2. 中石油华北油田勘探开发研究院, 河北任丘 062552
2. Exploration and Development Research Institude of HuaBei Oilfield Company, Hebei Renqiu 062552, China
七十年前阿尔奇通过岩石物理实验确定了(a、b、m、n)参数,在测井理论与实践间建立了联系的桥梁(Archie G E,1942).此后,研究人员根据各自的岩样重复阿尔奇的实验或根据经验确定这些参数,尤其是当储层岩性变化较为复杂,根据实验或经验确定的一套参数不能满足需要时,研究人员依据地质条件修正阿尔奇公式,从而派生出各种形式的引申公式.在应用这些派生公式的时候,由于疏于对公式适用条件的分析,常常与公式的实验手段产生冲突.譬如Poupon等(1954年)等提出的层状泥质砂岩导电模型认为泥岩和砂岩薄层的电导率是严格相加(Poupon A et al., 1954);Simandoux(1963)根据均匀分布的黏土混合物的实验结果,提出了包括饱和度解释模型在内的等岩石解释模型(Simandoux P,1963),这类基于泥质等效体积的解释模型由于忽视了附加导电性对地层因数的影响都与阿尔奇公式的实验条件存在明显冲突.作者长期从事岩石物理测井应用及研究工作,不仅体会了这些引申公式在过去的几十年里给测井评价带来的巨大便利,同时也深深感到认识和解决这些冲突对复杂孔隙结构储层评价有重要意义.
1 阿尔奇实验揭示了常规孔隙有效性的评价方法1941年10月,阿尔奇在美国达拉斯石油工程与矿业学会上宣读了“用电阻率测井确定几个储层特征参数”的论文,提出了现已成为测井评价工作基础的阿尔奇公式为
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阿尔奇公式的实验条件:(1)孔隙度范围为10%~40%;(2)100%充填孔隙的电解质矿化度为20000~100000 mg·L-1(NaCl);在实验室中从不同砂岩层中钻取大量含盐水岩样进行电阻率测定.在上述孔隙度和矿化度的范围内,岩石电阻率R0与电解质电阻率Rw比值关系式为
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阿尔奇借助岩石电阻率与孔隙水电阻率比值间存在的固有关系——地层因数建立了岩石物性和电性之间的关系.值得注意的是:地层因数是岩石标本100%含水时岩石电阻率与孔隙水电阻率呈线性增加的恒定比例因子.也就是说,岩石骨架电阻率无穷大,用电解质矿化度为20000~100000 mg·L-1(NaCl)的溶液充填岩石孔隙可以确保岩石电阻率相对于孔隙水电阻率比值保持恒定,这是等式(1)成立的基本条件.现实工作中,完全符合该条件的岩样不多,各类砂岩储层的岩石由于各种形式的附加导电性影响,送交的岩样大都呈现随孔隙水矿化度增高,地层因数逐步增高但有上限的现象(毛志强等,1999).1968年Waxman和Smits 2人通过大量的岩心样品实验也证实了这一观点:当岩石孔隙水矿化度大于24800 mg·L-1(NaCl)时,岩样电导率与孔隙水电导率才维持线性关系,保持一条不过原点的直线,该直线斜率的倒数就是当年阿尔奇描述的地层因数(Waxman et al., 1967).
针对这一现象,笔者提出地层因数的微分形式,即电阻变化率和电导变化率地层因数关系式为
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电阻率形式的地层因数和电阻变化率地层因数的差异显而易见:它们在孔隙水矿化度为24800~100000 mg·L-1(NaCl)时,岩样电阻率与孔隙水电阻率维持线性关系具有相同的地层因数;差别在于该直线是否经过原点.为了下面讨论的方便,定义关系式(1)的电性部分和关系式(3)为电阻率地层因数,关系式(1)的物性部分为孔隙度地层因数,关系式(4)、(5)为电阻变化率地层因数.七十年的岩石物理实践业已证实:阿尔奇公式是借助地层因数反映孔隙有效性,用系数a和胶结指数m调节不同胶结程度的岩石孔隙对孔隙有效性的贡献.
