水淹層熱中子成像測井解釋與分級方法

屈亞龍,裴宸育,李衛兵,喻 臻,鐘曉勤,譚茂金,張天涯

(1.中國石油長慶油田石油勘探開發研究院,陜西西安 710071;2.中國地質大學(北京)地球物理與信息技術學院,北京 100083;3. 海洋油氣勘探國家工程研究中心井筒探測技術分中心,北京 100083;4.中國石油長慶油田分公司油田開發事業部,陜西西安 710071)

當油田開發進入中高含水階段后,開采層的含油氣飽和度逐漸下降,地層含水量增多,水淹程度逐漸增大,導致剩余油分布狀況復雜,對測井響應產生了復雜影響,此時利用常規測井方法進行水淹層識別與水淹等級劃分難度較大。準確評價水淹層,提高中高含水油田的采收率,研究剩余油分布規律是油田開發進入中高含水階段后面臨的首要問題[1-2]。常規測井技術在剩余油飽和度評價中存在不足與缺陷,依據阿爾奇公式求取的含水飽和度進行水淹程度評價時,由于地層水化驗分析樣本較少、范圍較小,導致計算的含水飽和度與實際地層含水飽和度存在差異,不能反映地層真實含水情況[3],不能滿足油田開發生產的需求。

熱中子成像(TNIS)測井利用脈沖中子發生器的Sigma(Σ)型飽和度測量儀,相比傳統的中子壽命測井(TNL),熱中子測井在熱中子俘獲能力較差的地層(如低礦化度)仍有較高的熱中子計數率,因而提高了測井解釋的精度。在“三低”(低孔、低滲、低礦化度)油藏的剩余油飽和度評價中,熱中子成像測井技術利用熱中子的衰減矩陣數據和俘獲矩陣數據得到熱中子衰減譜和俘獲截面成像圖,為地層剩余油飽和度計算提供了豐富的測井信息[4]。在高溫高壓、低礦化度和儲層物性差異大的油藏剩余油評價中,可以利用熱中子成像測井的衰減譜和俘獲截面成像圖,直觀地判別近井地帶的剩余油分布并計算含油氣飽和度[5]。

本文在熱中子成像測井原理的基礎上,推導了地層孔隙度和含水飽和度計算公式。通過熱中子宏觀俘獲截面和根據俘獲截面計算出的含油飽和度建立交會圖版,進行水淹層識別與水淹等級劃分。鄂爾多斯盆地長8段的實際應用結果表明,熱中子成像測井在水淹層識別與水淹層等級劃分中效果良好。

1 熱中子成像測井原理

熱中子成像測井利用儀器向地層發射14MeV的快中子,每次發射時間為1～3μs,經過一系列的非彈性碰撞(10-2～10-1μs)和彈性碰撞(100～103μs),中子與地層原子核發生俘獲反應并逐漸減速,直到中子的能量與組成地層的原子處于熱平衡狀態時,中子不再減速,此時稱為熱中子,能量約為0.025eV,速度為2.2×105cm/s。根據熱中子在衰減過程中形成的衰減譜和成像譜可以快速、直觀地判斷油水層。熱中子成像測井記錄的時間間隔為8μs,每個周期為75ms,每秒發射13或14次。TNIS儀器記錄快中子束發射15μs后2700μs內的熱中子記數率,并間隔15μs記錄其時譜,共記錄180道,從中提取地層宏觀俘獲截面[6-8]。熱中子成像測井探測的是快中子經過地層減速后尚未被地層俘獲的熱中子,而傳統的中子壽命測井儀器是探測熱中子被地層俘獲后放射出來的二次伽馬射線。這種記錄方式的變化,可以較大幅度提高低礦化度、低孔隙度地層的計數率,得到更為精確的測量結果。

