一种基于碳氧比测井的高灵敏度含油饱和度监测方法

鲁保平,范继林,张锋,梁启轩,葛云龙,王树声

(1.中国石油集团测井有限公司测井技术研究院,陕西西安710077;2.中国石油天然气集团有限公司测井技术试验基地,陕西西安710077;3.中国石油大学(华东)地球科学与技术学院,山东青岛266580)

0 引 言

含油饱和度对储层后期开发方案的调整具有重要意义,如何实现饱和度定量监测是目前油气勘探的关键步骤。目前过套管电阻率测井[1]、宽能域氯能谱测井[2]和基于脉冲中子源的中子寿命测井、碳氧比测井等多种手段均可实现储层含油饱和度计算,其中脉冲中子测井技术在饱和度监测方面有着不可替代的作用。

脉冲中子测井技术采用D -T中子源和多个探测器组成的测量系统,通过测量中子和伽马计数、伽马能谱、时间谱等信息确定地层孔隙度,识别地层油气水特征,在油气勘探及饱和度监测中得到广泛应用。脉冲中子测井技术最早由Youmans等[3-4]、Hilchie等[5]在20世纪60年代提出,利用中子与地层作用后记录的伽马时间衰减谱,在已知地层水矿化度的条件下确定含油饱和度。同一时期,Hoyer等[6-7]通过测量快中子与地层发生相互作用产生的非弹伽马能谱,利用C、O元素产生的特征伽马射线计数比值,提出并发展了碳氧比测井技术,用来反映地层含油性。随着技术的发展,脉冲中子饱和度测井仪逐渐多样化,Reservoir Saturation Tool(RST)、Reservoir Performance Monitor(RPM)、Reservoir Monitor Tool(RMT)、Reservoir Analysis Sonde(RAS)和Pulsar等仪器均可进行地层碳氧比值的测量[8-12]。碳氧比测井是核测井中进行储层含油饱和度监测的有效手段,但由于低孔隙度条件下油气水区分度不高,无法实现低孔隙度条件下含油饱和度的定量监测,该技术一般适用于孔隙度在15%以上的储层[13-14]。针对测井解释过程中岩性和泥质对碳氧比测量的影响,利用碳氧比和硅钙比交会方法可以实现水线方程的确定[15],梁启轩等[16]在解释模型中引入灰岩校正因子,提高含灰含泥地层饱和度的解释准确度。井眼含油对碳氧比测量具有较大的影响,目前常用平行四边形法进行井眼持油率影响的剔除[17],但利用该方法需要建立大量的平行四边形图版,测量精度低且受到测井仪器限制,应用于小直径仪器测量的数据仍需进一步研究。

本文针对井眼持油率对碳氧比测量值的影响,利用双探测器测量信息对井眼区和地层区信号反映的差异,利用组合双探测器测量的碳氧比值提取纯地层碳氧比值,消除井眼含油性对储层含油饱和度评价的影响,建立含油饱和度解释模型,实现任意井眼持油率条件下储层含油饱和度的定量监测。此外,双探测器组合的方法可放大地层信号,提升碳氧比测井对储层油水识别的灵敏度。本研究消除了井眼持油率对含油饱和度的影响,同时提升了解释准确度,为储层剩余油勘探开发提供了技术支持。

1 理论与方法

脉冲中子发生器产生的14 MeV快中子进入地层后,与地层各元素原子核碰撞发生非弹性散射作用,并释放非弹性散射伽马射线。在快中子发生非弹性散射的过程中,中子能量降低,同时与地层各元素发生弹性散射作用,逐渐慢化为热中子。随后热中子被地层原子核俘获,产生俘获伽马射线。利用中子与地层元素原子核相互作用产生的次生伽马射线,可确定地层岩性、含油性、孔隙度和密度等参数。油层和水层具有不同的碳原子密度和氧原子密度,基于两种原子数量比进行含油性定量监测是一种有效的方法。碳原子和氧原子的俘获截面极低,无法利用俘获伽马能谱评价地层含油性。因此,基于非弹伽马能谱,将C和O元素的特征伽马能窗计数做比值,利用碳氧比参数计算含油饱和度。储层碳氧比和含油饱和度的关系可以表示为

(1)

