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《石油勘探與開發雜志》2015年第六期

摘要：

為研究碳酸鹽巖、火山巖等洞穴型儲集層雙側向測井響應特征，基于數值模擬優化設計實驗室縮小比例物理模擬系統的儀器及地層模型參數，并用物理實驗數據標定數值模擬結果，進而研究原始地層條件下洞穴型儲集層的雙側向測井響應特征。結果表明：實驗室地層徑向半徑和縱向長度分別為1.0m和2.0m，雙側向測井儀器縱向及徑向分別縮小為1/20和1/6時，即可滿足實驗室縮小比例物理模擬的需要，且縮小比例物理實驗結果與數值計算結果對應性好。利用物理模擬實驗刻度后的數值模擬參數，研究洞穴型原狀地層雙側向測井響應特征，結果表明：井旁洞穴雙側向測井曲線在洞穴中心深度位置視電阻率達到最低，雙側向測井值無法準確反映洞穴真實電阻率值；洞穴半徑越大、充填物電阻率越低、洞穴距井壁越近，雙側向測井對井旁洞穴敏感性越強；深側向測井可識別的洞穴邊界至井壁徑向距離小于0.5m，淺側向測井可識別最大距離為0.3m。圖9參10

關鍵詞：

洞穴型地層；雙側向測井響應；物理模擬；數值模擬；測井識別范圍

碳酸鹽巖、火山巖縫洞儲集體具有非均質性強、各向異性明顯、洞穴發育尺寸不一、充填物類型多樣等特點，使得測井響應復雜，測井識別與定量評價難度很大[1-6]，尤其目前對非軸對稱洞穴地層特別是井旁洞穴的電測井響應模擬與分析研究極少，對洞穴的識別與評價缺少理論依據。物理模擬被廣泛用于儀器刻度和測試，是反映儀器探測性能的重要手段，同時物理模擬也是數值仿真與測井評價的重要“橋梁”。目前國內外對裂縫、洞穴的物理模擬特別是實驗室縮小比例物理模擬開展極少，且物理模擬與數值模擬對應性及其各自有效性及適用性仍有待研究[7-10]。本文將數值模擬與物理實驗相結合，綜合研究洞穴型地層雙側向測井響應特征。首先基于數值模擬確定實驗室縮小比例系統地層模型大小及儀器參數，然后利用實驗數據與數值模擬結果相互對比驗證，從而考察兩者對應性與適用性，最后模擬研究原狀地層條件下洞穴的雙側向測井響應特征，為洞穴型地層雙側向測井識別和評價提供了理論指導。

1洞穴型地層雙側向測井響應研究方法

直流電測井物理模擬模型若按1∶1的規模建造，難度大、造價高、周期長。為此，在不影響測井響應的前提下，研制實驗室縮小比例洞穴模型和縮小比例雙側向測井儀器。首先需要明確縮小比例地層及儀器參數對測井響應的影響，進而驗證其正確性。首先采用結構化有限元方法優化地層大小和雙側向儀器縮小比例，隨后研制雙側向測井儀器樣機并建立實驗室物理模擬系統；測量縮小比例洞穴型地層雙側向測井響應，并將物理模擬與數值計算結果相互驗證與標定；最后進行原始地層條件下洞穴型地層數值模擬，分析洞穴尺寸、發育位置及充填物電阻率等對測井響應的影響。

2實驗室物理模擬系統參數優選及建立

2.1實驗室物理模擬系統及數值模擬模型首先建立洞穴型地層雙側向測井實驗室物理模擬系統（見圖1a），該物理模擬系統主要包括：地層模塊、測量模塊及處理模塊。地層模塊由基巖模塊和洞穴模塊組成。其中，基巖采用可調電阻率的高電阻率蒸餾水溶液模擬，電阻率為100～2000•m，洞穴采用水泥與石墨混合配制而成，電阻率為50～500•m。測量模塊的步進電機勻速拖動雙側向測井儀器樣機經過洞穴地層，測量信號傳至地面電路進行數據采集，最后利用地面操作系統及繪圖軟件進行實時成圖。該系統可設置洞穴位置以及洞穴和基巖電阻率，具有簡潔、方便靈活的優點。

