随钻电阻率测井与地层评价解释.doc

99测井技术信息交流会论文随钻电阻率测井与地层电性各向异性评价随钻电阻率测井与地层电性各向异性评价研究与应用报告综述高 杰 冯启宁石油大学（北京）地科系 102200摘 要：随钻测井（LWD）是目前的研究热点之一。LWD电阻率测井能够有效反映地层电性各向异性，本文为电性各向异性研究的预研报告，从电性各向异性研究的现状出发，论述了电性各向异性产生的原因、LWD电阻率测井曲线解释基础及校正和解释方法，从而说明了电性各向异性研究的特殊性、必要性和重要性。关键词：随钻电测井 电阻率各向异性引 言地层各向异性通常指其电阻率、介电常数及渗透率等参数在不同的方向存在差异的性质。钻井工程师要知道的首要信息是钻头离最近地层界面的距离，这可以直接从电阻率数据中求得，泥岩电阻率数据可用来估算地层压力，这是随钻测量（MWD）发展的直接原因之一。低频感应测井较高频电磁波传播测井反映地层电阻率各向异性的能力要弱，因此，随钻测井（LWD）中，电磁波传播测井是首选的电阻率测量手段。随钻电阻率测井是评价地层电性各向异性的重要手段，这是LWD研究和发展的源动力之一；同时，由于在高电阻率条件下，随钻电阻率测量通常比感应测井和其他电阻率测量的垂向分辨率差，受围岩影响要大，因此传统处理方法得到的测量与处理结果可能是无用的，因此要发展针对LWD的处理和解释方法。科技的发展使得随钻测量（MWD）信号传输这一所谓“瓶颈”问题得到很大程度的解决，因此在国外LWD研究和应用发展很快，Anadrill公司有RAB、CDR和ARC5等随钻电测井仪器，Baker Hughes INTEQ公司有DPR、Navigator、MPR和Slim MPR随钻电测井仪器，Halliburton公司有CWR和SCWR等仪器，Sperry-Sun公司有EWR和EWR-Phase4等仪器，这些仪器多以2MHz为测量频率，已经开始投入商业应用；但在国内，此频率条件下的研究相对较少，大庆油田有2MHz相位电阻率测井仪，是作为电缆式测井仪器出现的。考虑到随钻测井是测井的重要发展趋势之一，因此有必要现在开展这方面的研究，中国石油天然气集团公司（CNPC）科技发展部已经开始立项进行相关方面的基础研究。本文主要以2MHz电阻率测井为例，论述LWD电测井仪器的响应特点及各向异性对其曲线的影响及解释方法。各向异性形成原因及常规电测井方法对各向异性反映的局限性地层的垂向电阻率与水平电阻率的不同是地层电性各向异性的具体体现之一。众所周知，砂/泥岩薄互层序列表现为宏观各向异性介质，其宏观地层电导率仅由砂和泥的电导率决定。当含烃地层包含不同粒度的薄互层或包含不同的空隙分布时，同样表现为电阻率的宏观各向异性。当地层为较细的层状互层时，呈现更为明显的各向异性，因此说层状泥岩/砂岩的交互存在是产生各向异性的重要原因。若互层序列较厚，则感应测井视电导率数值与在均匀各向异性地层中得到的数值一样，反映的是地层宏观电导率，此电导率可用来评价地层的含烃特性；若互层序列较薄，则应进行围岩或薄层校正以正确评估宏观地层电导率；事实上，泥岩层更多的是各向异性的，若在解释感应测井数据时忽略其各向异性的作用，则地层宏观电阻率会被夸大。若泥岩是各向同性的，则：宏观水平电导率：(1.1)宏观垂向电导率：(1.2)用电阻率表示为：(1.3)通常泥岩是各向异性的，那么：宏观水平电导率：(1.4)宏观垂向电导率：(1.5)用电阻率表示为：(1.6)同时砂泥岩含量满足 (1.7)在均匀各向异性地层中，感应测井和侧向测井得到的是：(1.8)其中，是相对地层倾角，称为电阻率各向异性系数，对于层状地层，垂向电阻率总是大于水平电阻率：，因此，各向异性系数通常总是大于1的。