一種基于碳氧比測井的高靈敏度含油飽和度監測方法

魯保平,范繼林,張鋒,梁啟軒,葛云龍,王樹聲

(1.中國石油集團測井有限公司測井技術研究院,陜西西安710077;2.中國石油天然氣集團有限公司測井技術試驗基地,陜西西安710077;3.中國石油大學(華東)地球科學與技術學院,山東青島266580)

0 引 言

含油飽和度對儲層后期開發方案的調整具有重要意義,如何實現飽和度定量監測是目前油氣勘探的關鍵步驟。目前過套管電阻率測井[1]、寬能域氯能譜測井[2]和基于脈沖中子源的中子壽命測井、碳氧比測井等多種手段均可實現儲層含油飽和度計算,其中脈沖中子測井技術在飽和度監測方面有著不可替代的作用。

脈沖中子測井技術采用D -T中子源和多個探測器組成的測量系統,通過測量中子和伽馬計數、伽馬能譜、時間譜等信息確定地層孔隙度,識別地層油氣水特征,在油氣勘探及飽和度監測中得到廣泛應用。脈沖中子測井技術最早由Youmans等[3-4]、Hilchie等[5]在20世紀60年代提出,利用中子與地層作用后記錄的伽馬時間衰減譜,在已知地層水礦化度的條件下確定含油飽和度。同一時期,Hoyer等[6-7]通過測量快中子與地層發生相互作用產生的非彈伽馬能譜,利用C、O元素產生的特征伽馬射線計數比值,提出并發展了碳氧比測井技術,用來反映地層含油性。隨著技術的發展,脈沖中子飽和度測井儀逐漸多樣化,Reservoir Saturation Tool(RST)、Reservoir Performance Monitor(RPM)、Reservoir Monitor Tool(RMT)、Reservoir Analysis Sonde(RAS)和Pulsar等儀器均可進行地層碳氧比值的測量[8-12]。碳氧比測井是核測井中進行儲層含油飽和度監測的有效手段,但由于低孔隙度條件下油氣水區分度不高,無法實現低孔隙度條件下含油飽和度的定量監測,該技術一般適用于孔隙度在15%以上的儲層[13-14]。針對測井解釋過程中巖性和泥質對碳氧比測量的影響,利用碳氧比和硅鈣比交會方法可以實現水線方程的確定[15],梁啟軒等[16]在解釋模型中引入灰巖校正因子,提高含灰含泥地層飽和度的解釋準確度。井眼含油對碳氧比測量具有較大的影響,目前常用平行四邊形法進行井眼持油率影響的剔除[17],但利用該方法需要建立大量的平行四邊形圖版,測量精度低且受到測井儀器限制,應用于小直徑儀器測量的數據仍需進一步研究。

本文針對井眼持油率對碳氧比測量值的影響,利用雙探測器測量信息對井眼區和地層區信號反映的差異,利用組合雙探測器測量的碳氧比值提取純地層碳氧比值,消除井眼含油性對儲層含油飽和度評價的影響,建立含油飽和度解釋模型,實現任意井眼持油率條件下儲層含油飽和度的定量監測。此外,雙探測器組合的方法可放大地層信號,提升碳氧比測井對儲層油水識別的靈敏度。本研究消除了井眼持油率對含油飽和度的影響,同時提升了解釋準確度,為儲層剩余油勘探開發提供了技術支持。

1 理論與方法

脈沖中子發生器產生的14 MeV快中子進入地層后,與地層各元素原子核碰撞發生非彈性散射作用,并釋放非彈性散射伽馬射線。在快中子發生非彈性散射的過程中,中子能量降低,同時與地層各元素發生彈性散射作用,逐漸慢化為熱中子。隨后熱中子被地層原子核俘獲,產生俘獲伽馬射線。利用中子與地層元素原子核相互作用產生的次生伽馬射線,可確定地層巖性、含油性、孔隙度和密度等參數。油層和水層具有不同的碳原子密度和氧原子密度,基于兩種原子數量比進行含油性定量監測是一種有效的方法。碳原子和氧原子的俘獲截面極低,無法利用俘獲伽馬能譜評價地層含油性。因此,基于非彈伽馬能譜,將C和O元素的特征伽馬能窗計數做比值,利用碳氧比參數計算含油飽和度。儲層碳氧比和含油飽和度的關系可以表示為

(1)

