劉軍濤, 張 鋒, 張泉瀅, 侯國經(jīng), 張皓評, 丁 凡

(1.中國石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東青島 266580;2.北卡羅萊納州立大學(xué)核工程系,北卡羅來納州羅利 27695;3.中國石油大學(xué)CNPC測井重點實驗室,山東青島 266580; 4.中國石油集團測井有限公司,陜西西安 710200)

低孔隙度儲層碳氧比測井靈敏度提高方法

劉軍濤1,2, 張 鋒1, 3, 張泉瀅1, 侯國經(jīng)2, 張皓評2, 丁 凡4

(1.中國石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東青島 266580;2.北卡羅萊納州立大學(xué)核工程系,北卡羅來納州羅利 27695;3.中國石油大學(xué)CNPC測井重點實驗室,山東青島 266580; 4.中國石油集團測井有限公司,陜西西安 710200)

碳氧比能譜測井技術(shù)在確定儲層剩余油飽和度及評價水淹層方面得到了廣泛應(yīng)用。為提高碳氧比測井在低孔隙條件下對含油飽和度的響應(yīng)靈敏度,采用高斯與線性組合模型,擬合實測伽馬能譜特征峰獲取特征系數(shù),并結(jié)合碳、氧元素標(biāo)準(zhǔn)伽馬能譜,形成一種碳氧比值計算新方法;通過處理已知組成的混合伽馬能譜驗證了新方法的準(zhǔn)確性。采用蒙特卡羅數(shù)值模擬方法建立不同孔隙度及含油飽和度的地層模型,研究低孔隙度儲層條件下常規(guī)能窗法及新方法計算的碳氧比值與含油飽和度響應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明:碳氧比值計算新方法能夠減小中子與其他元素作用產(chǎn)生伽馬射線對碳氧比值的影響,明顯提高低孔隙度條件下碳氧比測井對含油飽和度的響應(yīng)靈敏度。研究成果為碳氧比測井?dāng)?shù)據(jù)處理方法改進及其在低孔隙度條件下的應(yīng)用提供了重要技術(shù)支持。

核測井; 碳氧比能譜測井; 蒙特卡羅方法; 地層模型; 低孔儲層; 非線性擬合; 標(biāo)準(zhǔn)譜; 響應(yīng)靈敏度

碳氧比能譜測井通過記錄中子與地層元素原子核作用產(chǎn)生的非彈散射及俘獲伽馬射線,能夠在未知礦化度及礦化度變化較大的地層條件下定量評價儲層含油飽和度,在油田開發(fā)中后期的剩余油分布度動態(tài)監(jiān)測、提高采收率方面發(fā)揮了重要作用[1-6]。通過處理測量伽馬能譜,準(zhǔn)確獲取地層碳氧比值是提高剩余油飽和度計算精度及準(zhǔn)確度的關(guān)鍵[7]。國內(nèi)外學(xué)者針對碳氧比值的計算方法進行了相關(guān)研究,Culver等[8]最先發(fā)明了C/O能譜測井方法及儀器,利用特征能窗法獲取碳氧比值,確定地層含油飽和度。Hemingway等[7]介紹了利用最小二乘譜數(shù)據(jù)處理碳氧比測井能譜,提高獲取C/O值的靈敏度及準(zhǔn)確度。Elshahawi等[9]利用基于最小二乘的C/O值獲取方法,建立不同井內(nèi)流體及地層條件下的刻度圖版,并介紹了其在水淹層評價及指導(dǎo)儲層注水方面的應(yīng)用。龐巨豐等[10-11]研究了利用C、O、Si、Ca、Si與Fe等元素標(biāo)準(zhǔn)伽馬能譜處理非彈伽馬能譜,計算C、O等元素產(chǎn)額比,并確定地層含油飽和度的方法。鄭華等[2,12-13]開發(fā)了雙源距碳氧比測井儀器,并研究了能譜數(shù)據(jù)預(yù)處理及含油飽和度解釋方法。特征能窗法相對簡單,碳、氧能窗伽馬計數(shù)容易受相對高能伽馬射線的影響,降低了低孔隙度條件下含油飽和度響應(yīng)靈敏度。最小二乘方法能夠降低其他元素對碳、氧元素特征伽馬射線的干擾;在計算碳氧比值過程中,要求選取的標(biāo)準(zhǔn)伽馬能譜種類符合地層實際元素組成,且伽馬本底要扣除準(zhǔn)確,否則計算結(jié)果會產(chǎn)生較大誤差。筆者提出一種利用高斯與線性模型,擬合測量能譜的碳、氧特征能峰,并結(jié)合元素標(biāo)準(zhǔn)伽馬能譜確定地層碳氧比值的新方法。利用提出的非線性擬合方法處理已知組成的混合伽馬能譜,對碳氧比計算新方法進行驗證;最后利用蒙特卡羅數(shù)值模擬方法,建立具有不同孔隙度、飽和度的地層模型,對比研究低孔隙度條件下常規(guī)能窗法及新方法計算碳氧比值與地層含油飽和度的響應(yīng)關(guān)系。