对于的特殊情况，即直井情况，由于，则：；而对于的特殊情况，即水平井情况，因为，所以。总之在有倾角的各向异性地层中，感应测井仪器反映的是地层垂向电阻率和水平电阻率的加权平均：由0度时的到90度时的。从物理机制看，感应测井在直井中的涡流是水平方向的，因此仅得到水平电阻率，而在斜井中由于涡流存在于两个方向，所以其读数为垂向和水平向电阻率的平均值。在井眼与地层界面垂直的井中，感应测井和LWD 2MHz 电阻率仪器对垂向电阻率无效，即只能给出较准确的水平电阻率数值；而且一般说来，侧向测井仪器与感应测井类似，在直井中只能测量得到水平电阻率，因此，侧向测井技术在大斜度井和水平井中并非最优仪器选择。而且，传统的感应测井和阵列感应测井在大斜度井和水平井中均不能完成良好的定量评价。应该说，常规测井方法反映地层各向异性的局限性促进了LWD的发展。LWD电阻率测井解释基础【影响因素与测量数据】：电缆测量通常涉及到侵入问题，而LWD测井与侵入问题关系较少，但是在LWD测井中会遇见侵入的存在是客观事实，因此我们认为影响2MHz深浅曲线读数分离的八种因素是：（1）井眼（泥浆电阻率、井眼形状和井壁状况）；（2）围岩影响；（3）侵入影响；（4）地层各向异性；（5）地层介电常数的影响；（6）地层磁导率的影响；（7）垂向分辨率的不同；（8）地层电性参数的频散。LWD的2MHz电阻率测量得到的幅度衰减和相位差曲线。Baker Hughes INTEQ公司的NaviGator & MPR仪器除给出相位差和幅度比电阻率外，同时给出“绝对”测量，即利用测量信号的实部和虚部得到的视电阻率，此“绝对”测量比相位差和幅度比测量结果受地层各向异性影响要小，因此成为区分各向异性和侵入影响的重要因素。【侵入因素】：幅度衰减和相位差曲线通过转换可得到两条视电阻率曲线，分别记为Rps和Rad，得到两条曲线的主要原因是为了能够识别和分析地层侵入状况、围岩情况、各向异性和界面情况。通常认为，幅度衰减测量的探测深度较相位测量之探测深度要深，而分辨率较差，因此，相位移电阻率较幅度衰减电阻率探测较浅，分辨率较好。两者不同的分辨率常带来解释的模糊性。在厚层，二者的分离可以指示侵入；而在薄层，二者分辨率的差异可能掩盖侵入的存在。事实上，相位移电阻率和幅度衰减电阻率的垂向分辨率随地层电阻率的变化而变化，而且是随地层电阻率的增大而变差，即未经处理的相位移电阻率和幅度衰减电阻率在有电阻率变化的井中呈现不同的和变化的垂向分辨率，这也就是2MHz电磁波传播电阻率仪器的解释较困难的原因之一。【各向异性和围岩】：幅度衰减电阻率小于相位差电阻率的曲线分离指示了一或两种可能因素的影响：各向异性和围岩，但不会存在侵入，因为在含油地层，盐水泥浆滤液会使相位差电阻率小于幅度衰减电阻率。在含油各向异性地层中，当幅度衰减电阻率小于相位差电阻率时，电性各向异性意味着电流在垂向上的流动难于在水平向上的流动。【各向异性和倾角】对于2MHz的测井仪器：倾角在045时影响不大，而大于50度时，倾角影响较大。各向异性影响极大程度地决定于地层和井眼的相对角度，若忽略各向异性的影响，则在大斜度井中，多阵列测井曲线读数的分离可能导致错误的侵入剖面的解释，这是因为2MHz电阻率仪器的两条测量曲线在各向异性地层中的表现是不同的，在倾角大于50度时，相位移更多地反映垂向电阻率，从而导致两条曲线的分离。但是，若井眼垂直于地层，即使各向异性系数很大，也无各向异性影响。而且若倾角变大，即使各向异性系数不变，Rps和Rad两曲线仍可出现剧烈的分离，而且在电导性地层，曲线分离差异更明显。【倾角和围岩】：Rad和Rps的分离可能是倾角和围岩作用的共同结果，Rps度数更接近Rt。