基于HDIL 的裂缝性砂岩地层响应特性研究

贾圣胤，陈 凯，马 征

（西安石油大学电子工程学院，陕西西安 710065）

随着油气的不断开采，高孔高渗的油气储层越来越少，而低孔低渗的油气储层成为了研究的重点。随着资源的缺乏和技术水平的提高，致密性砂岩储层成为了如今探测开采的焦点[1]，如塔里木油田的克深区块，就是典型的致密性砂岩储层。通常致密性砂岩储层天然裂缝比较发育，储层较深，钻井通常需要在高压条件下，导致钻井液沿着裂缝侵入储层，且侵入较深，使得后续的测井响应出现异常。对于裂缝的预测评估而言，现在一般是通过成像测井来判断裂缝发育程度，而成像测井因为成本原因，不能广泛大量的在油田里运用，因此开始寻求通过常规测井的各种手段与方法来判断裂缝发育程度[2]。HDIL 高分辨率阵列感应测井仪器作为一种相对完善的电阻率测井仪器，由于分辨率高，探测深度深，侵入指示明显，可提供丰富的地层信息，已成为电阻率测井的重要手段[3]，其测量效果得到了国内外石油勘探领域的广泛认可。

2014 年，皇凡生建立了天然裂缝网络钻井完井液漏失压力预测模型[4]；2016 年，刘丹总结了高分辨率阵列感应测井电阻率在致密砂岩储层中的曲线特征[5]；2017 年，李宇腾研究了水平井中阵列感应测井的响应特性，制作了三层模型响应图版[6]；2018 年郭晨彤对阵列感应测井HDIL 的倾角影响校正做了研究[7]；2019 年冯加明利用两相渗流-对流扩散理论构建了动态泥浆侵入正演地层模型，总结了动态泥浆侵入条件下阵列侧向测井仪器的正演响应特性[8]。对于泥浆漏失的研究，现在的主流方向主要是针对泥浆漏失压力预测以及如何有效地进行堵漏，而对于泥浆漏失发生之后对后续测井造成的影响研究甚少。

本文正是基于上述考虑通过HDIL 高分辨率阵列感应测井仪器，利用其分辨率高，探测深度深，侵入指示明显的特点，对裂缝性泥浆漏失储层特征进行三维描述。通过COMSOL 仿真软件建立响应模型，分析泥浆的类型、裂缝的张开度对HDIL 测井响应特性的影响，为泥浆漏失下测井解释提供可靠的依据，对阵列感应测井仪器在致密性砂岩储层中的勘探开发具有重要的意义[9，10]。

1 模型的构建及其合理性验证

1.1 仪器和裂缝地层模型的建立

裂缝是砂岩地层中泥浆漏失的主要通道，通常情况下，砂岩地层中存在数量非常庞大的天然微裂缝，其形态各异且分布极不均匀，考虑到模型的简易性，本文利用HDIL 高分辨率阵列感应测井仪器以单一诱导裂缝为主要研究对象探究其响应机理，诱导裂缝（见图1）。

图1 诱导裂缝示意图

HDIL 阵列感应测井仪器是由七个单侧布置的三线圈系子阵列组成；主接收线圈间距从152.4 mm 至2 387.6 mm，按对数等间隔布置；七个子阵列共用一个发射线圈，每个子阵列包含一个接收线圈和一个发射线圈，所有子阵列同时接收包含八个频率（10 kHz、30 kHz、50 kHz、70 kHz、90 kHz、110 kHz、130 kHz 和150 kHz）的时间序列波形，仪器参数（见表1）。

表1 模型仪器参数

由于目的储层中裂缝数量较多，裂缝几何尺寸较小，考虑到COMSOL 中网格剖分的复杂性，以及常规钻井中钻井泥浆多含泥浆漏失填堵材料，较宽的裂缝在泥浆漏失中起主导作用，所以将众多裂缝等效成一条张开度相对较大的诱导裂缝作为研究对象，裂缝本身的参数为张开度、延展距离，本文所研究的裂缝张开度均为5 mm 以上（含5 mm）。

结合前文仪器参数、裂缝参数建立如下模型（见图2）。

图2 诱导裂缝模型

1.2 数值计算的验证

由于均匀介质地层可以通过感应测井理论公式计算解析解，所以可以通过对比均质下的COMSOL 数值解和理论公式计算的解析解来验证模型的可靠性和网格剖分的合理性。将地层电导率设为0.01 S/m，发射线圈发射电流设为1 A，发射频率设为20 kHz，算得COMSOL 数值解与理论公式解析解（见表2）。

通常认为只要误差控制在3%以内，模型就是正确的，剖分也是合理的，从表2 可以看到，七个子阵列最大误差为0.129 1%，远小于3%，说明建立的模型是正确的，下面只要利用这个模型，结合所要研究的内容逐步展开研究即可，为了减少计算量、节约计算时间，仪器在井眼中移动范围为上下6 m，步长设为0.3 m。

