曹娟,劉帥宏,趙鳳,張晨,笱順超,鄧瑞

(1.中國石油集團測井有限公司生產(chǎn)測井中心,陜西西安710200;2.長江大學油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室,湖北武漢430100)

0 引 言

在油田開發(fā)過程中,多層開發(fā)造成儲層油水關系復雜。大部分主力油藏水驅程度及水淹程度較高,地下流體性質、儲層孔隙結構特征變化大,剩余油分布情況復雜,給油層、水層的認識和解釋帶來困難。因此,利用測井方法,準確求取含油飽和度,認識油藏平面及縱向上的油水分布特征及規(guī)律,有助于經(jīng)濟有效地搞好油田開發(fā)中后期的挖潛與調整工作,提高油田整體開發(fā)水平和經(jīng)濟效益。

目前長慶油田套管井確定剩余油飽和度的測井技術正處于發(fā)展階段。為了預測剩余油分布,判斷儲層水淹狀況,主要采用過套管核測井。脈沖中子飽和度測井儀(Reservoir analysis system,RAS)是Hunter公司生產(chǎn)的兼顧非彈性散射、俘獲、氧活化3種工作模式的綜合測井儀器。它不僅提供碳氧比、鈣硅比和氫、硅、鈣、鉀、氯等元素的產(chǎn)率,還提供地層俘獲截面、孔隙度指數(shù)、氧活化計數(shù)、硅活化計數(shù)等參數(shù)。

1 脈沖中子飽和度測井技術

1.1 RAS測井儀器

RAS測井儀器能夠過多層管柱獲得準確的地層能譜信息。在不同地層水礦化度以及較低地層孔隙度環(huán)境下能夠得到精確的地層飽和度參數(shù)。

RAS測井儀器使用3個不同源距的探測器。第1個探測器放置在距離中子發(fā)生器36 cm處,測量曲線反應井眼環(huán)境。第2個探測器放置在距離中子發(fā)生器55 cm處,測量曲線反應地層參數(shù)。第3個探測器放置在距離中子發(fā)生器76 cm處,受井眼環(huán)境(套管、水泥環(huán)等)影響較小,測量曲線能夠定性分析地層含油氣信息。探測器距離越遠,探測深度越高,測量曲線反應地層信息的能力也越強,該儀器提高了探測油氣層、精確定量計算飽和度和孔隙度的能力[1]。測量曲線能夠得到地層巖性、泥質含量、孔隙度、含油飽和度、水流速度、礫石填充率等參數(shù)。

RAS測井儀器使用三氯化鑭(LaCl3)探頭(見圖1),其優(yōu)勢在于氯化物沒有內(nèi)部氧原子干擾,具有更高的峰值分辨率;可增加能量刻度精度,探測速度是碘化鈉(NaI)或鍺酸鉍(BGO)閃爍晶體的10倍;減少了測井統(tǒng)計誤差,測井結果更準確。這種獨特的測量方法克服了標準中子壽命測井儀在低礦化度條件下無法有效區(qū)分油層和水層的問題。

圖1 RAS測井儀器探頭結構圖

1.2 測量原理

1.2.1 非彈性散射模式

RAS測井儀器非彈性散射模式在測量過程中以每秒2×108個中子的速度向地層發(fā)射能量為14.3 MeV的快中子。一旦釋放,這些中子開始與地層介質中的物質相互作用,產(chǎn)生一個受激發(fā)的原子核。當它們穿過介質時,速度逐漸減慢衰變,當原子核由激發(fā)狀態(tài)恢復成穩(wěn)定狀態(tài)時,釋放出具有一定能量的伽馬射線[2]。儀器記錄地層原子核所釋放的特征伽馬射線能量和計數(shù)率形成的能量譜稱為非彈性散射伽馬能譜,反應產(chǎn)生的伽馬射線被分成256個通道光譜進行分析。

RAS測井儀器采用非彈性散射伽馬譜的碳氧比曲線計算地層含油飽和度,鈣硅比曲線是反映地層巖性的指示性曲線。結合儀器參數(shù),利用蒙特卡洛數(shù)值模擬方法,建立套管井地層模型,井眼部分由水泥環(huán)、管柱、井眼流體組成,水泥環(huán)為CaSiO3,密度為1.95 g/cm3,分析井眼環(huán)境和地層條件單一變量對RAS測量數(shù)據(jù)的影響規(guī)律。

