碳氧比测井钙质校正方法研究及应用

何巍巍，邓茜珊，郑 华，孙 亮

(1.大庆师范学院 机电工程学院，黑龙江 大庆 163000；2.大庆油田测试技术服务分公司，黑龙江 大庆 163000)

大庆油田的脉冲中子全谱测井仪(PNST)测井技术是应用较为广泛的套后地层参数评价技术，以高能脉冲中子轰击地层，主要通过分析伽玛能谱中C、O、Si、Ca等元素相对产额，利用碳氧比(C/O)、俘获Si/Ca或非弹Ca/Si等测井曲线识别地层岩性，计算储层含油饱和度(So)，判断储层水淹级别，在大庆等油田获得了较好应用效果[1-2]。大庆长垣油田的岩性剖面以砂泥岩为主，但地层中也常出现钙质。高电阻率的钙质对用常规测井资料解释储层流体性质造成困难[3-5]。地层中钙质的主要成分为碳酸钙，其中无机碳也影响碳氧比测井资料解释So，表现为两方面：一是储层中含钙质，造成储层C/O曲线及解释So偏高；二是夹层含钙质，造成夹层C/O曲线升高，依夹层判断C/O曲线基线又会造成解释储层So偏低。

应用国外引进的碳氧比测井仪时，配套解释软件中包含了钙质校正算法[6-7]。因此有必要针对国产PNST测井仪研究地层钙质校正方法，提高其测井资料解释So的准确性。

在三维复杂几何结构中耦合中子/光子/电子输运的通用蒙特卡罗软件包MCNP被广泛应用于核测井数值模拟，对脉冲中子伽玛能谱测井的模拟精度能满足建立测井资料解释模型及获得模型参数的需要[8-9]。本研究利用MCNP软件，按照PNST测井仪和大庆油田常规套管井条件，建立碳氧比测井的蒙特卡罗数值模拟模型，以测井仪在刻度井实测数据校验模型，研究钙质对PNST碳氧比测井曲线的影响，建立校正方法，并用取心数据验证该校正方法的实用性。

1 传统PNST测井资料解释So方法

用脉冲中子全谱测井仪(PNST)双源距碳氧比(C/O)测井资料解释So时，C/O测井值[2]为：

C/O=

δ(1-φ)+[(aYo+b)CAL+(cYo+d)]+αH

(1)

式中，右侧的四项分别是地层中碳/氧原子数比、地层密度、井内持油率、水泥环厚度对C/O测井值的贡献；式中，φ为孔隙度，So为地层含油饱和度，VCa为钙质含量，CAL为套管内径，Yo为井内持油率，H为水泥环厚度，各参数均取无量纲值；δ、a、b、c、d、α为不同条件下仪器刻度实验得出的权重系数，近、远伽玛探测器的权重系数不同，其他为固定常数。解释测井资料时，对C/O曲线作泥质校正，用最优化法解双探测器C/O测井值的方程组，校正掉Yo影响，获得So。

公式(1)显示，传统资料解释方法可用中子、密度、声波等测井曲线计算VCa曲线[10]，但需要完井时测中子、密度曲线；也可用碳氧比测井Si/Ca曲线与声波测井曲线综合计算VCa，但因使用曲线过少而可靠性差。此外，采用元素分析方法对碳氧比测井俘获能谱解谱可获得地层中的Ca元素含量，但是过程繁琐、精度较低[11-12]。

碳氧比测井提供反映地层钙质含量的非弹Ca/Si曲线和俘获Ca产额曲线，前者不受井眼和地层Cl含量影响，但数据统计精度较低，后者统计精度较高但受地层Cl含量影响大。本研究运用蒙特卡罗数值模拟方法，研究C/O和俘获Ca产额YCa与地层钙质含量VCa的关系，用YCa校正掉VCa对C/O的影响，利用常规砂泥岩剖面解释方法计算更为准确的So。

2 数值模拟模型的建立与校验

2.1 模型的建立

数值模拟模型呈圆筒状，其剖面示于图1。模型尺寸须足够大，才能模拟无限大地层的响应，参照刻度井的地层尺寸，模型的高和直径分别取远大于PNST测井仪纵向分辨率和径向探测深度的1.5 m和1.8 m[9,13]。在模型圆筒中央设置套管井。由于公式(1)中许多常数与井眼条件有关，因此按照大庆油田常规套管井条件设置模型的井眼栅元[14]。

图1 MCNP数值模拟模型剖面示意图Fig.1 Sectional drawing of the MCNP numerical model

井内介质为清水；J55钢级油层套管的壁厚和外径分别为7.72 mm和139.7 mm，套管密度为7.85 g/cm3；套管外有层水泥环，按0.44水灰比用清水和G级油井水泥配制水泥环材料，水泥环密度1.95 g/cm3，水泥环外径200 mm。在水泥环以外是模拟地层。按照PNST测井仪中各零部件的结构尺寸与材料设置模拟测井仪的栅元，测井仪在套管中贴靠套管内壁。

