利用測井資料判斷地層出水的方法

蔣宏偉周英操崔 猛,翟應虎王克雄趙 慶

(1.中國石油鉆井工程技術研究院,北京 100195;2.中國石油大學(北京)石油天然氣工程學院,北京昌平 102249)

?鉆井與完井?

利用測井資料判斷地層出水的方法

蔣宏偉1周英操1崔 猛1,2翟應虎2王克雄2趙 慶1

(1.中國石油鉆井工程技術研究院,北京 100195;2.中國石油大學(北京)石油天然氣工程學院,北京昌平 102249)

空氣鉆井技術具有大幅度提高機械鉆速、縮短鉆井周期等優點,但空氣鉆井技術的主要障礙之一是地層出水。單一的測井資料解釋方法不易準確地識別出水地層,因此建立和應用新的地層出水識別方法是非常必要的。利用聲波時差測井和雙側向電阻率測井資料,建立了判斷出水層位的新方法——聲電綜合法。該方法判斷出水地層的標準有3條:1)由地層的聲波時差轉化得到的視電阻率與深側向電阻率的比值大于1;2)地層的深側向電阻率小于100Ω·m;3)地層的雙側向電阻率差一般為零或負幅度差。若某一地層同時滿足上述3條標準,即為出水層。該方法經現場應用驗證正確可靠,對空氣鉆井的推廣應用具有重要意義。

氣體鉆井;測井數據;出水層;聲波速度;電阻率測井;民參1井

空氣鉆井具有大幅度提高鉆井速度、縮短鉆井周期等優點[1-11],但空氣鉆井的應用是有條件的?？諝忏@井的主要障礙之一是地層出水,地層水進入井筒會引起井壁水化失穩和巖屑攜帶困難,甚至造成卡鉆等鉆井事故,所以在進行空氣鉆井時需要準確判斷出水地層[12]。單一的測井資料解釋方法不易準確識別出水地層,尤其對于復雜巖性地層,識別方法往往受到多種因素的影響。因此,建立和應用新的地層出水識別方法是必要的。在常規測井技術中,聲波時差測井與電阻率測井均被廣泛應用,因此可以利用鄰井完整的聲波時差和電阻率測井資料進行分析和研究。筆者分析了聲波時差測井資料與電阻率測井資料之間的關系,結合地層測井資料的規律提出了判斷地層出水的新方法。

1 判斷出水地層的常用測井方法

聲波時差測井也叫聲波速度測井,是利用測量到的地層聲波傳播速度來判斷地層巖性、估算地層孔隙度的測井方法。聲波在地層中的傳播速度和巖石的成分、彈性、密度有關,還和地層的孔隙度、孔隙中所含流體的性質有關。由于天然氣的聲波傳播速度比油水的聲波傳播速度要小得多,因此氣層的聲波時差大于油水層的聲波時差,可以利用這一特點來判斷氣層[13]。

電阻率測井測量的地層參數是巖石的電阻率。巖石電阻率的大小取決于巖石的組織結構和孔隙度,巖石孔隙中所含流體的性質、化學成分及其濃度和含量,巖石的膠結程度等。沉積巖中巖石骨架的電阻率很高,因此沉積巖的導電能力主要取決于巖石孔隙中地層流體。當地層孔隙含水時,由于地層水中所含鹽類的導電離子數目比較多,因此地層水的導電性增強,巖石的電阻率會比較小。而當地層孔隙中含油時,由于油的電阻率很高,幾乎不導電,因此巖石電阻率會比較大,即巖石孔隙中含油越多,巖石的電阻率就越大。

2 基本原理

2.1 聲波時差測井

2.1.1 孔隙度與聲波時差的關系

1)對于泥質含量低的地層 利用聲波時差可以計算巖石的孔隙度,其計算公式(Wyllie公式)為:

式中,Δt為地層的聲波時差,μs/m;Δtf為巖石孔隙中流體的聲波時差,μs/m;Δtma為巖石骨架的聲波時差,μs/m。在地層巖性已知的條件下,Δtf、Δtma可作為常數。

2)對于泥質含量高的地層 孔隙度和聲波時差之間的關系式為:

式中,Vsh為泥質含量,%;Δtsh為泥質聲波時差,μs/m。

3)對于碳酸鹽巖地層 孔隙度和聲波時差之間的關系式為:

式中,m′為一常數,取值范圍為2.0～2.2。

2.1.2 孔隙流體性質對聲波時差的影響[14]

對于孔隙度相同的地層,當其孔隙空間所含流體性質不同時,地層巖石的聲波傳播速度也不同。

1)孔隙度相同的砂巖,其含水時的聲波傳播速度高于其含油時的聲波傳播速度;而且砂巖的孔隙度越大、砂巖骨架的聲波傳播速度越高時,孔隙度相同的含水砂巖和含油砂巖的聲波傳播速度差異越明顯。但是,即使是孔隙度為20%～30%的純砂巖,其全部含水時的聲波傳播速度僅比其全部含油時的聲波傳播速度高7%～15%,且含油砂巖地層孔隙中實際上不可能全部含油(即含油飽和度不可能為100%)。因此,僅根據聲波傳播速度的差異來判斷砂巖地層是否含水是比較困難的。