2 用有效孔隙评价孔隙有效性的缺陷首先影响孔隙有效性评价因素是岩石附加导电性(孙建孟等,2008):无论黏土矿物以什么形状分布在岩石孔隙都可以看作是一种占据孔隙的导电液体,因此将岩石孔隙分为有效孔隙和泥质束缚孔隙.此时的岩石孔隙由于黏土影响,有效孔隙变小,对应孔隙度地层因数提高;电阻率地层因数因为泥质附加导电性影响,R0降低,形成电阻率地层因数不升反降的假象,导致电阻率地层因数与孔隙度地层因数产生明显差异.这一矛盾1968年被Waxman和Smits发现并进行了纠正,但由于未考虑“近水”、“远水”矿化度的差异、无效导电孔隙的影响和岩石骨架完全不导电的假设等因素,纠正并不彻底.但澄清了下述事实:(1)稳定的电阻率地层因数是孔隙有效性评价的决定因素,a、m值必须通过地层因数获取;(2)纯净砂岩孔隙引入泥质影响后,岩石孔隙水矿化度大于24800 mg·L-1(NaCl)时,岩样电导率与孔隙水电导率维持线性关系,即保持一条不过原点的直线,该直线斜率的倒数就是电阻率地层因数.其间Simandoux(1963年)和其他各种不同泥质分布状况的研究证实; (3)岩石的有效孔隙不等同于孔隙有效性:泥质的分布状况同样对孔隙的有效性构成影响.同样的泥质含量存在不同的分布方式,对孔隙有效性的影响也不同,造成有效孔隙和孔隙有效性不对等.
其次影响孔隙有效性评价因素是静态孔隙结构和动态孔隙有效性的差异:三水模型(张丽华等,2010)尽管对岩石孔隙结构进行了更为细致的划分,引入了毛管束缚孔隙,但忽视了对反映孔隙有效性的地层因数进行正确的运算.静态研究孔隙结构测井仪实践,逐步形成了单方面从孔隙静态参数评价孔隙有效性的现象,比对测井孔隙结构细分与实际孔隙结构细分的差异就能发现孤立孔隙等无效孔隙的缺失.目前孔隙度的测量手段,无论是从岩石密度、岩石的含氢指数、声波在岩石中的传播速度、或是岩石孔隙的T2谱分布都仅仅能提供孔隙度的大小,不同孔隙尺寸孔隙的大小评价有效孔隙,而无法确认孔隙连通的有效程度,原因是无法分清孤立孔隙和连通孔隙的差异.
3 电阻变化率地层因数与储层孔隙有效性阿尔奇实验用电阻率地层因数,源于简单孔隙结构的岩石骨架电阻率无穷大,100%含水时岩石电阻率与孔隙水电阻率呈线性增加的比例因子,即电阻变化率等同于电阻率比值这一事实.现实符合该实验条件的岩样不多,孔隙结构的复杂化也无法保证岩石孔隙100%被实验电解质充填,无论是岩石的无效孔隙还是岩石自身,或多或少有着多种形式的附加导电因素.对于孔隙结构简单的岩石,按照阿尔奇当时的说法“应用它们所带来的误差是在允许的范围之内”;但对于孔隙结构复杂的岩石,尤其是有部分孔隙连通导电,部分孔隙不连通导电以及各类附加导电性影响超过允许的误差范围时,仅仅依靠电阻率评价连通孔隙的贡献就显得不切实际.各类岩石附加导电性的影响,给地层因数的准确量测增加了难度,几十年的岩石物理实验证实:随着孔隙水矿化度的逐步提高,岩石电阻变化率逐步趋于稳定得到准确的岩石地层因数.至于孔隙水矿化度较低时,得到的地层因数明显不同于岩石固有地层因数的现象可以归属于岩石黏土附加导电、岩石骨架附加导电和复杂的孔隙结构的附加导电性影响,这些因素影响了岩石电阻率和孔隙水电阻率的线性关系.下面用数学方式分别就并联和串联导电现象探讨一下电阻率地层因数和电阻变化率地层因数在岩石附加导电性影响下的差异.为计算方便,设定储层地层因数不变,将岩石所有的附加导电性影响全部假想为岩石单一形式附加导电因素,选用电阻率形式和电导率形式分别计算串联导电形式和并联导电形式的地层因数(李宁,1989):设岩石的原始地层因数F0,受附加导电性影响的视地层因数F,地层水电阻率Rw(地层水电导率Cw),岩石电阻率和岩石单一附加电阻率分别为R0、Rm(岩石电导率和岩石单一附加电导率分别为C0、Cm),关系式(6)、(7)分别是串联导电形式的关系式,关系式(8)、(9)分别是并联导电形式的关系式,它们为