2.2基于數值模擬的儀器及地層參數選取

雙側向測井樣機制造過程中，由于受制造工藝的限制，儀器縱向和橫向縮小比例不一致，其縱向縮小比例遠大于徑向縮小比例。另外，地層模型截斷邊界的存在可能影響電場形態及電流分布，進而導致縮小比例模型測井響應與實際地層情況不符。因此縮小比例地層及儀器設計時，必須綜合考慮地層截斷邊界和儀器縱橫向縮小比例的影響。本文以1229雙側向測井儀為例，采用有限元數值模擬技術，綜合考慮截斷邊界和儀器縱橫向縮小比例不一致的影響，以實現儀器參數及地層尺寸的優化設計。首先確定儀器縱橫向縮小比例，儀器橫向縮小比例不影響其探測性能，而實驗室制造工藝條件下，儀器橫向半徑最小為0.75cm，即橫向最大縮小比例為1/6；縱向縮小比例主要取決于主發射電極，其最小尺寸為0.6cm，即縱向最大縮小比例為1/20。地層模型尺寸的選取主要考慮截斷邊界對儀器產生的電場分布的影響，由數值模擬可知縱向尺寸一般取為徑向半徑的兩倍。若徑向半徑足夠大，此時地層縱向和徑向截斷邊界均不改變儀器電場的分布。因此只需不斷改變地層徑向半徑大小，最終優化確定最小徑向半徑即可。數值模擬實驗發現，徑向半徑大于1.0m時，縱橫向截斷邊界對儀器電場的影響可忽略不計。假定地層電阻率為100•m，地層邊界無限遠，儀器縱向及橫向均等比例縮小為1/20時，深側向和淺側向測井電場分布分別如圖2a、2b所示。圖2c、2d為綜合考慮地層截斷邊界和儀器縱橫向非等比例縮小比例時深淺側向測井電場分布。其中，地層徑向半徑為1m，縱向高度為2m，儀器縱向縮小為1/20，徑向縮小為1/6。對比圖2可知，采用上述截斷邊界條件及儀器參數時，深淺側向測井電場的幅度略有變化，但其形態保持不變，深淺側向測井電場分布范圍基本一致。這表明雙側向樣機在地層中的電磁場特性基本不受截斷邊界及縮小比例不一致的影響。

2.3縮小比例儀器探測特性

本文進一步從雙側向測井偽幾何因子角度出發，研究圖2所用參數條件對縮小比例雙側向測井儀器徑向探測特性的影響。不考慮井眼影響時，無限邊界條件下儀器縱橫向縮小比例均為1/20和截斷邊界條件下儀器縱橫向縮小比例分別為1/20和1/6時，雙側向測井偽幾何因子如圖3所示。其中侵入帶電阻率為1•m，原狀地層電阻率為10•m。由圖3可知實驗室采用的儀器參數對淺側向測井響應無影響，而對深側向測井響應略有影響，但理想條件及實驗室樣機的深淺側向測井徑向探測特性基本不變，從而驗證了所用參數的可行性。綜上，實驗室條件下采用的地層參數為縱向高度2m，徑向半徑1m，雙側向測井儀器樣機縱向和橫向分別縮小為1/20和1/6時，既可保證儀器響應不變，又能滿足實際實驗條件限制及儀器樣機制造的需要。

3洞穴型地層雙側向測井響應特征

3.1縮小比例洞穴型地層雙側向測井響應特征利用以上確定的地層及儀器參數，建立圖1所示物理模擬系統，然后進行實驗室洞穴型地層雙側向測井物理模擬，并利用實驗數據標定數值模擬結果。圖4所示為洞穴緊貼井壁時物理實驗數據與刻度后的數值模擬結果對比。結果表明：儀器進入洞穴范圍時，深淺側向電阻率均先減小后增大，且在洞穴中心深度位置的電阻率測井響應值達到最小，縮小比例實驗數據與刻度后的數值結果對應較好。為進一步對比驗證上述標定的準確性，改變洞穴距井壁的徑向距離，模擬不同位置洞穴的雙側向測井響應。圖5中洞穴半徑為9.25cm，充填物電阻率為220～230•m，洞穴左邊界距離井壁的徑向距離分別為0、1cm、2cm和5cm，基巖電阻率為970～1030•m。結果表明：深淺側向電阻率測井實驗結果略有波動，但不同位置實驗數據的變化規律及幅值與數值模擬結果一致，即隨著洞穴遠離井壁，雙側向測井視電阻率值不斷增大，據此進一步驗證了刻度后數值模擬結果的準確性。

