钻井液侵入对阵列感应电阻率的影响及电阻率特征分析——以廊固凹陷W10断块沙四下储层为例

薛辉窦 连彬 吕亚辉 肖博雅 齐秋红 焦素丽

钻井液侵入对阵列感应电阻率的影响及电阻率特征分析
——以廊固凹陷W10断块沙四下储层为例

薛辉窦 连彬 吕亚辉 肖博雅 齐秋红 焦素丽

（中国石油华北油田公司地球物理勘探研究院）

廊固凹陷W10井区油气层段阵列感应电阻率特征表现复杂，不仅出现正差异，还出现高阻环带、低阻环带特征，单纯依靠正差异模式解释油气层很容易造成漏判。根据钻井液的侵入机理，通过利用阿尔奇公式对电阻率进行数值模拟，将电阻率变化归纳为钻井液滤液的驱替作用和扩散作用，认为驱替作用使电阻率降低，扩散作用使电阻率增大。通过分析钻井液侵入特点，建立高阻环带和低阻环带的形成模式图，认为钻井液滤液与地层水电阻率的相对大小及钻井液滤液与油水相渗透速度的相互关系是形成高阻环带和低阻环带的原因。最后用差异累计法识别不同阵列感应电阻率特征所代表的流体类型。实例应用表明，该方法应用效果较好。图6参15

廊固凹陷钻井液侵入阵列感应测井数值模拟低阻环带高阻环带

0 引言

下储层低阻环带和高阻环带的形成原因及特征，为后期二次解释提供理论依据。

在正常钻井条件下，由于钻井液柱的压力大于岩层孔隙流体的压力，将不可避免地导致钻井液侵入到渗透地层中，从而改变井筒附近储集层流体性质及分布，致使井筒附近储层径向电阻率分布不均匀，反映在阵列感应曲线上就是出现不同幅度的差异。一般认为[1]，钻井液以活塞式驱替原始地层流体，径向电阻率变化为简单的台阶状模型，即对于淡水钻井液侵入，油层变现为正差异，水层表现为负差异。实际上，钻井液侵入地层是一个复杂的物理过程，侵入剖面不光是非台阶状[2-3]，而且还呈渐变形态，同时侵入剖面还随时间而变化，不断向地层深处推进[4]。再考虑到钻井条件、钻井液性质、浸泡时间、岩石的地球物理性质等影响，由于钻井液的侵入而导致的径向电阻率变化将更加复杂[5]。

通过对廊固凹陷W10断块钻遇沙四下储层的多口井的分析发现，由于淡水钻井液的侵入，沙四下油层电阻率曲线差异性变化复杂，阵列感应曲线不仅出现典型的正差异特征，而且还出现低阻环带特征、高阻环带特征。显然，单纯地依据正（负）差异划分油（水）层很容易造成漏判甚至错判。本文主要通过对钻井液侵入的机理进行分析，用数值模拟的方法分析引起地层电阻率变化的因素，分析W10断块沙四

1 沙四下储层阵列感应电阻率特征

图1 W10断块沙四下三种阵列感应特征图

同常规电阻率曲线相比，阵列感应测井可以提供三种不同的纵向分辨率(1ft、2ft、4ft)、6条或者5条不同探测深度的电阻率曲线[6]，具有纵向分辨率更高，探测深度更深的特点。因此，可以用阵列感应曲线详细地描述钻井液侵入引起的地层径向电阻率变化，并借此判断储层流体性质。

根据对沙四下储层阵列感应电阻率曲线特征分析，发现油层段由于钻井液的侵入，井径缩径明显，阵列感应电阻率存在三种特征（图1）：①正差异特征，阵列感应电阻率（M2R1-M2RX）随探测深度增加而逐渐增大，例如WX8-3x井在3912~3927 m处，感应电阻率呈正差异，为典型的油层低侵，测井解释为油层，在该层投产，初期日产油8.99 t；②低阻环带特征，阵列感应电阻率呈簸箕状，两边高，中间低；③高阻环带特征，阵列感应电阻率呈反簸箕状，两边低，中间高。

2 钻井液侵入机理及对电阻率影响

2.1 钻井液侵入机理

在井眼和原状地层压力差的驱动下，钻井液侵入地层可分为两个过程：

一是驱替过程，即钻井液滤液对地层原始流体的驱替，假设整个驱替过程是非混溶的，流体的渗流遵循Darcy定律，当存在毛细管现象和忽略重力影响时，则可用水相、油相质量平衡方程描述[7]：

二是扩散过程，由于钻井液滤液和地层水矿化度不同，二者在侵入的前缘将发生物理混合，可用流体扩散方程表示[8]：

把地层原始含水饱和度、地层原始压力、地层原始水矿化度作为初始条件，把井底的流动压力和封闭外边界作为边界条件，用有限差分方法联立求解（1）式至（3）式，可得到钻井液滤液侵入地层后地层径向饱和度的分布特征、地层压力分布以及侵入半径变化特征。再把不同时刻求取的地层压力和流体饱和度径向分布带入（4）式，可以得到不同时刻地层水矿化度的动态分布Cw（r,t）[9]，再根据地层水经验公式（公式5）计算给定温度条件下的地层水电阻率Rw（r,t）：