1 非線性擬合碳氧比值計算方法

1.1 特征能峰非線性擬合

單能伽馬射線的探測器響應(yīng)能譜,主要由全能峰及康普頓平臺等部分組成。利用能窗法計算碳氧比值時,碳、氧能窗伽馬計數(shù)會受到其他高能伽馬康普頓平臺計數(shù)的影響,降低了復(fù)雜巖性及低孔隙度儲層條件下碳氧比測井響應(yīng)靈敏度及飽和度計算精度。基于全元素標(biāo)準(zhǔn)伽馬能譜的最小二乘方法對測量能譜的統(tǒng)計精度、標(biāo)準(zhǔn)譜選擇及本底譜的扣除要求較高[14]。

為了解決上述存在的問題,處理儀器測量非彈伽馬能譜時采用非線性擬合方法對碳、氧特征能峰進行擬合,獲取碳、氧元素能峰的擬合系數(shù);然后結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)化后的碳、氧非彈標(biāo)準(zhǔn)伽馬能譜獲取兩種元素產(chǎn)生的伽馬計數(shù),進而計算地層碳氧比值。

對于閃爍晶體探測器,具有特定能量的入射伽馬射線能量沉積產(chǎn)生的可見光子數(shù)成高斯分布,其平均值等于入射伽馬光子能量;測量譜中某能量范圍內(nèi)若沒有能峰貢獻,可以利用線性模型近似反映康普頓及本底貢獻。利用高斯函數(shù)與線性函數(shù)組合模型對碳、氧特征能峰進行非線性擬合,使用Levenberg-Marquardt方法計算得到相關(guān)參數(shù),擬合模型如下所示:

(1)

C2=dx+e,

(2)

C=C1+C2.

(3)

式中,C1為擬合能峰的高斯部分計數(shù);C2為擬合能峰的線性部分計數(shù);a、b和c分別為高斯部分的高度、中心位置及標(biāo)準(zhǔn)方差擬合系數(shù);d和e分別為線性部分的一次系數(shù)及常系數(shù);C為測量伽馬能譜的能道計數(shù);x為道址對應(yīng)能量,MeV。為了驗證擬合模型的適用性,分別選取了Cs-137放射源實驗譜(圖1)及單深度點實測伽馬能譜(圖2);Cs-137特征峰能量為0.662 MeV,碳元素主要特征峰能量為4.43 MeV。利用上述非線性擬合模型,對Cs-137及碳元素特征伽馬能峰進行擬合處理,擬合數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)對比如圖3及圖4所示。

圖3及圖4中包括實測能譜數(shù)據(jù)、擬合數(shù)據(jù)、擬合數(shù)據(jù)的高斯及線性組成部分。由圖3可以看出,當(dāng)沒有其他能量伽馬射線干擾時,特征伽馬能峰的計數(shù)貢獻主要來自高斯組成部分。由圖4可以看出,實測伽馬能譜的碳能峰計數(shù)主要貢獻來自于線性組成部分,高斯部分貢獻相對較少;說明其他元素產(chǎn)生伽馬射線對碳能窗范圍內(nèi)計數(shù)有較大影響。對比實測數(shù)據(jù)及擬合數(shù)據(jù),可以看出兩者具有很好的吻合性,擬合結(jié)果能夠很好地反映能峰形態(tài)。表1給出兩者的擬合參數(shù)及擬合優(yōu)度,可以看出模型對于Cs-137及單深度點實測譜的碳能峰具有較好的擬合度,兩者相關(guān)系數(shù)都達到了0.99。