式中,C/O為儲層碳氧比值;a為每立方厘米油中碳原子數,cm-3;φ為地層孔隙度,%;So為含油飽和度,%;mc和mo為每立方厘米巖石骨架中的碳原子數和氧原子數,cm-3;b為每立方厘米水中的氧原子數,cm-3。

在碳氧比測井中,探測到的伽馬能譜受井眼和地層雙重介質的影響,井眼流體的變化決定碳氧比測量值的大小。井眼含油時,C元素的特征伽馬能窗計數明顯升高,碳氧比測量值增大,導致計算的含油飽和度遠超實際值,計算的含油飽和度存在極大的不確定性。根據次生非彈性散射伽馬場理論[18],中子和井眼地層雙重介質中各元素原子核發生作用后,源距為d的伽馬探測器接收到的凈非彈性散射伽馬射線通量可以表示為

(2)

式中,Φin為凈非彈性散射伽馬射線通量,cm-2;i1和i2分別為一個快中子與井眼介質和地層介質的原子核發生非彈性碰撞放出的伽馬光子數;Σin1和Σin2分別為井眼介質和地層介質的宏觀非彈性散射截面,cm-1;H0為中子源強度,s-1;λs1和λs2分別為井眼介質和地層介質的快中子散射自由程,cm;R1和R2分別為儀器和井眼的半徑,cm;d為儀器的有效探測深度,cm;r為伽馬射線的探測位置到源的距離,cm。

因此,探測器接收到來自井眼區和地層區的非彈性散射伽馬射線通量Φin-b和Φin-f分別表示為式(3)和式(4),井眼區本底非彈性散射伽馬在總非彈性散射伽馬中的占比Pb表示為式(5)。

(3)

(4)

(5)

式中,Φin-b和Φin-f分別為井眼區和地層區的非彈性散射伽馬射線通量,cm-2。

由式(5)可知,儀器半徑R1決定了井眼區本底非彈性散射伽馬在總非彈性散射伽馬中的占比。大直徑儀器測量的信號中井眼區本底非彈性散射伽馬在總非彈性散射伽馬中的占比較低,地層區非彈性散射伽馬在總非彈性散射伽馬中占比相對提高,有利于對地層含油性的評價。此外,源距同樣影響井眼區本底非彈性散射伽馬在總非彈性散射伽馬中的占比。因此,基于大直徑雙探測器脈沖中子儀器,將測量的碳氧比值視作地層區與井眼區碳氧比值的線性組合,滿足以下公式

C/O1=X1C/Of+(1-X1)C/Ob

(6)

C/O2=X2C/Of+(1-X2)C/Ob

(7)

式中,C/O1和C/O2分別為近、遠探測器碳氧比測量值;X1和X2分別為近、遠探測器的純地層碳氧比值的貢獻系數,由于地層孔隙度影響中子在地層中的分布,兩者均與地層孔隙度有關;C/Of和C/Ob分別為純地層的碳氧比值和井眼的碳氧比值。

利用蒙特卡羅模擬的方法,建立不同地層孔隙度、井眼持油率以及地層含油飽和度條件下的儀器地層數值計算模型,在記錄近、遠探測器碳氧比測量值的同時分別記錄地層區碳氧比值和井眼區碳氧比值,擬合得到近、遠探測器碳氧比測量的地層貢獻系數X1和X2,可以表示為

X1=A1φ+B1

(8)

X2=A2φ+B2

(9)

式中,A1、A2、B1和B2為常數系數,按照式(6)和式(7)的形式,通過擬合近、遠探測器測量碳氧比值和純地層碳氧比值得到。

聯立式(6)及式(7),組合雙探測器的碳氧比測量值建立純地層碳氧比值的計算方法,可以表示為

(10)

得到近、遠探測器碳氧比測量的地層貢獻系數XN和XF,則可去除儀器、井眼等本底的影響,獲取純地層碳氧比值,消除井眼流體影響,且提高純地層碳氧比值的精度。

利用純地層碳氧比值可以建立地層含油飽和度So計算方法

(11)

式中,C/Oo和C/Ow分別為儲層純含油和純含水時的純地層碳氧比值。

2 蒙特卡羅模擬

蒙特卡羅方法[19]可用于中子、光子、電子或耦合的中子、光子、電子輸運過程,利用蒙特卡羅方法建立井筒儲層套管井數值計算模型,模擬快中子與地層的相互作用過程,研究不同井眼持油率條件下測量碳氧比值和地層孔隙度、飽和度的響應關系,建立純地層碳氧比值計算方法,提高地層含油飽和度的計算靈敏度。

