介電掃描測井技術在長慶油田的應用

程玉梅，張小剛，魏國

（1.中國石油長慶油田公司勘探部，陜西西安710018；2.斯倫貝謝中國公司，北京100015）

介電掃描測井技術在長慶油田的應用

程玉梅1，張小剛1，魏國2

（1.中國石油長慶油田公司勘探部，陜西西安710018；2.斯倫貝謝中國公司，北京100015）

低孔隙度低滲透率的儲層中孔隙結構比較復雜，地層水礦化度未知，利用電阻率區分流體性質困難。介電掃描測井儀器采用鉸接式極板，有4種不同的頻率，具有不同的探測深度，最深可達到4in，能夠測量地層介電常數。油氣和水的介電常數差異很大，介電掃描測井通過反演得到的介電常數計算侵入帶內的含水孔隙度，與常規測井或核磁共振測井得到的總孔隙度對比得到侵入帶內的油氣飽和度。介電掃描測井技術除可以得到地層的含水孔隙度外，同時能得到反映巖石結構的參數m、n或者陽離子交換能力。介紹介電掃描測井的基本方法、工作原理和應用。對長慶油田介電掃描測井實例進行了分析，測井解釋結果與試油結論一致。

測井解釋；介電掃描測井；介電常數；儲層評價；流體性質；長慶油田

0 引 言

20世紀80年代引入的介電測量技術因測量的限制、精度一般及質量控制的缺乏，未能廣泛應用［1］。新一代的介電掃描測井儀克服了這些局限性，可用于精確地層評價。在低孔隙度低滲透率的儲層中，利用電阻率區分流體性質有很大的局限性，介電掃描測井利用油氣和水的介電常數差異大的特性區分流體類型具有獨特的優勢。自2008年斯倫貝謝公司推出介電掃描測井以來，國外在不同類型的儲層中都進行了大量的采集。本文在介紹介電掃描測井方法的基礎上，分析了介電掃描測井在長慶油田測井解釋中的嘗試，并給出了初步的應用結論。

1 介電掃描測井技術

介電掃描測井測量地層的介電常數。介電常數是物質的基本物理屬性，介質在外加電場時會產生感應電荷而削弱電場，原外加電場（真空中）與最終介質中電場的比值即為介電常數，又稱相對電容率。在真空中電磁波從發射器到接收器，信號的幅度和相位沒有任何變化。但如果同樣的電磁波在介質中傳播，信號的相位和幅度都會發生變化，這些變化與發射器到接收器的距離和其中的介質有關（見圖1）。在高頻段，信號幅度的變化主要與介質的電導率有關而相位的變化與介質的介電常數有關［2］。

圖1 電磁波的傳播

介電屬性可以和巖石物理參數聯系起來，在介電掃描測井的頻率范圍內，導致介電極化的因素主要有3種（見圖2）。第1種稱為電子極化，在沒有外加電磁場時，電子云和原子核的電荷中心重合，對外顯示不出極化特性，當施加一外加電場時，原子中的電子云和原子核的等效電荷中心不再重合，從而形成電偶極矩。不同的流體和礦物其介電常數是已知的，比如油的介電常數為2.2，石英的介電常數為4.65。第2種是取向極化，對于一些極性分子由于結構上的不對稱而具有固有電矩，比如水分子中有2個氫原子和1個氧原子，在無外加電場時，由于熱運動，這些分子的取向完全是無規律的，電介質在宏觀上不顯示電性。在外電場的作用下，每個分子的電矩受到電場的力矩作用，趨于同外加電場平行，即趨于有序化從而對外呈現出電矩，水的介電常數可高達80，相比油氣和巖石高出1個數量級。第3種主要的極化機理叫做界面極化。由于電介質組分的不均勻性以及其他不完整性，例如雜質、缺陷的存在等，電介質中少量自由電荷停留在俘獲中心或介質不均勻的分界面上而不能相互中和，形成空間電荷層，從而改變空間的電場。從效果上相當于增強電介質的介電性能。

圖2 3種主要的極化機理

總的介電常數是一個復函數，其實部為相對介電常數，虛部為電導率、電磁波頻率的函數。在高頻段，比如介電掃描的最高頻率1GHz時，可以用復反射指數模型（CRIM）描述這種疊加［3］。

式中，ε＊為總的有效介電常數；εr為相對介電常數；σ為電導率；ω為電磁波的頻率；ε0為真空中的介電常數；φT為總孔隙度；Sw為含水飽和度；εo為油氣的介電常數；εm為巖石骨架的介電常數為水的介電常數，是溫度、礦化度和壓力的函數。