地層中不同的元素對熱中子具有差異極大的俘獲能力,其中的硼、鋰、氯元素是熱中子的強俘獲劑,氫、碳、氧和鈣、硅、鉀、鐵、硫等元素是熱中子的弱俘獲劑,因此,根據俘獲截面測井可辨別含氯水層、鹽巖層與油氣層,也可根據硼、鋰含量多少區分泥巖、頁巖、砂巖和其它化學巖及蒸發巖。熱中子的俘獲反應被應用在中子壽命和氯能譜測井中,中子壽命測井用俘獲伽馬射線計數率換算出地層的熱中子壽命和地層宏觀俘獲截面Σ值,氯能譜測井通過能譜開窗測量地層的含氯指數,計算地層的視礦化度,TNIS測井用此原理測量俘獲熱中子的速率并換算出測點的地層宏觀俘獲截面Σ值,進而形成獨特的矩陣文件(成像文件)。測點中的Σ值是中子源到探測器的一段地層俘獲熱中子的能力之和,值越高,表明地層俘獲熱中子能力越強。

熱中子成像測井依賴探測器高精度的優勢,使得熱中子可在地層中以核譜成像的方式顯示。熱中子衰減譜記錄了經地層衰減后熱中子計數率隨時間的變化情況,衰減譜后時間道后曳時間長,代表中子壽命值高,由于礦化度高的水層比淡水或油層的中子壽命小得多,這樣可以區分油層和水層。成像測井中的俘獲截面成像顯示不同區域的熱中子俘獲情況,其顏色由白→黃→紅→黑,表示熱中子俘獲截面由小到大[9]。用成像邊緣幅度表示熱中子處于熱平衡狀態,通過俘獲成像圖顏色變化判定儲層含油性高低,顏色越黃表示含油性越好[10](圖1)。需要注意的是:當儲層物性條件較好時,水層的俘獲成像也會呈黃色,此時,區分油水層需要結合含水飽和度計算結果和其它測井曲線進行綜合判斷。

圖1 典型的熱中子衰減譜和俘獲截面成像(俘獲截面的單位C.U.為10-3cm-1)

2 水淹層識別及水淹級別劃分方法

TNIS在套管井條件下完成測量,分別利用自然伽馬曲線、聲波時差曲線和深感應曲線計算泥質含量、孔隙度和含油飽和度。通過TNIS測得的Σ曲線可以計算含水飽和度和含油飽和度[11]。下面詳細介紹具體計算方法。

利用自然伽馬曲線計算泥質含量Vsh,公式為:

(1)

(2)

式中:GCUR為希爾奇指數,古近—新近系地層取3.7,老地層取2.0;Ish為泥質指數;γ表示解釋層段的伽馬曲線數值;γmax,γmin分別表示純泥巖層和純砂巖層的自然伽馬數值。

利用聲波時差測井計算地層孔隙度φ,公式為:

(3)

式中:Δt,Δtma,Δtsh,Δtf分別為聲波時差測井值、巖石骨架聲波時差值、泥巖聲波時差值和流體聲波時差值;Cp為壓實校正系數。

計算得到泥質含量Vsh和地層孔隙度φ后,結合熱中子TNIS測得的宏觀俘獲截面,計算地層含水飽和度Sw和含油飽和度So,公式為:

Σ=(1-φ-Vsh)Σma+VshΣsh+φSwΣw+
φ(1-Sw)Σh

(4)

(5)

So=1-Sw

(6)

式中:Σ為TNIS測量獲得的熱中子宏觀俘獲截面;Σma為地層骨架熱中子宏觀俘獲截面;Σw為地層水熱中子宏觀俘獲截面;Σh為油的熱中子宏觀俘獲截面;Σsh為泥質的熱中子宏觀俘獲截面。

表1列出了幾種常見巖石骨架和流體的宏觀俘獲截面Σ的取值。

表1 常見巖石骨架宏觀俘獲截面Σ值

巖石不是由純礦物組成,都含有雜質,通常巖石的俘獲截面比礦物要大,一般砂巖俘獲截面值為8～13C.U.,長石砂巖比石英砂巖要大,因為地層骨架俘獲截面隨礦物成分變化,所以,礦物成分的確定對于準確的參數選取起決定性作用,根據薄片分析資料統計,研究區平均石英含量23.70%,長石含量50.15%,還有其它少數礦物。根據資料,長石砂巖截面為13,石英砂巖為8,巖石骨架宏觀俘獲截面Σ值實際采用12。