式中,C/O为储层碳氧比值;a为每立方厘米油中碳原子数,cm-3;φ为地层孔隙度,%;So为含油饱和度,%;mc和mo为每立方厘米岩石骨架中的碳原子数和氧原子数,cm-3;b为每立方厘米水中的氧原子数,cm-3。

在碳氧比测井中,探测到的伽马能谱受井眼和地层双重介质的影响,井眼流体的变化决定碳氧比测量值的大小。井眼含油时,C元素的特征伽马能窗计数明显升高,碳氧比测量值增大,导致计算的含油饱和度远超实际值,计算的含油饱和度存在极大的不确定性。根据次生非弹性散射伽马场理论[18],中子和井眼地层双重介质中各元素原子核发生作用后,源距为d的伽马探测器接收到的净非弹性散射伽马射线通量可以表示为

(2)

式中,Φin为净非弹性散射伽马射线通量,cm-2;i1和i2分别为一个快中子与井眼介质和地层介质的原子核发生非弹性碰撞放出的伽马光子数;Σin1和Σin2分别为井眼介质和地层介质的宏观非弹性散射截面,cm-1;H0为中子源强度,s-1;λs1和λs2分别为井眼介质和地层介质的快中子散射自由程,cm;R1和R2分别为仪器和井眼的半径,cm;d为仪器的有效探测深度,cm;r为伽马射线的探测位置到源的距离,cm。

因此,探测器接收到来自井眼区和地层区的非弹性散射伽马射线通量Φin-b和Φin-f分别表示为式(3)和式(4),井眼区本底非弹性散射伽马在总非弹性散射伽马中的占比Pb表示为式(5)。

(3)

(4)

(5)

式中,Φin-b和Φin-f分别为井眼区和地层区的非弹性散射伽马射线通量,cm-2。

由式(5)可知,仪器半径R1决定了井眼区本底非弹性散射伽马在总非弹性散射伽马中的占比。大直径仪器测量的信号中井眼区本底非弹性散射伽马在总非弹性散射伽马中的占比较低,地层区非弹性散射伽马在总非弹性散射伽马中占比相对提高,有利于对地层含油性的评价。此外,源距同样影响井眼区本底非弹性散射伽马在总非弹性散射伽马中的占比。因此,基于大直径双探测器脉冲中子仪器,将测量的碳氧比值视作地层区与井眼区碳氧比值的线性组合,满足以下公式

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分别为近、远探测器碳氧比测量值;X1和X2分别为近、远探测器的纯地层碳氧比值的贡献系数,由于地层孔隙度影响中子在地层中的分布,两者均与地层孔隙度有关;C/Of和C/Ob分别为纯地层的碳氧比值和井眼的碳氧比值。

利用蒙特卡罗模拟的方法,建立不同地层孔隙度、井眼持油率以及地层含油饱和度条件下的仪器地层数值计算模型,在记录近、远探测器碳氧比测量值的同时分别记录地层区碳氧比值和井眼区碳氧比值,拟合得到近、远探测器碳氧比测量的地层贡献系数X1和X2,可以表示为

X1=A1φ+B1

(8)

X2=A2φ+B2

(9)

式中,A1、A2、B1和B2为常数系数,按照式(6)和式(7)的形式,通过拟合近、远探测器测量碳氧比值和纯地层碳氧比值得到。

联立式(6)及式(7),组合双探测器的碳氧比测量值建立纯地层碳氧比值的计算方法,可以表示为

(10)

得到近、远探测器碳氧比测量的地层贡献系数XN和XF,则可去除仪器、井眼等本底的影响,获取纯地层碳氧比值,消除井眼流体影响,且提高纯地层碳氧比值的精度。

利用纯地层碳氧比值可以建立地层含油饱和度So计算方法

(11)

式中,C/Oo和C/Ow分别为储层纯含油和纯含水时的纯地层碳氧比值。

2 蒙特卡罗模拟

蒙特卡罗方法[19]可用于中子、光子、电子或耦合的中子、光子、电子输运过程,利用蒙特卡罗方法建立井筒储层套管井数值计算模型,模拟快中子与地层的相互作用过程,研究不同井眼持油率条件下测量碳氧比值和地层孔隙度、饱和度的响应关系,建立纯地层碳氧比值计算方法,提高地层含油饱和度的计算灵敏度。

