致密砂巖儲層飽和度測井現場對比試驗

李原杰,廖發明,柳先遠,呂波,陳嘯博

(1.中國石油塔里木油田公司迪那油氣開發部,新疆庫爾勒841000;2.中國石油塔里木油田公司勘探開發研究院,新疆庫爾勒841000)

0 引 言

近年來,塔里木盆地相繼發現了迪那、迪北、博孜、大北、克深等氣田,這類氣田都具有埋藏深、壓力高、孔隙度低、含邊底水等特點。據統計,以上氣田的儲層基質孔隙度為3%～10%,屬于典型的致密砂巖氣田[1-4]。

常規套后飽和度測井,如中子壽命、碳氧比測井等,對儲層物性要求較高,通常要求孔隙度大于10%,甚至大于15%時才能獲得相對準確的解釋結果。目前,現場開展的低孔隙度儲層飽和度測井試驗,其儲層孔隙度基本都高于10%[5-9],而對于類似塔里木盆地這種致密砂巖儲層飽和度測井卻鮮有報道。自氣田投入開發以來,由于長期缺乏有效的實測資料,對剩余氣分布規律、氣水界面變化情況認識不清,制約了氣田合理開發和優化調整。針對此問題,在迪那2氣田分別開展了熱中子成像測井系統(Thermal Nutron Imaging System,TNIS)、儲層性能監測儀(Reservoir Performence Monitor,RPM)和儲層動態測井儀(Reservoir Dynamic Tool,RDT)這3種測井儀器的對比測井試驗,探索致密砂巖儲層飽和度監測技術的適用性和可行性,旨在為同類型致密砂巖儲層飽和度測井提供借鑒。

1 氣田概況及存在的問題

迪那2氣田位于塔里木盆地庫車坳陷秋里塔格構造帶,為受背斜控制的異常高壓塊狀底水凝析氣田。該氣田目的層為古近系蘇維依組和庫姆格列木群,以粉砂巖、細砂巖為主,其次為含礫砂巖、砂礫巖,儲層裂縫發育,非均質性強,基質孔隙度6%～10%,滲透率(0.01～1.00)×10-3μm2,地層水礦化度160 000 mg/L,水型為氯化鈣型,為典型的裂縫型致密砂巖儲層。

迪那2氣田于2009年投產,2016年部分井開始出現見水跡像,目前氣田邊部已出現多口見水井,如何評價儲層氣體動用程度、分析儲層水淹狀況成為當下氣田開發的首要任務。由于致密砂巖儲層尚無飽和度測井先例,為客觀評價不同測井儀器的優缺點,同時開展了TNIS、RPM 和RDT飽和度測井,以優選適用于氣田地質特征的測井儀器,為氣田后期開發調整和綜合治理提供依據。

2 測井儀器對比

2.1 測井原理

2.1.1TNIS

TNIS利用可控的脈沖中子管向地層發射14 MeV的高能快中子,高能快中子經過一系列的非彈性碰撞和彈性碰撞后,當其能量與組成地層的原子處于熱平衡狀態時,中子不再減速,此時中子稱為熱中子,它的能量約為0.025 eV,與地層原子發生的反應主要是熱中子俘獲。利用該儀器的2個3He探測器探測沒有被地層俘獲的熱中子,記錄從高能快中子束發射開始15～2 700 μs時間內的熱中子俘獲和計數率衰減狀況,以15 μs作為1個時間道,每個探測器均將其時間譜記錄分成180個時間道,根據各道記錄的熱中子計數率生成熱中子俘獲譜和熱中子衰減譜,以成像方式顯示,可快速、直觀地分辨近井地帶的油氣水分布,計算含水飽和度[6-9]。

2.1.2RPM

RPM通過脈沖中子發生器發射的14 MeV高能快中子進入地層后,與地層中的原子發生熱中子俘獲、非彈性碰撞和彈性碰撞3種核反應,儀器上的3個NaI探測晶體記錄核反應產生的伽馬射線,采集熱中子俘獲計數率與時間衰減譜或元素能量譜,從而探測地層信息。與3種核反應相對應的代表性測量項目分別是熱中子俘獲譜、碳氧比能譜和氣體探測。中子在傳播過程中能量衰減越少則傳播距離越遠,儀器通過短源距和超長源距伽馬射線計數率差別預測含氫指數,而儲層中氣體和液體的含氫指數有明顯差別,可以利用這個原理預測地層的氣體飽和度[10-11]。