即使相量处理能够完全校正掉围岩影响，深、浅电阻率数据的分离也可能是倾角造成的。在高电阻率时，围岩影响更明显。在高电阻率时，倾角影响延伸更长的距离，而在低电阻率时，“犄角”更明显。“犄角”的大小决定于地层电阻率值、对比度、倾角和围岩影响，在高电阻率对比度下比在低电阻率对比度下更强。在大倾斜地层中，对于高电阻率对比度，“极化犄角”是较好的地层边界指示器，通常被认为是地层边界极化或者是界面电荷积累的结果。在厚层（大于20ft），无论围岩是各向同性或各向异性，围岩影响较小，无需校正，围岩校正取决于井眼倾角。通过对比两口不同倾角的井，判断一下同一围岩的电阻率，从而判断各向异性。储层的各向异性影响重于围岩各向异性的影响。【其他因素】理论上，各向异性的影响随仪器间距的增大而增大；各向异性总是导致相位差电阻率大于幅度衰减电阻率；介电常数影响可导致幅度衰减电阻率大于相位差电阻率；各向异性可使高频测量得到的电阻率大于低频测量结果。在高电阻率地层，介电影响通常是电阻率测量误差的最大来源。注意，从岩石物理观点看，电阻率的频散与泥质含量、孔隙弯曲度和孔中流体矿化度有关。频率在20kHz和1GHz的电测井仪器在一些井中呈现如下总体趋势：随频率的增高电阻率测量结果降低。高频条件下，相位差测量控制电阻率的计算，而幅度衰减只是提供电阻率的校正，相类似的是幅度衰减控制介电常数的计算。LWD电测井研究各向异性的基本原理与判别方法常规感应测井得到的响应通常是深、中视电阻率曲线，而2MHz电阻率测井得到的通常是幅度比和相位差曲线，理论上，至少可以利用LWD的幅度比和相位差两条曲线得到地层的水平电阻率和垂直电阻率。LWD交流电测井同感应测井类似，可以用如下波动方程来描述：(2.1)如上节所述，交互层的存在体现出宏观各向异性，因此不能简单地把地层看作各向同性介质，因此在用计算机进行数值模拟计算时的一个明显变化是电导率由标量的变为复电导率张量，在不考虑介电常数的各向异性的前提下其表达式为：(2.2)于是（2.1）式中的传播常数由变为，即传播常数变成较复杂的张量表达式，从而带来了计算的复杂性。在剔除侵入、围岩和井眼等环境因素的前提下，通过如下几种方法来判别地层各向异性的存在：(1) 相位移和幅度衰减电阻率的不同（单一间距）；(2) 相位移电阻率（多间距）；(3) 单一间距、多频率的相位移电阻率。2MHz仪器对各向异性的反映程度很大程度上取决于相位和幅度衰减测量数值向电阻率转化的高度非线性化。2MHz对研究地层的各向异性非常有用，可能的是在反映地层各向异性方面，幅度衰减电阻率与低频感应测井类似，即Rad对研究有用；而相位移测量对垂向电阻率反映更灵敏，即Rps对研究更有用，因此，虽然确定地层垂向()和水平()电阻率有多种方法，但必须有深、浅电阻率值和倾角才可能进行，因此至少需要以下两种电阻率仪器测量结果：（1）两种不同的电阻率仪器得到的数据，如同一口井中的聚焦测井和感应测井；（2）两口临井中，两种不同倾角的感应测井或介电测井数据；（3）大倾角/大斜度井中的常规感应测井的R信号电阻率和X信号电阻率；（4）大倾角/大斜度井中，LWD相位差电阻率和幅度衰减电阻率；（5）大倾角/大斜度井中，两种不同测量间距的LWD 相位差电阻率（或幅度衰减电阻率）；（6）大倾角/大斜度井中，两种不同测量频率的LWD相位差电阻率或幅度衰减电阻率。如果把泥岩地层视为各向同性的，则可以利用式（1.1）、（1.2）和式（1.7）得到Rsd和；(2.3)(2.4)若泥岩地层是各向同性的，同样可以利用式（1.4）、（1.5）和式（1.7）得到Rsd和：(2.5)(2.6)其中，(2.7)由上面诸式可以看出，在已知泥岩电阻率的条件下，在利用LWD电阻率测井得到和后，可以求得薄互层的砂岩含量及其电阻率。