随钻双侧向电阻率测井响应数值模拟分析

0 引 言

随钻电阻率测井是最早出现的随钻测井方法,按照发射源的类型,可分为电流型(普通电阻率、侧向电阻率)和电磁波型(电磁波电阻率、感应电阻率)。随钻电流型电阻率测井研发试验较早[1],中高电阻率地层测量优势明显,但发展缓慢;随钻电磁波电阻率测井研究应用较晚[2],始于20世纪80年代初,现已成为主流的随钻电阻率测井,但其电阻率测量动态范围较小,不适用于高电阻率地层测量。

按电流产生方式,随钻电流型电阻率测井又可分为电极电流型和感应电流型。随钻电极电流型电阻率测井研发试验始于20世纪30年代初,美国President地球物理研究公司联合Amerada石油公司开始了随钻电极电流型电阻率测井研究工作,仪器采用普通电极系,1938年进行了第1次随钻电阻率测井试验,于1940年公布了所采集的资料[1]。受当时材料、绝缘、耐磨等技术水平和制造工艺的限制,到20世纪70年代末,随钻电极电流型电阻率测井技术进展较小,也没有开发出商业化的仪器。20世纪80年代,Schlumberger公司推出了MWD 16 in*短电位电阻率仪器[3],采用了普通电位电极系,并在80年代中后期到90年代初得到了商业化推广应用,但测井响应受井眼影响大、探测深度很浅,且仅提供1条电阻率曲线。20世纪80年代后期,Exploration Logging公司成功地研制并试验了MWD聚焦电阻率测井系统FCR[4],采用了三侧向电极系,能提供1条电阻率曲线,它克服了MWD 16 in短电位电阻率测量受井眼影响大的缺点,但是钻铤上的绝缘带较长,没有解决电极系绝缘和耐磨等可靠性问题,未能进入商业化应用。

为了规避随钻电极电流型电阻率测井遇到的技术难题,20世纪60年代,Arps[5]提出了随钻感应电流型电阻率测井方法,由发射线圈在钻铤或电极上产生感应电流流入地层,并由电极或接收线圈探测来自地层的电流,这也是一种随钻侧向电阻率测井方法。直到20世纪90年代初,随钻感应电流型(侧向)电阻率测井仪器才成熟并投入应用[6],21世纪已发展到侧向电阻率成像[7-9],现已成为主流的随钻侧向电阻率测井。随钻感应电流型侧向电阻率测井仪器虽然在中高电阻率地层测量优势明显,但是探测深度较浅,一般不超过0.5 m,而且仪器制造成本较高。

为了克服随钻电极电流型电极系可靠性低和随钻感应电流型探测深度较浅等问题,一种新型随钻电极电流型电阻率测井仪(即双侧向电阻率随钻测井仪DLR)被研发出来,并进入现场试验阶段。本文介绍了该仪器的测量原理,通过二维、三维数值模拟方法[10-11]和自主开发的数值模拟软件进行数值模拟计算,分析6.75 in外径DLR仪器的仪器常数、井眼影响、分辨率、层厚影响、探测深度、侵入影响等探测特性。

1 随钻双侧向电极系及测量原理

双侧向电阻率随钻测井仪DLR同时采用深、浅2种探测深度工作模式,其电极系排列和工作原理如图1所示。电极系各电极上下对称排列,分别为B(B′)、A2()、A1()、A0,其中B(B′)是钻铤本体。

图1 随钻双侧向电极系工作原理示意图

深侧向工作原理:主电极A0供主电流,A1()、A2()供屏敝电流,全部电流返回到回路电极B(B′),测量A0的电压V0D和电流I0D,求取深探测电阻率。视电阻率计算公式为

(1)

浅侧向工作原理:主电极A0供主电流,A1()供屏敝电流,全部电流返回到A2()和B(B′),测量A0的电压V0S和电流I0S,求取浅探测电阻率。视电阻率计算公式为

(2)

式中,KD、KS分别为深、浅侧向的仪器常数。

2 仪器常数模拟分析

仪器常数是侧向测井仪器将电压、电流信号转换为视电阻率的一个重要参数,一般在某一井眼直径、泥浆电阻率、地层电阻率情况下令视电阻率等于地层电阻率求得。随钻测井仪器下井时,上部一般接MWD、钻铤和钻杆等,下部一般接螺杆、稳定器、减震器和钻头等,但在不同井眼、井段钻井时,所接底部钻具种类及其组合长度不一样,这样会影响DLR的仪器常数,从而影响视电阻率值。表1给出了DLR仪器常数随上下钻具长度变化而变化的数值模拟结果。