2.1 计算模型

蒙特卡罗方法数值计算模型如图1所示。储层模型为高140 cm、直径140 cm的圆柱状套管井储层,井眼直径为12.5 cm且充满淡水。水泥环由CaSiO3组成,密度为1.95 g/cm3,厚度为3 cm;套管采用不锈钢材质,厚度为0.75 cm。设置储层孔隙度为15%～40%,含油饱和度为0、25%、50%、75%、100%,井眼持油率为0～100%。

图1 仪器地层数值计算模型

双探测器脉冲中子测井仪记录次生伽马射线,放射源和探测器之间存在屏蔽装置。仪器外壳由17-4PH钢制成,厚度为0.5 cm。源为D -T脉冲中子源,产生14 MeV的高能快中子并向储层均匀发射。探测器材料为Bi4Ge3O12(BGO)晶体,2个探测器的源距分别为30 cm和56 cm,尺寸为3.8 cm×3.8 cm和5 cm×15 cm。

2.2 不同井眼持油率碳氧比关于孔隙度的响应模拟

相同的地层条件下,井眼持油率变化导致近、远探测器探测区域内的介质明显改变,造成同样的地层条件下测量的碳氧比值差异明显。因此,基于图1所示的仪器地层数值计算模型,针对中高孔隙度地层,设置岩石骨架为孔隙度15%～40%的砂岩,孔隙度间隔5%;孔隙流体为纯油和纯水;井眼持油率为0、50%和100%。数值模拟得到净非弹伽马能谱,研究不同井眼持油率条件下双探测器测量的碳氧比值关于地层孔隙度的响应关系,如图2所示,其中Yo表示井眼持油率,So为地层含油饱和度。

图2 不同持油率条件下碳氧比值关于孔隙度的响应关系

由图2可知,井眼持油率增加导致碳氧比测量值增大。对近探测器而言,当地层含油饱和度为100%、孔隙度由15%变化到30%时,其碳氧比值的变化量为0.07;在地层孔隙度15%、井眼持油率由0%变化到100%时,其碳氧比值的变化量为0.15。不管是近探测器还是远探测器,井眼持油率对碳氧比值的影响极大,甚至超过了地层孔隙度的影响。这是由于脉冲中子源释放的快中子进入地层前首先与井眼流体相互作用,井眼流体的类型极大地影响了次生伽马射线的探测。井眼含水时,O元素产生大量非弹性散射伽马射线,随着井眼持油率的升高,C元素产生的伽马射线逐渐增加,井眼内C元素和O元素的相对比例随着井眼持油率的变化发生改变,导致碳氧比测量值随井眼持油率的增加逐渐增高。

因此,基于双探测器脉冲中子测井仪器,组合双探测器测量信息,消除井眼持油率的影响,建立纯地层碳氧比计算方法,是提高地层含油饱和度解释灵敏度的关键。

3 纯地层碳氧比含油饱和度模型的建立

通过研究不同井眼持油率条件下碳氧比值关于孔隙度响应规律可知,组合双探测器测量信息消除井眼持油率的影响是实现含油饱和度精确计算的重要环节。基于图1所示仪器的地层数值计算模型,设置不同井眼持油率、孔隙度和含油饱和度组合的模拟条件,井眼持油率设置为0、50%和100%,孔隙度为15%～40%,间隔5%;含油饱和度为0、25%、50%、75%和100%,共建立90组模型。模拟得到净非弹伽马能谱,获取双探测器的碳氧比测量值,从而建立纯地层碳氧比值的计算公式,可以表示为

C/Of=8.98φC/O1-5.07C/O1-

8.26φC/O2-5.55C/O2

(12)

经过双探测器碳氧比值的组合,得到不同井眼持油率条件下纯地层碳氧比值关于孔隙度的响应关系,如图3所示。

图3 不同井眼持油率下纯地层碳氧比值关于孔隙度的响应关系

图4 油水灵敏度对比图

由图3可知,经过双探测器碳氧比值组合后,不论井眼持油率大小,在给定的地层含油饱和度条件下,纯地层碳氧比值关于地层孔隙度的变化规律基本一致,表明双探测器碳氧比组合消除了井眼持油率对地层含油饱和度计算的影响。图4所示为井眼持油率为0时,本方法获取的纯地层碳氧比值油水灵敏度与常规单探测器碳氧比测量值油水灵敏度的对比。油水灵敏度Dsen的计算公式为

