趙建鵬,陳 惠,李 寧,曹 浩,寇培鑫,譚成仟

(1.西安石油大學地球科學與工程學院,陜西西安710065;2.陜西省油氣成藏地質(zhì)學重點實驗室,陜西西安710065;3.中國石油集團測井有限公司地質(zhì)研究院,陜西西安710075)

油田開發(fā)中后期,剩余油飽和度監(jiān)測對油田增儲上產(chǎn)和穩(wěn)油控水具有重要意義。脈沖中子測井已成為識別水淹層以及確定油藏剩余油飽和度的重要方法[1],該方法評價剩余油飽和度的模式主要分為基于非彈性散射的碳氧比(C/O)測量模式和基于俘獲反應的俘獲測量模式[2]。C/O測量模式受地層水含鹽濃度的影響較小,但當?shù)貙涌紫抖刃∮?5%時應用效果變差,且一般要求多次測量消除目的層段測井的漲落誤差。俘獲測量模式是測量中子被地層俘獲后釋放出的伽馬射線強度,在低孔隙度、低礦化度儲層中應用效果較差。脈沖中子-中子(PNN)測井與傳統(tǒng)的中子壽命測井有很大的區(qū)別,它是測量沒有被地層俘獲的熱中子,在低孔隙度、低礦化度儲層中適應性強,在國內(nèi)外各油田剩余油挖潛中發(fā)揮了重要作用[3]。PNN測井飽和度定量解釋的基礎(chǔ)是巖石物理體積模型,但模型中解釋參數(shù)的確定是困擾測井解釋人員的難點問題[4-6],也是影響剩余油飽和度計算精度的重要因素。黃志潔等[7]分析了PNN測井技術(shù)特點及傳統(tǒng)巖石物理體積模型的局限性,對模型的適應范圍進行了詳細分析,認為采用理論或?qū)嶒灧治鲋颠x取PNN測井體積模型的解釋參數(shù)適應性較差。肖承文等[8]認為PNN測井飽和度定量解釋參數(shù)具有較大的分布范圍,直接進行飽和度定量計算容易產(chǎn)生較大誤差,利用未生產(chǎn)層段的PNN測井值與電阻率之間的相關(guān)關(guān)系,計算射孔層段的當前電阻率,進而利用計算的當前電阻率確定射孔層段當前含油飽和度,以此來避免PNN測井解釋參數(shù)的選擇。孟憲濤等[9]通過建立泥質(zhì)密度與俘獲截面之間的相關(guān)關(guān)系確定泥質(zhì)的俘獲截面,但該方法依賴于常規(guī)測井中的密度曲線,當密度曲線不存在時,單井應用受限。趙秀峰[10]對肯基亞克油田PNN測井數(shù)據(jù)進行了分析并基于理論方法確定了解釋參數(shù),但油層水淹后地層水性質(zhì)復雜,理論方法計算的地層水宏觀俘獲截面,往往具有較大誤差。劉珈辰等[11]針對體積模型中解釋參數(shù)選擇范圍較大的問題,利用對俘獲截面測井響應方程中各解釋參數(shù)進行偏導數(shù)計算,分析了骨架、泥質(zhì)、地層水以及油氣俘獲截面的變化對含水飽和度計算結(jié)果的敏感性。此外,部分學者針對研究靶區(qū)的地質(zhì)特點,對標準巖石物理體積模型進行了不同的改進。例如,郭海敏等[12]針對低孔、低滲儲層引入了區(qū)域特征系數(shù)K。張新雨等[13]針對高泥質(zhì)含量儲層引入校正因子F。胡冰恒等[14]針對泥質(zhì)含量和低礦化度兩種因素對俘獲截面測量值的影響,引入了雙校正因子K1和K2,改進的體積模型在研究靶區(qū)都取得了較好的應用效果,提高了剩余油飽和度計算精度。但是校正因子的求取需要一定的前提條件,并且在引入校正因子的同時,無形中也引入了多余的變量,使得該方法在實際生產(chǎn)應用中存在一定困難。本文在PNN測井飽和度定量解釋標準體積模型與改進模型統(tǒng)一性分析的基礎(chǔ)上研究了PNN飽和度定量解釋模型中區(qū)域俘獲截面參數(shù)確定方法,并通過實例分析證明本文方法的可行性與準確性,以期對利用PNN測井進行飽和度定量解釋提供方法借鑒。