(1) 当DLR仪器上下两端未接钻具时,仪器常数最小,随着上下钻具长度的增加,仪器常数逐渐增加。当一端钻具长度达到一定数值后,仪器常数趋于恒定。

(2) 当DLR上下不接钻具与接无限长钻具时,浅侧向仪器常数增加13%、深侧向仪器常数增加114%,两端钻具长度对深侧向仪器常数影响远大于浅侧向。

(3) 当DLR上下两端钻具很长与仅一端钻具很长相比,仪器常数相差较小。

表1 随上下钻具长度变化的DLR仪器常数

3 井眼影响数值模拟分析

6.75 in DLR双侧向电阻率随钻测井仪深、浅侧向井眼影响曲线分别如图2、图3所示。6.75 in仪器一般用于8.5 in井眼,所以在这2个图中,主要考虑8.5 in井眼影响。Ra/Rm从1～100 000(即Rm=1 Ω·m,Rt=1～100 000 Ω·m)变化时,深侧向井眼校正系数为0.92～1.01,浅侧向井眼校正系数为0.88～1;对于8.5 in井眼,Ra/Rm大于10时,深、浅双侧向井眼校正系数近似为1,可忽略井眼影响。因此,在8.5 in井眼中,6.75 in的DLR双侧向电阻率随钻测井仪井眼影响较小。

图2 DLR深侧向井眼影响曲线

图3 DLR浅侧向井眼影响曲线

4 围岩影响与分层能力

根据仪器电极系排列及尺寸,DLR上电极A0-A1中点与下电极A0-中点间的距离大约为0.15 m。按照传统侧向仪器分辨率定义,DLR的标称分辨率应为0.15 m。DLR深、浅侧向围岩影响曲线分别如图4、图5所示,图4、图5中围岩电阻率Rs为1 Ω·m,目的层电阻率Rt从0.2～20 000 Ω·m变化。从这2图可以看出,分层能力随目的层电阻率与围岩电阻率对比度Rt/Rs增加而降低,低对比度Rt/Rs<10时,可以分辨层厚0.2 m左右的薄层,高对比度Rt/Rs=10 000时,可以分辨层厚0.4 m左右的薄层。

图4 DLR深侧向层厚影响曲线

图5 DLR浅侧向层厚影响曲线

图6为DLR在厚度为0.15 m、对比度Rt/Rs为10的薄互层中的测井响应,不难看出DLR能分辨出0.15 m的薄互层,但与薄层真电阻率的误差相对较大。

图6 DLR在0.15 m厚度低电阻率薄互层中的响应

图7为DLR在厚度为0.4 m、对比度Rt/Rs为10 000的薄互层中的测井响应,DLR能分辨出0.4 m厚的薄互层。

图7 DLR在0.4 m厚度高电阻率薄互层中的响应

图8为DLR在Okalahoma地层模型中的测井响应,该地层模型电阻率变化范围大,且高电阻率最大为30 000 Ω·m;图8中,DLR具有很高的分辨率,它能将深度68～70 m之间的0.2 m薄层清楚地分辨出来。

图8 DLR在Okalahoma地层中的响应

5 探测深度及侵入影响

双侧向电阻率随钻测井仪DLR的伪几何因子曲线如图9所示。图9模拟了在高电阻率侵入(Rxo∶Rt=10)和低电阻率侵入(Rxo∶Rt=1∶10)时的深、浅侧向伪几何因子。按照伪几何因子为0.5确定深、浅双侧向的探测深度,该仪器深侧向探测深度大约为0.6～0.7 m、浅侧向探测深度大约0.3～0.4 m。

图9 DLR伪几何因子曲线

图10 不同侵入深度时深浅双侧向测井响应

图10为不同侵入深度时DLR深浅双侧向测井响应情况。图10中地层电阻率Rt=100 Ω·m,侵入带电阻率Rxo=10 Ω·m,侵入半径Ri=4.25～30 in(当Ri=4.25 in时为井眼半径,此时为无侵)。从图10中可以看出,当无侵入时,深浅电阻率响应近似为100 Ω·m,基本重合。当侵入半径增加时,深浅电阻率曲线出现分离,当侵入半径为30 in时,深浅侧向电阻率分别降至为43 Ω·m和16 Ω·m左右。数值模拟结果表明,随着侵入深度的增加,DLR深浅电阻率曲线分离非常明显,能够准确反映泥浆的侵入特征。

6 结 论

(1) DLR仪器常数K值是随仪器上下端所接钻具长度而增加。当DLR仪器上下两端未接钻具时,仪器常数最小,随着上下钻具长度的增加,仪器常数逐渐增加,当一端钻具长度达到某一数值后,仪器常数趋于恒定。

(2) DLR深浅电阻率井眼影响比较小,在8.5 in井眼、地层电阻率1～100 000 Ω·m时,井眼校正系数变化不超过10%。

(3) DLR分层能力高,地层电阻率对比度较低时可以分辨0.2 m的薄层,地层电阻率对比度较高时能够分辨0.4 m的薄层。

(4) DLR深浅电阻率探测深度分别为0.6～0.7 m、0.3～0.4 m。随着侵入深度的增加,DLR深浅视电阻率曲线分离非常明显,能够准确反映泥浆侵入特征。