2.1 計算模型

蒙特卡羅方法數值計算模型如圖1所示。儲層模型為高140 cm、直徑140 cm的圓柱狀套管井儲層,井眼直徑為12.5 cm且充滿淡水。水泥環由CaSiO3組成,密度為1.95 g/cm3,厚度為3 cm;套管采用不銹鋼材質,厚度為0.75 cm。設置儲層孔隙度為15%～40%,含油飽和度為0、25%、50%、75%、100%,井眼持油率為0～100%。

圖1 儀器地層數值計算模型

雙探測器脈沖中子測井儀記錄次生伽馬射線,放射源和探測器之間存在屏蔽裝置。儀器外殼由17-4PH鋼制成,厚度為0.5 cm。源為D -T脈沖中子源,產生14 MeV的高能快中子并向儲層均勻發射。探測器材料為Bi4Ge3O12(BGO)晶體,2個探測器的源距分別為30 cm和56 cm,尺寸為3.8 cm×3.8 cm和5 cm×15 cm。

2.2 不同井眼持油率碳氧比關于孔隙度的響應模擬

相同的地層條件下,井眼持油率變化導致近、遠探測器探測區域內的介質明顯改變,造成同樣的地層條件下測量的碳氧比值差異明顯。因此,基于圖1所示的儀器地層數值計算模型,針對中高孔隙度地層,設置巖石骨架為孔隙度15%～40%的砂巖,孔隙度間隔5%;孔隙流體為純油和純水;井眼持油率為0、50%和100%。數值模擬得到凈非彈伽馬能譜,研究不同井眼持油率條件下雙探測器測量的碳氧比值關于地層孔隙度的響應關系,如圖2所示,其中Yo表示井眼持油率,So為地層含油飽和度。

圖2 不同持油率條件下碳氧比值關于孔隙度的響應關系

由圖2可知,井眼持油率增加導致碳氧比測量值增大。對近探測器而言,當地層含油飽和度為100%、孔隙度由15%變化到30%時,其碳氧比值的變化量為0.07;在地層孔隙度15%、井眼持油率由0%變化到100%時,其碳氧比值的變化量為0.15。不管是近探測器還是遠探測器,井眼持油率對碳氧比值的影響極大,甚至超過了地層孔隙度的影響。這是由于脈沖中子源釋放的快中子進入地層前首先與井眼流體相互作用,井眼流體的類型極大地影響了次生伽馬射線的探測。井眼含水時,O元素產生大量非彈性散射伽馬射線,隨著井眼持油率的升高,C元素產生的伽馬射線逐漸增加,井眼內C元素和O元素的相對比例隨著井眼持油率的變化發生改變,導致碳氧比測量值隨井眼持油率的增加逐漸增高。

因此,基于雙探測器脈沖中子測井儀器,組合雙探測器測量信息,消除井眼持油率的影響,建立純地層碳氧比計算方法,是提高地層含油飽和度解釋靈敏度的關鍵。

3 純地層碳氧比含油飽和度模型的建立

通過研究不同井眼持油率條件下碳氧比值關于孔隙度響應規律可知,組合雙探測器測量信息消除井眼持油率的影響是實現含油飽和度精確計算的重要環節?；趫D1所示儀器的地層數值計算模型,設置不同井眼持油率、孔隙度和含油飽和度組合的模擬條件,井眼持油率設置為0、50%和100%,孔隙度為15%～40%,間隔5%;含油飽和度為0、25%、50%、75%和100%,共建立90組模型。模擬得到凈非彈伽馬能譜,獲取雙探測器的碳氧比測量值,從而建立純地層碳氧比值的計算公式,可以表示為

C/Of=8.98φC/O1-5.07C/O1-

8.26φC/O2-5.55C/O2

(12)

經過雙探測器碳氧比值的組合,得到不同井眼持油率條件下純地層碳氧比值關于孔隙度的響應關系,如圖3所示。

圖3 不同井眼持油率下純地層碳氧比值關于孔隙度的響應關系

圖4 油水靈敏度對比圖

由圖3可知,經過雙探測器碳氧比值組合后,不論井眼持油率大小,在給定的地層含油飽和度條件下,純地層碳氧比值關于地層孔隙度的變化規律基本一致,表明雙探測器碳氧比組合消除了井眼持油率對地層含油飽和度計算的影響。圖4所示為井眼持油率為0時,本方法獲取的純地層碳氧比值油水靈敏度與常規單探測器碳氧比測量值油水靈敏度的對比。油水靈敏度Dsen的計算公式為