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显然,公式(6)、(8)电阻(电导)率地层因数无法摆脱岩石附加导电性影响,而公式(7)、(9)电阻(电导)变化率地层因数则完全不受岩石附加导电性影响.任何复杂的孔隙结构都可以按被检测单元的特征根据其孔隙是否被实验电解质充填划分为连通孔隙和不连通孔隙,连通孔隙被实验电解质充填并且导电构成具有导电性质的岩石连通孔隙导电拓扑,不连通孔隙尽管不可被实验电解质充填,但借助原生束缚水导电、岩石骨架导电、无效孔隙导电等因素与连通孔隙的导电拓扑共同构成更加复杂的岩石导电拓扑.岩石中这些不连通的无效孔隙根据其各自的导电类型可以划分为无数个微导电单元,这些微单元在实验过程中无法被实验电解质驱替、充填,其电阻变化率和电导变化率恒等于零.这样,即使这些不连通孔隙与连通孔隙的拓扑关系十分复杂,构成的岩石导电拓扑和连通孔隙导电拓扑的电阻(电导)率差异有可能很大.因为任何一个复杂的级联网络都是由简单的串并联网络组成,上述关系式可以证明岩石导电拓扑的电阻(电导)变化率完全等同于岩石连通孔隙导电拓扑的电阻(电导)变化率.因此,在没有任何附加条件的情况下可以确认:只要孔隙水矿化度足够的高,岩石附加导电性仅仅对岩石电阻率造成影响,对岩石电阻变化率不造成任何影响.上述分析证实:电阻变化率地层因数既不受岩石附加导电性影响,也不受孤立的无效孔隙影响,仅仅是岩石连通孔隙的贡献;它揭示的是岩石的固有属性,岩石附加导电性只能影响对这一属性的认识.因此,在简单孔隙结构储层,或是可以完全忽视岩石附加导电性储层,用电阻率地层因数可以近似准确反映岩石地层因数.但在复杂储层,或孔隙结构影响复杂化储层,就不能忽视岩石附加导电性影响,就要引入电阻变化率去除岩石附加导电性的影响准确测量岩石的固有属性——地层因数.因此,对于单一孔隙结构储层,用一个物理量就可以正确描述它的固有属性,对于复杂孔隙结构储层,尽管只将孔隙进行连通性和非连通性划分,但一个物理量依然无法正确描述,必须引入新的物理量——电阻变化率对它们的不同贡献进行划分.
4 孔隙有效性与储层参数关系的探索20世纪已经有人就地层因数与渗透率的关系作过近似的研究(Ellis D V,1987),因为没有得到满意的答案而放弃.此次的研究方法是:首先假想有这样的纯净砂岩满足电阻变化率地层因数和渗透率间存在一一对应的关系,再证明假设条件完全符合实际.假定存在这样的纯净砂岩:(1)没有任何附加导电性等外界因素影响;(2)电阻变化率地层因数和渗透率之间存在确定关系.这样,反映孔隙有效性的电阻变化率地层因数和渗透率之间就建立了唯一确定的联系,所有纯净砂岩都可以通过各自的渗透率借助该关系(以下称此关系为纯净砂岩线)得到电阻变化率地层因数进行孔隙的有效性评价.这也适用于受附加导电现象影响严重的泥质砂岩储层,只要可以准确地测定岩石的渗透率,就可以根据电阻变化率地层因数反映孔隙有效性的特点借助纯净砂岩与地层因数的确定关系,实现对孔隙有效性的评价,反之亦然.下面分两步进行探求:(1)用现有数据分析、拟合电阻变化率地层因数与渗透率的关系式;(2)用现有数据证实该关系式存在的客观性.
