TNIS热中子成像测井资料解释系统

李家骏,郭海敏,郭常伟,刘珈辰

(1.长江大学油气资源与勘探技术教育部重点实验室, 湖北 武汉 430100;2.长江大学地球物理与石油资源学院, 湖北 武汉 430100;3.中国石油集团测井有限公司华北分公司, 河北 任丘 062550)

0 引 言

TNIS热中子成像测井系统(Thermal Neutron Imaging System),简称热中子成像系统,是加拿大GPN公司开发的一种用于油田新老井油气饱和度的测井系统[1]。其测量原理是中子发生器向地层发射高能的中子脉冲,并由近、远热中子探头探测快中子经过井眼及地层减速以后还没有被俘获的热中子。在热中子俘获能力较低的地层仍可以保持相对高的热中子计数率,在一定程度上改进了传统中子寿命测井的局限性[2]。在衰减过程中形成的热中子衰减谱和热中子成像谱可直观快速地定性判定油水性质。TNIS不但在中高孔隙度和矿化度地层有很好的适应性,在低孔隙度、低矿化度地层(目前大多数油田生产的难点)相对其他测井方式也具有更高的分辨率[3]。

TNIS在中国油田中应用广泛,在吐哈油田多地区多井次的测试,证实其在孔隙度大于10%,氯离子浓度大于2.4×104mg/L的低渗透率油藏也可分辨油水层;在吐哈油田雁木西油田,平均孔隙度为22%,总矿化度11.2×104mg/L,Cl-离子浓度(7～9)×104mg/L的地层中,应用效果显著[4]。大庆油田利用该技术在水驱层系井网调整试验区进行了9口井的剩余油监测,并成功指导了8项配套措施调整,取得较好的开发效果[5]。

然而,中国油田缺乏与之配套的TNIS测井资料处理解释软件。室内的数据处理解释主要依靠国内GPN的服务公司进行解释处理,制约了油田解释人员对资料的利用和解释精度。在分析TNIS热中子成像测井的原理和处理方法后,在LEAD3.5测井解释平台上开发了一套TNIS热中子成像测井的数据处理与解释系统。

该系统的算法采用C++语言编写,基于LEAD测井系统底层平台,能够在主流的Windows平台上运行。具有操作方便,处理数据快速等优点,与GPN公司所提供的解释成果和实际采油资料相对比表明,其处理效果已经达到国外公司软件的同等水平。

1 TNIS热中子测井数据处理方法

1.1 TNI格式数据解编

GPN公司的TNIS测井仪记录了一段特定时间内未被俘获的热中子数,并由此提取出地层俘获截面进而计算得到地层含油饱和度。其记录的数据为*.TNI格式,它是一种二进制文件,为了更好地应用TNIS测井数据,需要对其数据进行数据解编和格式转换。

TNIS测井仪器记录从中子发生器发射15 μs后的700 μm时间内的热中子记数率,并将热中子衰减谱记录分成180道[4],其数据的逻辑结构见图1。

图1 TNIS测井数据逻辑结构图

经过数据解编验证,其数据的字节信息见表1。长、短源距计数率、自然伽马曲线、比率曲线等信息分别以不同字节宽度共计256 B存放于一个数据记录中。

表1 TNIS数据格式整体信息

为了准确求取地层宏观俘获截面(Σ)需要准确提取地层信息,确定地层区对热中子计数衰减的贡献。将得到的热中子成像谱采取了多次滑动计算Σ,最后取滑动计算的Σ平均值作为最终提取的Σ。

图2 宏观俘获截面求取方法

由于热中子衰减谱是采用各自相应的时间间隔的计数方式,根据计算点在谱线上滑动求平均的方法得到宏观俘获截面。一般选取36个计数点,时间间隔为540 μs,把数据分成6组,每组6个点的计数分别表示为N0,N1,N2,N3,N4,N5,计算地层热中子寿命为

τ=(τ2-t1)/(lnN1-lnN2)

(1)

实际计算取作

(2)

每组求得的宏观俘获截面为

Σj=4550/τj

(3)

(4)

数据解编软件,可以自动提取自然伽马曲线、热中子俘获谱和热中子衰减谱等信息,且对求取的Σ曲线采用并高斯12点滤波进行去噪。根据操作人员的需要选取合适的曲线导出,并将其转化为LEAD和中国软件均可以识别的WIS格式数据。

1.2 TNIS数据解释

原始数据解编后得到的地层俘获截面曲线将进行解释处理,处理流程如图3所示。

图3 TNIS数据解释处理流程

该解释系统编写的解释方法共5种:简单图版法、增强图版法、Hingle图版法[6]、体积模型以及双因子校正模型。解释方法的选择需要根据实际的井况进行选取。简单图版法主要适用于非均质性弱、孔隙度较高的地层,未考虑泥质含量影响;增强图版法是基于简单图版法的改进;Hingle图版法需要用地层的电阻率Rt和地层俘获截面值Σlog作交会图,但裸眼井电阻率曲线不能反映当前的地层含油饱和度情况,一般只能在检查井中应用。

图4为储层的体积模型。组成地层的介质泥质、骨架和地层的流体分别都有不同的地层俘获截面[7]。

图4 储层体积模型

这些地层介质的综合俘获截面曲线测井响应就是整个储层的俘获截面曲线即实际所测地层的俘获截面值,计算公式为

Σlog=Σma(1-φ-Vsh)+ΣwφSw+

Σhφ(1-Sw)+ΣshVsh

(5)