1 測量原理

PNN測井通過脈沖中子發(fā)生器將14.1MeV的快中子發(fā)射到地層,快中子進入地層后與物質(zhì)的原子核發(fā)生碰撞將產(chǎn)生減速、擴散和被俘獲幾個過程。非彈性散射是中子能量損耗的主要方式,發(fā)生在中子發(fā)射后10-8～10-6s時間段;彈性散射發(fā)生在中子發(fā)射后10-6～10-3s時間段,該過程使得中子的速度變得緩慢,慢化后的熱中子(能量約0.025eV)在其它物質(zhì)附近漫游時,很容易被俘獲吸收發(fā)生俘獲反應。PNN測井儀器利用兩個不同源距的3He計數(shù)管(效率97%)以3×10-5s的采樣間隔記錄快中子發(fā)射3×10-5s后的1.8×10-3s時間內(nèi)的熱中子記數(shù)率,每個探測器記錄60道[15],根據(jù)記錄的熱中子計數(shù)率生成熱中子時間衰減譜,并根據(jù)時間衰減譜確定中子壽命τ,然后利用公式(1)確定地層的宏觀俘獲截面[16]。

(1)

式中:Σ為測井獲得的地層俘獲截面。

PNN測井直接測量沒有被地層俘獲的熱中子,在低孔隙度、低礦化度的地層,沒被俘獲的熱中子多,探測器記錄的計數(shù)率高,因此PNN測井在低礦化度、低孔隙度儲層具有較高測量精度[17]。

2 定量解釋模型與解釋參數(shù)選擇

2.1 解釋模型分析

PNN測井飽和度定量解釋的基礎(chǔ)與傳統(tǒng)的中子壽命測井一致,均基于巖石物理體積模型。將儲層看成是由骨架、孔隙和泥質(zhì)組成的簡化模型,孔隙中含有油氣、水等流體(圖1)。儲層總的俘獲截面Σ可表示為各組分俘獲截面貢獻之和[18],即:

圖1 PNN測井巖石物理體積模型

Σ=(1-Vsh-φ)Σma+VshΣsh+φ(1-Sw)Σh+φSwΣw

(2)

式中:Vsh為泥質(zhì)含量;φ為孔隙度;Σma為骨架的俘獲截面;Σsh為泥質(zhì)的俘獲截面;Σh為油氣的俘獲截面;Σw為地層水的俘獲截面。

與標準巖石物理體積模型不同,部分學者在研究過程中,根據(jù)研究區(qū)特征,在標準體積模型的基礎(chǔ)上,引入?yún)^(qū)域特征因子對標準巖石物理體積模型進行改進。

郭海敏等[12]針對測量結(jié)果在不同區(qū)域的差異性,在標準體積模型的基礎(chǔ)上引入具有區(qū)域特征的系數(shù)K,將地層俘獲截面表示為:

Σ=(1-Vsh-φ)(KΣma)+Vsh(KΣsh)+φ(1-Sw)(KΣh)+φSw(KΣw)

(3)

張新雨等[13]對海上某油田PNN測井解釋研究中,分析了泥質(zhì)含量對PNN測井響應特征的影響,針對高泥質(zhì)含量儲層引入校正因子F,將地層俘獲截面表示為:

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

(4)

胡冰恒等[14]在華北油田留北構(gòu)造帶儲層研究過程中,針對低地層水礦化度、高泥質(zhì)含量儲層,在標準體積模型的基礎(chǔ)上引入校正因子K1和K2,將地層俘獲截面表示為:

Σ=(1-Vsh-φ)Σma+Vsh(K1Σsh)+φ(1-Sw)Σh+φSw(K2Σw)

(5)

由公式(3)至公式(5)可以看出,改進體積模型均為在標準體積模型的基礎(chǔ)上對不同組分俘獲截面參數(shù)乘以區(qū)域特征因子,從本質(zhì)上講,是區(qū)域俘獲截面解釋參數(shù)選取的問題,因此,改進后的模型可寫成以下統(tǒng)一形式:

(6)

由公式(6)可得:

(7)

