朱軍, 楊善森, 劉剛, 吳顯, 熊焱春, 李留

(中國石油集團(tuán)測井有限公司隨鉆測井中心, 陜西 西安 710054)

0 引 言

隨鉆電阻率測井是最早出現(xiàn)的隨鉆測井方法,按照發(fā)射源的類型,可分為電流型(普通電阻率、側(cè)向電阻率)和電磁波型(電磁波電阻率、感應(yīng)電阻率)。隨鉆電流型電阻率測井研發(fā)試驗(yàn)較早[1],中高電阻率地層測量優(yōu)勢明顯,但發(fā)展緩慢;隨鉆電磁波電阻率測井研究應(yīng)用較晚[2],始于20世紀(jì)80年代初,現(xiàn)已成為主流的隨鉆電阻率測井,但其電阻率測量動態(tài)范圍較小,不適用于高電阻率地層測量。

按電流產(chǎn)生方式,隨鉆電流型電阻率測井又可分為電極電流型和感應(yīng)電流型。隨鉆電極電流型電阻率測井研發(fā)試驗(yàn)始于20世紀(jì)30年代初,美國President地球物理研究公司聯(lián)合Amerada石油公司開始了隨鉆電極電流型電阻率測井研究工作,儀器采用普通電極系,1938年進(jìn)行了第1次隨鉆電阻率測井試驗(yàn),于1940年公布了所采集的資料[1]。受當(dāng)時(shí)材料、絕緣、耐磨等技術(shù)水平和制造工藝的限制,到20世紀(jì)70年代末,隨鉆電極電流型電阻率測井技術(shù)進(jìn)展較小,也沒有開發(fā)出商業(yè)化的儀器。20世紀(jì)80年代,Schlumberger公司推出了MWD 16 in*非法定計(jì)量單位,1 in=2.54 cm,下同短電位電阻率儀器[3],采用了普通電位電極系,并在80年代中后期到90年代初得到了商業(yè)化推廣應(yīng)用,但測井響應(yīng)受井眼影響大、探測深度很淺,且僅提供1條電阻率曲線。20世紀(jì)80年代后期,Exploration Logging公司成功地研制并試驗(yàn)了MWD聚焦電阻率測井系統(tǒng)FCR[4],采用了三側(cè)向電極系,能提供1條電阻率曲線,它克服了MWD 16 in短電位電阻率測量受井眼影響大的缺點(diǎn),但是鉆鋌上的絕緣帶較長,沒有解決電極系絕緣和耐磨等可靠性問題,未能進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用。

為了規(guī)避隨鉆電極電流型電阻率測井遇到的技術(shù)難題,20世紀(jì)60年代,Arps[5]提出了隨鉆感應(yīng)電流型電阻率測井方法,由發(fā)射線圈在鉆鋌或電極上產(chǎn)生感應(yīng)電流流入地層,并由電極或接收線圈探測來自地層的電流,這也是一種隨鉆側(cè)向電阻率測井方法。直到20世紀(jì)90年代初,隨鉆感應(yīng)電流型(側(cè)向)電阻率測井儀器才成熟并投入應(yīng)用[6],21世紀(jì)已發(fā)展到側(cè)向電阻率成像[7-9],現(xiàn)已成為主流的隨鉆側(cè)向電阻率測井。隨鉆感應(yīng)電流型側(cè)向電阻率測井儀器雖然在中高電阻率地層測量優(yōu)勢明顯,但是探測深度較淺,一般不超過0.5 m,而且儀器制造成本較高。

為了克服隨鉆電極電流型電極系可靠性低和隨鉆感應(yīng)電流型探測深度較淺等問題,一種新型隨鉆電極電流型電阻率測井儀(即雙側(cè)向電阻率隨鉆測井儀DLR)被研發(fā)出來,并進(jìn)入現(xiàn)場試驗(yàn)階段。本文介紹了該儀器的測量原理,通過二維、三維數(shù)值模擬方法[10-11]和自主開發(fā)的數(shù)值模擬軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,分析6.75 in外徑DLR儀器的儀器常數(shù)、井眼影響、分辨率、層厚影響、探測深度、侵入影響等探測特性。

1 隨鉆雙側(cè)向電極系及測量原理

圖1 隨鉆雙側(cè)向電極系工作原理示意圖

(1)

(2)

式中,KD、KS分別為深、淺側(cè)向的儀器常數(shù)。

2 儀器常數(shù)模擬分析

儀器常數(shù)是側(cè)向測井儀器將電壓、電流信號轉(zhuǎn)換為視電阻率的一個(gè)重要參數(shù),一般在某一井眼直徑、泥漿電阻率、地層電阻率情況下令視電阻率等于地層電阻率求得。隨鉆測井儀器下井時(shí),上部一般接MWD、鉆鋌和鉆桿等,下部一般接螺桿、穩(wěn)定器、減震器和鉆頭等,但在不同井眼、井段鉆井時(shí),所接底部鉆具種類及其組合長度不一樣,這樣會影響DLR的儀器常數(shù),從而影響視電阻率值。表1給出了DLR儀器常數(shù)隨上下鉆具長度變化而變化的數(shù)值模擬結(jié)果。

(1) 當(dāng)DLR儀器上下兩端未接鉆具時(shí),儀器常數(shù)最小,隨著上下鉆具長度的增加,儀器常數(shù)逐漸增加。當(dāng)一端鉆具長度達(dá)到一定數(shù)值后,儀器常數(shù)趨于恒定。

