RAS脉冲中子测井评价技术研究及应用

曹娟,刘帅宏,赵凤,张晨,笱顺超,邓瑞

(1.中国石油集团测井有限公司生产测井中心,陕西西安710200;2.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)

0 引 言

在油田开发过程中,多层开发造成储层油水关系复杂。大部分主力油藏水驱程度及水淹程度较高,地下流体性质、储层孔隙结构特征变化大,剩余油分布情况复杂,给油层、水层的认识和解释带来困难。因此,利用测井方法,准确求取含油饱和度,认识油藏平面及纵向上的油水分布特征及规律,有助于经济有效地搞好油田开发中后期的挖潜与调整工作,提高油田整体开发水平和经济效益。

目前长庆油田套管井确定剩余油饱和度的测井技术正处于发展阶段。为了预测剩余油分布,判断储层水淹状况,主要采用过套管核测井。脉冲中子饱和度测井仪(Reservoir analysis system,RAS)是Hunter公司生产的兼顾非弹性散射、俘获、氧活化3种工作模式的综合测井仪器。它不仅提供碳氧比、钙硅比和氢、硅、钙、钾、氯等元素的产率,还提供地层俘获截面、孔隙度指数、氧活化计数、硅活化计数等参数。

1 脉冲中子饱和度测井技术

1.1 RAS测井仪器

RAS测井仪器能够过多层管柱获得准确的地层能谱信息。在不同地层水矿化度以及较低地层孔隙度环境下能够得到精确的地层饱和度参数。

RAS测井仪器使用3个不同源距的探测器。第1个探测器放置在距离中子发生器36 cm处,测量曲线反应井眼环境。第2个探测器放置在距离中子发生器55 cm处,测量曲线反应地层参数。第3个探测器放置在距离中子发生器76 cm处,受井眼环境(套管、水泥环等)影响较小,测量曲线能够定性分析地层含油气信息。探测器距离越远,探测深度越高,测量曲线反应地层信息的能力也越强,该仪器提高了探测油气层、精确定量计算饱和度和孔隙度的能力[1]。测量曲线能够得到地层岩性、泥质含量、孔隙度、含油饱和度、水流速度、砾石填充率等参数。

RAS测井仪器使用三氯化镧(LaCl3)探头(见图1),其优势在于氯化物没有内部氧原子干扰,具有更高的峰值分辨率;可增加能量刻度精度,探测速度是碘化钠(NaI)或锗酸铋(BGO)闪烁晶体的10倍;减少了测井统计误差,测井结果更准确。这种独特的测量方法克服了标准中子寿命测井仪在低矿化度条件下无法有效区分油层和水层的问题。

图1 RAS测井仪器探头结构图

1.2 测量原理

1.2.1 非弹性散射模式

RAS测井仪器非弹性散射模式在测量过程中以每秒2×108个中子的速度向地层发射能量为14.3 MeV的快中子。一旦释放,这些中子开始与地层介质中的物质相互作用,产生一个受激发的原子核。当它们穿过介质时,速度逐渐减慢衰变,当原子核由激发状态恢复成稳定状态时,释放出具有一定能量的伽马射线[2]。仪器记录地层原子核所释放的特征伽马射线能量和计数率形成的能量谱称为非弹性散射伽马能谱,反应产生的伽马射线被分成256个通道光谱进行分析。

RAS测井仪器采用非弹性散射伽马谱的碳氧比曲线计算地层含油饱和度,钙硅比曲线是反映地层岩性的指示性曲线。结合仪器参数,利用蒙特卡洛数值模拟方法,建立套管井地层模型,井眼部分由水泥环、管柱、井眼流体组成,水泥环为CaSiO3,密度为1.95 g/cm3,分析井眼环境和地层条件单一变量对RAS测量数据的影响规律。

非弹性散射测量方式受套管尺寸、环空流体、含油饱和度、水泥环厚度等因素影响:碳氧比值随套管尺寸增大而降低;当环空流体为油时,碳氧比值偏高,环空流体为水时,碳氧比值无影响;地层含油饱和度增加,碳氧比值增大;当水泥环厚度为3～100 mm,碳氧比值随水泥环厚度增大而增大;岩性不变,孔隙度变大时,纯油层碳氧比值相应增大,纯水层碳氧比值相应减小;当采用水基钻井液时,对饱含水地层没有影响,但会使饱含油地层的碳氧比值减小;采用油基钻井液时,对饱含油地层没有影响,而会使饱含水地层的碳氧比值增大。

1.2.2 俘获模式

RAS测井仪俘获模式测量过程中以每秒2×108个中子的速度向地层发射能量为14.3 MeV的快中子,一旦释放,快中子开始与地层中的物质相互作用。经过一系列非弹性和弹性碰撞后,快中子逐渐失去能量,主要通过与氢碰撞减速。经过20～30次碰撞后,地层中原子和中子的能量达到热平衡,中子减速停止。此时快中子能量达到约0.025 MeV,速度为2.2×105cm/s。