首先对收集到的岩电实验数据进行分类,筛选纯水层数据进行分析,见图 1.此时发现对应渗透率的地层因数存在上限,这和分析岩石附加导电现象选用并联模型时的情况近似,即由于岩石附加导电性影响致使岩石电阻率变低,客观上造成视岩石地层因数降低.因此,在图 1中选择该数据的上限划一条假想电阻变化率地层因数与渗透率关系线.得到该拟合直线方程为
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显然,该纯净砂岩线与孔隙度无关,与a、m值无关.也就是说尽管纯净砂岩的胶结程度不同,只要反映纯净砂岩孔隙有效性的电阻变化率地层因数一致,它们对渗透率的贡献就一致,这实质上也是阿尔奇实验公式揭示的实事——用地层因数确定a、m值,评价储层岩石孔隙对不同矿化度孔隙水的恒定电阻放大率.
其次证实该拟合关系式的客观性.表 1是本公司2013年的实验数据,它选用5口井,不同地层的12颗岩心分别用8000 mg·L-1、12000 mg·L-1、16000 mg·L-1(限于当时的认识程度,实验设计并不完全符合要求)电解质矿化度进行实验.表格中电阻变化率地层因数的获得是通过三点斜率倒数方法获得(图 2).此时发现随着孔隙水矿化度的增高,电阻率地层因数逐步提高,但明显低于用电阻变化率三点斜率回归得到的电阻变化率地层因数,变化趋势逐步逼近拟合的纯净砂岩线.显然,不同的试验点逼近拟合公式的程度存在差异,这说明不同附加导电性引发逼近的过程不同.
表 2是鄂尔多斯盆地大牛地气田大3井的岩电实验数据(赵彦超等,2003).该井的孔隙度差异大,岩石胶结指数变化大,地层因数与渗透率的相关性达到0.94,其回归曲线与纯净砂岩线近乎一致(图 3).这不仅验证了电阻变化率地层因数和渗透率关系的有效性,也从另一面证实了电阻变化率地层因数与渗透率的关系曲线完全不受岩石复杂孔隙结构的影响,仅仅反应孔隙有效性的特点,这和岩石物理实验人员的努力不谋而合(孙宝佃等,2006).
图 4—图 5是当年阿尔奇地层因数与渗透率的实验结果的图例,图 6是当年阿尔奇实验与纯净砂岩线的关系.尽管当时阿尔奇没有公布实验数据,但可以对实验数据的包络进行分析.如图 6用三角形包络和四边形包络分别表示阿尔奇的第一组实验数据和第二组实验数据发现:(1)两组数据均没有超越纯净砂岩线,说明该拟合关系式可靠;(2)第二组数据明显更加远离纯净砂岩线.结合当时阿尔奇描述的情形:第一组数据是从胶结的砂岩岩样中测出,其胶结物质是由不同数量的钙质和硅质构成.岩样中,水平和垂直渗透率相差无几,所有的岩样都取自墨西哥湾沿岸地区的生产层.第二组数据取自路易斯安那地区,其特性截然不同,它们的渗透率远小于第一组岩样,而孔隙度却在大致相同的范围内变化.用现在的说法:第一组数据的砂岩均质性好,受附加导电性影响小,整体趋近纯净砂岩线;第二组数据受到的附加导电性影响较大,造成电阻率地层因数明显低于电阻变化率地层因数的现象.这说明岩石附加导电现象由于孔隙拓扑结构的复杂性和不同的导电特征,在准确量测上显得复杂多变,即使认识到岩石的导电机理,完全依靠实验测量消除岩石的各类附加导电性影响也是一件十分困难的工作,特别是相对几十欧姆米乃至几欧姆米的附加导电影响完全依靠测量岩石地层因数的方法在测量精度方面仍然受到限制.