圖1 Cs-137實測伽馬能譜Fig.1 Measured gamma ray spectrum of Cs-137

圖2 單深度點實測伽馬總譜Fig.2 Measured spectrum of single depth

圖3 Cs-137能峰擬合結(jié)果Fig.3 Fitting result of Cs-137 energy peak

圖4 碳元素特征能峰擬合結(jié)果Fig.4 Fitting result of the characteristic energy peak of Carbon

變量名稱Cs-137特征峰參數(shù)值混合譜碳峰參數(shù)值a394608936b066414428c0040310091d-29150-1472e228601292相關(guān)系數(shù)0999909982

1.2 碳氧比值計算

采用上述方法分別計算得到儀器測量譜及標(biāo)準(zhǔn)伽馬能譜的碳、氧能峰高斯擬合系數(shù)ac、ao、asc及aso。由于測量譜是由單元素標(biāo)準(zhǔn)譜及本底貢獻組成,測量譜的碳、氧能峰的高斯組成部分越大,說明碳、氧元素標(biāo)準(zhǔn)譜所占貢獻越大,利用如下公式可以計算碳、氧兩種元素產(chǎn)生非彈伽馬射線總計數(shù):

(4)

(5)

式中,Ccounts為測量譜中碳元素產(chǎn)生非彈伽馬射線計數(shù);Ocounts為測量譜中氧元素產(chǎn)生非彈伽馬射線計數(shù);Sc、So分別為標(biāo)準(zhǔn)化后的碳、氧元素非彈標(biāo)準(zhǔn)伽馬能譜總計數(shù)。進而可以根據(jù)如下公式計算得到地層碳氧比值:

(6)

2 碳氧比值計算新方法驗證

蒙特卡羅數(shù)值計算方法廣泛應(yīng)用于核測井儀器參數(shù)優(yōu)化、測井響應(yīng)及數(shù)據(jù)處理方法研究[15-18]。建立如圖5所示計算模型,儀器采用D-T中子源,中子發(fā)射能量為14 MeV;探測器為BGO晶體,遠(yuǎn)探測晶體長度為15 cm,直徑為5 cm,能量分辨率為13%。儀器外徑為6.36 cm,近源距為28 cm,遠(yuǎn)源距為55 cm,貼井壁測量。設(shè)置井徑20 cm,井內(nèi)流體為淡水,密度為1.0 g/cm3;D-T中子源發(fā)射脈沖寬度為40 μs,在0～40 μs采集總非彈伽馬能譜,在50～100 μs采集俘獲伽馬能譜。

圖5 蒙特卡羅數(shù)值計算模型Fig.5 Monte Carlo calculation model

利用圖5數(shù)值計算模型,模擬得到地層常見元素C、O、Si、Ca等的非彈標(biāo)準(zhǔn)伽馬能譜如圖6所示[19],圖中綠線為歸一化后的實測本底伽馬能譜。

圖6 元素非彈標(biāo)準(zhǔn)伽馬能譜Fig.6 Inelastic standard spectra of different elements

建立C、O、Si、Ca及本底譜貢獻比例分別為20%、42%、20%、10%及8%的伽馬能譜如圖7所示。利用上述方法計算C、O產(chǎn)生伽馬射線對總伽馬能譜的貢獻,計算過程中僅利用了C、O兩種元素標(biāo)準(zhǔn)伽馬能譜;在實際資料處理過程中,利用全元素標(biāo)準(zhǔn)譜最小二乘方法計算碳氧比值時,可能會受本底譜扣除不精確及標(biāo)準(zhǔn)譜種類選擇不準(zhǔn)確等因素的影響;在此只利用C、O、Si及Ca 4種元素標(biāo)準(zhǔn)譜處理混合伽馬能譜,近似仿真受到的影響,計算C、O元素貢獻如表2所示。