RAS测井仪器测量过程中,记录热中子在地层中发射俘获反应后释放的次生伽马射线分布所形成的时间谱。仪器使用240 μs的脉冲宽度,较长的发射周期用于探测背景辐射,测量的伽马射线计数被分成19个不均匀间隔的时间箱,随着时间的推移,容器变得更宽,以允许对相对低的计数率背景辐射进行采样。俘获测量模式受地层水矿化度、含油饱和度、孔隙度、井眼水矿化度等因素影响:随着地层水矿化度的增加,俘获截面值增加;地层含油饱和度值越高,俘获截面值越低;地层孔隙度增加,俘获截面值增加;井眼水矿化度增加,容易引起围岩俘获截面值出现异常高值。

1.2.3 氧活化模式

RAS测井仪器氧活化模式通过测量中子活化伽马射线的时间谱,反映井筒内外含氧物质的流动状态,尤其是水的流动状态。通过分析时间谱来计算流速,进而计算水流。RAS测井仪器在氧活化模式中,中子发生器脉冲10 s,有50 s的监听周期,可以通过叠加多个周期来降低统计的不确定性。

1.3 RAS测井仪适用性分析

目前长庆油田使用的饱和度测井仪器有哈利伯顿公司的RMT测井仪,Hotwell公司的PNN测井仪,Hunter公司的RAS测井仪,维尼吉斯公司的宽能域能谱测井仪,奥华公司的中子寿命测井仪[3-7]。根据研究区域,分析这些饱和测井仪器的工作原理(见表1)。

经过反复验证研究,传统的中子寿命测井在低矿化度、低孔隙度地层[4],其统计起伏较大,效果不太理想。RAS测井仪器具有3个伽马射线探测器,减少了测井统计误差,提高气层探测精度,精确定量计算饱和度及孔隙度,仪器直径小(42.8 mm),能够过油管测量,提高测井成功率,更适合长庆油田低孔隙度、低渗透率、低丰度储层。

表1 长庆油田在用饱和度测井仪器详细对照表

2 解释方法

2.1 测量模式优选

目前长庆油田油藏呈现储层孔隙度低、渗透率低、丰度低、地层水矿化度低、注入水复杂多样的特征。根据仪器结构及测量原理,仪器对不同矿化度和孔隙度的油水层具有一定分辨率,根据实验给出俘获模式下不同孔隙度和矿化度储层的可以解释区域和完全不能解释区域(见图2)。当地层水矿化度较低时,根据图2对仪器多种测量模式进行优选:孔隙度及地层水矿化度交汇点位于不能解释区域(图中虚线区域),表明俘获模式无法准确测量地层信息,定量计算出的饱和度与实际情况偏差较大;当孔隙度及地层水矿化度交汇点位于不能解释与可以解释区域之间,表明俘获模式测量地层信息只能定性评价储层情况,无法精确定量计算饱和度。这2种情况饱和度的解释结论主要依据受矿化度影响较小的非弹性散射模式碳氧比曲线。

图2 俘获模式测量范围*非法定计量单位,1 c.u.=10-3 cm-1,下同

RAS测井仪器解释过程中必须先对裸眼井进行解释,再进行套管井饱和度测井解释。例如,宽能域测井利用氯能谱差值法计算剩余油饱和度,通过计算出的剩余油饱和度与油层产纯油时的含油饱和度的差值,能有效识别和判断油层水淹状况,降低解释参数选取难度[8-10]。RAS测井仪器解释需计算出泥质含量、地层孔隙度、俘获模式含水饱和度和碳氧比含油饱和度这4个参数。

2.2 泥质含量

泥质含量是地层中不可忽略的影响因素,由于其变化波及较大,俘获截面值难以确定,因此,准确求取泥质俘获截面对解释结果非常重要。

(1)

(2)

式中,Vsh为泥质含量,%;GCUR为经验系数,老地层GCUR=2.0。LOG为解释层段曲线的数值;SHI为LOG曲线相对值,可用裸眼井自然伽马或自然电位曲线,或者RAS测井仪器测量的套管井自然伽马曲线或宏观俘获截面曲线;LOGmin为纯砂岩地层曲线的数值;LOGmax为纯泥岩地层曲线的数值。

2.3 地层孔隙度

地层孔隙度会随地层岩性而变化。一般情况下,泥质砂岩介质孔隙度较高,便于流体有效流通;黏土介质孔隙度较低。

①应用裸眼井声波,用Wyllie公式计算孔隙度。

(3)

式中,φ为地层孔隙度,%;Δtma为骨架时差,μs/m;Δtf为地层流体时差,μs/m;Δtsh为泥质时差,μs/m;Δt为时差测井值,μs/m;CP为压实校正系数。

②选用RAS测井仪器测量的近、远探头计数率比值RNF2曲线计算孔隙度。

(4)

式中,φL为地层孔隙度曲线的左刻度值;φR为地层孔隙度曲线的右刻度值;RRNF2,L为RNF2曲线的左刻度值;RRNF2,R为RNF2曲线的右刻度值;RRNF2为RNF2曲线值。

