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阵列感应的数据处理与解释分析

已有 5150 次阅读 2010-4-24 17:51 |个人分类:测井科普|系统分类:论文交流| 阵列感应

提要: 针对阵列感应测井资料处理解释应用中可能出现的误差,从仪器合成处理和环境校正角度,探索适当的解决方法。

40年代道尔(H.Doll) 提出了感应测井几何因子理论并发明了第一支感应测井仪器以后,花费了40余年时间,研究并完善了感应测井传播理论和模拟聚焦型感应测井仪器,广泛应用于油气勘探与开发中。

随着计算机技术的发展,感应测井仪器由模拟聚焦型仪器向数字化、阵列化仪器发展和过渡,80年代,BPB公司推出了早期的阵列感应测井仪器──数字感应测井仪;90年代,斯仑贝谢公司研制出了商业化的AIT阵列感应测井仪,继斯仑贝谢公司之后,阿特拉斯公司于96年推出了自己的阵列感应测井仪器(HDIL),上世纪末,哈里伯顿公司也研制出一种新的高分辨率阵列感应仪器HRAI。这些仪器都已逐步在生产中得到广泛应用,体现了先进技术的价值。九五期间,中油测井重点科技攻关项目研制的阵列感应仪器,现已生产100多支投入现场应用。

一、感应测井和阵列感应测井测量原理

感应测井是利用电磁感应原理测量地层电导率,基本测量单元是双线圈系,一个发射线圈和一个接收线圈。常规(模拟聚焦型)感应测井采用复合线圈系结构,多个基本测量单元进行组合,即多个发射线圈和多个接收线圈进行串联,根据电磁场的叠加原理,产生具有直藕信号为零的多个测量信号矢量叠加,实现硬件聚焦的效果,从而测量具有一种或两种探测深度和一定纵向分辨率的地层电导率。在设计复合线圈系时,充分考虑了井眼影响因素,使测量结果受井眼影响较小。阵列感应测井仪器线圈系仍利用双线圈系测量原理,组成多个独立的测量基本单元结构进行测量,然后,利用多种数字处理技术进行处理,最后得到多种纵向分辨率、多种探测深度的测井曲线。

斯仑贝谢公司的AIT阵列感应测井仪器、阿特拉斯公司的多道全数字频谱感应测井仪器、我国自己研制的阵列感应仪器都采用三线圈系基本结构,它仍运用两个双线圈系电磁场迭加原理,实现消除直藕信号影响的目的,线圈系由不同组基本接收单元组成,使用多种频率同时工作,井下仪器测量多个原始实分量和虚分量信号,在地面实现数字聚焦,得到三种纵向分辨率、多种探测深度的测井曲线。为了消除井眼环境影响,开发出了相应软件,在数字聚焦处理前进行井眼环境校正。哈里伯顿公司研制出的高分辨率阵列感应仪器HRAI采用五线圈系(两个发射、三个接收线圈)基本结构,仍利用数字处理方法,获取三种纵向分辨率、六种探测深度的测井曲线。

二、阵列感应测井的数据处理

为了得到较理想的地层电阻率剖面,虽然不同公司的阵列感应仪器结构和参数各有差异,但它们的测量原理是相同的,数据处理的基本原理也是相同的或相似的,几乎所有阵列感应仪器都进行了井眼环境校正、优化合成、倾角校正、深度校正等数据处理。

1、井眼环境校正

阵列感应由于采用三线圈系基本阵列单元测量,软件聚焦方法,其原始测量值受井眼环境影响比常规聚焦型感应仪器更严重,但由于阵列测量包含具有若干不同工作频率的多个阵列的丰富信息,也隐含有井眼特征的信息,根据这些信息,可以构成一种自适应的井眼环境校正。反映井眼环境特征主要有下列四个参数:泥浆电导率s m,井眼半径r及形状,仪器离井壁的距离x,以及地层电导率s t 。为了进行井眼环境校正,对每个反映井眼环境特征的参数在很宽范围内进行阵列感应响应的大量正演模型计算,将这些计算结果拟合为接近的多项式表达式,得到一种快速计算每个原始测量值的井眼响应算法。在测井过程中(后),进行快速反演,即采用最小二乘技术,将不同的模型数据与短源距阵列测得的信号进行适配,得到一个最佳的模型值,由此求得井眼影响信号,最后在测井信号中减去井眼影响信号,就可以得到无井眼影响的测量信号。