非彈性散射測量方式受套管尺寸、環(huán)空流體、含油飽和度、水泥環(huán)厚度等因素影響:碳氧比值隨套管尺寸增大而降低;當環(huán)空流體為油時,碳氧比值偏高,環(huán)空流體為水時,碳氧比值無影響;地層含油飽和度增加,碳氧比值增大;當水泥環(huán)厚度為3～100 mm,碳氧比值隨水泥環(huán)厚度增大而增大;巖性不變,孔隙度變大時,純油層碳氧比值相應增大,純水層碳氧比值相應減小;當采用水基鉆井液時,對飽含水地層沒有影響,但會使飽含油地層的碳氧比值減小;采用油基鉆井液時,對飽含油地層沒有影響,而會使飽含水地層的碳氧比值增大。

1.2.2 俘獲模式

RAS測井儀俘獲模式測量過程中以每秒2×108個中子的速度向地層發(fā)射能量為14.3 MeV的快中子,一旦釋放,快中子開始與地層中的物質相互作用。經(jīng)過一系列非彈性和彈性碰撞后,快中子逐漸失去能量,主要通過與氫碰撞減速。經(jīng)過20～30次碰撞后,地層中原子和中子的能量達到熱平衡,中子減速停止。此時快中子能量達到約0.025 MeV,速度為2.2×105cm/s。

RAS測井儀器測量過程中,記錄熱中子在地層中發(fā)射俘獲反應后釋放的次生伽馬射線分布所形成的時間譜。儀器使用240 μs的脈沖寬度,較長的發(fā)射周期用于探測背景輻射,測量的伽馬射線計數(shù)被分成19個不均勻間隔的時間箱,隨著時間的推移,容器變得更寬,以允許對相對低的計數(shù)率背景輻射進行采樣。俘獲測量模式受地層水礦化度、含油飽和度、孔隙度、井眼水礦化度等因素影響:隨著地層水礦化度的增加,俘獲截面值增加;地層含油飽和度值越高,俘獲截面值越低;地層孔隙度增加,俘獲截面值增加;井眼水礦化度增加,容易引起圍巖俘獲截面值出現(xiàn)異常高值。

1.2.3 氧活化模式

RAS測井儀器氧活化模式通過測量中子活化伽馬射線的時間譜,反映井筒內(nèi)外含氧物質的流動狀態(tài),尤其是水的流動狀態(tài)。通過分析時間譜來計算流速,進而計算水流。RAS測井儀器在氧活化模式中,中子發(fā)生器脈沖10 s,有50 s的監(jiān)聽周期,可以通過疊加多個周期來降低統(tǒng)計的不確定性。

1.3 RAS測井儀適用性分析

目前長慶油田使用的飽和度測井儀器有哈利伯頓公司的RMT測井儀,Hotwell公司的PNN測井儀,Hunter公司的RAS測井儀,維尼吉斯公司的寬能域能譜測井儀,奧華公司的中子壽命測井儀[3-7]。根據(jù)研究區(qū)域,分析這些飽和測井儀器的工作原理(見表1)。

經(jīng)過反復驗證研究,傳統(tǒng)的中子壽命測井在低礦化度、低孔隙度地層[4],其統(tǒng)計起伏較大,效果不太理想。RAS測井儀器具有3個伽馬射線探測器,減少了測井統(tǒng)計誤差,提高氣層探測精度,精確定量計算飽和度及孔隙度,儀器直徑小(42.8 mm),能夠過油管測量,提高測井成功率,更適合長慶油田低孔隙度、低滲透率、低豐度儲層。