利用阿尔奇公式得到径向电阻率分布Rf（r,t）：

图2 地层电阻率与孔隙度和矿化度关系

式中a、b、m、n为岩电参数，是由储层性质决定的常数。

2.2 钻井液侵入对电阻率的影响

钻井液侵入受储层岩性、物性、钻井液柱与地层压力差、钻井液性能、流体性质等因素的影响，根据电阻率的变化可以将钻井液侵入的影响分为2类[10]：①钻井液浸入引起电阻率增大，即钻井液的扩散作用，由于地层水与钻井液滤液矿化度之间存在浓度差，则二者之间将发生离子交换，造成混合液矿化度降低，使得混合水电阻率增大，最终导致地层电阻率升高；②钻井液浸入引起电阻率减小，即钻井液的驱替作用，钻井液滤液不断地渗透，造成含水饱和度增大，使地层电阻率降低。

W10断块砂四下储层孔隙度变化范围在4%~ 20%，储层含水饱和度平均为35%，地层水电阻率平均为0.15 Ω·m，对公式（6）进行数值模拟，在图（2）中可以看出孔隙度与地层电阻率负相关。在假定含水饱和度一定且孔隙度相同时，电阻率随地层水矿化度减小而增大，说明扩散作用使地层电阻率增大(图2a)。在地层水矿化度一定且孔隙度相同时，地层电阻率随含水饱和度增加而减小，说明驱替作用使电阻率降低（图2b）。综合图2可以发现：在物性差（Φ< 12%）时矿化度减小（扩散作用）对的电阻率增大幅度比物性好（Φ>12%）的电阻率增大幅度大，同样物性差时含水饱和度增加（驱替作用）对的电阻率减小幅度比物性好的电阻率减小幅度大。从图2中还可以看出孔隙度越大，含水饱和度和地层水矿化度对地层电阻率影响越小。

当钻井液侵入地层，假定地层的孔隙度均一，根据（6）式可知，地层的电阻率只跟含水饱和度和地层水电阻率有关系。为了进一步分析地层电阻率分别与含水饱和度和矿化度的关系，对WX0-1x井96号层进行数值模拟，该层段参数选取a=b=1，m= 1.65，n=1.48，地层孔隙度为18%。从图3中可以看出：

（1）地层水矿化度的变化范围要远大于含水饱和度的范围，因此矿化度的变化对地层电阻率的改变幅度要大于饱和度的变化对电阻率的改变幅度。同时当饱和度一定时，地层电阻率与矿化度的关系曲线为近似线性（图3a），即矿化度的变化对地层电阻率更加敏感，一旦矿化度发生改变，地层电阻率随之变化。

（2）含水饱和度和地层水矿化度增加，电阻率将减小（图3a），当含水饱和度大于50%时，电阻率下降幅度随含水饱和度增加逐渐变小（图3b），含水饱和度对地层电阻率影响减弱，说明驱替作用减弱。

图3说明在钻井液侵入前期，当地层水矿化度与钻井液滤液矿化度差异大时，矿化度的变化相比含水饱和度的变化对地层电阻率影响更大，即钻井液侵入造成扩散作用对电阻率增大的影响要强于驱替作用对电阻减小的影响。随着钻井液滤液不断地侵入，钻井液滤液的矿化度与地层水矿化度的差异性减小，扩散作用减弱，且含水饱和度增大，驱替作用增强，地层电阻率减小，变化趋于平缓。

图3 地层电阻率与矿化度和含水饱和度关系

3 阵列感应电阻率在径向侵入剖面上的特征分析

钻井液滤液的侵入改变了原状地层电阻率，造成了地层电阻率在径向上的变化，这种变化是渐变的、连续的。从井壁到原状地层，钻井液滤液逐渐减少，对地层电阻率的影响也逐渐减小。钻井液在侵人地层的过程中，钻井液中大于孔喉半径的颗粒会部分停留在地层表面，堆积并在压力差的作用下形成泥饼，在泥饼形成初期，钻井液滤液迅速的向地层中渗透，且以径向渗滤为主，不断地驱替储层中的流体，在储层中就形成了以井筒为中心的冲洗带、过渡带、原状地层。