至此,以砂泥岩储层为基础,通过渗透率不仅可以实现对孔隙有效性的评价,同时也可以通过电阻变化率地层因数求取R0值,实现在复杂孔隙结构地层评价储层的饱和度.鉴于具体评价的需要,推荐引入纯净砂岩、等效纯净砂岩孔隙度和等效纯净砂岩品质因子等参数.参照1968年Waxman与Smits的实验结果和Clavier对结果分析的结论,泥质含量低于2%的砂岩m值为1.79,定义a=1、m=1.79的砂岩为纯净砂岩.教科书上常见的4个岩电关系归纳一下也能得到相同的结果(见表 3,图 7).尽管在孔隙度10%时四个公式的地层因数相差很大,但在孔隙度25%时孔隙有效性十分接近,连接该点与孔隙100%点时可以发现,该线的a=1、m=1.79,和Waxman和Smits的实验结论完全一致.定义实测岩石样品的电阻变化率地层因数(孔隙有效性)在纯净砂岩线上的读值为等效纯净砂岩孔隙度;定义等效纯净砂岩孔隙度与实测岩石样品总孔隙度之比为等效纯净砂岩品质因子.这样,就具备了通过电阻变化率地层因数、孔隙度、渗透率之间的相互关系评价储层孔隙有效性的基础.比对前期认识不难发现:(1)等效纯净砂岩品质因子的物理含义:对于等效纯净砂岩品质因子小于1的现象,在纯净砂岩地层,由于成岩作用的加剧,孔隙的有效性受到制约,反映为孔隙等效纯净砂岩品质因子降低,岩石胶结指数m增高.在泥质砂岩地层,由于岩石中泥质的影响,同样导致孔隙的有效性受到影响,等效纯净砂岩品质因子降低,岩石视胶结指数m增高.因此,比对等效纯净砂岩品质因子和胶结指数,尽管他们都能体现岩石孔隙有效性的影响,但物理意义上显然等效纯净砂岩品质因子更加合理.至于等效纯净砂岩品质因子大于1的现象,物理内涵也同样清晰,这类更为优质的岩石孔隙连通性可以理解为油气运移提供优质的运移通道,这就是地质人员在勘探开发油气储层追求的甜点现象.(2)饱和度的评价基础R0值求取:阿尔奇当年在孔渗关系良好的砂岩储层借助地层因数揭示了通过孔隙度求取R0值的途径,在岩石孔隙结构影响日益复杂的低孔渗地层,本研究对砂泥岩储层借助电阻变化率地层因数提供了通过渗透率求解R0值的途径.比较两种途径的差异不难发现,孔隙度求解途径简单、易操作,对岩石均质性好,纵向均质性差异小的沉积储层适用;渗透率求解R0途径相对复杂,但可以排除无效孔隙的影响,特别是在孔渗关系复杂、岩石纵向均质性差异大的储层发挥作用.(3)岩石附加导电性对岩石导电模型的影响:因为建模是以岩石的被检测单元作为主体,储层参数孔隙度、饱和度、渗透率既定不变,岩石附加导电性只是影响这些参数的测量因素.这样即使附加导电现象是一个既有串联影响也有并联影响的复杂现象,但作为一个整体与岩石电阻率只能构成等效并联影响,这与早期的导电模型类似,但是提供了非串联影响的证明依据.这不等于说在岩石物理实验中可以忽视测量过程中接触电阻的串联影响,该现象归属于应该有效避免的测量误差范畴,与岩石本身附加导电性无关.
图 8为基于孔隙有效性评价储层渗透率成果图.其中第5道原解释渗透率(实线)为常规孔渗关系的渗透率,地层因素渗透率(虚线)为基于孔隙有效性得到的渗透率.岩心常规物性分析结果显示储层上下段孔隙度基本一致,渗透率差异明显,用常规的孔渗关系难以精确评价储层的渗透率.而基于孔隙有效性,利用电阻变化率可以正确评价储层的渗透率.第1道井径曲线的缩径也反映了该层渗透性的差异现象,这些都符合人们多年来的测井实践积累.
图 9为某地区A、B两口临近开发井储层参数评价成果图.两口井的物性、电性、岩性极为近似,同属一个开发层系,仅泥质含量存在弱小差异,但DST测试结果迥异(其中:A井DST测试反循环见水仅10.63 m3;B井DST测试为油层,日产油72.5 m3,气8345 m3),给测井解释人员造成了极大的困惑.以传统的有效孔隙度作为饱和度评价基础,即使A、B两井的泥质含量存在差异,但不至于造成油水关系的混乱.利用本研究成果就可以很好解释:(1)从曲线关系上可以确认第2道冲洗带电阻率明显低于地层电阻率,电阻变化率差异明显,两井渗透率差异明显,地层因数差异明显,因此饱和度差异明显;(2)以微电阻率曲线Rmll作为视Rxo曲线比较两井的视地层因数发现,A井的视Rxo是B井的3倍以上,因此A井视地层因数是B井的3倍以上,且A井的岩心分析渗透率与地层因数渗透率吻合.说明A井的视地层因数是该地层的真实反映.计算结果表明:A井的等效纯净砂岩孔隙度和B井测试地层相差2~3个孔隙度,致使Ro产生差异.这样,即使物性相同,电阻率相同,孔隙结构的影响同样可以造成储层高阻的油气假象,导致油水关系混乱.