3.2地層條件下洞穴型地層雙側向測井響應特征

利用物理模擬實驗刻度后的數值模擬參數，將其推廣至地層條件下研究洞穴型地層雙側向測井響應特征，分別考慮洞穴內充填物電阻率及洞穴發育位置等對測井響應的影響。

3.2.1充填物電阻率的影響

選擇半徑為3m的洞穴，研究充填物電阻率由1•m變化到1000•m時，洞穴中心深度位置的電阻率測井響應。設定基巖電阻率為1000•m，洞穴左邊界到井壁的徑向距離分別為0.05m、0.15m、0.25m和0.50m時，計算洞穴中心位置處的雙側向測井值。由圖6可見，深淺側向測井值呈小的負差異，這主要是因為深側向測井探測范圍大，其易受井旁洞穴影響；隨著充填物電阻率的增加，雙側向視電阻率值緩慢增大，當充填物電阻率大于100•m時，深淺側向曲線重合。總體上看，洞穴中心深度位置的深淺側向電阻率值遠遠大于充填物電阻率值，說明雙側向測井值難以準確反映井旁洞穴充填物的電阻率真實信息。

3.2.2洞穴發育位置的影響

井旁洞穴雙側向測井響應不僅受洞穴尺寸和洞穴內充填物的影響，同時還需要考慮井旁洞穴發育位置的不同對曲線響應幅度的影響。假設雙側向測井儀器主電極中心與洞穴中心處于同一深度位置，井內鉆井液和基巖電阻率分別為1•m和1000•m，洞穴內充填物電阻率為1•m，洞穴半徑分別為0.5m、1.0m、2.0m、3.0m和5.0m。由圖7可見，隨著洞穴逐漸遠離井壁，深淺側向視電阻率均迅速增大，且淺側向測井值增大速度明顯高于深側向，這主要是因為淺側向測井探測深度較淺，洞穴對深側向視電阻率值影響更大；對于深側向測井，當洞穴左邊界距井壁徑向距離大于2.0m后，測井值基本趨于基巖電阻率并保持不變，而對于淺側向測井而言，當洞穴左邊界距井壁徑向距離大于1.0m后，視電阻率不再發生變化。洞穴位置固定時，隨著洞穴半徑的增大，深側向測井響應值不斷減小，淺側向測井視電阻率值先迅速減小后基本保持不變，這是由于淺側向測井探測范圍小所致。

3.2.3雙側向測井對井旁洞穴的識別范圍

假定深淺側向測井對井旁洞穴的敏感因子g為（2）式中Ra為深淺側向測井視電阻率值，Ra越小深淺側向測井對井旁洞穴敏感性越高。洞穴半徑為1.0m，井內鉆井液電阻率和基巖電阻率分別為1•m和2000•m時，洞穴中心深度位置的雙側向測井響應對充填物電阻率和洞穴邊界至井壁徑向距離的敏感性如圖8所示。若以g=0.3為雙側向測井識別界限，分別提取不同基巖電阻率條件下敏感因子為0.3的等值線，制作不同洞穴半徑、基巖電阻率時，井旁洞穴雙側向測井識別范圍圖版（見圖9），圖中綠色、黃色、紫色部分分別為井旁洞穴半徑為1.0m、3.0m和5.0m時所能識別的充填物電阻率及洞穴邊界至井壁距離范圍。由圖9可知，隨著洞穴尺寸的增大，井旁洞穴雙側向測井識別范圍不斷增加。充填物電阻率小于30•m時，隨著基巖電阻率的加大，雙側向測井探測深度降低，導致井旁洞穴雙側向測井識別范圍略有減小；充填物電阻率大于30•m時，井旁洞穴雙側向測井識別范圍隨基巖電阻率增大而不斷增大。與井眼鉆穿型洞穴相比，井旁洞穴雙側向測井可識別的充填物電阻率范圍減小。洞穴半徑較小時，井旁洞穴深淺側向測井識別范圍基本一致，洞穴半徑較大時，受徑向探測范圍影響，深側向測井識別范圍大于淺側向測井。

4結論

基于數值模擬結果，儀器縱橫向縮小比例分別為1/20和1/6時，縮小比例地層模型縱向截斷邊界高度為2m，徑向半徑為1m時，即可忽略地層截斷邊界和儀器縱橫向縮小比例不同對雙側向測井響應的影響；物理模擬與數值計算結果對應性好，不同洞穴發育位置的雙側向測井物理模擬結果與標定后的數值模擬結果一致，進一步驗證了刻度后數值模擬結果的準確性；在洞穴中心深度處，雙側向測井值達到最小，但深淺側向視電阻率值遠大于洞穴充填物電阻率值，洞穴半徑較小時，井旁洞穴深淺側向測井識別范圍基本一致，洞穴半徑較大時，深側向測井識別范圍大于淺側向測井，深側向可識別的洞穴邊界至井壁距離小于0.5m，淺側向測井識別距離小于0.3m。

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作者：范宜仁王磊葛新民范卓穎巫振觀劉家雄黃瑞 單位：中國石油大學（華東）地球科學與技術學院中國石油大學CNPC測井重點實驗室中國石油天然氣勘探開發公司