2、优化合成处理

根据阵列感应阵列线圈单元响应理论可知,阵列感应测井每个阵列的原始读数是井下每一部分地层电导率贡献的积分效果,即井下各部分地层电导率的加权求和,不同的线圈系,各部分地层电导率的权系数不同。线圈系的二维响应,反映了不同地层电导率加权系数的相对大小。阵列感应测井的数字聚焦,即合成处理是上述问题的逆问题,就是利用多个线圈阵列在不同井眼深度测量的原始读数进行加权求和,以得到所要求的测井曲线,它具有所要求的纵向分辨率和径向探测深度。由此可见,实现阵列感应的数字聚焦,就变成了寻找一组期望的滤波权系数。利用最小平方技术,可求出不同线圈系、不同地层电导率的滤波权系数。将滤波权系数代入加权求和公式中,最后得到具有不同纵向分辨率、不同径向探测深度的测井值。在研制阵列感应仪器过程中,要计算出使其合成效果较理想的一系列这种合成权系数,在测井时直接调用这些权系数,当然要合理地使用这些权系数,必须正确地确定地层的有效背景电导率,为达到这一目的,必须先计算出确定地层有效背景电导率的滤波器系数。

3、倾角校正

由于井眼偏斜和地层倾角都将对感应测井产生影响,而且感应仪器在这两种情况下的响应的影响是相同的,可以把它们当成视倾角影响进行校正。这要结合地层倾角仪所测得的地层方位曲线进行。具体方法是通过大量模型进行计算,以得到一套完整的视倾角校正算法。

4、深度校正

在复杂井眼中,电缆测井很难保证井下仪器具有非常均匀的测井速度,或者电缆在测井过程中的伸长,造成地面记录的测井原始数据不能准确地进行深度对齐。作为阵列感应,使用记录的大量原始数据进行合成或反演,其结果将偏离真实地层电导率值。为解决这一问题,改进的阵列感应测井仪增加了加速度计测量,根据加速度计测量值进行深度校正,这就消除了由于深度不准而造成的计算曲线的误差。

三、阵列感应测井解释

1、原状地层电阻率Rt

常规感应测井响应是径向聚焦和纵向聚焦间的一种折衷结果,探测深度越深,纵向分辨率越低,反之,探测深度越浅,纵向分辨率越高。并且,提高纵向分辨率就增大了对井眼附近地层的灵敏度,即放大了井眼不规则影响。阵列感应测井曲线是通过对阵列测量原始信息,进行井眼环境影响校正,然后进行优化合成,产生的纵向分辨率匹配曲线。它是径向聚焦和纵向聚焦间的优化折衷。

纵向分辨率

利用测井原始曲线,进行优化合成可以直接得到匹配的三种纵向分辨率、五种探测深度的合成曲线。也可以经过合成处理先得到具有五种探测深度的真分辨率曲线,它们具有不同的纵向分辨率,反映了实际的仪器具有的探测特性,再经匹配处理,进一步可得到的三种纵向分辨率(1英尺、2英尺、4英尺)、五种探测深度的十五条测井曲线。而哈里伯顿公司研制出的高分辨率阵列感应仪器HRAI采用五线圈(两个发射、三个接收线圈)基本结构的线圈系,在软件优化合成前,利用五线圈基本结构,进行了纵向分辨率聚焦,然后再进行井眼环境影响校正、围岩校正、合成优化等处理,得到多种探测深度和多种纵向分辨率曲线。在测井解释时,必须有条件地使用这些曲线,才能得到合理的解释。

探测深度

探测深度定义为径向积分响应函数为50%的位置。常规感应采用硬件聚焦,其探测深度随地层电导率的变化而变化,在高电导率地层,探测深度降低。而阵列感应在很宽的地层电导率范围内,其探测深度基本不变。由于阵列感应使用的合成聚焦方法,原则上讲它可以得到任意多种探测深度,一般只取5-6种探测深度便可以反映地层的侵入剖面特性。

