过套管四中子测井新技术在油气田开发中的应用

林学春,刘文钰,袁洪波,任耀军,李海燕,李伟

(1.大港油田分公司勘探开发研究院,天津300280;2.大港油田分公司第四采油厂,天津300280;3.中国石油集团测井有限公司天津分公司,天津300280;4.若克(北京)技术有限公司,北京100101)

0 引 言

在油田勘探开发过程中,及时准确地判识储层的有效性、流体性质及油气饱和度是储层评价中需要解决的问题。一些新钻井由于井况复杂,无法顺利实施裸眼测井,需要过套管测井补充储层岩性、孔隙度、含油饱和度等参数资料,为油田制订开发方案提供技术依据[1-2]。中国大部分油田经过多年注水开发生产,存在不同程度水淹,需要通过套后测井方法,准确判识储层水淹状况、评估剩余油分布状态,为制订油田开发措施提供详实数据。

中国于2016年11月引进四中子测井技术[3],该技术利用镅铍中子源放射出产额稳定的快中子与地层相互作用,利用中子-中子和中子-伽马双物理过程中探测的信息,计算地层的泥质含量、物性和含油气性等参数,完成储层有效性评价、油气水识别、水淹层判识等工作。四中子测井在中国累计已经完成测井作业200余井次,在裸眼井资料补充、剩余油评价等方面有良好的应用效果。

1 四中子测井仪器结构

四中子测井仪器外径43 mm,长4.5 m,分为通讯和采集2个短节。通讯短节依次有温度探头、高能伽马探头、自然伽马探头、接箍定位器;采集短节依次有长源距伽马探头、短源距伽马探头、5 Ci(1)非法定计量单位,1 Ci=3.7×1010 Bq,下同镅铍中子源、短源距中子探头、长源距中子探头(见图1)。四中子测井数据可以通过电缆实时传输到地面采集系统,也可以用存储方式完成测井。

图1 四中子测井仪器结构图

2 四中子测井解释方法

四中子测井技术利用中子-中子、中子-伽马双物理过程获得4条计数率曲线,通过叠加算法计算地层的泥质含量、物性和含油气性等参数[4-7]。

2.1 泥质含量计算

(1)利用自然伽马计算地层的泥质含量。该方法快捷方便,已广泛应用,但实际中会遇到问题,例如,地层中有钻井液侵入时,自然伽马对此反应不明显,但是中子测量值对该侵入非常敏感;当地层中有高放射性元素时,自然伽马方法会导致泥质含量计算结果偏高。

(2)利用黏土含量指示曲线计算泥质含量。黏土结构中铝元素是主要组成部分,砂岩中硅元素是主要组成部分,这2种元素具有明显不同的热中子俘获截面。与硅元素相比,铝元素具有更高捕获中子的可能性,并且有可能发射更多的伽马射线,铝元素产生的伽马计数率会更高。由此可以得到地层黏土含量指示曲线,选取砂岩和泥岩的黏土含量曲线特征值(QC),就可以将QC转换为地层的泥质含量。

(1)

式中,CSNN为四中子测井中子-中子短源距探测器计数率,cps;CLNN为四中子测井中子-中子长源距探测器计数率,cps;CSNG为四中子测井中子-伽马短源距探测器计数率,cps;CLNG为四中子测井中子-伽马长源距探测器计数率,cps;M、N、Z、Y为地区经验系数,默认值分别为0.04、0、1.90、-1.50。

2.2 物性计算

四中子测井通过计数率曲线的叠加计算得到地层的总孔隙度、有效孔隙度、相对密度孔隙度、中子孔隙度等。

(1)总孔隙度。中子-中子(NN)和中子-伽马(NG)测井都主要反映地层孔隙度的变化,当储层孔隙油水饱和时,随着孔隙度增大,地层含氢指数增高,NN和NG计数率均降低,可用NN和NG计数率来计算NN和NG孔隙度。在淡水地层中,令NN孔隙度等于NG孔隙度。在相同孔隙度下,随着地层水矿化度增高,地层中氯离子含量也增高;氯元素具有较高的热中子俘获截面,将有效地俘获热中子,使得此时NN计数率与淡水时相比略有降低,计算的NN孔隙度值偏大;氯原子核俘获热中子后释放伽马射线,使NG计数率升高,计算的NG孔隙度值明显减小。碳氢化合物与水的含氢指数通常存在差异,在相同孔隙度下,地层中氢原子数多时,受快中子与氢核弹性散射竞争的影响,快中子与地层中其它元素发生非弹性散射的几率低,产生的非弹性伽马射线数量减少,使计算的NG孔隙度与NN孔隙度比偏高。基于NN和NG测井孔隙度误差相反的响应特征,通过反向叠加处理消除流体的影响,可以得到准确的地层总孔隙度φtotal。