(13)

由图4可知,由于在双探测器碳氧比测量值组合获取纯地层碳氧比值过程中,已经消除了井眼环境对地层含油饱和度计算的影响,因此,油水的区分能力明显提高。在地层孔隙度为30%时,油水灵敏度提升了约15%。

4 应用实例

建立一个砂岩地层模拟井段,验证双探测器碳氧比值组合评价含油饱和度。测井过程中仪器贴井壁测量,模拟得到近、远探测器净非弹伽马能谱,基于双探测器碳氧比值计算纯地层碳氧比值,并结合饱和度解释模型确定地层含油饱和度,结果见图5,模拟井段的各层段参数见表1。图5中,第5和第6道为近、远探测器测量碳氧比值和纯地层碳氧比值,第7道为饱和度计算值和模型值对比,蓝色阴影为饱和度模型值,第8道为饱和度计算误差。

图5中,Yo为井眼持油率;Yw为井眼持水率;C/O1、C/O2和C/Of分别为近探测器、远探测器和纯地层碳氧比值;So,n为利用近探测器碳氧比测量值计算的含油饱和度;So,c为采用双探测器组合后获取的纯地层碳氧比值计算的含油饱和度;Error_N和Error_C为相应的含油饱和度计算误差。

表1 模拟实例中不同层段的设置参数

图6 现场实例解释成果图

受井眼持油率的影响,采用单探测器碳氧比测量值计算的地层含油饱和度误差较大,如C层和G层的井眼持油率超过60%,含油饱和度的计算误差超过70%。利用双探测器碳氧比测量值获取的纯地层碳氧比值计算地层含油饱和度时,整个模拟井段的含油饱和度计算误差小于5%,极大地提升了含油饱和度的计算准确度。在实际应用过程中,需要考虑仪器类型和岩性复杂程度等因素的影响,根据刻度井和数值模拟结果建立解释模型进行含油饱和度评价。

以中国渤海油田X井为例,基于储层动态监测仪RPM测井仪器的实测数据,验证采用双探测器组合法对地层含油饱和度评价的有效性。仪器采集的信息为脉冲时间段的总伽马能谱和脉冲关闭时间段的俘获伽马能谱,通过净谱处理得到双探测器的碳氧比值。图6所示的X井解释成果图中,GR为自然伽马,RDEEP和RSHLW分别为深、浅侧向电阻率,SC1和SC2为近、远探测器的硅钙比值,So,n为利用近探测器碳氧比测量值计算的含油饱和度,So,c为采用双探测器组合后获取的纯地层碳氧比值计算的含油饱和度,So,s为裸眼井含油饱和度解释结果。

由图6可知,2 370～2 400 m段井眼持油率高,利用近探测器碳氧比测量值计算的含油饱和度比裸眼井解释结果高,最大误差超过35%;采用双探测器组合获取的纯地层的碳氧比值计算的含油饱和度与裸眼井解释结果对应良好,最大误差不超过10%,一定程度上消除了井眼持油率对含油饱和度计算的影响。因此,采用双探测器组合提取纯地层碳氧比值的方法能够解决井筒中的油对地层含油饱和度评价的影响,避免洗井导致的生产成本增加和时效降低。

5 结 论

(1)针对井筒含油环境对储层含油饱和度评价的影响,基于双探测器脉冲中子测井技术,研究了不同井眼流体环境下近、远探测器碳氧比响应规律,提出基于双探测器测量值确定纯地层碳氧比值的方法。模拟结果表明:双探测器碳氧比测量值组合提取纯地层碳氧比值,消除了井眼持油率的影响,3%地层孔隙度条件下,含油饱和度灵敏度提高了约15%。

(2)模拟实例表明,井眼持油率越高,传统单探测器碳氧比含油饱和度评价方法误差越大,双探测器组合方法可将含油饱和度误差控制在5%以内。现场实例验证了该方法的有效性,该方法提高了含油饱和度计算准确度,为地层含油饱和度的定量计算提供一种新的方法。