3.1 高阻环带特征分析

对于油水两相储集层，因为油（气）、水相相对渗透率不同造成钻井液驱替油（气）、水的速度不同，且其渗流速度取决于Kro/μo和Krw/μw两个参数[11]。在冲洗带，钻井液滤液完全驱替地层流体，其内流体就为钻井液滤液、残余油气（油气层）及残余水（水层），由于钻井液渗透速度大于油水相的渗透速度，因此当钻井液滤液的电阻率远远大于地层水电阻率（钻井液滤液矿化度远远小于地层水矿化度）时，扩散作用大于驱替作用，在阵列感应电阻率曲线上就有可能形成高阻环带（图4a）,从图4c中可以看出在40号层深度处，钻井液侵入明显，地层缩径，测井解释在该深度处孔隙度为11.8%，含水饱和度为31.5%，钻井液滤液的电阻率为2.18Ω·m，地层水电阻率为0.08Ω·m，高阻环带出现范围是20~60 in之间(图4b)，测井解释为油层。

图4 高阻环带原理与WX2-4X高阻环带测井曲线特征图

3.2 低阻环带特征分析

随着钻井液的持续侵入，当油水相的渗透速度大于钻井液渗透速度时，高阻的油层首先被驱替，在过渡带内导电流体主要为钻井液滤液、束缚水、未被驱替的可动水，以致在未侵入带之前形成一个含水饱和度相对较高的环带形空间[12]（图5a），即为低阻环带。该环带内地层水富集，地层电阻率较冲洗带电阻率、原状地层电阻率都低。就形成了地层水聚集带，当地层水电阻率小于钻井液电阻率时，就有可能形成低阻环带。图5c是WX8-2X低阻环带示意图，在3766.6~3774m处，井径缩径，钻井液侵入明显，钻井液滤液电阻率为1.38Ω·m，地层水电阻率为0.06Ω·m，低阻环带出现范围为20~60 in之间(图5b)，测井解释为油层。

图5 低阻环带原理及WX8-2X低阻环带测井曲线图

4 感应电阻率特征识别方法及应用|

通过对高阻环带和低阻环带的形成机理分析，认为高阻环带和低阻环带是油层存在的充分条件[13]，因此当阵列感应不同探测深度电阻率出现低阻环带或高阻环带特征时，便可认为储层含油。根据对W10断块沙四下储层阵列感应电阻率特征分析，发现高阻环带和低阻环带的主要出现范转为20~60in，本文采用差异累计法[14-15]建立不同探测深度电阻率曲线总差异。该方法放大了不同流体性质的差异特征，且能够定量描述储层的差异特征。设置两个参数D1、D2，计算公式如下：

式中：

M2R1～M2RX为阵列感应2 ft纵向分辨率的10～120 in不同径向探测深度的电阻率数值。

对于水层，淡水钻井液钻井条件下，钻井液滤液高侵，阵列感应电阻率随探测深度逐渐降低，D1<1，D2<1；正差异油层，钻井液滤液低侵，电阻率逐渐增大，D1>1，D2>1，高阻环带地层，感应电阻率呈中间高，两边低，D1>1，D2<1；低阻环带油层电阻率中间低，两边高，D1<1，D2>1。

WX2-1x井8号层在深度3503.8~3506.8 m处不同探测深度感应电阻率呈低阻环带特征（图1、图6），测井孔隙度为13.2%，渗透率为24.8 mD，含水饱和度为49.8%，D1为0.27，D2为1.81。解释为油层。在该层段试油日产油16.04 t，产气1.08×104m3，不产水。

图6 WX2-1x高阻环带阵列感应测井曲线图

5 结论

（1）W10断块采用淡水钻井液钻井,由于钻井液侵入，在沙四下油层段阵列感应电阻率呈现正差异、低阻环带、高阻环带三种特征。

（2）钻井液侵入可导致径向电阻率改变，主要归结为钻井液的驱替作用和扩散作用。驱替作用使含水饱和度升高，电阻率下降；钻井液扩散作用使矿化度降低，地层电阻率升高。在钻井液侵入初期当钻井液滤液的矿化度小于地层水的矿化度时，扩散作用对电阻率增大的影响要强于驱替作用对电阻减小的影响，随着钻井液不断侵入，驱替作用增强，扩散作用减弱，地层电阻率降低。

（3）高阻环带的形成主要是因为在冲洗带钻井液渗透速度大于油水相的渗透速度，在钻井液滤液的电阻率远远大于地层水电阻率（钻井液滤液矿化度远远小于地层水矿化度）时，便会形成高阻环带，在油水的渗透速度大于钻井液滤液的渗透速度时，地层水电阻率小于钻井液电阻率含水饱和度前缘和地层水的矿化度前缘由于推移速度不同，会出现含水饱和度较高的低阻环带。

（4）通过对W10断块沙四下储层阵列感应电阻率的分析，发现高阻环带和低阻环带出现在20~60 in，可以根据阵列感应电阻率之间的差异，用差异累积法识别流体的类型，在实际应用中取得较好的效果。

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（修改回稿日期2016-01-05编辑陈玲）

薛辉，男，1986年出生，硕士研究生，2014年毕业于西南石油大学矿产普查与勘探专业，助理工程师；现从事油气藏综合评价研究工作。地址：（062552）河北省任丘市华北油田地球物理勘探研究院。电话：18733007074。E-mail：XH630445@163.com