(13)

由圖4可知,由于在雙探測器碳氧比測量值組合獲取純地層碳氧比值過程中,已經消除了井眼環境對地層含油飽和度計算的影響,因此,油水的區分能力明顯提高。在地層孔隙度為30%時,油水靈敏度提升了約15%。

4 應用實例

建立一個砂巖地層模擬井段,驗證雙探測器碳氧比值組合評價含油飽和度。測井過程中儀器貼井壁測量,模擬得到近、遠探測器凈非彈伽馬能譜,基于雙探測器碳氧比值計算純地層碳氧比值,并結合飽和度解釋模型確定地層含油飽和度,結果見圖5,模擬井段的各層段參數見表1。圖5中,第5和第6道為近、遠探測器測量碳氧比值和純地層碳氧比值,第7道為飽和度計算值和模型值對比,藍色陰影為飽和度模型值,第8道為飽和度計算誤差。

圖5中,Yo為井眼持油率;Yw為井眼持水率;C/O1、C/O2和C/Of分別為近探測器、遠探測器和純地層碳氧比值;So,n為利用近探測器碳氧比測量值計算的含油飽和度;So,c為采用雙探測器組合后獲取的純地層碳氧比值計算的含油飽和度;Error_N和Error_C為相應的含油飽和度計算誤差。

表1 模擬實例中不同層段的設置參數

圖6 現場實例解釋成果圖

受井眼持油率的影響,采用單探測器碳氧比測量值計算的地層含油飽和度誤差較大,如C層和G層的井眼持油率超過60%,含油飽和度的計算誤差超過70%。利用雙探測器碳氧比測量值獲取的純地層碳氧比值計算地層含油飽和度時,整個模擬井段的含油飽和度計算誤差小于5%,極大地提升了含油飽和度的計算準確度。在實際應用過程中,需要考慮儀器類型和巖性復雜程度等因素的影響,根據刻度井和數值模擬結果建立解釋模型進行含油飽和度評價。

以中國渤海油田X井為例,基于儲層動態監測儀RPM測井儀器的實測數據,驗證采用雙探測器組合法對地層含油飽和度評價的有效性。儀器采集的信息為脈沖時間段的總伽馬能譜和脈沖關閉時間段的俘獲伽馬能譜,通過凈譜處理得到雙探測器的碳氧比值。圖6所示的X井解釋成果圖中,GR為自然伽馬,RDEEP和RSHLW分別為深、淺側向電阻率,SC1和SC2為近、遠探測器的硅鈣比值,So,n為利用近探測器碳氧比測量值計算的含油飽和度,So,c為采用雙探測器組合后獲取的純地層碳氧比值計算的含油飽和度,So,s為裸眼井含油飽和度解釋結果。

由圖6可知,2 370～2 400 m段井眼持油率高,利用近探測器碳氧比測量值計算的含油飽和度比裸眼井解釋結果高,最大誤差超過35%;采用雙探測器組合獲取的純地層的碳氧比值計算的含油飽和度與裸眼井解釋結果對應良好,最大誤差不超過10%,一定程度上消除了井眼持油率對含油飽和度計算的影響。因此,采用雙探測器組合提取純地層碳氧比值的方法能夠解決井筒中的油對地層含油飽和度評價的影響,避免洗井導致的生產成本增加和時效降低。

5 結 論

(1)針對井筒含油環境對儲層含油飽和度評價的影響,基于雙探測器脈沖中子測井技術,研究了不同井眼流體環境下近、遠探測器碳氧比響應規律,提出基于雙探測器測量值確定純地層碳氧比值的方法。模擬結果表明:雙探測器碳氧比測量值組合提取純地層碳氧比值,消除了井眼持油率的影響,3%地層孔隙度條件下,含油飽和度靈敏度提高了約15%。

(2)模擬實例表明,井眼持油率越高,傳統單探測器碳氧比含油飽和度評價方法誤差越大,雙探測器組合方法可將含油飽和度誤差控制在5%以內?，F場實例驗證了該方法的有效性,該方法提高了含油飽和度計算準確度,為地層含油飽和度的定量計算提供一種新的方法。