2.1.3RDT

RDT是新一代脈沖中子全譜成像測井儀器,它利用高通量脈沖中子發生器向地層發射14 MeV高能快中子,高能快中子進入地層后發生非彈性碰撞、彈性碰撞和熱中子俘獲。儀器通過3個高精度探測器(即短、長LaBr3探測器和超長NaI探測器)分別記錄非彈性碰撞伽馬和俘獲伽馬時間譜及元素能量譜,分析地層中的各種元素及其含量,計錄碳氧比、熱中子俘獲截面、快中子截面(FNXS)等參數,劃分儲集層、識別巖性特征、計算孔隙度和流體飽和度等參數?？熘凶咏孛媸荝DT區別其它測井儀器的一個最主要參數,它是地層巖石固有的物理屬性,表征地層原子與快中子發生碰撞的幾率,與單位體積下地層原子數量有關。FNXS對氣的響應非常敏感且受巖性、泥質影響小,是識別致密層中含氣層的有利手段[12-13]。

2.2 解釋方法

TNIS測井選擇經典的巖石物理體積模型進行飽和度定量計算,利用泥質含量、孔隙度等參數,采用地層熱中子宏觀俘獲截面曲線計算含水飽和度,從而得到含氣飽和度。

Σ=(1-φ-Vsh)Σma+VshΣsh+φSwΣw+

φ(1-Sw)Σh

(1)

(2)

Sg=1-Sw

(3)

式中,Σ為地層熱中子宏觀俘獲截面,c.u.(1)非法定計量單位,1 c.u.=10-3 cm-1,下同;Σma為巖石骨架熱中子宏觀俘獲截面,c.u.;Σw為地層水熱中子宏觀俘獲截面,c.u.;Σh為油氣熱中子宏觀俘獲截面,c.u.;Σsh為泥質的熱中子宏觀俘獲截面,c.u.;Vsh為泥質含量,%;φ為地層孔隙度,%;Sw為地層含水飽和度,%;Sg為地層含氣飽和度,%。

RPM在數據處理時引入蒙特卡羅模型,利用超級計算機群模擬每個高能快中子進入地層后發生核反應的伽馬射線計數率,得到儀器理論響應值圖版。由于每個高能快中子進入地層后的核反應是隨機的,為了達到統計精度,每個模型點的統計都會進行超過5 000萬次的模擬,從而得到理論水線和氣線。實際應用時,根據實測曲線與氣線、水線的相對比例計算得到含氣飽和度。

RDT利用FNXS對氣體的敏感性特征,識別儲層含氣性,定性劃分氣層、差氣層和干層,采用體積模型定量計算含水、氣飽和度。FNXS采用式(4)進行計算,對于純砂巖儲層FNXS值為6.84 m-1,實測值小于該值為含氣顯示。

GRAT=(CT-0.3×CG)/CN

FNXS=A-ln (GRAT×100)×B

(4)

式中,GRAT為與計數率有關的比值;CT為超長源距非彈性碰撞計數率,cps;CG為超長源距俘獲伽馬計數率,cps;CN為短源距非彈性碰撞計數率,cps;A、B是與儲層巖石、流體性質及油套管尺寸相關的經驗系數,m-1。

利用蒙特卡羅方法模擬純砂巖儲層0%～100%含氣條件下的GRAT值及其對應的FNXS值,通過式(4)得到A值范圍為6.5～7.0 m-1,B值范圍為0.3～0.5 m-1,A、B隨測試井井筒條件不同而略有變化。對于特定的測試井,選取儲層中典型的泥巖和含氣層,給定初始A=6.5 m-1、B=0.3 m-1計算FNXS,調整A、B使其FNXS值落在純水線(又稱骨架線)和純氣線上,得到測試井的A、B值,進而求得測試井儲層段的FNXS值。

3 應用實例

3.1 迪那2-X井簡況

迪那2-X井2019年投產,層位為古近系蘇維依組,井筒內管柱為全通徑,儀器可下至目的層。該井測井段為4 732.5～4 855.0 m,裸眼測井解釋氣層共10層25.5 m,孔隙度7.9%～11.7%,厚度加權平均9.8%;差氣層共7層16.0 m,孔隙度6.2%～8.4%,厚度加權平均6.8%;整體平均孔隙度為8.8%,為典型的致密砂巖儲層。

3.2 效果評價

3.2.1質量評價

3種測井儀器同時在迪那2-X井開展試驗,儀器熱中子俘獲截面重復性對比見圖1。主測值與復測值曲線表明,3種儀器曲線重復性良好,統計誤差在允許范圍之內,資料品質優。整體而言,3種儀器性能穩定、反應靈敏,資料質量可信度高,滿足解釋要求。