2.4 俘获模式含水饱和度

热中子俘获截面对地层含水饱和度十分敏感。通过俘获模式测量的地层参数,消除了井眼影响,能够直接描述水、烃类物和储层岩石。俘获模式测量含水饱和度的计算模型中,定量解释模型主要是标准体积模型,将储层看成是由泥质、骨架和孔隙组成的简单结构,骨架常包括不同岩性组分,孔隙中含有油、气、水等流体。

(5)

式中,Sw,PN为俘获模式含水饱和度,%;Σlog为曲线的俘获截面值,c.u.,是各个储集层释放的伽马射线之和;Σhc为烃的俘获截面值c.u.,油气的含氢量取决于油和溶解气的化学成份和体积系数;Σsh为泥质俘获截值面,c.u.,主要取决于黏土的矿物成分分布形式;Σw为地层水的俘获截面值,c.u.,根据盐类离子的成分及矿化度的不同而变化很大;Σma为岩石骨架俘获截面值c.u.,主要取决于岩石的矿物组成和含量,能从Σma理论值表(见表2)或历史拟合的曲线中获得。

表2 常见岩性或矿物的Σma理论值与观测值

2.4 非弹性散射模式含油饱和度

通过非弹性散射模式测量的近、远探测器平均碳氧比与地层孔隙度制作交会图版(见图3)。根据交会图响应关系式计算含油饱和度。图3中,(C/O)log为非弹性散射模式测量的近、远探测器平均碳氧比。So=0代表地层不同孔隙度条件下纯水层所测量碳氧比值的连线,该曲线称为水线;So=1代表地层不同孔隙度条件下纯油层所测量碳氧比值的连线,该曲线称为油线。将交会图版中油线和水线代入公式计算含油饱和度。

Cw=φmw+bw

Co=φmo+bo

(6)

图4 A井RAS剩余油综合解释成果图

式中,SO,C/O为含油饱和度;(C/O)M为非弹性散射模式测量的近、远探测器平均碳氧比;φ为地层孔隙度值;Cw、Co分别为水线值、油线值,油线值、水线值表示非弹性散射模式测量值的极大值与极小值,其余测量值分布于两线之间;mw为纯水层碳氧比值计算公式拟合系数;bw为水线截距,与岩性、井眼流体性质、井眼尺寸等因素有关;mo为纯油层碳氧比值计算公式拟合系数;bo为油线截距,与岩性、井眼流体性质、井眼尺寸等因素有关。

图3 碳氧比解释图版

3 现场应用实例

依据RAS测井仪器测量自然伽马、俘获截面、碳氧比等套管井数据,结合目的井储层物性,裸眼井自然伽马、电阻率、密度等测井数据,运用测井软件综合分析,得到潜力生产层段。

A井2010年9月22日投产,测井前产液3.49 m3/d,含水较高,1 820～1 822 m、1 844～1 846 m为射孔段(见图4)。地层水矿化度较低,根据图2判断出俘获模式无法准确测量地层信息,定量计算出的饱和度与实际情况偏差较大。解释时以不受矿化度影响的非弹性散射模式测量曲线为依据,结合完井资料精确定量计算饱和度,对目的层岩性、物性、含油性特征进行综合分析。

第241层位于砂体顶部,具有良好的储层物性和渗透性。在水洗作用下,油层黏土和泥质含量降低,粒度中值相对变大,束缚水饱和度相应减小。原始完井含油饱和度为44.07%,油气结论显示为油水同层,碳氧比含油饱和度平均为26.84%,综合解释为高含水。第242层段岩性较好,物性好,声波时差值平均值达到251 μs/m,测井资料显示渗透性好;完井条件下求取的含油饱和度为52.53%,根据碳氧比求取的含油饱和度为37.59%,综合解释为中含水。第26层,该段在射孔段内,物性较好,渗透性好;完井条件下求取的含油饱和度为40.57%,根据碳氧比求取的含油饱和度为36.98%,综合解释为中含水。图4中第3、4道常规曲线可以看出,水淹层的电阻率低于未水淹层的电阻率,水冲洗强度越大,水淹层电阻率越低。自然电位基线发生明显位移,俘获截面曲线减小。通过对比完井条件下的含油饱和度与碳氧比曲线求取的含油饱和度,能够判识储层水淹情况。

4 结 论

(1)RAS脉冲中子测井仪具有3个不同源距的探测器,减少了测井统计误差,提高了探测油气层、精确定量计算饱和度和孔隙度的能力。能够过多层管柱获得准确的地层能谱信息,仪器有非弹性散射、俘获、氧活化这3种测量模式。

(2)结合RAS测井影响因素,利用仪器在低矿化度、低孔隙度及低丰度的储层进行剩余油气解释方法研究,给出饱和度的计算方法和解释图版。对实测测井资料进行处理和解释,并与实际生产数据和试油资料进行比较。认为解释结果与实际生产情况和区域识别规律一致。