屈亞龍,裴宸育,李衛(wèi)兵,喻 臻,鐘曉勤,譚茂金,張?zhí)煅?/p>

(1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田石油勘探開(kāi)發(fā)研究院,陜西西安 710071;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球物理與信息技術(shù)學(xué)院,北京 100083;3. 海洋油氣勘探國(guó)家工程研究中心井筒探測(cè)技術(shù)分中心,北京 100083;4.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司油田開(kāi)發(fā)事業(yè)部,陜西西安 710071)

當(dāng)油田開(kāi)發(fā)進(jìn)入中高含水階段后,開(kāi)采層的含油氣飽和度逐漸下降,地層含水量增多,水淹程度逐漸增大,導(dǎo)致剩余油分布狀況復(fù)雜,對(duì)測(cè)井響應(yīng)產(chǎn)生了復(fù)雜影響,此時(shí)利用常規(guī)測(cè)井方法進(jìn)行水淹層識(shí)別與水淹等級(jí)劃分難度較大。準(zhǔn)確評(píng)價(jià)水淹層,提高中高含水油田的采收率,研究剩余油分布規(guī)律是油田開(kāi)發(fā)進(jìn)入中高含水階段后面臨的首要問(wèn)題[1-2]。常規(guī)測(cè)井技術(shù)在剩余油飽和度評(píng)價(jià)中存在不足與缺陷,依據(jù)阿爾奇公式求取的含水飽和度進(jìn)行水淹程度評(píng)價(jià)時(shí),由于地層水化驗(yàn)分析樣本較少、范圍較小,導(dǎo)致計(jì)算的含水飽和度與實(shí)際地層含水飽和度存在差異,不能反映地層真實(shí)含水情況[3],不能滿足油田開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的需求。

熱中子成像(TNIS)測(cè)井利用脈沖中子發(fā)生器的Sigma(Σ)型飽和度測(cè)量?jī)x,相比傳統(tǒng)的中子壽命測(cè)井(TNL),熱中子測(cè)井在熱中子俘獲能力較差的地層(如低礦化度)仍有較高的熱中子計(jì)數(shù)率,因而提高了測(cè)井解釋的精度。在“三低”(低孔、低滲、低礦化度)油藏的剩余油飽和度評(píng)價(jià)中,熱中子成像測(cè)井技術(shù)利用熱中子的衰減矩陣數(shù)據(jù)和俘獲矩陣數(shù)據(jù)得到熱中子衰減譜和俘獲截面成像圖,為地層剩余油飽和度計(jì)算提供了豐富的測(cè)井信息[4]。在高溫高壓、低礦化度和儲(chǔ)層物性差異大的油藏剩余油評(píng)價(jià)中,可以利用熱中子成像測(cè)井的衰減譜和俘獲截面成像圖,直觀地判別近井地帶的剩余油分布并計(jì)算含油氣飽和度[5]。

本文在熱中子成像測(cè)井原理的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)了地層孔隙度和含水飽和度計(jì)算公式。通過(guò)熱中子宏觀俘獲截面和根據(jù)俘獲截面計(jì)算出的含油飽和度建立交會(huì)圖版,進(jìn)行水淹層識(shí)別與水淹等級(jí)劃分。鄂爾多斯盆地長(zhǎng)8段的實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明,熱中子成像測(cè)井在水淹層識(shí)別與水淹層等級(jí)劃分中效果良好。