表1 長慶油田在用飽和度測井儀器詳細對照表

2 解釋方法

2.1 測量模式優(yōu)選

目前長慶油田油藏呈現(xiàn)儲層孔隙度低、滲透率低、豐度低、地層水礦化度低、注入水復雜多樣的特征。根據(jù)儀器結構及測量原理,儀器對不同礦化度和孔隙度的油水層具有一定分辨率,根據(jù)實驗給出俘獲模式下不同孔隙度和礦化度儲層的可以解釋區(qū)域和完全不能解釋區(qū)域(見圖2)。當?shù)貙铀V化度較低時,根據(jù)圖2對儀器多種測量模式進行優(yōu)選:孔隙度及地層水礦化度交匯點位于不能解釋區(qū)域(圖中虛線區(qū)域),表明俘獲模式無法準確測量地層信息,定量計算出的飽和度與實際情況偏差較大;當孔隙度及地層水礦化度交匯點位于不能解釋與可以解釋區(qū)域之間,表明俘獲模式測量地層信息只能定性評價儲層情況,無法精確定量計算飽和度。這2種情況飽和度的解釋結論主要依據(jù)受礦化度影響較小的非彈性散射模式碳氧比曲線。

圖2 俘獲模式測量范圍*非法定計量單位,1 c.u.=10-3 cm-1,下同

RAS測井儀器解釋過程中必須先對裸眼井進行解釋,再進行套管井飽和度測井解釋。例如,寬能域測井利用氯能譜差值法計算剩余油飽和度,通過計算出的剩余油飽和度與油層產(chǎn)純油時的含油飽和度的差值,能有效識別和判斷油層水淹狀況,降低解釋參數(shù)選取難度[8-10]。RAS測井儀器解釋需計算出泥質含量、地層孔隙度、俘獲模式含水飽和度和碳氧比含油飽和度這4個參數(shù)。

2.2 泥質含量

泥質含量是地層中不可忽略的影響因素,由于其變化波及較大,俘獲截面值難以確定,因此,準確求取泥質俘獲截面對解釋結果非常重要。

(1)

(2)

式中,Vsh為泥質含量,%;GCUR為經(jīng)驗系數(shù),老地層GCUR=2.0。LOG為解釋層段曲線的數(shù)值;SHI為LOG曲線相對值,可用裸眼井自然伽馬或自然電位曲線,或者RAS測井儀器測量的套管井自然伽馬曲線或宏觀俘獲截面曲線;LOGmin為純砂巖地層曲線的數(shù)值;LOGmax為純泥巖地層曲線的數(shù)值。

2.3 地層孔隙度

地層孔隙度會隨地層巖性而變化。一般情況下,泥質砂巖介質孔隙度較高,便于流體有效流通;黏土介質孔隙度較低。

①應用裸眼井聲波,用Wyllie公式計算孔隙度。

(3)

式中,φ為地層孔隙度,%;Δtma為骨架時差,μs/m;Δtf為地層流體時差,μs/m;Δtsh為泥質時差,μs/m;Δt為時差測井值,μs/m;CP為壓實校正系數(shù)。

②選用RAS測井儀器測量的近、遠探頭計數(shù)率比值RNF2曲線計算孔隙度。

(4)

式中,φL為地層孔隙度曲線的左刻度值;φR為地層孔隙度曲線的右刻度值;RRNF2,L為RNF2曲線的左刻度值;RRNF2,R為RNF2曲線的右刻度值;RRNF2為RNF2曲線值。

2.4 俘獲模式含水飽和度

熱中子俘獲截面對地層含水飽和度十分敏感。通過俘獲模式測量的地層參數(shù),消除了井眼影響,能夠直接描述水、烴類物和儲層巖石。俘獲模式測量含水飽和度的計算模型中,定量解釋模型主要是標準體積模型,將儲層看成是由泥質、骨架和孔隙組成的簡單結構,骨架常包括不同巖性組分,孔隙中含有油、氣、水等流體。

(5)

式中,Sw,PN為俘獲模式含水飽和度,%;Σlog為曲線的俘獲截面值,c.u.,是各個儲集層釋放的伽馬射線之和;Σhc為烴的俘獲截面值c.u.,油氣的含氫量取決于油和溶解氣的化學成份和體積系數(shù);Σsh為泥質俘獲截值面,c.u.,主要取決于黏土的礦物成分分布形式;Σw為地層水的俘獲截面值,c.u.,根據(jù)鹽類離子的成分及礦化度的不同而變化很大;Σma為巖石骨架俘獲截面值c.u.,主要取決于巖石的礦物組成和含量,能從Σma理論值表(見表2)或歷史擬合的曲線中獲得。