表2 数值解与解析解及两者相对误差对比表

2 数值模拟

本文主要研究HDIL 高分辨率阵列感应测井仪器对于裂缝性泥浆漏失的响应特性，影响仪器测井响应敏感性的因素主要包括泥浆的类型、裂缝的张开度。COMSOL 软件计算得到的为电压信号，为了比较分析，将其转化为视电导率，并取其实部，这是因为在实践中发现，虚部信号容易受到测量环境的影响，如泥浆中含磁性物质的影响，导致虚部测量信号精度较低。本文模型基于以下假设条件：

（1）地层渗透率很低，裂缝是泥浆主要流通通道，泥浆仅沿裂缝侵入，不考虑其他形式的侵入；

（2）裂缝内只有单一钻井液流体流动，且钻井液不与岩石发生化学物理反应，泥浆漏失不导致裂缝尖端扩展和延伸。

2.1 不同裂缝张开度的影响

对于等效的裂缝模型，其几何参数只有两个，即张开度、延展距离，通常只研究张开度对测井响应特征的影响。利用控制变量法固定其他量，只更改一个影响因素分析其响应特性。设定发射线圈发射频率为20 kHz，目的层厚为2 m，泥浆电导率为1 S/m，目的层电导率为0.01 S/m，围岩电导率为0.1 S/m，延伸距离为5 m，张开度取0.1 m、0.6 m、1 m、1.5 m，算得其七个子阵列的视电导率（见图3）。

图3 张开度对视电导率的影响

从图3 可以看出：

（1）随着张开度的变大，曲线越来越平滑，峰值增大，且同一张开度下，短子阵列的峰值要大于长子阵列的峰值，这是由于短子阵列的探测深度更浅，近井眼区域对于视电导率的贡献更大。

（2）当张开度很小时，如图3（a），张开度为0.1 m时，长子阵列在层界面处视电导率无明显变化，这是由于长子阵列源距较长，分层能力较差，故长子阵列不能识别张开度太小的微小裂缝漏失，短子阵列可以识别。

（3）在短子阵列中，会出现“薄层层角”现象，这是由于裂缝上下目的薄层的存在，随着张开度的增加，“层角”会逐渐消失。

2.2 不同泥浆电导率的影响

在钻井中，通常使用三类泥浆，淡水泥浆（电导率1 S/m）、盐水泥浆（电导率10 S/m）、油基泥浆，不同泥浆类型下，HDIL 高分辨率阵列感应测井仪器的响应不同。本文研究的泥浆类型对测井响应的影响主要针对泥浆电导率为1 S/m 和10 S/m 两种类型。设定裂缝张开度1 m，延伸距离5 m，将模型分为高阻围岩（围岩电导率0.01 S/m，目的层电导率0.1 S/m）、低阻围岩（围岩电导率0.1 S/m，目的层电导率0.01 S/m）两种类型，数字模拟计算泥浆漏失下的测井响应（见图4）。

从图4 可以看出：

（1）同一围岩类型，不同泥浆体系下，视电导率响应曲线变化趋势是一致的，幅值大小随泥浆电导率等比变化；从图4 中可以看出，长子阵列受围岩影响较大，短子阵列受井眼影响较大。

（2）同一泥浆体系下，低阻围岩较高阻围岩模型在层界面处视电导率曲线随仪器位置变化的更快，即高阻围岩由峰值变到其收敛的围岩电导率值需要一个较大高度差。结合图4（a）、图4（b）同样可以看出泥浆电导率的增大也会使曲线的变化率减小，不过影响相对较小。通常利用半幅点法来划分地层，即在电阻率曲线变化一半的地方进行，对图4 中视电导率曲线做半幅点法，得到的裂缝厚度与给定的张开度（1 m）对比，可以得到如下结论：低阻围岩下，泥浆电导率越小，通过做短子阵列的视电导率曲线的半幅点，确定的裂缝厚度与真实值最为接近。

（3）“层角”现象只在图4（a）中出现，说明泥浆电导率的增加会弱化薄层层角现象，而高阻围岩模型下，由于目的层本身电导率的增大，使得“层角”也被弱化。

图4 两种围岩模型下泥浆类型对视电导率的影响

3 结论

通过建立HDIL 高分辨率阵列感应测井仪器的诱导裂缝响应模型，模拟计算了不同泥浆类型下、不同裂缝张开度下的响应特性，探究了HDIL 高分辨率阵列感应测井仪器在裂缝性砂岩地层的响应机理。得到以下结论：

（1）利用HDIL 高分辨率阵列感应测井仪器，对诱导裂缝的研究表明，长子阵列不能识别张开度太小的微小裂缝漏失，短子阵列可以；随着张开度的增加“层角”会被弱化。

（2）同一围岩类型，不同泥浆体系下，视电导率响应曲线变化趋势是一致的，幅值大小随泥浆电导率等比变化；泥浆电导率越小，通过做短子阵列的视电导率曲线的半幅点，确定的裂缝厚度与真实值越为接近；泥浆电导率的增加会弱化“薄层层角”。