(2)

式中,P、Q为地区经验系数,与钻头尺寸和井筒管柱结构及钢材属性有关。

(2)相对密度孔隙度。测井利用伽马射线与物质的相互作用来测定地层密度[8]。伽马计数率与物质密度之间存在密切关系,密度越高,伽马计数越低。通常密度测量使用已知能量的伽马射线源,并根据测量得到的计数率,计算出测量空间的相对密度。四中子测井分别记录NN和NG的计数率,如果NG计数率相对于NN计数率下降,则在测量空间内遇到了高密度物质;如果NG计数率相对于NN计数率上升,则遇到了低密度物质。

根据伽马和中子场的相互关系构建相对密度曲线,通过归一化2个物理过程单个探测器对孔隙度的响应,然后从长源距中子-中子孔隙度中减去长源距中子-伽马孔隙度得到相对密度,通过将相对密度曲线进行归一化计算,得到相对密度孔隙率度曲线。四中子测井相对密度曲线可以用来校正流体指示曲线(QL)、气层判识以及储层岩性分析等。

CE=φLNN-φLNG

(3)

(4)

式中,φLNN为四中子测井长源距中子-中子孔隙度,%;φLNG为四中子测井长源距中子-伽马孔隙度,%;CE为四中子测井计算的相对密度值,%;φCE为相对密度孔隙度值,%;CEma为地层骨架的相对密度值,%;CEf为地层流体的相对密度值,%。

(3)中子孔隙度。四中子测井仪器有长、短源距2个中子探头,测井过程中分别记录中子-中子长、短源距的热中子计数率,进行补偿计算,得到地层的中子孔隙度(φf),用于计算含气饱和度。

(5)

式中,R、T为地区经验系数,通过与地层总孔隙度叠加计算获得。

2.3 饱和度计算

四中子测井可以通过计算得到地层的含油饱和度、含气饱和度。

(1)流体识别曲线。中子孔隙度测量对2个参数非常敏感,即地层的真实孔隙度和孔隙空间中的流体类型,NG与NN孔隙度对孔隙流体类型的敏感性相反[9]。在计算φtotal时,使用NN和NG孔隙度对孔隙空间中流体的不同敏感性来补偿和抵消其影响。而对于流体类型的识别,以叠加的方式放大这些流体类型敏感性,计算的曲线称为四中子测井流体指示曲线。

(6)

式中,QL为四中子测井计算的流体指示曲线值,%;U、V为地区经验系数,通过与φtotal叠加获取。

(2)含油饱和度(So)计算。四中子测井NG与NN孔隙度对孔隙流体类型的不同敏感性,使得φtotal和QL在2种情况下相等:①有效孔隙度为0时(如泥岩段);②在淡水中,中子-中子对含氢指数(HI)和一定矿化度水的响应f(HI,Sal)NN-NG与中子-伽马对含氢指数和一定矿化度水的响应f(HI,Sal)NN+NG相等时。在充满碳氢化合物的地层,QL读数低于φtotal,φtotal和QL之间的分离将与孔隙中碳氢化合物含量成正比例。由图2可见,2条曲线在淡水中重叠,在更高矿化度为A值的盐水中,叠加φtotal和QL并向下平移QL曲线,使得QL和φtotal在矿化度A处重合。如果要确定地层B点的孔隙度变化,可以观察B点处φtotal和QL的差异,就是X所示线段的长度,其代表碳氢化合物含量的多少。

图2 QL与φtotal在不同流体中的差异

依据QL与φtotal之间的差异,通过转换计算,可以得到含油饱和度

So=FK(φtotal-QLce)

(7)

式中,F为四中子测井地层因子;K为四中子测井流体跨距系数,与矿化度和含氢指数有关;QLce为经过密度校正的四中子测井计算流体指示曲线值,%。

(3)含气饱和度(Sg)计算。地层中若含气,中子孔隙度和密度孔隙度会存在明显的包络。四中子测井采用与裸眼井测井解释类似的密度-中子叠加方法来计算含气饱和度,为了更精确地评价地层的含气饱和度,四中子测井采用2个叠加方式求取:①总孔隙度和相对密度孔隙度叠加;②总孔隙度和中子孔隙度叠加。

