洞穴型储层在中国塔里木、四川和南襄等盆地十分发育, 是油气稳产、增产的主力储集层^[1-5]。受沉积、构造、成岩和改造作用等多因素影响, 洞穴的发育规模、分布特征、充填物类型和充填程度变化大、测井方法难以对该类储层进行有效识别和评价。国内外学者基于电成像、声波和核磁共振等测井技术开展了过井和井旁洞穴的数值模拟及识别方法研究, 取得一定效果^[6-11]。然而, 这些特殊测井技术的成本较高, 很难大规模推广应用。双侧向测井作为油气勘探的一种常规测井方法, 具有较强的电流聚焦能力和较大的探测范围, 在表征井旁地质构造、识别地层流体中具有独特优势。国内外学者针对裂缝性地层双侧向测井响应特征开展了大量的数值模拟、物理实验和现场应用等研究^[12-13], 但鲜有关于洞穴型地层的研究。近年来部分学者进行了双侧向测井在洞穴型地层的数值模拟工作, 但缺乏物理模拟和实际测井资料的验证, 研究成果的可靠性有待商榷。笔者基于自主设计的双侧向测井实验平台开展洞穴地层的物理模拟, 通过研究洞穴尺寸、充填性质、发育位置和形状等特征对深浅侧向电阻率的影响, 总结洞穴型储层的双侧向测井响应规律。

根据前期研究结果可知^[14], 当双侧向测井仪器纵横向等比例缩小为1/20时深浅侧向电场分布与仪器纵向缩小为1/20、横向缩小为1/6时基本一致。考虑到实验的可实施性, 物理模拟的尺度参数设置为:地层径向半径为1 m, 地层纵向高度为2 m, 仪器纵向缩小比例为1/20, 横向缩小比例为1/6。图 1为缩小比例样机双侧向测井电场分布(以仪器中心点为原点, 检测点位于仪器中心点之上时距离为负, 位于中心点之下时距离为正)。

图 1

图 1 缩小比例样机双侧向测井电场分布 Fig.1 Electric field distribution of downscaled dual laterolog

为方便实验操作及模型参数的更改, 提高设备利用率, 摒弃将露头岩石作为基岩的传统做法^[15], 采用多级反渗透装置得到电阻率高的去离子水, 根据氯化钠浓度与电阻率关系配制具有特定电阻率的溶液, 模拟高阻基岩; 洞穴模型采用特质模具浇筑, 主要材料为水泥、石墨、水泥固化剂和蒸馏水等。模型成分稳定, 导电性能容易控制, 制作周期短, 固结之后均质性强, 强度高。图 2为溶液和洞穴模型的电阻率配比关系, 图 3为制作的洞穴模型实物照片。

图 2

图 2 溶液和洞穴模型的电阻率配比关系 Fig.2 Resistivity variation in solution and cavern model

图 3

图 3 洞穴模型实物 Fig.3 Cave models

通过单因素控制法, 主要开展以下影响因素研究:①洞穴尺寸的影响(半径为5、10、20 cm); ②洞穴充填物电阻率的影响(电阻率为1、10、50、100、500 Ω·m); ③洞穴形状的影响(球体、柱体、长方体); ④洞穴发育位置的影响(与井眼距离分别为0、1、2 cm)。受测量条件及噪声的影响, 数据需要经平滑滤波, 深度校正等处理后, 才能得到理想结果。在本文中应用七点平滑滤波法对数据进行预处理, 设相邻采样值间呈三次函数变化, 则可以用一条三次函数曲线Z_t来进行拟合

采用最小二乘法计算出滑动平均值T_i=Z₀=a₀作为该点的采样值, 令

达到最小。由$\frac{{\partial Q}}{{\partial {a_0}}} = 0, \frac{{\partial Q}}{{\partial {a_1}}} = 0, \frac{{\partial Q}}{{\partial {a_2}}} = 0, \frac{{\partial Q}}{{\partial {a_3}}} = 0$可解出:

用此方法逐点进行计算便可得到一条平滑的曲线, 将原始采样数据中周期小于等于7个采样间距的随机干扰有效地抑制。

通过对比之前的物理模拟和数值模拟数据, 发现两者在同等条件下具有基本相似的测量结果, 验证了仪器测量的稳定性^[14]。本文中重点阐述物理模拟结果及取得的规律性认识。

图 4是半径(r_a)分别为5、10、20 cm, 电阻率均为27 Ω·m的球型洞穴贴井壁测量得到的深浅侧向电阻率曲线(基岩电阻率约为800 Ω·m)。从图中可知, 随着洞穴直径增大, 深侧向电阻率明显降低, 浅侧向电阻率有小幅度降低, 洞穴规模对深侧向的贡献更大, 双侧向对大规模洞穴有较好的探测效果。

图 4

图 4 不同洞穴尺度的深浅侧向测井响应 Fig.4 Dual laterolog response at different cave scales

图 5是半径r_a为10 cm的不同电阻率球型洞穴贴井壁时, 测量得到的深浅侧测井响应(基岩电阻率R_b为900 Ω·m)。从图中可知, 随着洞穴充填电阻率R_fill的降低, 深浅侧向电阻率都呈减小的趋势, 两者具有相同的变化规律。洞穴与井壁的距离为r_off-r_a。

图 5

图 5 不同洞穴充填电阻率的深浅侧向测井响应 Fig.5 Dual laterolog response of cave filled with different resistivity

洞穴与井壁的距离不同, 双侧向测井响应也有明显变化, 反映双侧向测井的径向探测能力。图 6(a)~(h)是半径r_a为10 cm、基岩电阻率R_b为900 Ω·m、充填物电阻率R_fill分别为313、227、177和826 Ω·m时的球形洞穴在离井壁不同距离r_off-r_a时的双侧向测井响应。从图中可知, 深浅侧向电阻率与洞穴与井壁的距离成正比。当洞穴的电阻率增大到与基岩电阻率相近时, 深浅侧向电阻率与基岩基本一致, 洞穴与基岩电阻率的比值是控制深浅侧向响应特征的关键因素。

图 6

图 6 洞穴与井壁距离不同时的深浅侧向测井响应 Fig.6 Dual laterolog response at different distances between caves and borehole

图 7为电阻率相同, 但形状不同的洞穴贴井壁测量得到的深浅侧向电阻率(球型洞穴半径为10 cm, 方型洞穴边长为20 cm, 电阻率均为133 Ω·m)。由图可知, 深浅侧向电阻率对球形洞穴的识别能力大于方型洞穴, 说明洞穴径向延伸对电阻率的贡献大; 方型洞穴在纵向上的响应范围大于球形洞穴, 说明洞穴纵向延伸对边界效应的贡献大。基于双侧向测井曲线形态能大致反应洞穴形状, 球形洞穴呈指针型, 方形洞穴呈箱型。

图 7

图 7 不同形状洞穴的深浅侧向测井响应对比 Fig.7 Dual laterolog response of caves with different shapes

(1) 洞穴尺寸对双侧向测井电阻率的大小及范围均有影响。电阻率降低量和变化面积与洞穴尺寸成正比。

(2) 洞穴的填充电阻率主要影响双侧向电阻率的大小。深浅侧向电阻率值与洞穴电阻率与基岩电阻率对比度成反比, 当洞穴电阻率与基岩电阻率相近时, 双侧向测井很难反映洞穴的特征。

(3) 洞穴与井壁的相对位置是影响双侧向测井电阻率的重要因素。双侧向电阻率随着洞穴与井壁距离的增大而增大, 当洞穴与仪器的距离大于仪器有效探测范围, 双侧向电阻率对洞穴无反映; 双侧向测井对洞穴发育规模的指示能力差。

(4) 基于双侧向测井曲线的形态可进行洞穴形状的定性识别。一般来说, 球形洞穴的曲线形态为指针型, 方形洞穴的曲线形态为箱型。