2)對于碳酸鹽巖地層(石灰巖和白云巖地層),其孔隙度小,在目前的測量條件下,根據聲波傳播速度的差異來判斷含水層和含油層是非常困難的。

3)如果砂巖地層中含氣,則其聲波傳播速度和含水砂巖相比,會有明顯的降低。在砂巖地層中,只要含氣飽和度大于5%,其聲波傳播速度和孔隙中全部含水的砂巖相比,有明顯的差異。

2.2 雙側向電阻率測井

2.2.1 孔隙度與雙側向電阻率之間的關系

1)純砂巖地層

當地層孔隙中含有地層水時,巖石電阻率會受地層水的電阻率、含量及分布特點的影響。假設巖石孔隙中飽含水時的電阻率為R0,此時R0主要取決于巖石的孔隙度φ和地層水電阻率 Rw,即R0=f(Rw,φ)。研究發現,巖石電阻率不斷隨著所含地層水的電阻率的變化而變化,并且它們之間有近似成正比的關系。對于同一巖樣,巖石電阻率與所含水的電阻率的比值為一常數,并且這個比值只與巖石孔隙度、膠結情況和孔隙形狀有關,而與包含在巖石孔隙中的地層水電阻率無關[15-16]。用 F表示這個比值,則有:

式中,a為比例系數,其值取決于地層的巖性;m為膠結系數,隨著巖石膠結程度的不同而變化,變化范圍為1.5～3.0,一般約為2.0;φ為巖石孔隙度。

當巖石的孔隙中含水時,巖石電阻率除了與巖石的孔隙度、膠結情況及孔隙形狀有關外,還與地層水在孔隙中的飽和度及分布有關。引入一個新的參數,叫巖石電阻增大系數,它表示巖石的真電阻率Rt與該巖石完全含水時的電阻率 R0的比值。用 I表示巖石電阻增大系數,則有:

式中,Sw為含水飽和度;n為飽和度指數;b為系數。指數n和系數b與地層巖性有關,不同地區的n和b的值不同。

聯立式(4)和式(5),消去 R0可得到地層含水飽和度的公式(阿爾奇公式):

在雙側向電阻率測井中,深側向電阻率測井反映的是地層的原始電阻率,因此用深側向電阻率RLLD代替 Rt,則有:

2)含有泥質的地層

對于含有泥質的地層,其含水飽和度的表達式(Hossin方程)為:

式中,Rc為分散黏土的電阻率。

2.2.2 孔隙流體性質對雙側向電阻率的影響

雙側向電阻率測井根據探測深度分為深側向測井和淺側向測井,深側向測井測出的視電阻率主要反映地層的原始電阻率,而淺側向測井主要反映近井地帶鉆井液侵入帶的電阻率。雙側向電阻率測井主要用于快速直觀地判斷油、水層。由于深側向測井探測范圍較廣,深、淺側向電阻率受井眼影響的程度比較接近,這樣就可以利用深、淺側向測井測出的視電阻率曲線幅度差直觀地判斷油、水層[17]。

1)出水層的深側向電阻率一般小于100Ω·m。通過分析油田現場出水地層的雙側向電阻率測井資料,發現出水層的深側向電阻率一般小于100 Ω·m(氣層的深側向電阻率一般大于100Ω·m,在130Ω·m以上;干層的深側向電阻率一般大于400Ω·m),因此當地層的深側向電阻率小于100 Ω·m時,即 RLLD<100Ω·m時,可以判斷該地層為水層[18]。

2)出水層的雙側向電阻率差一般為零或負幅度差。相對于鉆井液濾液而言,地層水礦化度一般較高,鉆井液濾液電阻率偏高,形成增阻侵入,這時出水層段在雙側向電阻率上呈深淺曲線重疊(增阻性侵入不明顯)或呈明顯的負幅度差(明顯增阻侵入),即出水層一般在 RLLD/RLLS=1.0以下區域(干層時雙側向電阻率比值一般為1)[19-20]。因此當地層時,判斷該地層為水層。

由于地層受到鉆井液侵入深度的影響,還不能僅依靠上述的兩條標準來判斷出水層,必須結合其他方法綜合判斷。

2.3 聲波時差和深側向電阻率之間的關系

2.3.1 純砂巖地層

根據上面的分析,可以看出利用聲波時差測井和雙側向電阻率測井資料雖然都可以判斷出水層,但都存在準確度不高的問題,因此考慮把聲波時差和雙側向電阻率結合起來判斷水層。首先分析聲波時差與深側向電阻率的關系,對于純砂巖地層,可利用式(7)計算孔隙度:

聯立式(1)與式(9),可得聲波時差與深側向電阻率之間的關系:

當地層完全含水時,即Sw=1時,式(10)變為:

對于一口井或一個區域來說,式(11)中除深側向電阻率以外,其他參數均可視為常數。從式(11)可以看出,聲波時差與電阻率成反比,即電阻率變大,所對應的聲波時差變小。通過式(11)還可以發現聲波時差與深側向電阻率之間存在一種相關關系。