由表2可以看出,當(dāng)其他元素標(biāo)準(zhǔn)譜在C、O特征峰處沒有明顯能峰貢獻時,新方法計算得到碳、氧產(chǎn)生伽馬射線貢獻與實際值非常吻合,兩者絕對誤差小于1%。新方法能夠在一定程度上扣除其他元素產(chǎn)生伽馬射線對碳氧比值的影響,處理結(jié)果能夠準(zhǔn)確反映碳、氧兩種元素對混合譜的貢獻,因此具有較高碳氧比值計算精度;利用全部元素標(biāo)準(zhǔn)譜方法計算碳氧比值時,需要不斷嘗試從標(biāo)準(zhǔn)譜庫中選取不同的元素標(biāo)準(zhǔn)譜組合,或根據(jù)巖心分析資料選取合適的標(biāo)準(zhǔn)譜,以實現(xiàn)加權(quán)殘差平方和的最小化。同時需要根據(jù)不同深度點的俘獲能譜計算扣除系數(shù),消除俘獲伽馬的影響,最后扣除自然伽馬本底的干擾,處理算法相對比較復(fù)雜。如果元素種類選擇及本底扣除不精確,會對C、O元素計算產(chǎn)額產(chǎn)生較大影響。

圖7 混合伽馬能譜Fig.7 Mixed gamma ray spectrum

元素種類實際貢獻/%新方法計算結(jié)果/%絕對誤差/%全元素最小二乘法計算結(jié)果/%絕對誤差/%C2020606171-29O42416-04392-28

3 碳氧比測井含油飽和度響應(yīng)靈敏度

定義碳氧比值對含油飽和度響應(yīng)的動態(tài)變化范圍D及靈敏度S為

(7)

(8)

式中,C/Oo為某固定孔隙度條件下飽含油地層碳氧比值;C/Ow為某固定孔隙度條件下飽含水地層碳氧比值;Ω為碳氧比值與含油飽和度響應(yīng)函數(shù);So為地層含油飽和度;C/O為對應(yīng)含油飽和度條件下的碳氧比值。

利用圖5數(shù)值計算模型,分別建立孔隙度為10%、15%的低孔隙度石灰?guī)r地層,井內(nèi)流體為淡水,改變地層含油飽和度分別為0、20%、40%、60%、80%與100%,記錄地層伽馬能譜,分別利用能窗法、全譜最小二乘法及新方法計算碳氧比值。兩種孔隙度條件下,3種方法計算碳氧比值與含油飽和度關(guān)系如圖8及圖9所示。為了更直觀地對比,將三者在含油飽和度為0的碳氧比刻度到相同值。

圖8 孔隙度10%碳氧比與含油飽和度響應(yīng)關(guān)系Fig.8 Response of carbon/oxygen to oil saturation with a porosity of 10%

圖9 孔隙度15%碳氧比與含油飽和度響應(yīng)關(guān)系Fig.9 Response of carbon/oxygen to oil saturation with a porosity of 15%

由圖8及圖9可以看出,孔隙度固定時,隨著含油飽和度的增加,3種方法計算碳氧比值基本呈線性增大。相對常規(guī)能窗法,新方法計算碳氧比值變化更加劇烈,對含油飽和度變化響應(yīng)更加敏感。新方法與全譜最小二乘方法計算碳氧比值與含油飽和度的響應(yīng)關(guān)系基本一致。分別計算兩種低孔隙度條件下碳氧比動態(tài)變化范圍及靈敏度如表3所示。

表3 低孔條件碳氧比動態(tài)范圍及靈敏度Table 3 Dynamic range and sensitivity of carbon/oxygen in low porosity conditions

由表3可以看出,與能窗法相比,新方法計算碳氧比值具有更大動態(tài)變化范圍及更高靈敏度;在孔隙度為10%時,新方法計算碳氧比值的動態(tài)變化范圍約為能窗法計算值的2.5倍;因此新方法計算碳氧比值在確定低孔隙度儲層剩余油飽和度方面具有優(yōu)勢。與全譜最小二乘法相比,兩者計算碳氧比值的含油飽和度響應(yīng)靈敏度及動態(tài)變化范圍非常相近,但非線性擬合方法對應(yīng)值略低一些。

