之处) 。 。 通过迭代方法解决问题黟= ，取初值p x ，第一一1 次迭代的 模型参数为x - i = ( n - i ) x ，此时第玎次迭代的结果，= ( r ) 取决于 彳分量的泛函数极小化q ( # ) = m z - ( g , x ”1 一鸟( 西n 。) ) 一岛( 冀) 忆。 这样，在每次迭代过程中要计算一次二维问题的修正量 岛，4 一 ( r 4 ) ，然后计算七个一维反问题q 的极小化。这种算法的 优点在于正问题g 的计算量相对要小，而且以所对地层的标准曲线为 基础，借助于二维问题的修正在一定程度上减少了泥浆侵入对每一层 测量结果的影响。 2 3 5 侵入半径的影响因素 钻井过程中泥浆滤液侵入储层可分为喷射、动滤失、静滤失等 阶段，其过程随泥浆性能、泥浆浸泡时间、储层孔隙度、储层渗透 率、地层压力、储层流体性质、粘度等因素变化而变化。当其它条 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章高频感应方法原理 件固定时，泥浆滤液侵入地层深度受两个因素的控制：一是泥饼渗 j 透率，二是地层的孔渗特性。 。 8 泥饼渗透率为变量( 下限值o 0 0 0 1 m d )b 泥饼渗透率为常量( 0 1 皿d ) 图2 7 泥饼渗透率对侵入半径的影响 1 ) 、泥饼渗透率的影响 图2 7 为泥饼渗透率对侵入半径的影响图。图中可见，在泥饼 渗透率为变量的情况下。开始侵入时，侵入半径很快增加，侵入到 一定时间后，侵入半径增加缓慢，而在泥饼渗透率为常量的情况下， 侵入半径一直增加较快。 模拟条件：含水饱和度4 8 ，地层水矿化度2 1 9 l ，泥浆滤液 矿化度l o g l ，孔隙度2 4 井眼和地层压差4 m p a ，残余油气饱和 度2 0 ，束缚水饱和度2 5 。 2 1 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章高频感应方法原理 a - t _ 吐! f 。x ： ，= i 峪 r 0 8 0 6 0 4 o 2 步 ( ： ： dl d卸 加0(_)0 1 02 03 04 0 m ( ) a 水层b 油层 图2 - 8 侵入半径与孔隙度关系图 2 ) 、地层孔隙度的影响 如果泥饼渗透率一定，那么到一定时刻，通过泥饼的滤液体积 y f 为定值时，有以下公式： ( ，2 一孑) h 唼) = 肿2 k c 。a p ” ( 2 1 9 ) 、式中：k c 一泥饼渗透率 ， i i 一泥浆滤液粘度 a m 入压力差 ， 卜浸泡时间 r 侵入半径 r 0 _ 一井径 上式表明，当其它条件一定时，侵入半径与孔隙度中成负相关性。 也就是孔隙度、渗透性好的地层，侵入半径反而小，但当孔隙度小于 2 0 时，情况则相反。一般认为孔隙度大于2 0 ，侵入半径随孔隙度增加 而减小；孔隙度小于2 0 ，侵入半径随孔隙度增加而增加。图2 - 8 为1 2 叫们叭。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章高频感应方法原理 口井水层和油层侵入半径与孔隙度的关系图，基本上反映了上述特征。 3 ) 储层流体性质的影响 ， 由于油、气、水层流体性质差异，一般气层侵入半径大于油层， 油层侵入半径大于水层，见图 芰 2 - 9 ，水层侵入半径在0 2 - 0 6 m 之 ： 间，而油层侵入半径在0 , 4 - 0 8 m 埘 之间，此特性在单并评价中为油 ( 气) 水层的定性识别提供了好 的信息。 。匐2 - 9 气、油、水侵入半径模拟图 2 3 6 侵入半径的应用研究 利用高频感应计算侵入半径主要用于优化射孔方案，在射孔施 工过程中，选择枪型和弹型时需要首先考虑射孔深度，确保穿透污染 带，提高油( 气) 产量。 ， 1 ) 、常规射孔工艺的确定 测井公司提供的各种混凝土靶穿深是在一定温度和压力下对射孔 弹进行试验得出的数据，但因混凝土靶的抗压强度、孔隙度、渗透率 等各项指标与实验条件的数据不相同，因此需对这一数据进行折算， 具体折算方法如下： 当( 由f 由e ) ( i 时k b ( 由f 由。) 。5 ( 1 9 由，) “5 当( 巾f 由。) l 时，k b ( 由f 由。) 1 。5 式中：k 广地层条件下穿深( m ) 一m m m _ 厂 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章高频感应方法原理 b 一混凝土靶穿深( m ) ， 巾广地层孔隙度( ) 。垂广混凝土靶孔隙度( ) 对于某一射孔层段应保证地层条件下穿深大于套管壁厚与水泥 ，： 环厚度及地层泥浆侵叁带的总厚度( 图2 - l o ) 1 龃0 1 2 0 地1 0 0 层 赍 8 0 保 f c m ) 6 0 4 0 2 0 0 02 04 06 08 0l 1 2 01 4 0 侵入半径t c m l ， 图2 一1 0 侵入半径与地层穿深关系图 见图2 - 1 1 ，大北1 8 - 1 6 井，该井泥浆比重大( 1 3 9 c m 3 ) ，油层平 均侵入半径达到0 6 3 m 。油层污染严重。