1 熱中子成像測(cè)井原理

熱中子成像測(cè)井利用儀器向地層發(fā)射14MeV的快中子,每次發(fā)射時(shí)間為1～3μs,經(jīng)過(guò)一系列的非彈性碰撞(10-2～10-1μs)和彈性碰撞(100～103μs),中子與地層原子核發(fā)生俘獲反應(yīng)并逐漸減速,直到中子的能量與組成地層的原子處于熱平衡狀態(tài)時(shí),中子不再減速,此時(shí)稱為熱中子,能量約為0.025eV,速度為2.2×105cm/s。根據(jù)熱中子在衰減過(guò)程中形成的衰減譜和成像譜可以快速、直觀地判斷油水層。熱中子成像測(cè)井記錄的時(shí)間間隔為8μs,每個(gè)周期為75ms,每秒發(fā)射13或14次。TNIS儀器記錄快中子束發(fā)射15μs后2700μs內(nèi)的熱中子記數(shù)率,并間隔15μs記錄其時(shí)譜,共記錄180道,從中提取地層宏觀俘獲截面[6-8]。熱中子成像測(cè)井探測(cè)的是快中子經(jīng)過(guò)地層減速后尚未被地層俘獲的熱中子,而傳統(tǒng)的中子壽命測(cè)井儀器是探測(cè)熱中子被地層俘獲后放射出來(lái)的二次伽馬射線。這種記錄方式的變化,可以較大幅度提高低礦化度、低孔隙度地層的計(jì)數(shù)率,得到更為精確的測(cè)量結(jié)果。

地層中不同的元素對(duì)熱中子具有差異極大的俘獲能力,其中的硼、鋰、氯元素是熱中子的強(qiáng)俘獲劑,氫、碳、氧和鈣、硅、鉀、鐵、硫等元素是熱中子的弱俘獲劑,因此,根據(jù)俘獲截面測(cè)井可辨別含氯水層、鹽巖層與油氣層,也可根據(jù)硼、鋰含量多少區(qū)分泥巖、頁(yè)巖、砂巖和其它化學(xué)巖及蒸發(fā)巖。熱中子的俘獲反應(yīng)被應(yīng)用在中子壽命和氯能譜測(cè)井中,中子壽命測(cè)井用俘獲伽馬射線計(jì)數(shù)率換算出地層的熱中子壽命和地層宏觀俘獲截面Σ值,氯能譜測(cè)井通過(guò)能譜開(kāi)窗測(cè)量地層的含氯指數(shù),計(jì)算地層的視礦化度,TNIS測(cè)井用此原理測(cè)量俘獲熱中子的速率并換算出測(cè)點(diǎn)的地層宏觀俘獲截面Σ值,進(jìn)而形成獨(dú)特的矩陣文件(成像文件)。測(cè)點(diǎn)中的Σ值是中子源到探測(cè)器的一段地層俘獲熱中子的能力之和,值越高,表明地層俘獲熱中子能力越強(qiáng)。

熱中子成像測(cè)井依賴探測(cè)器高精度的優(yōu)勢(shì),使得熱中子可在地層中以核譜成像的方式顯示。熱中子衰減譜記錄了經(jīng)地層衰減后熱中子計(jì)數(shù)率隨時(shí)間的變化情況,衰減譜后時(shí)間道后曳時(shí)間長(zhǎng),代表中子壽命值高,由于礦化度高的水層比淡水或油層的中子壽命小得多,這樣可以區(qū)分油層和水層。成像測(cè)井中的俘獲截面成像顯示不同區(qū)域的熱中子俘獲情況,其顏色由白→黃→紅→黑,表示熱中子俘獲截面由小到大[9]。用成像邊緣幅度表示熱中子處于熱平衡狀態(tài),通過(guò)俘獲成像圖顏色變化判定儲(chǔ)層含油性高低,顏色越黃表示含油性越好[10](圖1)。需要注意的是:當(dāng)儲(chǔ)層物性條件較好時(shí),水層的俘獲成像也會(huì)呈黃色,此時(shí),區(qū)分油水層需要結(jié)合含水飽和度計(jì)算結(jié)果和其它測(cè)井曲線進(jìn)行綜合判斷。

圖1 典型的熱中子衰減譜和俘獲截面成像(俘獲截面的單位C.U.為10-3cm-1)

2 水淹層識(shí)別及水淹級(jí)別劃分方法

TNIS在套管井條件下完成測(cè)量,分別利用自然伽馬曲線、聲波時(shí)差曲線和深感應(yīng)曲線計(jì)算泥質(zhì)含量、孔隙度和含油飽和度。通過(guò)TNIS測(cè)得的Σ曲線可以計(jì)算含水飽和度和含油飽和度[11]。下面詳細(xì)介紹具體計(jì)算方法。

利用自然伽馬曲線計(jì)算泥質(zhì)含量Vsh,公式為:

(1)

(2)