由公式(1)推导得到含水饱和度计算的公式

(6)

式中,Σlog、Σma、Σsh、Σw、Σh分别为地层、岩石骨架、泥质、地层水及烃的热中子宏观俘获截面,c.u.[注]非法定计量单位,1 c.u.=10-3 cm-1,下同;φ为地层孔隙度,小数;Vsh为地层泥质体积含量,小数;Sw为地层含水饱和度,小数。

3种图版法是采用实际的井数据进行数据交会,得到Σma、Σw、Σh这3个基本的解释参数,为后续的解释作准备。图5为增强图版法获取参数的界面,其中,x轴为地层俘获截面值,y轴为地层的孔隙度,数据点为不同深度点的数据,颜色代表含水饱和度的大小,如图5中的色标所示。红色线表示为油线(即含水饱和度为0),蓝色线为水线(即含水饱和度为100%),黑色线为含水饱和度为50%的线,通过点击界面下方水、烃类或骨架后,在交会图中用鼠标拖动油线或水线使不同含水饱和度的数据点落在相应的区域,以确定水、烃类和骨架的俘获截面值。

图5 增强图版法参数获取界面

该模型只适用于地层水矿化度较高的地层,只有地层水和油气的俘获截面值有区分度,才可以保证所计算的含水饱和度的精度。根据刘珈辰等[7]TNIS测井资料中参数敏感性的研究和大量的油井处理表明,在矿化度较低和泥质含量较高的区域,用体积模型法所计算的含水饱和度偏高。为此,胡冰恒等[2]引入了具有区域特征的双因子校正体积模型[见式(7)和式(8)]

Σlog=Σma(1-φ-Vsh)+K1ΣshVsh+

K2ΣwφSw+Σh(1-Sw)φ

(7)

Sw=

(8)

如式(8)所示,为了求取含水饱和度,除了体积模型中提到的6个参数外,还需确定K1和K2这2个区域特征参数。其需要针对目标井段,结合裸眼井解释和实际地质资料,选取至少2段纯水层数据代入,通过最优化解出适合解释井段的特征参数。

针对于参数泥质俘获截面参数的获取,可以根据井所在层位的实际情况而定,从其所测的纯厚层泥岩段来读其测量曲线值。还可以距离该层位较近或者该研究层位的别的区块的分布相对稳定的泥岩段进行读值,并进行俘获截面统计分析,得出该段的泥岩俘获截面。

在实际应用中还可以利用泥岩段油水线相等的方法确定较为准确的泥质俘获截面值[8],定义油线为孔隙内100%含油,则纯油线为

Σo,l=Σma(1-φ-Vsh)+Σhφ+ΣshVsh

(9)

定义水线为孔隙100%含水,则水线为

Σw,l=Σma(1-φ-Vsh)+Σwφ+ΣshVsh

(10)

调整Σsh,在泥岩段使油线Σo,l、水线Σw,l和测井曲线Σlog基本重合,从而得到泥质的俘获截面值。

2 解释与应用效果

A井所处区块的均矿化度为1×104mg/L,平均孔隙度为16%,因此,采用传统体积模型计算含水饱和度。TNIS解释系统处理得到的热中子俘获谱、热中子衰减谱和含水饱和度与GPN公司解释软件提供的基本一致。

图6为2种解释系统获得的HB油田X区块A井的解释成果图。图6(a)第1道是岩性剖面;第2道是岩性指示曲线;第3道是俘获截面曲线;第4道是为饱和度曲线;第5道为热中子俘获谱;第6道为热中子衰减谱;第7道为热中子俘获成像;第8道为热中子衰减成像;第9道为井周成像;第10道为俘获截面曲线,其中紫色为TNIS解释系统处理所得曲线,红色为GPN公司处理得到的曲线。

图6(b)为GPN公司软件解释成果图。第1道是岩性剖面;第2道是校深曲线;第3道是为饱和度曲线;第4道是为孔隙度曲线;第5道为热中子俘获谱;第6道为热中子衰减谱;第7道为热中子俘获成像;第8道为井周成像。

2个系统所计算的含油饱和度误差均小于4%(见表2)。

图6 TNIS解释系统与GPN公司软件获得的解释成果图对比

层号顶界/m底界/mGPN含油饱和度/%TNIS含油饱和度/%绝对误差/%7-12436.02436.83.763.840.087-22436.82441.65.26.10.98-12444.52445.616.9614.832.138-22445.62446.80.10.130.038-32446.82448.419.5717.781.798-42448.42457.10.241.331.0992482.12484.65.24.750.45102489.72491.00.051.31.2511-12495.32499.02.311.870.4412-32531.12532.700012-42532.72534.34.365.941.58142559.82563.610.211.080.8815-22567.62568.600017-12581.62582.600017-22582.62584.415.3213.361.96182586.82591.335.4131.93.51192592.32595.917.1816.460.72202601.72603.435.8539.563.71

3 结 论

(1)基于LEAD测井解释平台底层开发的TNIS热中子成像测井资料系统,可以从TNIS测井的原始TNI数据解编处理到含油饱和度计算划分油水层,功能齐全,流程简单、操作方便,可以满足油田现场的应用需求。

(2)处理效果与国外处理软件水平一致,在低矿化度高泥质含量地层采用双因子校正模型处理,与试油结论吻合,达到了油田实际生产解释处理的需要。