2.3.2 非純砂巖地層

對于非純砂巖地層,將式(2)和式(8)聯立,可以得到:

2.3.3 碳酸鹽巖地層

對于碳酸鹽巖地層,將式(3)和式(8)聯立,可以得到:

分析式(12)和式(13),同樣也可以發現聲波時差與深側向電阻率之間存在相關關系。

2.4 聲電比值判斷出水地層

根據對聲波時差和雙側向電阻率測井的分析,考慮到利用聲波時差和電阻率測井資料雖然都可以判斷出水層位,但都存在準確度偏低的問題,而且聲波時差更適合區分氣層和油水層。因此,可以把聲波時差轉化為視電阻率,并與深側向電阻率結合起來判斷出水地層。

在相同條件下,聲波時差變小,則聲波時差轉換所得的視電阻率變大;聲波時差變大,則聲波時差轉化的視電阻率變小。因此,當地層為水層時,測量的聲波時差減小,聲波時差轉換的視電阻率增大,就會出現聲波時差轉換的視電阻率大于測量的深側向電阻率的情況[21]。

因此,建立判斷水層的標準:當 RΔt>RLLD時,所對應的地層為水層[21]。由于電阻率均為正值,同時為了作圖的方便,把地層為水層時的判斷標準RΔt> R轉化為,即判斷水層的標準為。

LLD利用上述方法,繪制井深和的示意圖,可以初步判斷出水層。當時,地層可能為氣層或干層。

3 聲波時差和雙側向電阻率綜合法

前面介紹的判斷出水地層的3條標準分別是:

1)地層的深側向電阻率一般小于100Ω·m;

2)地層的雙側向電阻率差一般為零或負幅度差;

分別應用上述3條標準判斷水層,判斷結果和現場實際都不太一致。因此,筆者綜合應用3條標準判斷水層,即:

筆者將這種判斷水層的方法稱為聲波時差和雙側向電阻率綜合法。

4 實例分析

根據聲波時差和雙側向電阻率綜合法的判斷標準,對民參1井的聲波時差和深側向電阻率的測井數據進行回歸分析,得到民參1井聲波時差轉化為電阻率的公式為:

根據式(14),將民參1井的聲波時差轉化為視電阻率,然后根據聲波時差和雙側向電阻率綜合法分別繪制井深-深側向電阻率示意圖、井深-雙側向電阻率比值示意圖、井深-聲電比值示意圖來綜合判斷水層,其數據的部分處理結果如圖1所示。

圖1 民參1井的測井數據處理結果示意

分析圖 1可以得到:3 846.6～3 848.6和4 012.2～4 015.2 m井段,同時滿足,因此判斷這兩個井段為水層,其余井段為非水層。

表1為民參1井現場鉆進中實際結果與判斷結果的對比。

表1 民參1井現場鉆進中的實際結果和判斷結果

從表1可以看出,民參1井3 847.5～4 014.5 m井段的水層判斷結果和現場鉆進中的實際結果完全一致。

5 結 論

1)利用聲波速度測井和雙側向電阻率測井資料,建立了聲電綜合判斷出水層的方法。

2)實例驗證表明,利用聲電綜合法判斷出水地層可行,準確度較高。

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[審稿 孟英峰]

Formation Water Production Prediction Based on Well Logging Data

Jiang Hongwei1Zhou Yingcao1Cui Meng1,2Zhai Yinghu2Wang Kexiong2Zhao Qing1(1.Drilling Technology Research Institute,CN PC,Beijing,100195,China;2.College of Oil and Gas Engineering,China University ofPetroleum,Changping,Beijing,102249,China)

Air drilling can improve penetration rate and reduce well drilling period,while the primary challenge of air drilling is formation water production.It is difficult to identify formations water production using single well logging data.Therefore,it is necessary to develop a method to identify formation water production.The acoustoelectric method which uses wave slowness and dual laterolog(DLL)resistivity logging data to identify formation water production was developed.There are 3 criteria to determine formation water production,1)the ratio between apparent electrical resistivity transformed from wave slowness and deep laterolog(LLD)electrical resistivity is higher than 1.0,2)the electrical resistivity from LLD is less than100Ω·m,3)the difference between DLL is zero or negative.The formation is a water formation if it meets the above three criteria.The field application shows that this method is reliable.It is very important for the application of air drilling.

gas drilling;logging data;water layer;acoustic velocity;resistivity logging;Mincan 1 Well

book=2010,ebook=89

TE242.6

A

1001-0890(2010)02-0028-05

2009-03-24;改回日期:2010-01-19

蔣宏偉(1978—),男,河南鄢陵人,2001年畢業于江漢石油學院石油工程專業,2004年獲得石油大學(北京)油氣井工程專業碩士學位,2007年獲得中國石油大學(北京)油氣井工程專業博士學位,主要從事欠平衡鉆井技術與應用方面的研究。

聯系方式:(010)52781745,jianghwdri@cnpc.com.cn