LWD电阻率测井曲线处理及解释应用三十年以前，人们已经认识到至少需要四个不同探测深度的独立测量才可以有效获得存在侵入的地层真实电阻率。对有侵入的各向异性的复杂地层，至少需要9个参数来描述：（1）倾角，（2）两个侵入半径，（3）冲洗带、过渡带和原状地层的垂向电阻率和水平电阻率。所以，利用LWD曲线进行解释，理论上至少需要九个独立的测量量，而且临近地层带来了另外的未知参数，导致LWD电阻率测井曲线极为复杂。此处从常规概念出发给出部分LWD电阻率测井曲线处理方法和解释规律。探测最深的感应测井与探测最浅的LWD电阻率测量匹配，而较浅的电缆感应测量与LWD得到的各向异性校正后的水平电阻率匹配。斜井中的LWD2MHz测量和电缆感应测量必须进行检查和校正，而且在作饱和度计算之前尽可能作各向异性校正。2MHz电磁波传播测井电阻率曲线的自适应反褶积技术是感应测井处理技术的自然延伸，其目的包括四个方面：一是改善Rps 和Rad的垂向分辨率；二是使处理后的Rps和Rad的垂向响应函数匹配；三是在较大的电阻率变化范围内Rps 和Rad垂向响应函数为常数，以利于它们的解释；四是使Rps和Rad的垂向响应函数与相量感应和阵列感应的分辨率匹配，方便随钻测井资料与电缆测井的对比。环境影响、介电影响校正和反褶积处理完成后，具有相同分辨率和不同探测深度的两条曲线之间的分离意味着侵入，这是电阻率覆盖技术的基本原则，无论这种覆盖是在单一仪器或多种仪器上进行。为了利用单一仪器的覆盖技术，通常假设第一条曲线至少部分受Rt的影响，而第二条曲线受Rt的影响更小，而且电阻率剖面在径向上是单调变化的。事实上，电阻率曲线是在同一比例刻度上进行覆盖的，通常在如下原则和前提下对曲线分离进行解释：情形一：Rmf大于Rw（水基泥浆）A：电阻率随时间减小，为油气层显示；B：曲线之间无分离则意味着非渗透层；C：电阻率随时间增大，为水层显示。情形二：Rmf等于RwA：电阻率随时间减小，为油气层显示；B：曲线之间无分离意味着水层或非渗透层。情形三：Rmf小于RwA：电阻率随时间减小，为渗透层显示；B：曲线之间无分离意味着非渗透层。情形四：油基泥浆：A：电阻率随时间增大，为水层显示；B：曲线之间无分离意味着非渗透或含油气层。情形二(B)、三(B)和四(B)的模糊性必须通过附加测量约束后的常规解释加以解决。比较特殊的是，在含烃砂层段，淡水泥浆的侵入可导致一特殊的环带剖面，其表现为首先是井眼附近的地层电阻率减小，然后是增大，这就与电阻率剖面的径向单调性假设相矛盾。如前所述，Rad的探测深度大于Rps，若Rps数值等于Rad数值，则所测数值为地层真实电阻率Rt，因为随钻测量侵入不会深；若Rad不等于Rps，则至少有20英寸的侵入，从而指示了一渗透层；若Rad大于Rps，那么Rt大于Rxo并指示了一有潜力的层；若Rad小于Rps，则Rt小于Rxo，可能是水层。同一口井的同一地层在饱和油或气时会有较大的各向异性系数Rv/Rh，但当饱和水时其各向异性系数则较小，所以如果在2MHz的曲线上观测到较大的各向异性影响（幅度衰减电阻率小于相位差电阻率），则无论视电阻率的幅度如何，该层很可能含烃，但是若该地层中富含各向异性泥岩，此项技术会无效。至于Rh,Rv,Rsd和Rsh等参数的定量解释应用已有部分论文提及，因篇幅所限，在此不予论述。结 论 与 讨 论电阻率测井仪器，典型的如感应和侧向测井仪器，由于其物理机制的不同和仪器结构的差异，地层特性对其影响是存在差异的，因此在同一地层的读数可能完全不同，由此带来解释的复杂性。