径向反演

单条电阻率测井曲线不能代表在特定半径下地层的电阻率,当存在侵入时,通过多条电阻率测井曲线的反演可求出原状地层电阻率Rt。在常规感应和侧向测井反演方法中,是在代表特定模拟条件的点之间进行插值,其模型采用“台阶剖面”三参数(RxodiRt)模型。阵列感应由于具有多种径向探测深度,可以采用“台阶剖面”三参数(RxodiRt)模型进行反演得到原状地层电阻率Rt,也可以采用更逼真的四参数(Rxor1r2Rt)模型计算RxoRt

2、侵入描述

直观解释

对同一种纵向分辨率的一组测井曲线进行直观解释,在非渗透层,不同探测深度的曲线应重合。由于这几组不同探测深度的测井曲线都是使用相同的感应测量原理,这就明显优于常规感应与微球组合测量的效果。感应和微球测井曲线对比时,地层的各向异性和仪器响应引起的差异会影响解释结果。

径向电阻率变化

用径向响应函数对一组纵向分辨率匹配的阵列感应测井曲线进行反褶积,可得到径向电阻率变化的详细描述。使用无模型法,用颜色来表示电阻率的变化,可以得到从井眼到地层的电阻率剖面。

径向侵入及径向饱和度

使用模型法来分析径向侵入及径向饱和度。它采用特定的模型将径向电导率参数化,通过反演计算出四参数RxoRt、侵入内半径r1、侵入外半径r2,根据四参数可生成饱和度成像。只要径向上饱和度梯度不随深度变化,则饱和度图像就能较真实地描述侵入特性。

滤液体积分析

由于钻井泥浆、孔隙度、地层水和饱和度梯度的变化将会使井与井对比以及同一口井水层与油气层对比模糊不清,阵列感应还提供以体积的形式完成对侵入的定量分析。首先建立一个滤液侵入剖面,在侵入半径r2以外,其泥浆滤液饱和度为零,在井眼附近为Sxo。假设在r1r2之间,过渡带的侵入关系是线性的,这样得到的滤液饱和度剖面乘上孔隙度,便可得到滤液体积剖面。如果假设mn,则利用阿尔奇公式可计算Sxo。显然,SxoRmfRxo和孔隙度的函数。在具体计算时,只需阵列感应数据和Rmf,通过对深度积分就可得到单位深度的滤液体积。

流体产能预测

国外斯仑贝谢公司阵列感应仪器和阿特拉斯公司的阵列感应仪器应用到某些凝灰质砂岩流体预测方面取得了好的效果,在那些地层由于对孔隙度的过高估计和对阿尔奇指数的过低估计,常规解释不适合,利用阵列感应仪器测井的深浅曲线比值法可评估流体含量。另外在中东地区生产测井中,基于流体解释方法,结合油田已知地球物理关系,应用阵列感应测井和微球测井资料,经过处理后推导两相流特征,成功地区分了油水层和进行产能估计。

识别磁性地层或介电影响

当地层电阻率变化时,测井曲线有明显反映,而当出现磁性地层(如菱铁矿)时,阵列感应测量的虚分量将出现异常幅度反映。在具有介电常数较大的地层模型进行阵列感应测井数值模拟计算,也发现测量的虚分量幅度异常,在测井解释时应注意这点。

四、阵列感应测井资料中常见异常现象和解释

1 纵向划分层位不清或错误

从仪器给出的技术指标上讲,阵列感应仪器可以分辩出30cm厚的地层,但实际上,30cm分辨率是有条件的,要求井眼规则、RtRmf 反差较小、其电阻率值为中等,一般讲,真分辨率曲线可信度更高,分辨率匹配曲线可作为参考、而30cm分辨率匹配曲线使用限制较多。当井眼直径不规则,变化剧烈,由于井眼校正效果不好,将出现一些假层。当RtRxoRtRmf反差较大时,会使地层界面处的解释产生假象,出现一个假尖的层位,在模拟地层优化合成时,发现过这种现象。当RtRxo的反差虽不大,但有不同侵入的交互层出现或有非侵的交互层出现时,可能出现假尖的层位。在设计的模拟地层合成处理时,出现过这种不合理现象。