式（1）、式（2）是老一代介電測井儀器求取含水飽和度的關系式。骨架部分的介電常數由常規測井曲線得到的礦物模型提供，然后假定水的介電常數，孔隙度可以通過密度、中子或者核磁共振測井提供，油的介電常數是已知的，如此就可以得到介電測井探測范圍內含水的孔隙度也就是φT與Sw的乘積。

實際上介電常數和電導率都是頻散的，即其值隨著頻率的不同而變化。如圖3所示介電常數隨著頻率的升高而降低，電導率隨頻率升高而增大。導致頻散的原因包括孔隙度、含水飽和度、水的礦化度、溫度、巖石結構和巖石表面積等。新一代的介電掃描測井儀器可以測量這一頻散，然后通過反演得到地層水的礦化度、反映巖石結構的參數等。

介電常數可以用式（3）表示

式中，Btexture表示巖石結構參數。

圖3 介電常數和電導率的頻散

目前已經有多種不同的模型分析巖石骨架、流體的組合形式及其對頻散的影響［4］。因此通過該模型除了可以得到地層的含水孔隙度外，同時能得到反映巖石結構的參數m、n或者陽離子交換能力［5－6］。

2 介電掃描測井儀

新一代介電掃描測井儀采用了全鉸接式極板，可確保極板與地層很好接觸。鉸接式極板是圓柱形，天線設計成磁偶極子，通過井徑儀推靠臂將極板推向地層，使發射器和接收器緊帖到井壁上。儀器具有2個偶極子發射器（TA，TB）位于極板中間，在其兩側對稱分布有4對磁偶極子接收器（RA1－RA4，RB1－RB4），同時還有2個電子探頭（PA，PB），用于測量泥餅的物理特性。儀器的極板結構如圖4所示，2個發射器和8個接收器中的每一個都可以在縱向和橫向模式極化下工作。介電掃描有4個不連續的工作頻率，其頻率范圍從20MHz到1GHz，每個測量周期包括72個幅度測量和72個相位測量，通過多組發射器－接收器組合進行井眼補償。其探測深度與發射頻率、發射器－接收器間距與地層特性有關，其范圍在1～4in＊＊非法定計量單位，1in＝25.4mm；1mD＝0.98×10－4μm2，下同之間，縱向的分辨率可高達1in。介電掃描測井儀的主要優點：采用了鉸接式極板；有4種不同的頻率，能夠探測電子極化、取向極化和界面極化機理；發射器和接收器都是偶極子探頭，能夠測量地層的各向異性信息；4種不同的發射器－接收器源距；具有不同的探測深度，最深可達到4in；具有專用的處理軟件簡化了資料的處理解釋。

介電掃描測井儀的主要應用：①在低礦化度地層水、淡水和地層水礦化度未知的儲層中提供侵入帶的含油氣飽和度；②在碳酸鹽巖儲層中提供孔隙結構指數m、n；③在砂巖地層中計算地層的陽離子交換能力CEC；④在稠油油藏中提供關于油流動能力的信息。

圖4 介電掃描測井儀探頭結構

3 介電掃描測井的應用

圖5 A井延9段常規測井解釋綜合圖

A井為長慶油田的1口油探井。圖5為延9段的測井解釋綜合圖，2 025.5～2 040.2m井段為一較厚的砂體，該砂體的電阻率自上而下逐漸降低，在2 038.0～2 039.0m井段陣列感應探測深度90in的電阻率小于2Ω·m，10in探測深度的電阻率為6Ω·m，呈明顯的高侵特征，電阻率曲線內凹的形態明顯，聲波時差為270μs／m，密度為2.43g／cm3，中子孔隙度為24%，測井解釋的孔隙度為16%，錄井顯示很微弱，測井解釋下段為水層。2 029.0～2 032.5m井段電阻率相比下部而言高，但也是高侵的特征，流體性質不好解釋，常規測井把上段解釋為干層和水層。圖6為A井延9段介電掃描測井的處理成果圖。圖6中第1道是不同頻率的介電常數（左側）和電導率（右側），可以看到介電常數與下部相比稍小而電導率稍低。第2道黑色曲線為常規曲線計算的總孔隙度，深蘭色虛線為介電測井掃描得到的含水孔隙度，二者的差異代表油的體積，2 029.0～ 2 032.0m井段的差異明顯，而下部砂層段則基本重合。第3道為介電掃描測井得到的含油飽和度。可以看到2 029.0～2 032.5m井段介電掃描測井得到的含油飽和度超過40%，而下部砂層為0，因此解釋上部為油層。對2 029.0～2 031.0m井段射孔，初產油6.04t／d，說明介電掃描測井結果正確。