(8)

式中,a为权重数,通常取0.75;c为总孔隙度与相对密度孔隙度差值的归一化值;d为总孔隙度与中子孔隙度差值的归一化值,与地区有关。

3 实际应用效果及分析

3.1 裸眼井资料补充

XX1井位于滨海断鼻主体,目的层段Es1上砂组,岩性主要为泥岩夹粉砂岩、细砂岩,地层水类型为NaHCO3,总矿化度7 000～9 500 mg/L,地面原油密度0.81～0.87 g/cm3。由于井况复杂,该井没有进行裸眼测井。固井后,2019年4月28日完成过套管四中子测井,其解释成果见图3。图3中的储层段3 648.4～3 655.0 m,依据伽马计算泥质含量为10%～15%,依据黏土含量指示曲线计算泥质含量为20%～30%,两者差异表明该段有钻井液侵入,该段总孔隙度平均为17%,相对密度孔隙度平均为15%,计算有效孔隙度平均为14%。在泥岩段,叠合φtotal和QL曲线,在3 648.4～3 654.5 m层段,两者有明显的包络(红色阴影部分),表明地层中良好的含油特征。经过计算,3 648.4～3 653.1 m层段含油饱和度为40%～60%;3 653.1～3 654.5 m层段含油饱和度为15%～40%。结合泥质含量、孔隙度和含油饱和度计算结果,解释后结果见表1。2019年6月25日射孔3 646.5～3 651.5 m层段,日产油28.07 t,含水率1.5%,与四中子测井解释结果一致。

图3 XX1井四中子测井解释成果图

表1 XX1井重点层段解释成果表

3.2 气层评价分析

XX3井为YEZ油田二断块的一口生产井,地层水类型为NaHCO3,总矿化度4 000～5 500 mg/L,地面原油密度0.93～0.94 g/cm3。该井于2019年6月19日完井,2019年11月17日进行四中子测井。XX3井四中子测井含气分析成果见图4,目的层段22号层(1 555.7～1 557.0 m)、23-1号层(1 558.3～1 561.1 m),φCE与φtotal存在明显的镜像包络特征,表明该段明显的含气特征;同时QL和φtotal也有包络面积,表明该段明显的含油特征,据此分别计算出该段的含气饱和度和含油饱和度。结合计算的泥质含量、孔隙度、含油饱和度、含气饱和度,参考该段较高的原油密度,解释成果见表2。2019年11月23日射孔1 554.8～1 559.3 m层段,初始日产气2 000 m3,与四中子测井解释结果一致。

图4 XX3井四中子测井含气分析成果图

表2 XX3井重点层段解释成果表

3.3 水淹层分析

XX6井为WGT油田G三断块的一口水平生产井,目的层段为下第三系孔店组,2019年9月30日完井。为落实该段的水淹及剩余油分布状况,2019年12月2日进行四中子测井。调整曲线刻度比例,满足2个重合:①在泥岩段使CLNN和CLNG重合;②在致密层段,即计数率最高的层段,使CLNN和CLNG重合。储层段CLNN与CLNG均形成包络,中子计数率明显降低,伽马计数率相对升高,分析是储层水淹所致,依据含油饱和度值和孔隙度以及泥质含量等参数,对储层进行分类,该井重点层段解释成果见表3,该井解释成果见图5。2020年1月,对该段进行试油,含水率近100%。由于地层非均质性等原因,该段储层各小层之间水淹程度差异较大,分段堵水措施比较困难,建议进行整体封堵。

图5 XX6井四中子测井解释成果图

表3 XX6井重点层段解释成果表

4 结 论

(1)四中子测井技术依据双物理过程中子-中子、中子-伽马的探测信息,采用叠加的处理方法,消除环境影响,可以准确获取地层的泥质含量、物性和含油气性等信息。

(2)四中子测井在油田成功应用的案列,证明其在裸眼井资料补充、套后剩余油评价、气层识别及水淹层分析等方面有着良好的应用效果,为油田勘探与开发提供有效的技术支持。

(3)在四中子测井解释结果中,许多水淹层的含油饱和度值明显低于理论残余油饱和度值,因此,该技术在不同油田区域应用时,需要密切结合区域背景信息,使解释模型的选取和参数调整更趋于合理,计算结果才能准确反映地层的真实信息。