2、侵入描述不确切

阵列感应测井曲线具有由浅到深的探测深度,应能反映地层的侵入特征,但在有的情

况下将出现不符合侵入规律的现象:在高矿化度井中测井时,由于地层电导率和泥浆电导率的反差很大,使其泥浆电导率产生的井眼信号较大(很多情况大于无井眼时地层电导率产生的测量信号),导致井眼校正效果差:出现过校正或欠校正,而短阵列线圈系测量单元的校正量大,长阵列线圈系测量单元的校正量小,其结果造成不同探测深度的测井曲线在均质地层不重合,在非均质地层也不能得到合理的幅度差异。在低阻围岩的情况,有时甚至还会出现无法进行井眼校正,出现超过测量范围的测量值。

在浅的高侵入薄层,阵列感应浅探测曲线读数可能偏低。当侵入小于25 cm时,甚至12.5 cm时,阵列感应25 cm探测深度的曲线读数显然低于微球形聚焦测井曲线读数,这是因为按50%贡献定义探测深度计,给定地层侵入较浅(12.5 cm),对于阵列感应25 cm探测深度的曲线,50%的贡献来自25 cm以内地层的积分值,50%的贡献来自25 cm以外地层的积分贡献,而对于微球形聚焦测井曲线,50%的贡献来自10 cm以内地层的积分贡献,50%的贡献来自10 cm以外地层的积分贡献,显然,由于浅的高侵入原因,使微球形聚焦测井曲线读数高于阵列感应25 cm探测深度的曲线读数,从分析可以看出微球形聚焦测井曲线读数更合理,此时的阵列感应25 cm探测深度的曲线偏低,所以浅探测曲线利用微球形聚焦测井曲线更好。在存在交互薄层的侵入地层,数值模拟计算结果显示,由于受薄层影响,测井曲线将出现一些过冲的尖峰,特别是在那些反差较大的地层。在一般情况下,由于输入的井眼参数不准确,也可能造成井眼校正偏差,致使合成曲线不能很好反映侵入规律。这就要求输入的泥浆电阻率和井径尽量准确,并测泥浆电阻率和井径效果更好。

仪器响应是在井眼周围各个方位上的平均值,通常实际的井眼不是圆的,地层的侵入面在井眼的各个方位上很少均匀,这些都将产生不对称的侵入剖面。而仪器实际测量结果和计算的测井曲线都是井眼周围地层贡献的平均值,阵列感应仪器不能反映井眼地层各个方位的电阻率的变化。当侵入带电阻率与原状电阻率间的反差小时,电阻率测井不能很好地反映侵入情况。在解释中,要考虑Rmf的明显变化对侵入界面和Vmf的影响。

3 与常规电阻率测井仪器对比测井

测井人早已习惯了常规电阻率测井曲线的解释,在与常规电阻率测井仪器对比测井时,除一般都能反映地层侵入特性外,在部分地层反映了它们的差异:存在环带的地层,阵列感应测量能反映侵入的环带特征,而双侧向-微球测井或双感应-八侧向测井不能很好地反映这种特征。另外,上面提到的浅的高侵入薄层,阵列感应测量与微球测量也存在差异。

4 数值模拟方法的应用

在精细解释过程中,上述种种现象的合理解释,除实际经验外,数值模拟方法是经常使用的一种有效方法。一般情况是当出现某些可疑地层时,或在一些关键层位,可以通过数值模拟计算进行判断,根据测井资料设计对应的地层模型,分别计算出阵列感应和常规测井仪器的测井响应,进行分析便可以得出合理的解释。

阵列感应仪器是随着科学技术的发展而出现的,由于采用了新的电子技术和计算(机)技术,可以得到更丰富的地层信息,可以较准确地确定地层真电阻率,可以进行地层电阻率剖面描述,在实际生产应用中,已充分体现了先进技术的作用;由于阵列感应测井使用了许多计算技术,将许多实际情况理论化(理论模型不能包罗万象),其结果将产生偏离实际的现象,在测井解释中,合理地进行精细的数据处理,正确地使用数值模拟方法,应该说绝大多数现象都可以得到解释,而且还可以进一步探索和总结出更合理、更丰富的应用经验和实例。



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1 李盛清

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