图 10是本研究区某井测井综合成果图.该储层是一个两期河道的实例,第6道x108~x112m段岩心分析化验束缚水饱和度(杆状线)和常规电法饱和度(实线)存在显著差异;图中第2道反演冲洗带电阻率曲线(点状线)是利用岩心渗透率与地层因数关系计算电阻率的结果,与实测微电阻率吻合很好,说明本储层不需要进行岩石附加导电性校正,数值上实测微电阻率与泥浆滤液电阻率之比可以直接反映地层因数;第5道地层因数渗透率(虚线)是用微电阻率曲线计算的结果,部分深度点的地层因数渗透率和岩心渗透率存在差异说明了实测动态渗透率受环境影响因素的必然属性;第6道渗透率饱和度(点状线)是根据岩心渗透率计算地层因数乘以地层水电阻率得到R0值与深电阻率进行电阻放大率运算的结果,所用参数的选取(b,n,Rw)除地层因数外全部与常规处理的参数等同;第7道孔隙有效性(点状线)是岩心分析渗透率得到等效纯净砂岩孔隙有效性结果.表 4是渗透率含水饱和度和岩心两种分析方法束缚水饱和度的误差对比,气层段相对误差与绝对误差小,渗透率含水饱和度与岩心分析束缚水饱和度吻合较好(气层段含水饱和度与束缚水饱和度一致).该井DST测试结果:射孔井段x099.3~x122.7m +xx~xx,产气46000 m3/天,产水(主要来自下面储层)38.4 m3/天.实践证实有效孔隙度近似,孔隙有效性制约了岩石含水饱和度,这与低渗低丰度,高渗丰度高,既渗透率低油柱高度高,渗透率高油柱高度低的地质现象吻合,也证实了以渗透率为核心用地层因数评价饱和度的合理性.下面继续探讨x108~x112m段孔隙有效性大于1的现象.产生这一现象是源于岩石的孔隙有效性大于实验测量的实际岩石孔隙度.造成这种现象的可能性很多,无论是孔隙的曲折度、配位数的变好还是微裂缝发育都能导致这种现象.事实上油气充注或是油气田开发,这种孔隙有效性大于实际岩石孔隙的现象十分近似测井工作者苦苦找寻的甜点现象.该井的出水现象,笔者认为该井如果在射孔设计时紧紧抓住x108~x1112m和x1109.8~x1122m两个优选测试点,将会有效避免出水.
(1) 随着各向异性、非均质性现象的引入,孔隙结构的影响越来越复杂,仅仅用静态标量的方法评价孔隙有效性遇到的障碍将越来越大.就需要技术人员从动态和矢量的角度思考问题,采用反映孔隙有效性的电阻变化率就是参照运动学中位移、速度的关系,尝试运用动态、矢量化概念解决问题.结合前期孔隙度的评价成果,建立以具有矢量概念的电阻变化率、电阻率为核心求取等效纯净砂岩岩石R0值的储层饱和度评价体系是更为正确的选择,也为今后测井仪器的矢量化进程创造了条件.
(2) 引入纯净砂岩、等效纯净砂岩孔隙度、等效纯净砂岩品质因子等参数不仅是孔隙有效性评价的需要,更是在广泛的区域,比对不同区域储层孔隙有效性的需要.
(3) 值得注意的是:本研究在未建立任何特定数理模型的基础上,通过分析各类附加导电现象仅影响电阻率地层因数的量测,不影响电阻变化率地层因数量测的现象,根据现有岩电数据拟合了不十分准确的电阻变化率地层因数和渗透率关系,相信不久会有科学工作者测定更加准确的电阻变化率地层因数并建立其与渗透率的科学关系式.鉴于渗透率的动态特征,不同的井控条件和测量环境差异都会造成渗透率的差异,具体实践时要有充分的认识.
致谢衷心感谢原中海油赵立新先生、长城石油钻探公司关雎女士、中海油深圳分公司陈建亮先生、中海油海外公司徐立强先生、中海油上海分公司沈伟锋先生的悉心指导和帮助.
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