为提高模拟计算效率，将模型中尺寸较大物体剖分成较小栅元，并运用栅元重要性、权重窗口等减小计数方差；此外，先分别模拟到达锗酸铋(Bi4Ge3O12，BGO)探测器外面的伽玛流能谱和不同能量的单能伽玛射线照射探测器外面的探测器响应函数，保证计数方差均小于0.2%，然后将两者卷积，模拟探测器测量的能谱[14]。

根据研究需要，设置模拟地层材料的元素配比与密度。按PNST测井仪碳氧比工作模式的中子爆发与近远BGO探测器伽玛能谱采集时序，模拟非弹净谱和俘获谱。能谱分256道，能量范围覆盖0～8.89 MeV。采用PNST测井资料解释软件的算法，从能谱中提取C/O、YCa等参数。

2.2 数值模拟模型的基准校验

大庆油田没有成套的灰岩或含钙质砂岩的饱和度刻度井，为了检验数值模拟模型的正确性，针对实际刻度井群中孔隙度为16.8%、20.4%、26.0%、28.9%、33.8%的饱和水砂岩地层，以及孔隙度为15.8%、21.4%、25.0%、28.7%、33.8%的饱和油砂岩地层，对比模拟与实测的非弹净谱和俘获谱，以及相应的C/O和YCa参数。

大庆油田储层孔隙度平均约20%，因此测量孔隙度20.4%饱和水砂岩地层的远探测器非弹净谱与俘获谱，结果示于图2。由图2结果可知，模拟能谱和实测能谱相似度高，皮尔森相关系数的平方R2均大于0.995，说明模拟能谱再现了实测能谱，验证了模型的正确性。解释软件分别按1.56～1.98 MeV、2.80～4.15 MeV、4.15～4.81 MeV和5.09～6.76 MeV能窗从远探测器非弹净谱提取Si、Ca、C和O产额 (能窗区的计数除以全能谱有效区的总计数)，按5.32～6.80 MeV能窗从俘获谱提取YCa。

刻度井条件下模拟与实测远探测器C/O与YCa数据列于表1。由表1数据结果可知，模拟与实测数据的相对标准偏差均小于1.5%，说明模拟精度较高，模拟数据能再现测井响应规律，模拟数据可用于解释方法的建立和解释参数的确定。

图2 模拟能谱与实测能谱对比的实例Fig.2 Examples of comparison between simulated spectrum and measured spectrum

地层类型ϕ模拟C/O实测C/O相对标准偏差模拟YCa实测YCa相对标准偏差饱和水16.8%0.492 00.492 4-0.08%0.198 00.199 3-0.65%砂岩地层20.4%0.488 70.489 2-0.10%0.192 30.194 3-1.01%26.0%0.483 10.485 4-0.47%0.185 10.186 3-0.64%28.9%0.480 20.480 9-0.15%0.182 10.182 7-0.36%33.8%0.474 90.475 9-0.21%0.178 30.177 30.56%饱和油15.8%0.529 70.530 1-0.08%0.199 80.201 1-0.67%砂岩地层21.4%0.539 40.532 81.24%0.191 00.193 5-1.33%25.0%0.546 70.540 91.07%0.186 30.187 3-0.53%28.7%0.554 30.554 30.00%0.182 40.182 40.00%33.8%0.565 90.573 1-1.26%0.178 30.178 7-0.23%

3 钙质的影响与校正

保持数值模拟模型中测井仪与井眼栅元参数不变，只改变地层栅元的材料配比，分别用石英和方解石模拟地层骨架中砂质和钙质，考察骨架钙质含量范围0～100%、孔隙度0～40%、孔隙中饱和油或水的地层中VCa对C/O、YCa的影响。

3.1 钙质对C/O和YCa的影响

部分PNST远探测器测井参数的模拟结果示于图3，近探测器测井参数变化规律与之相似。图3中曲线为模拟数据光滑后的结果，离散点为测井仪在刻度井中的实测数据，砂岩和灰岩分别表示地层骨架为纯石英和纯方解石，孔隙中流体分别是水和油。

C/O数据变化规律：水砂岩地层C/O值随φ增大而减小，油砂岩C/O值随φ增大而增大，油砂岩与水砂岩的C/O差值随着φ增大而增大，在φ固定的条件下C/O值随So增大而增大，这是砂泥岩条件下C/O资料解释So的基础。在φ和So都固定的条件下，随着地层中钙质含量增大，C/O值几乎线性增大，其增大速率与φ和So值有关，水灰岩与水砂岩C/O差值随着φ增大而略有减小，油灰岩与油砂岩C/O差值随φ增大而略有增大，C/O值对灰岩中So变化的灵敏度比砂岩的稍高。

YCa数据呈现如下特点：砂岩YCa值随着φ增大而减小；在VCa和φ固定的条件下，YCa值与So无关，YCa值随着VCa增大而线性增大，其增大速率与φ有关。尽管从俘获谱提取的YCa受井眼与地层中Cl元素含量影响，但由于地层水矿化度低、碳氧比测井时普遍用清水压井，在大庆油田适合用YCa校正钙质对C/O解释So的影响。