4 結(jié) 論

(1)為提高碳氧比測井技術(shù)在低孔隙度儲層的含油飽和度響應(yīng)靈敏度,提出了一種基于非線性擬合及元素標(biāo)準(zhǔn)伽馬能譜的碳氧比值計算新方法。通過處理已知組成的混合譜,驗證了利用高斯與線性組合模型,并結(jié)合碳、氧元素標(biāo)準(zhǔn)譜確定碳氧比值的準(zhǔn)確性。

(2)與常規(guī)能窗法相比,在低孔隙度條件下,新方法能夠降低干擾伽馬對碳氧比值的影響,明顯提高碳氧比值對含油飽和度的響應(yīng)靈敏度;與全譜最小二乘方法相比,新方法僅利用了碳、氧兩種元素標(biāo)準(zhǔn)譜,兩者計算碳氧比值對含油飽和度的響應(yīng)靈敏度相近。

(3)本文中主要針對碳氧比值計算新方法及其在不同飽和度條件下的響應(yīng)進行了研究,對于剩余油飽和度解釋及影響因素的校正等問題,還需要進一步研究;研究成果為碳氧比測井?dāng)?shù)據(jù)處理提供了一種新的思路,為其在低孔隙度條件下的應(yīng)用提供了重要技術(shù)支持。

致謝 感謝美國北卡羅萊納州立大學(xué)同位素工程應(yīng)用中心各位老師及同學(xué)的幫助!

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(編輯 修榮榮)

A method of improving sensitivity of carbon/oxygen well logging for low porosity formation

LIU Juntao1,2, ZHANG Feng1,3, ZHANG Quanying1, HOU Guojing2, ZHANG Haoping2,DING Fan4

(1.School of Geosciences in China University of Petroleum, Qingdao 266580, China;2.DepartmentofNuclearEngineering,NorthCarolinaStateUniversity,Raleigh27695,USA;3.CNPCKeyLaboratoryforWellLogginginChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China;4.ChinaPetroleumLoggingCompanyLimited,Xian710200,China)

Carbon/Oxygen (C/O) spectral logging technique has been widely used to determine residual oil saturation and the evaluation of water flooded layer. In order to improve the sensitivity of the technique for low-porosity formation, Gaussian and linear models are applied to fit the peaks of measured spectra to obtain the characteristic coefficients. Standard spectra of carbon and oxygen are combined to establish a new carbon/oxygen value calculation method, and the robustness of the new method is cross-validated with known mixed gamma ray spectrum. Formation models for different porosities and saturations are built using Monte Carlo method. The responses of carbon/oxygen which are calculated by conventional energy window method, and the new method is applied to oil saturation under low porosity conditions. The results show the new method can reduce the effects of gamma rays contaminated by the interaction between neutrons and other elements on carbon/oxygen ratio, and therefore can significantly improve the response sensitivity of carbon/oxygen well logging to oil saturation. The new method improves greatly carbon/oxygen well logging in low porosity conditions.

nuclear logging; carbon/oxygen spectral logging; Monte Carlo method; formation model; low porosity reservoir; nonlinearity fitting; standard spectra; response sensitivity

2016-01-10

國家自然科學(xué)基金項目(41374125); 國家重大油氣專項(2011ZX0520-002); 山東省自然科學(xué)基金項目(ZR2012DM002); 中石油創(chuàng)新基金項目(2012D-5006-0302); 中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項(14CX06071A, 14CX05011A); 研究生創(chuàng)新工程(YCX2015001)

劉軍濤(1989-), 男,博士研究生, 研究方向為核測井?dāng)?shù)值模擬及數(shù)據(jù)處理方法。E-mail: liujuntao20082009@126.com。

張鋒(1970-), 男, 教授, 博士生導(dǎo)師, 研究方向為核測井?dāng)?shù)值模擬及數(shù)據(jù)處理方法。 E-mail: zhfxy_cn@upc.edu.cn。

1673-5005(2016)06-0057-06

10.3969/j.issn.1673-5005.2016.06.007

P 631.817

A

劉軍濤,張鋒,張泉瀅,等. 低孔隙度儲層碳氧比測井靈敏度提高方法[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2016,40(6):57-62.

LIU Juntao, ZHANG Feng, ZHANG Quanying, et al. A method of improving sensitivity of carbon/oxygen well logging for low porosity formation[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science), 2016,40(6):57-62.