2.2 解釋參數(shù)選擇

通常情況下,在PNN測井定量計算飽和度的參數(shù)中,孔隙度、泥質(zhì)含量主要由常規(guī)測井獲得。因此,本文主要討論巖石骨架、泥質(zhì)、地層水及油氣的俘獲截面確定方法。

2.2.1 解釋參數(shù)取值范圍及理論確定方法

1) 巖石骨架宏觀俘獲截面。

巖石骨架的俘獲截面與骨架的組成元素及其相對含量有關(guān),巖石骨架的俘獲截面與主要造巖礦物俘獲截面值存在不同,不同文獻中關(guān)于骨架俘獲截面的取值范圍有一定區(qū)別[19-20]。一般情況下,儲層巖性確定后,骨架的俘獲截面變化范圍較小,常見巖石骨架中石英砂巖俘獲截面為8c.u.(1c.u.≈0.028m3),白云巖俘獲截面為8c.u.,石灰?guī)r俘獲截面為12c.u.(圖2),通常選用理論值即可滿足PNN測井定量解釋要求。

圖2 不同組分俘獲截面變化范圍

2) 泥質(zhì)宏觀俘獲截面。

泥質(zhì)的俘獲截面與構(gòu)成泥質(zhì)的粘土礦物類型有較大關(guān)系,不同研究地區(qū)的泥質(zhì)俘獲截面變化范圍很大,一般為25～50c.u.(圖2)。在實際應用中,可以根據(jù)研究區(qū)實際測井資料,從俘獲截面測井曲線上的純泥巖段直接讀取或利用直方圖法確定研究區(qū)泥質(zhì)的俘獲截面參數(shù)[21]。

3) 地層水宏觀俘獲截面。

地層水的俘獲截面主要與水中鹽類離子的類型及含鹽濃度有關(guān)。地層水的俘獲截面具有較大的變化范圍(圖2),它與NaCl溶液礦化度具有較高的相關(guān)性,而與溫度、壓力相關(guān)性較小。當?shù)貙铀泻谐鼵l以外的其它元素時(如B和Li),需將其它的離子成分的礦化度按照特定轉(zhuǎn)換系數(shù)換算成等效的NaCl溶液礦化度。然后根據(jù)公式(8),按等效的NaCl溶液礦化度計算地層水俘獲截面[10]。

Σw=22.1+0.341C+0.00025C2

(8)

式中:C為等效NaCl溶液礦化度,單位為g/L。但油層水淹后地層水性質(zhì)復雜,理論方法計算的地層水宏觀俘獲截面,往往存在較大誤差。

4) 油氣宏觀俘獲截面。

油的俘獲截面與油的密度以及溶解油氣有關(guān),其變化幅度一般不大(圖2)。普通原油的俘獲截面分布范圍較小,主要為18～22c.u.,重質(zhì)油大于22c.u.。油的俘獲截面可利用(9)式計算[10]。

(9)

式中:GOR為油氣比,單位m3/m3。

天然氣的俘獲截面值與地層壓力、地層溫度以及天然氣組分等有關(guān),一般小于12c.u.(圖2)。天然氣的俘獲截面可以通過公式(10)計算:

(10)

式中:γg為天然氣的相對密度;P為地層壓力;T為地層溫度。

2.2.2 圖版法確定解釋參數(shù)

由2.2.1節(jié)可知,泥質(zhì)俘獲截面雖然變化范圍較大,但可以通過俘獲截面測井曲線得到區(qū)域泥質(zhì)俘獲截面值。油、骨架和地層水的俘獲截面均有一個變化范圍,其中骨架與油的俘獲截面變化范圍較小,一般選用理論分析值即可滿足解釋需要;而水的俘獲截面與地層水礦化度有較強相關(guān)性,具有較大的變化范圍,同時也是較難確定的解釋參數(shù)。與上述方法不同,圖版法通過對實際測井數(shù)據(jù)的分析可以獲取區(qū)域性的俘獲截面解釋參數(shù),從而提高飽和度解釋結(jié)果的準確性。