3.2 钙质校正方法

图3 C/O与YCa随着岩性与φ变化Fig.3 C/O and YCa change along with lithology and φ

其他参数不变时C/O随着VCa增大而增大，将钙质造成的C/O增量记为ΔC/OCa。它随VCa变化的速率受φ和So影响，其中So的影响较小，可忽略，求得ΔC/OCa与VCa和φ的近似关系。在不同φ条件下，用So=50%时灰岩与砂岩C/O差值，除以灰岩与砂岩YCa差值，得到VCa影响二者的比例系数；用YCa测井值与砂岩YCa的差值，乘以该比例系数，可计算出ΔC/OCa。近、远探测器C/O的校正方法相同，以PNST远探测器为例，推导出：

ΔC/OCa=(5.67-25.0φ+43.2φ2)·

[YCa-(0.234-0.273φ+0.312φ2)]

(2)

用公式(3)对C/O测井值进行钙质影响校正：

C/Ocorr,Ca=C/O-ΔC/OCa

(3)

再将C/Ocorr,Ca作为测井值，使用砂泥岩剖面的碳氧比测井资料解释方法，求取So。

以YCa增量校正C/O增量，当储层φ变化较小时，可将C/O曲线与YCa曲线按一定比例尺叠合，用于减除VCa造成的C/O增量，直观且易调参，实用性更强。

4 钙质校正方法的应用

FXX-J+XX井位于大庆油田长垣南部，开采层是碳氧比测井资料易受地层中含钙质影响的葡萄花层。对该井中1号至4号层进行密闭取心，取心分析钙质占岩心质量的0.2%～25.2%，平均占2.0%。完井后随即进行了PNST测井，因此将PNST碳氧比测井资料解释So与取心分析So对比，验证测井解释结果是否准确。

钙质校正前、后的PNST碳氧比测井资料解释结果示于图4。GR和SP分别是反映岩性与层位的自然伽玛和自然电位曲线；SICA、COR和CA分别是PNST测井反映砂泥质含量的Si/Ca曲线、反映地层含碳量的C/O曲线和反映钙质含量的Ca产额曲线，为了简化图幅，图中只显示了远探测器相应曲线；SOCORE是取心分析So数据，SWCO和SWI是碳氧比测井解释含水饱和度Sw和束缚水饱和度Swi，其中Sw=100%-So。由图4结果可知，在这4个层的取心处，2号层的C/O测井值因储层中存在钙质而偏高，经钙质校正后C/O值和解释So明显降低；1号层和3号层不含钙质，使用与其他层相同的C/O基线，钙质校正后解释So略有升高。

不同层取心分析So与钙质校正前、后的测井解释So对比结果列于表2。由表2结果可以看出，钙质校正后的测井解释结果与取心分析结果取得了更好的符合，说明该钙质校正方法能够有效提高碳氧比测井的解释精度，得到更为准确的解释结果。

图4 钙质校正前后解释结果对比Fig.4 Comparison of the results before and after calcium correction

层位深度/m取心So钙质校正前钙质校正后测井So相对标准偏差测井So相对标准偏差11 446.8561.2%55.29%-5.91%59.17%-2.03%1 446.9847.8%44.66%-3.14%46.63%-1.17%21 454.3842.9%52.07%9.17%45.71%2.81%1 454.6936%40.15%4.15%37.18%1.18%31 474.8138.1%44.53%6.43%48.18%10.08%1 475.0749%41.94%-7.06%49.41%0.41%1 475.6948.4%42.62%-5.78%47.99%-0.41%1 475.9854.6%45.84%-8.76%52.69%-1.91%1 476.1360.6%51.76%-8.84%55.71%-4.89%1 476.9654%45.4%-8.6%51.64%-2.36%1 477.1366.7%45.77%-20.93%63.38%-3.32%1 477.2567.6%48.923%-18.677%70.994%3.394%1 477.7328.6%39.59%10.99%38.91%10.31%41 491.0739%33.59%-5.41%33.79%-5.21%1 491.1733.8%34.22%0.42%33.48%-0.32%

5 小结

(1) 按大庆油田常规套管井条件建立了PNST测井的数值模拟模型，以测井仪在砂岩刻度井的实测数据校验了模型：模拟能谱与实测能谱的相关系数R2>0.995；模拟与实测C/O和俘获Ca产额的相对相对标准偏差均小于1.5%。

(2) 数值模拟研究结果表明，孔隙度与含油饱和度相同地层的C/O与俘获Ca产额均随地层钙质含量增大而线性增大。

(3) 利用俘获Ca产额曲线，建立了C/O曲线受钙质影响的校正方法。对比结果显示，钙质校正后的测井解释结果与取心分析的含油饱和度数据符合度更高，说明针对在大庆油田应用的PNST碳氧比测井，本研究提出的钙质校正方法能够有效提高含钙地层的含油饱和度解释精度。

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