圖7是A井長82段測井解釋綜合圖。2 610.0～2 625.0m井段是相對比較均質的砂體。該段的聲波時差為240μs／m，密度為2.42g／cm3，中子孔隙度為20%，探測深度90in的深感應電阻率為20Ω·m，探測深度10in的感應電阻率為30Ω·m。其他探測深度的感應電阻率與90in的重合，巖心分析孔隙度為14%，滲透率為1mD，含油飽和度為20%。2 613.0～2 625.5m井段進行了鉆井取心，取心描述含油級別為油斑和油跡，局部無油氣顯示，說明含油并不均勻，常規測井解釋為油層。圖8為A井長82段介電掃描測井的處理成果圖。從介電掃描測井得到的含油飽和度（左數第3道）可看到含油飽和度在縱向上變化較大，高的可超過40%，低的為0，對比該飽和度曲線和巖心的含油性描述可發現二者具有很好的一致性，取心描述為油斑，介電掃描測井的飽和度為40%左右，比如2 616.0～2 621.5m井段，取心描述無顯示的層段比如2 622.5～2 624.5m，介電掃描得到的含油飽和度也很低，除局部有些高尖子外多為0。由此可見介電掃描測井與巖心的對應性很好，并且具有很高的縱向分辨率。該段試油日產油33.66t，無水，結論與介電掃描測井解釋結果一致。

圖8 A井長82介電掃描處理成果圖

4 結論與建議

介電掃描測井在設計上具有明顯的理論優勢。該技術能夠很好地解決復雜儲層、地層水礦化度未知情況下流體識別的問題。同時儀器具有很高的縱向分辨率，這對于儲層內部結構特征的精細刻畫是非常有利的。

介電掃描測井的最大探測深度為4in，在泥漿侵入較深的情況下得到的都是侵入帶的油氣飽和度，因此還需要結合其他測井資料進行測井解釋。新一代介電掃描測井技術在國內的應用剛剛展開，相信隨著采集井數的增多，其價值將逐步體現出來。

［1］ Mehdi H，Heri B.Dielectric Dispersion：A New Wireline Petrophysical Measurement［C］∥SPE 116130，2008.

［2］ Jonathan M，Shyam A.Wireline Dielectric Measurements Make a Comeback：Applications in Oman for a New Generation Dielectric Log Measurement［C］∥SPWLA 51st Annual Logging Symposium，2010.

［3］ Wharton R P，Hazen G A，Rau R N，et al.Electromagnetic Propagation：Advances in Technique and Interpretation［C］∥SPE 9267，1980.

［4］ Romulo C，Eric D，Jim H.Dielectric Logging New Technology and Application［J］.Oilfield Review，2011，Spring.

［5］ Seleznev N.Dielectric Mixing Laws for Fully and Partially Saturated Carbonate Rocks［C］∥SPWLA 45th，Annual Logging Symposium，2004.

［6］ Seleznev N.Formation Properties Derived from Multifrequency Dielectric Measurement［C］∥SPWLA 47th，Annual Logging Symposium，2006.

Application of Dielectric Scanner Logging in Changqing Oilfield

CHENG Yumei1，ZHANG Xiaogang1，WEI Guo2
（1.Exploration Department，PetroChina Changqing Oilfield Company，Xi’an，Shaanxi 710018，China；2.Schlumberger China，Beijing 100015，China）

It is difficult to determine fluid types in low porosity and permeability reservoirs with very complex pore sizes and unknown water salinity.Dielectric scanner logging tool uses gemel poles with 4kinds of frequencies，and has different probing depths with 4in deepest depth，and can measure formation permittivity.Permittivity difference of hydrocarbon and water is bigger.Water porosity of the invaded zone is estimated through the permittivity by inversion，then hydrocarbon saturation is got by comparing the total porosity from conventional log or NMR log.Dielectric scanner logging technology not only acquires formation water porosity，but also get m，n reflecting rock structure and cation exchange capacity.Introduced are the basic method，the principle and application of dielectric scanner logging.Analyzed are cases of dielectric scanner logging in Changqing oilfield，and the interpretation results agree well with testing results.

log interpretation，dielectric scanner logging，permittivity，reservoir evaluation，fluid property，Changqing oilfield

P631.84

A

2012－03－26 本文編輯 余迎）

1004－1338（2012）03－0277－05

程玉梅，女，1965年生，高級工程師，從事測井新技術應用研究與管理工作。