PNN測井解釋圖版主要有3種:①簡單交會圖法;②HINGLE圖版法;③增強圖版法。圖版法的本質(zhì)作用是幫助測井解釋人員選取合適的區(qū)域俘獲截面解釋參數(shù)。其中,增強圖版法同時考慮了孔隙度、泥質(zhì)含量對俘獲截面測井值的影響,具有更好的適應范圍,是飽和度定量解釋中最常用的方法[22]。在增強圖版中縱坐標為孔隙度,橫坐標為經(jīng)過泥質(zhì)校正的且用孔隙度曲線進行歸一化的俘獲截面測井曲線。增強圖版法首先計算經(jīng)泥質(zhì)校正和孔隙度歸一化后的純水線(公式(11))和純油線(公式(12)),然后在油線、水線之間通過線性內(nèi)插可以得到任意含水飽和度線。

水線計算公式為:

ΣSw=100%=[Σma(1-φ)+Σwφ]φ

(11)

油線計算公式為:

∑Sw= 0%=[∑ma(1-φ)+∑0φ]φ

(12)

由于增強圖版的飽和度線是在不含泥質(zhì)情況下計算的,因此對實際井資料進行處理時,需對測井測量的俘獲截面曲線進行泥質(zhì)校正,具體校正公式如下:

Σsh=0%=Σ-Vsh(Σsh-Σma)

(13)

為突出放大孔隙流體對俘獲截面測量值的影響,利用孔隙度對俘獲截面進行歸一化處理,公式如下:

Σnorm=φΣsh=0%

(14)

式中:Σnorm為孔隙度歸一化后的俘獲截面。

基于上述理論,利用PyQt開發(fā)了圖版法解釋參數(shù)選擇模塊,加載實際測井數(shù)據(jù)并選擇對應模型及曲線繪制交會圖。通過改變俘獲截面解釋參數(shù)的大小,調(diào)整純油線與純水線的位置,使處理井段實際地層測井數(shù)據(jù)點合理落在增強圖版相應的區(qū)域,以此來確定區(qū)域俘獲截面參數(shù)(圖3)。該模塊也可應用于任何測量地層俘獲截面曲線的飽和度定量解釋。應用圖版法的前提是要求測井數(shù)據(jù)里同時含有未水淹和已水淹的地層,利用未水淹油層確定油線位置,利用高水淹或者水層來確定水線位置。當處理井段缺少油層、高水淹或者水層時,可從鄰井同層位取適當樣本點輔助確定油線與水線位置。

圖3 增強圖版法歸一化俘獲截面與孔隙度交會結(jié)果

由于圖版法根據(jù)實際測井資料進行分析,通過調(diào)整俘獲截面參數(shù)值使油線、水線及測量點合理分布,該方法確定的俘獲截面參數(shù)反映了研究區(qū)的區(qū)域特征,因此避免了改進模型中區(qū)域特征因子的求取。

為了評價PNN飽和度定量解釋結(jié)果的可靠性,引入可信系數(shù)對計算結(jié)果進行分析,可信系數(shù)計算公式為[10]:

(15)

可信系數(shù)反映了地層孔隙度一定時,油層與水層的俘獲截面測井響應特征的差異性。當可信系數(shù)大于0.5時,認為飽和度定量解釋結(jié)果是可靠的。

3 實際應用

為驗證解釋參數(shù)選取的合理性,選取同時測量過套管電阻率和PNN測井的G35井進行分析,該井所處油藏為典型的邊底水油藏,具有統(tǒng)一的油水界面,且水淹類型為地層水水淹。原生產(chǎn)層段為13,14號層,初始油產(chǎn)量為62.5t/d,產(chǎn)水率為2%。此后生產(chǎn)過程中,產(chǎn)水率逐漸增加,根據(jù)最新生產(chǎn)動態(tài)數(shù)據(jù),該井日產(chǎn)油為5.9t,產(chǎn)水率高達90%。為尋找潛力層及堵水作業(yè)提供依據(jù),該井隨后進行了PNN測井與過套管電阻率測井。增強圖版法涉及4個參數(shù),分別為骨架、泥質(zhì)、油及地層水的俘獲截面。對4個參數(shù)全部進行調(diào)整工作量大,且多解性強,因此按照如下步驟確定PNN測井俘獲截面解釋參數(shù)。

1) 確定油的俘獲截面。油的俘獲截面變化范圍較小,研究區(qū)目的層段無氣層顯示,油氣比低,平均GOR為15.0m3/m3,利用公式(9)計算可得研究區(qū)油的俘獲截面為21c.u.。