圖1 儀器熱中子俘獲截面重復性對比

3.2.2資料分析

TNIS測井成果見圖2。TNIS在氣層的響應特征為:長短源距熱中子計數率出現較大正差異,且數值整體較高;熱中子衰減譜兩峰出現差異,后峰明顯后曳;熱中子俘獲譜邊緣幅度較高,顯示較高的中子壽命;環周成像顏色呈淺黃色,熱中子俘獲截面值顯示為低值?；谝陨吓袛?第5道長短源距熱中子計數率疊合顯示氣層、差氣層都有明顯包絡,但區分不明顯,而干層也存在包絡現象,如第2～5、21、23小層。第6～9道分別為熱中子俘獲譜、熱中子衰減成像、熱中子俘獲成像和環周成像,氣層、差氣層均有響應,表現為熱中子俘獲成像幅度較高、顏色較淺、熱中子俘獲截面呈低值,但同時存在某些差氣層響應反而較氣層更明顯的情況,如第19、22、24、25小層;某些干層也表現為氣層響應,如第18、21、23小層。整體而言,TNIS在識別儲層上無明顯優勢,無法有效識別氣層和干層。

圖2 迪那2-X井TNIS測井成果圖

RPM測井成果見圖3。由于該井射孔底界井筒有積液,為驗證不同井筒校正模式對測井結果的影響,先以井筒為氣的校正模式測井,然后在積液面上下30 m內進行井筒為液的校正模式測井,結果顯示2次測井參數重合性好,表明不同的井筒校正模式對測井結果沒有影響。第8道超長、短源距熱中子計數率疊合顯示,在氣層、差氣層有明顯的包絡顯示,對應熱中子俘獲截面呈低值,在干層基本沒有包絡,熱中子俘獲截面呈高值,但在個別干層、差氣層識別上存在偏差,如第21、23干層和第22差氣層。整體而言,RPM能有效識別出儲層,效果優于TNIS測井。解釋結果表明,目前該井縱向上不同深度儲層飽和度均有衰減,呈均衡動用,未出現局部儲層飽和度大幅降低或未動用現象,與該區塊縱向連通性好且相吻合(壓力測試資料顯示不同層系為統一壓力系統)。

圖3 迪那2-X井RPM測井成果圖*非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

RDT測井成果見圖4。該井RDT采用全組合模式進行測井,錄取了非彈性碰撞、熱中子俘獲、碳氧比、儲層孔隙度等全譜參數。通過將多種實測曲線相互疊合,探索各參數在氣層、差氣層和干層上的響應。第3道是TRAT(長短源距熱中子俘獲計數率比)與CIRD(超長源距非彈性碰撞計數率/超長源距熱中子俘獲計數率)的疊合,第4道是AC(聲波時差)與SATG(長源距非彈性碰撞計數率/長源距熱中子俘獲計數率)的疊合,利用曲線包絡面積識別出氣層和干層,但氣層和差氣層區分不明顯,如第10、19、24小層。第5道是3個不同源距熱中子俘獲計數率疊合,對氣層、差氣層和干層的識別效果不佳,如第6～17小層。第6道是該井快中子截面與純砂巖快中子截面的疊合,其綠色填充面積識別出了氣層、差氣層和干層,效果優于第7道熱中子俘獲截面對儲層含氣性的識別能力。第7道熱中子俘獲截面與地區熱中子俘獲截面(經驗值)疊合,將部分干層識別為儲層,如第1、21、23小層。與裸眼測井結果對比,RDT測井儲層飽和度也顯示了不同程度的衰減,其幅度與RPM測井的衰減幅度略有差別,主要原因是2種測井儀器精度、誤差不同所致,但儲層動用和衰減趨勢與實際認識相符。

圖4 迪那2-X井RDT測井成果圖(飽和度)

在遺漏層識別方面,第18小層裸眼解釋為干層,該次RDT測井解釋本小層孔隙度為5%,熱中子俘獲截面較其它干層(如第1～5小層)明顯偏低,長短源距熱中子俘獲計數率曲線均有包絡顯示,且快中子截面(FNXS)值為6.78 m-1,低于純砂巖快中子截面值,表明該小層含氣,因此,綜合解釋為差氣層。

4 結 論

(1)TNIS探測未被地層俘獲的熱中子,以成像方式顯示熱中子衰減譜和熱中子俘獲譜,具有快速、直觀的特點;RPM利用氣體探測測量伽馬射線在空間域上的衰減,具有測量速度快、趟數少的特點;RDT探測非彈性碰撞伽馬和俘獲伽馬時間譜及元素能量譜,一次下井可以測量多種參數,具有識別效果好、精度高的特點。

(2)3種儀器對比測井表明,RDT測井效果最佳,其特有的快中子截面參數能有效識別氣層、差氣層和干層;RPM測井效果次之,其氣體探測對儲層含氣性有較好的敏感性;而TNIS測井獲得的熱中子俘獲截面和長短源距熱中子計數率比與RDT、RPM相同參數相比無明顯優勢,其熱中子衰減成像技術無法有效識別氣層和干層。

(3)迪那2-X井飽和度測井的成功應用,實現了致密砂巖儲層飽和度測井探索,驗證了不同測井儀器的可行性和適用性,為塔里木及其它油田同類型儲層飽和度監測提供了借鑒。由于現場試驗選取的測井段無水淹層,3種測井儀器對水淹層的識別效果還需進一步驗證。