式中:GCUR為希爾奇指數(shù),古近—新近系地層取3.7,老地層取2.0;Ish為泥質(zhì)指數(shù);γ表示解釋層段的伽馬曲線數(shù)值;γmax,γmin分別表示純泥巖層和純砂巖層的自然伽馬數(shù)值。

利用聲波時(shí)差測(cè)井計(jì)算地層孔隙度φ,公式為:

(3)

式中:Δt,Δtma,Δtsh,Δtf分別為聲波時(shí)差測(cè)井值、巖石骨架聲波時(shí)差值、泥巖聲波時(shí)差值和流體聲波時(shí)差值;Cp為壓實(shí)校正系數(shù)。

計(jì)算得到泥質(zhì)含量Vsh和地層孔隙度φ后,結(jié)合熱中子TNIS測(cè)得的宏觀俘獲截面,計(jì)算地層含水飽和度Sw和含油飽和度So,公式為:

Σ=(1-φ-Vsh)Σma+VshΣsh+φSwΣw+
φ(1-Sw)Σh

(4)

(5)

So=1-Sw

(6)

式中:Σ為TNIS測(cè)量獲得的熱中子宏觀俘獲截面;Σma為地層骨架熱中子宏觀俘獲截面;Σw為地層水熱中子宏觀俘獲截面;Σh為油的熱中子宏觀俘獲截面;Σsh為泥質(zhì)的熱中子宏觀俘獲截面。

表1列出了幾種常見(jiàn)巖石骨架和流體的宏觀俘獲截面Σ的取值。

表1 常見(jiàn)巖石骨架宏觀俘獲截面Σ值

巖石不是由純礦物組成,都含有雜質(zhì),通常巖石的俘獲截面比礦物要大,一般砂巖俘獲截面值為8～13C.U.,長(zhǎng)石砂巖比石英砂巖要大,因?yàn)榈貙庸羌芊@截面隨礦物成分變化,所以,礦物成分的確定對(duì)于準(zhǔn)確的參數(shù)選取起決定性作用,根據(jù)薄片分析資料統(tǒng)計(jì),研究區(qū)平均石英含量23.70%,長(zhǎng)石含量50.15%,還有其它少數(shù)礦物。根據(jù)資料,長(zhǎng)石砂巖截面為13,石英砂巖為8,巖石骨架宏觀俘獲截面Σ值實(shí)際采用12。

因?yàn)榈貙铀@截面為已知,礦物俘獲截面由于巖性的變化存在一定的不確定性,所以,綜合利用圖版和地質(zhì)資料適當(dāng)調(diào)整選取骨架俘獲截面值。根據(jù)地層水中常見(jiàn)離子濃度,利用轉(zhuǎn)換系數(shù)求出等效氯化鈉濃度,即總礦,根據(jù)總礦和俘獲截面的關(guān)系式計(jì)算地層水的俘獲截面,根據(jù)試油資料水性統(tǒng)計(jì),長(zhǎng)8段總礦平均15g/L。長(zhǎng)8段地層水俘獲截面27C.U.;油的熱中子宏觀俘獲截面Σh取經(jīng)驗(yàn)值20C.U.。

根據(jù)熱中子成像測(cè)井原理和上述孔隙度、飽和度計(jì)算公式,再結(jié)合熱中子俘獲截面成像圖,可進(jìn)行儲(chǔ)層解釋和水淹層劃分[12-14]?；谠摰貐^(qū)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的含水率,對(duì)不同儲(chǔ)層的宏觀俘獲截面取值和成像顯示進(jìn)行了研究與總結(jié),建立了TNIS測(cè)井解釋標(biāo)準(zhǔn),如表2所示。將熱中子宏觀俘獲截面以及根據(jù)俘獲截面算出的含油飽和度作交會(huì)圖版,可區(qū)分水層、油層與水淹層。

表2 TNIS測(cè)井解釋標(biāo)準(zhǔn)