2) 確定泥質(zhì)的俘獲截面。繪制G35井泥巖段俘獲截面分布直方圖,要求該泥巖段井徑穩(wěn)定且與解釋層位接近,通過直方圖確定該井處理井段泥質(zhì)俘獲截面約為29.5c.u.(圖4)。

圖4 G35井泥質(zhì)俘獲截面頻數(shù)統(tǒng)計

3) 確定骨架的俘獲截面。當油和泥質(zhì)的俘獲截面確定后,油線位置僅與骨架俘獲截面有關(guān),調(diào)整骨架俘獲截面參數(shù)值,改變油線位置,使其位于實際測量點的上方(圖5)。

圖5 G35井歸一化俘獲截面與孔隙度交會結(jié)果

4) 確定地層水俘獲截面。調(diào)整地層水的俘獲截面參數(shù),改變水線位置,使所有實際測量點位于水線上方(圖5)。

通過步驟1)至步驟4)確定油、泥質(zhì)、骨架、地層水的俘獲截面后,可根據(jù)射孔層段、裸眼井飽和度解釋結(jié)果及生產(chǎn)動態(tài)資料對俘獲截面解釋參數(shù)進行微調(diào),使處理井段實際地層測井數(shù)據(jù)點合理落在增強圖版相應的區(qū)域。通過圖5可確定G35井骨架、泥質(zhì)、油、地層水的區(qū)域俘獲截面分別約為8,29.5,21,65c.u.。

利用增強圖版法獲取的區(qū)域俘獲截面解釋參數(shù)對G35井進行處理,解釋結(jié)果如圖6及表1所示。

表1 G35井PNN測井解釋成果

圖6 G35井PNN測井解釋成果(解釋結(jié)論道中5,6,7,8,10號層為油層,9號層為致密夾層,13,14號層為高水淹層)

圖6中第6道為PNN計算飽和度與過套管電阻率計算飽和度對比道,第7道為PNN計算飽和度與裸眼井含水飽和度對比道,第9道為解釋結(jié)論道,其中5,6,7,8,10號層為油層,9號層為致密夾層,13,14號層為高水淹層。由圖6及表1可以看出,PNN飽和度解釋結(jié)果與過套管電阻率解釋結(jié)果基本一致,并且儲層可信系數(shù)均大于0.5,符合定量解釋標準,計算結(jié)果可靠。同時,通過PNN含水飽和度與裸眼井含水飽和度對比,認為5,6,7,8,10號層PNN含水飽和度與裸眼井含水飽和度相近,剩余油飽和度較高,開發(fā)潛力較大,可接替成為產(chǎn)油層段。而該井原生產(chǎn)層位13,14號層則水淹比較嚴重,因此根據(jù)PNN測井結(jié)果對原生產(chǎn)層段進行堵水作業(yè),對5,6,7,8,10號層進行補孔,實施后日產(chǎn)油68.5t,產(chǎn)水率為18%,投產(chǎn)結(jié)果與解釋結(jié)論一致。證明了本文解釋參數(shù)選取方法的合理性與準確性。

4 結(jié)論

1) PNN測井標準體積模型與改進的體積模型在形式上具有統(tǒng)一性,本質(zhì)為區(qū)域解釋參數(shù)的選擇。通過圖版法選取PNN解釋參數(shù),可避免求取區(qū)域特征因子。

2) 油和骨架俘獲截面變化范圍較小,一般理論計算值可滿足解釋需求,泥質(zhì)俘獲截面雖然變化范圍較大,但從地層俘獲截面測井曲線上可以較好地確定,隨著長時間開發(fā),油層水淹后地層水性質(zhì)復雜,地層水的俘獲截面是較難確定的參數(shù),采用增強圖版法可以綜合確定不同組分的俘獲截面,該方法同時考慮了泥質(zhì)含量、孔隙度對俘獲截面測井值的影響,經(jīng)過孔隙度歸一化后增強了孔隙流體的響應特征,提高了飽和度解釋精度。

3) 基于PyQt編制的PNN測井處理解釋模塊,符合實際生產(chǎn)需要,模塊同樣適應熱中子成像測井(TNIS)、脈沖中子壽命測井(NLL)等所有測量地層俘獲截面曲線的飽和度定量解釋。