投产层位：7 2 ，7 3 ，7 5 。7 7 ， 8 2 ，常规射孔不出油，后改为1 0 8 双复射孔，日液7 7 t ，油6 4t ， 含水1 1 9 6 。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章高频感应方法原理 图2 - 1 1 大北1 8 1 6 井高频感应处理圈 从表2 - 2 是实际生产井中射孔穿深与侵入半径对比表，可以看出， 对于射孔枪实际穿深超过了侵入半径的生产井来说，油井与油层一般 能形成良好的渗流通道，而实际穿深未能穿透泥浆污染带的生产井， 如梁9 - 4 井和k d 7 1 - 斜1 2 2 井的地层穿深小于高频感应计算的泥浆侵 入深度，射孔后投产，自然开采情况下供液差或不供液，梁9 - 4 井泥 浆侵入深度一般是0 8 m 一1 0 m ，应用常规射孔未能达到设计要求，根 据高频感应处理结论，建议实施压裂措施，投产后日产液9 4 m 3 ，油6 8 m 3 ，改造后获得工业油流，为高频感应方法优化射孔方案打下基础。 2 ) 、特殊射孔工艺的确定 应用相渗透率和常规渗透率资料，分析低孔，低渗和可能存在泥 中国石油大学( 华东) - r 程硕士学位论文第2 章高频感应方法原理 表2 - 2 侵入半径与地层穿深统计表 地层 投产情况射孔井段 侵入深度 枪型弹穿深 备注井号 型 液油 水 - ( - )( ) ( i ) ( t )( t )( t ) 垦东2 9 - 1 31 1 3 7 o 1 1 4 1 00 2 21 0 2 1 0 2l r l 71 61 7 1 4 3 稠油 桩4 7 2 7 5 3 o _ 2 7 5 7 50 3 1 0 2 1 0 2 仉4 61 7 71 7 70 i 压裂后 。 集9 - 4 2 8 8 0 5 2 9 3 7 00 6 2 - i 0 1 0 2 1 0 2 0 3 4 不供液 油6 8 m 3 g d 8 - 2 6 检9 1 3 3 7 8 一1 3 4 0 00 6 5 i 0 2 1 0 21 1 23 7 5 0 33 7 2 辛4 8 3 1 2 7 骝8 2 7 4 0 50 4 5 1 0 2 1 0 2 0 5 11 5 21 50 2 k d 7 1 - 斜1 2 21 8 0 1 5 1 8 1 2 30 5 11 0 2 8 90 4 76 96 2 0 8 供液差 g 8 3 2 2 0 1 01 7 的0 - 1 7 5 7 6o 4 1 0 2 1 2 7 0 8 39 33 45 9 6 d 7 4 3 删 1 2 8 7 o - 1 3 0 乳00 4 1 0 2 1 0 2 1 1 21 2 21 02 2 1 5 5 浆污染的油( 气) 层，采取相应的复合增效射孔、酸化、压裂等工艺， 获得好的效果。 高频感应可反映井眼附近渐进电阻率剖面，因此通过对5 条电阻 率曲线的定性分析，可确定储层的渗流能力。产层的渗透率可用孔隙 度和束缚水饱和度来指示： 髟：c 竺 s w i “ 一：堕 r 加矿 ( 2 - 2 0 ) ( 2 2 1 ) 为更加能反映地层渗透能力变化，将( 2 2 1 ) 式代入( 2 - 2 0 ) 式并对其微 分可得： 2 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章高频感应方法原理 嘭= d r x o r x o n d s x o s x o ( 2 - 2 2 ) a 当s - - s 时，此时渗透率反映为水相渗透率，因此可以近似写成： k w = a c d r x o r x o 一 ( 2 2 3 ) 式中，a c 一为水相渗透率刻度系数 如果地层污染轻，浅探测感应的变化率大，i ( - 也大：如果地层污 染重，则浅探测感应变化率小，k 也小，由此，可以由水相渗透率l ( - 来指示储层污染情况，对于原始渗流能力较好的储层，所计算的常规 ，- ， 渗透率k 和k i 数值都大，两者相关性好；对于原始渗流能力较好的储 层，如果钻井污染重，所计算的而k 较小，而k 值较高，说明储层渗 流能力较差，见图2 - 1 2 ，单1 4 2 - 斜1 0 井4 号层，h 与k 具有比较好 的对应关系，呈正相关性，说明储层原始渗流能力强，泥浆污染轻， 投产后，日产液5 t ；日产油4 t 。 对于沙四以下地层，。由于灰质、白云质的影响，自然电位受过滤 电动势的影响，因此仅利用自然电位和声波确定储层的渗流能力存在 一定的局限性，这已被许多例子所证实。对于此类储层应考虑k 的变 化值。关于高频感应确定储层的渗透能力见第3 章。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章高频感应方法原理 图2 1 2 单1 4 2 - 斜1 0 井渗透率对比图 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章高频感应地质应用研究 第3 章高频感应测井地质应用 。、 随着油田开发的进行大部分油田已经进入了中、高含水期，油 气田勘探开发的难度越来越大，石油