3 應(yīng)用實(shí)例與分析

鄂爾多斯盆地安塞油田長(zhǎng)8段致密砂巖儲(chǔ)層物性較差,孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜,是典型的低壓、低滲、低豐度油田,不僅開(kāi)采難度大,而且隨著油藏開(kāi)采時(shí)間的增加,油井遞減加速、含水上升等問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重。由該地區(qū)地層水分析資料可知地層水礦化度普遍較高(>15g/L),屬于高礦化度地層,水型以NaCl和CaCl2為主,氯離子濃度大于15g/L。利用熱中子成像測(cè)井技術(shù)可以對(duì)研究區(qū)地層進(jìn)行水淹層測(cè)井解釋。

通過(guò)熱中子宏觀俘獲截面和利用俘獲截面算出的含油飽和度建立交會(huì)圖版可以判別是否水淹,或者劃分水淹級(jí)別,如圖2所示。圖2a顯示了8口井的37個(gè)水層,6個(gè)油層和24個(gè)水淹層,作油水層的交會(huì)圖版,可區(qū)分水層、油層與水淹層。圖2b為24個(gè)低水淹層、中水淹層、高水淹層的交會(huì)圖版。從圖中可以看出,在確定水淹層之后,對(duì)于水淹級(jí)別劃分,該交會(huì)圖版具有較好的區(qū)分效果。結(jié)合常規(guī)解釋結(jié)論,通過(guò)熱中子衰減譜和俘獲成像,TNIS對(duì)水淹層精細(xì)識(shí)別與劃分具有一定優(yōu)勢(shì)。

圖2 熱中子宏觀俘獲截面與含油飽和度交會(huì)圖判別水淹層a 水淹層與未水淹層識(shí)別; b 水淹級(jí)別劃分

根據(jù)熱中子宏觀俘獲截面計(jì)算的儲(chǔ)層含水飽和度,結(jié)合熱中子衰減譜和俘獲成像對(duì)研究地區(qū)安313-52井和盤加35-402A井進(jìn)行測(cè)井解釋。安313-52井部分層段常規(guī)測(cè)井解釋為儲(chǔ)層,熱中子成像測(cè)井解釋則判斷為非儲(chǔ)層,圖3為該井熱中子成像測(cè)井解釋成果。常規(guī)電阻率測(cè)井將1716.5～1719.5m層段解釋為干層,1725.9～1727.4m、1734.1～1735.3m和1751.3～1753.0m層段判斷為水層。但在熱中子成像解釋成果圖中,這幾個(gè)層段均無(wú)孔隙,且熱中子俘獲成像邊緣幅度低,顏色呈紅黑色,沒(méi)有含油性顯示,TNIS判斷為非儲(chǔ)層;第16號(hào)層(1736.8～1744.5m)中子壽命曲線值增大,宏觀俘獲截面曲線值減小,計(jì)算孔隙度為17.7%,地層俘獲截面值為23.1C.U.,通過(guò)宏觀俘獲截面計(jì)算的含水飽和度為95.5%,衰減譜后曳時(shí)間長(zhǎng),俘獲成像邊緣幅度較高,顏色為淺黃色,判斷為水層;18號(hào)層(1761.9～1765.8m)中子壽命曲線值也有所增大,俘獲成像邊緣幅度相較于上方非儲(chǔ)層有所增大,顏色呈亮紅色,計(jì)算孔隙度為14.6%,地層俘獲截面值為24.1C.U.,TNIS計(jì)算的含水飽和度為94.7%,解釋為水層。