而地层电性各向异性是一种影响电测井响应的因素之一，在常规电测井曲线中，其影响并未成为主要因素，因而未得到足够的重视，而在大斜度井和水平井中，由于地层倾角的存在，使得其成为影响LWD测井的重要因素，与其它影响因素一起使得LWD曲线解释变得非常复杂，由于这些因素的相关性，在进行解释时，并不能完全线性地把各向异性影响分离出来，应根据具体实际突出主要因素，或用严格方法反演求解各向异性，达到评价地层的最终目的。电性各向异性影响其它参数的各向异性，如渗透率等，这同样是值得探讨的问题。随钻测井是目前国内外研究与应用的热点之一，随着科技的进步，我们应该抓住机遇开展这方面的研究，突出测井在油气田勘探开发中的作用，提高测井在油气田勘探开发中的地位。文 中 符 号 说 明MWD: Measurement While DrillingLWD: Logging While DrillingCDR: Compensated Dual-Resistivity ToolMPR: Multiple Propagation Resistivity ToolARC5: Array Resistivity Compensated ToolDPR: Dual Propagation Resistivity ToolRAB: Resistivity-At- the BitEWR: Electromagnetic Wave Resistivity Tool CWR: Compensated Wave Resistivity ToolPWR: Propagated Wave Resistivity ToolSCWR: Slim Compensated Wave Resistivity ToolRad：幅度比曲线得到的视电阻率；Rps：相位差曲线得到的视电阻率：垂直电阻率；：水平电阻率；Rmf：泥浆滤液电阻率；Rw：地层水电阻率参考文献1金鼎，王建等，国外随钻测井技术调研，江汉测井研究所，1998。2Bittar, M.S. and Rodney, P.F., 1994, The Effect of Rock anisotropy on MWD Electromagnetic Wave Resistivity Sensors, paper pp, in 35th Annual Logging Symposium Transactions: Society of Professional Well Log Analysts.3 Luling, Martin G. and Shray, Frank, 1994, Processing and Modeling 2-MHz resistivity Tools in Dipping, Laminated, Anisotropic Formations, paper QQ, in 35th Annual Logging Symposium Transactions: Society of Professional Well Log Analysts.4 Hagiwara. T. 1996 Induction log responses to largest, dipping, and anisotropic formations: Induction log shoulder-Bed corrections to Anisotropic Formation and the effect of shale Anisotropy in Thinly laminated sand.shale sequences, SPE 36508.5 Meger, W.H., 96, New methods improve interpretation of propagation resistivity data, paper O, in