表2 常見巖性或礦物的Σma理論值與觀測值

2.4 非彈性散射模式含油飽和度

通過非彈性散射模式測量的近、遠探測器平均碳氧比與地層孔隙度制作交會圖版(見圖3)。根據(jù)交會圖響應關系式計算含油飽和度。圖3中,(C/O)log為非彈性散射模式測量的近、遠探測器平均碳氧比。So=0代表地層不同孔隙度條件下純水層所測量碳氧比值的連線,該曲線稱為水線;So=1代表地層不同孔隙度條件下純油層所測量碳氧比值的連線,該曲線稱為油線。將交會圖版中油線和水線代入公式計算含油飽和度。

Cw=φmw+bw

Co=φmo+bo

(6)

圖4 A井RAS剩余油綜合解釋成果圖

式中,SO,C/O為含油飽和度;(C/O)M為非彈性散射模式測量的近、遠探測器平均碳氧比;φ為地層孔隙度值;Cw、Co分別為水線值、油線值,油線值、水線值表示非彈性散射模式測量值的極大值與極小值,其余測量值分布于兩線之間;mw為純水層碳氧比值計算公式擬合系數(shù);bw為水線截距,與巖性、井眼流體性質、井眼尺寸等因素有關;mo為純油層碳氧比值計算公式擬合系數(shù);bo為油線截距,與巖性、井眼流體性質、井眼尺寸等因素有關。

圖3 碳氧比解釋圖版

3 現(xiàn)場應用實例

依據(jù)RAS測井儀器測量自然伽馬、俘獲截面、碳氧比等套管井數(shù)據(jù),結合目的井儲層物性,裸眼井自然伽馬、電阻率、密度等測井數(shù)據(jù),運用測井軟件綜合分析,得到潛力生產(chǎn)層段。

A井2010年9月22日投產(chǎn),測井前產(chǎn)液3.49 m3/d,含水較高,1 820～1 822 m、1 844～1 846 m為射孔段(見圖4)。地層水礦化度較低,根據(jù)圖2判斷出俘獲模式無法準確測量地層信息,定量計算出的飽和度與實際情況偏差較大。解釋時以不受礦化度影響的非彈性散射模式測量曲線為依據(jù),結合完井資料精確定量計算飽和度,對目的層巖性、物性、含油性特征進行綜合分析。

第241層位于砂體頂部,具有良好的儲層物性和滲透性。在水洗作用下,油層黏土和泥質含量降低,粒度中值相對變大,束縛水飽和度相應減小。原始完井含油飽和度為44.07%,油氣結論顯示為油水同層,碳氧比含油飽和度平均為26.84%,綜合解釋為高含水。第242層段巖性較好,物性好,聲波時差值平均值達到251 μs/m,測井資料顯示滲透性好;完井條件下求取的含油飽和度為52.53%,根據(jù)碳氧比求取的含油飽和度為37.59%,綜合解釋為中含水。第26層,該段在射孔段內(nèi),物性較好,滲透性好;完井條件下求取的含油飽和度為40.57%,根據(jù)碳氧比求取的含油飽和度為36.98%,綜合解釋為中含水。圖4中第3、4道常規(guī)曲線可以看出,水淹層的電阻率低于未水淹層的電阻率,水沖洗強度越大,水淹層電阻率越低。自然電位基線發(fā)生明顯位移,俘獲截面曲線減小。通過對比完井條件下的含油飽和度與碳氧比曲線求取的含油飽和度,能夠判識儲層水淹情況。

4 結 論

(1)RAS脈沖中子測井儀具有3個不同源距的探測器,減少了測井統(tǒng)計誤差,提高了探測油氣層、精確定量計算飽和度和孔隙度的能力。能夠過多層管柱獲得準確的地層能譜信息,儀器有非彈性散射、俘獲、氧活化這3種測量模式。

(2)結合RAS測井影響因素,利用儀器在低礦化度、低孔隙度及低豐度的儲層進行剩余油氣解釋方法研究,給出飽和度的計算方法和解釋圖版。對實測測井資料進行處理和解釋,并與實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)和試油資料進行比較。認為解釋結果與實際生產(chǎn)情況和區(qū)域識別規(guī)律一致。