圖3 安313-52井熱中子成像測(cè)井解釋成果

對(duì)盤加35-402A井進(jìn)行水淹層識(shí)別與水淹級(jí)別劃分,圖4為該井熱中子成像測(cè)井解釋成果圖。97-1號(hào)層(1801.3～1805.5m)熱中子壽命曲線值增大,宏觀俘獲截面值減小,衰減譜有后曳現(xiàn)象,熱中子俘獲成像呈現(xiàn)亮黃色,且成像幅度相對(duì)較高,顯示了較好的含油性,定量評(píng)價(jià)后孔隙度為13.9%,地層俘獲截面值為19.4C.U.,含油飽和度為38.1%,解釋為中水淹層;97-2號(hào)層(1805.5～1807.6m)熱中子壽命曲線值相對(duì)其上方97-1號(hào)層減小,俘獲截面值增大,衰減譜無(wú)拖曳,熱中子俘獲成像邊緣幅度相對(duì)上方層位明顯減小,顏色變紅,表明含油性相對(duì)上方層位變差,通過(guò)定量計(jì)算孔隙度為13.5%,地層俘獲截面值為20.4C.U.,含油飽和度為24.7%,解釋為高水淹層;98-1號(hào)層(1810.5～1811.6m)相較于98-2層(1811.6～1816.3m)熱中子壽命曲線值明顯要低,而宏觀俘獲截面值要大,熱中子俘獲成像邊緣幅度也明顯比98-2號(hào)層段小,顏色呈深紅色,而98-2號(hào)層段俘獲成像呈亮黃色,表明98-1號(hào)層含油性很差,98-2號(hào)層含油性較好。通過(guò)定量計(jì)算98-1號(hào)層孔隙度為13.4%,地層俘獲截面值為20.6C.U.,含油飽和度為27%,98-2號(hào)層孔隙度13.8%,地層俘獲截面值為18.6C.U.,含油飽和度46.1%。因此,98-1號(hào)層解釋為高水淹層,98-2號(hào)層解釋為低水淹層。

將上述地層孔隙度計(jì)算結(jié)果與對(duì)應(yīng)深度巖心實(shí)驗(yàn)孔隙度數(shù)據(jù)對(duì)比,計(jì)算誤差為6.7%;將上述解釋結(jié)論與生產(chǎn)資料中的含水率進(jìn)行對(duì)比,解釋結(jié)論與生產(chǎn)資料結(jié)果一致。從圖4可以看出,儲(chǔ)層水淹后自然電位變化平緩,無(wú)法判斷水淹級(jí)別,而通過(guò)熱中子俘獲成像圖幅度和顏色的變化情況來(lái)反映儲(chǔ)層水淹級(jí)別的變化則具有較大的優(yōu)勢(shì)。

圖4 盤加35-402A井熱中子成像測(cè)井解釋成果

受儲(chǔ)層非均質(zhì)性影響,超低滲油藏水淹程度差異大,剩余油分布不清。注水前后,儲(chǔ)層的測(cè)井響應(yīng)特征變化大,受儀器分辨率的限制,常規(guī)測(cè)井無(wú)法準(zhǔn)確反映某些微觀的物理性質(zhì)變化,導(dǎo)致水淹層識(shí)別難。TNIS獨(dú)特的測(cè)量方法克服了標(biāo)準(zhǔn)中子壽命測(cè)量?jī)x器中存在的在低礦化度情況下,不能有效區(qū)分油水層位的問(wèn)題。TNIS數(shù)據(jù)分析解釋系統(tǒng)將成像數(shù)據(jù)利用矩陣解析方法整合成熱中子俘獲成像和熱中子衰減譜兩種模式,使得TNIS的解釋結(jié)果更加完美。當(dāng)?shù)貙又谐錆M高礦化度流體時(shí),俘獲截面值明顯比充滿低礦化度流體和原油的俘獲截面值大。熱中子成像測(cè)井適用于高、低礦化度地層水地層。鄂爾多斯盆地長(zhǎng)8段注水井礦化度滿足熱中子成像測(cè)井測(cè)量條件,故能夠依據(jù)反映儲(chǔ)層巖性、物性、含油性的GR-TNIS、SIGMA、RATIO等熱中子成像測(cè)井資料的變化特征,根據(jù)儲(chǔ)層特性及含油飽和度的大小,確定儲(chǔ)層的動(dòng)用狀況。

4 結(jié)論

1) 熱中子成像測(cè)井將熱中子在地層中衰減、俘獲的過(guò)程以成像方式加以顯示,可直觀、快速判斷儲(chǔ)層特性,而且能夠識(shí)別水淹層。

2) 熱中子成像測(cè)井可以計(jì)算得到宏觀俘獲截面,其大小與含油性有關(guān),據(jù)此可以實(shí)現(xiàn)飽和度計(jì)算與水淹等級(jí)劃分。

3) 在鄂爾多斯盆地長(zhǎng)8段地層中,熱中子成像測(cè)井能有效地判斷油、水層并劃分水淹等級(jí)。