(2) 當(dāng)DLR上下不接鉆具與接無限長鉆具時(shí),淺側(cè)向儀器常數(shù)增加13%、深側(cè)向儀器常數(shù)增加114%,兩端鉆具長度對深側(cè)向儀器常數(shù)影響遠(yuǎn)大于淺側(cè)向。

(3) 當(dāng)DLR上下兩端鉆具很長與僅一端鉆具很長相比,儀器常數(shù)相差較小。

表1 隨上下鉆具長度變化的DLR儀器常數(shù)

3 井眼影響數(shù)值模擬分析

6.75 in DLR雙側(cè)向電阻率隨鉆測井儀深、淺側(cè)向井眼影響曲線分別如圖2、圖3所示。6.75 in儀器一般用于8.5 in井眼,所以在這2個(gè)圖中,主要考慮8.5 in井眼影響。Ra/Rm從1～100 000(即Rm=1 Ω·m,Rt=1～100 000 Ω·m)變化時(shí),深側(cè)向井眼校正系數(shù)為0.92～1.01,淺側(cè)向井眼校正系數(shù)為0.88～1;對于8.5 in井眼,Ra/Rm大于10時(shí),深、淺雙側(cè)向井眼校正系數(shù)近似為1,可忽略井眼影響。因此,在8.5 in井眼中,6.75 in的DLR雙側(cè)向電阻率隨鉆測井儀井眼影響較小。

圖2 DLR深側(cè)向井眼影響曲線

圖3 DLR淺側(cè)向井眼影響曲線

4 圍巖影響與分層能力

圖4 DLR深側(cè)向?qū)雍裼绊懬€

圖5 DLR淺側(cè)向?qū)雍裼绊懬€

圖6為DLR在厚度為0.15 m、對比度Rt/Rs為10的薄互層中的測井響應(yīng),不難看出DLR能分辨出0.15 m的薄互層,但與薄層真電阻率的誤差相對較大。

圖6 DLR在0.15 m厚度低電阻率薄互層中的響應(yīng)

圖7為DLR在厚度為0.4 m、對比度Rt/Rs為10 000的薄互層中的測井響應(yīng),DLR能分辨出0.4 m厚的薄互層。

圖7 DLR在0.4 m厚度高電阻率薄互層中的響應(yīng)

圖8為DLR在Okalahoma地層模型中的測井響應(yīng),該地層模型電阻率變化范圍大,且高電阻率最大為30 000 Ω·m;圖8中,DLR具有很高的分辨率,它能將深度68～70 m之間的0.2 m薄層清楚地分辨出來。

圖8 DLR在Okalahoma地層中的響應(yīng)

5 探測深度及侵入影響

雙側(cè)向電阻率隨鉆測井儀DLR的偽幾何因子曲線如圖9所示。圖9模擬了在高電阻率侵入(Rxo∶Rt=10)和低電阻率侵入(Rxo∶Rt=1∶10)時(shí)的深、淺側(cè)向偽幾何因子。按照偽幾何因子為0.5確定深、淺雙側(cè)向的探測深度,該儀器深側(cè)向探測深度大約為0.6～0.7 m、淺側(cè)向探測深度大約0.3～0.4 m。

圖9 DLR偽幾何因子曲線

圖10 不同侵入深度時(shí)深淺雙側(cè)向測井響應(yīng)

圖10為不同侵入深度時(shí)DLR深淺雙側(cè)向測井響應(yīng)情況。圖10中地層電阻率Rt=100 Ω·m,侵入帶電阻率Rxo=10 Ω·m,侵入半徑Ri=4.25～30 in(當(dāng)Ri=4.25 in時(shí)為井眼半徑,此時(shí)為無侵)。從圖10中可以看出,當(dāng)無侵入時(shí),深淺電阻率響應(yīng)近似為100 Ω·m,基本重合。當(dāng)侵入半徑增加時(shí),深淺電阻率曲線出現(xiàn)分離,當(dāng)侵入半徑為30 in時(shí),深淺側(cè)向電阻率分別降至為43 Ω·m和16 Ω·m左右。數(shù)值模擬結(jié)果表明,隨著侵入深度的增加,DLR深淺電阻率曲線分離非常明顯,能夠準(zhǔn)確反映泥漿的侵入特征。

6 結(jié) 論

(1) DLR儀器常數(shù)K值是隨儀器上下端所接鉆具長度而增加。當(dāng)DLR儀器上下兩端未接鉆具時(shí),儀器常數(shù)最小,隨著上下鉆具長度的增加,儀器常數(shù)逐漸增加,當(dāng)一端鉆具長度達(dá)到某一數(shù)值后,儀器常數(shù)趨于恒定。

(2) DLR深淺電阻率井眼影響比較小,在8.5 in井眼、地層電阻率1～100 000 Ω·m時(shí),井眼校正系數(shù)變化不超過10%。

(3) DLR分層能力高,地層電阻率對比度較低時(shí)可以分辨0.2 m的薄層,地層電阻率對比度較高時(shí)能夠分辨0.4 m的薄層。

(4) DLR深淺電阻率探測深度分別為0.6～0.7 m、0.3～0.4 m。隨著侵入深度的增加,DLR深淺視電阻率曲線分離非常明顯,能夠準(zhǔn)確反映泥漿侵入特征。

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