因為地層水俘獲截面為已知,礦物俘獲截面由于巖性的變化存在一定的不確定性,所以,綜合利用圖版和地質資料適當調整選取骨架俘獲截面值。根據地層水中常見離子濃度,利用轉換系數求出等效氯化鈉濃度,即總礦,根據總礦和俘獲截面的關系式計算地層水的俘獲截面,根據試油資料水性統計,長8段總礦平均15g/L。長8段地層水俘獲截面27C.U.;油的熱中子宏觀俘獲截面Σh取經驗值20C.U.。

根據熱中子成像測井原理和上述孔隙度、飽和度計算公式,再結合熱中子俘獲截面成像圖,可進行儲層解釋和水淹層劃分[12-14]?；谠摰貐^生產數據的含水率,對不同儲層的宏觀俘獲截面取值和成像顯示進行了研究與總結,建立了TNIS測井解釋標準,如表2所示。將熱中子宏觀俘獲截面以及根據俘獲截面算出的含油飽和度作交會圖版,可區分水層、油層與水淹層。

表2 TNIS測井解釋標準

3 應用實例與分析

鄂爾多斯盆地安塞油田長8段致密砂巖儲層物性較差,孔隙結構復雜,是典型的低壓、低滲、低豐度油田,不僅開采難度大,而且隨著油藏開采時間的增加,油井遞減加速、含水上升等問題越來越嚴重。由該地區地層水分析資料可知地層水礦化度普遍較高(>15g/L),屬于高礦化度地層,水型以NaCl和CaCl2為主,氯離子濃度大于15g/L。利用熱中子成像測井技術可以對研究區地層進行水淹層測井解釋。

通過熱中子宏觀俘獲截面和利用俘獲截面算出的含油飽和度建立交會圖版可以判別是否水淹,或者劃分水淹級別,如圖2所示。圖2a顯示了8口井的37個水層,6個油層和24個水淹層,作油水層的交會圖版,可區分水層、油層與水淹層。圖2b為24個低水淹層、中水淹層、高水淹層的交會圖版。從圖中可以看出,在確定水淹層之后,對于水淹級別劃分,該交會圖版具有較好的區分效果。結合常規解釋結論,通過熱中子衰減譜和俘獲成像,TNIS對水淹層精細識別與劃分具有一定優勢。

圖2 熱中子宏觀俘獲截面與含油飽和度交會圖判別水淹層a 水淹層與未水淹層識別; b 水淹級別劃分

根據熱中子宏觀俘獲截面計算的儲層含水飽和度,結合熱中子衰減譜和俘獲成像對研究地區安313-52井和盤加35-402A井進行測井解釋。安313-52井部分層段常規測井解釋為儲層,熱中子成像測井解釋則判斷為非儲層,圖3為該井熱中子成像測井解釋成果。常規電阻率測井將1716.5～1719.5m層段解釋為干層,1725.9～1727.4m、1734.1～1735.3m和1751.3～1753.0m層段判斷為水層。但在熱中子成像解釋成果圖中,這幾個層段均無孔隙,且熱中子俘獲成像邊緣幅度低,顏色呈紅黑色,沒有含油性顯示,TNIS判斷為非儲層;第16號層(1736.8～1744.5m)中子壽命曲線值增大,宏觀俘獲截面曲線值減小,計算孔隙度為17.7%,地層俘獲截面值為23.1C.U.,通過宏觀俘獲截面計算的含水飽和度為95.5%,衰減譜后曳時間長,俘獲成像邊緣幅度較高,顏色為淺黃色,判斷為水層;18號層(1761.9～1765.8m)中子壽命曲線值也有所增大,俘獲成像邊緣幅度相較于上方非儲層有所增大,顏色呈亮紅色,計算孔隙度為14.6%,地層俘獲截面值為24.1C.U.,TNIS計算的含水飽和度為94.7%,解釋為水層。

圖3 安313-52井熱中子成像測井解釋成果

對盤加35-402A井進行水淹層識別與水淹級別劃分,圖4為該井熱中子成像測井解釋成果圖。97-1號層(1801.3～1805.5m)熱中子壽命曲線值增大,宏觀俘獲截面值減小,衰減譜有后曳現象,熱中子俘獲成像呈現亮黃色,且成像幅度相對較高,顯示了較好的含油性,定量評價后孔隙度為13.9%,地層俘獲截面值為19.4C.U.,含油飽和度為38.1%,解釋為中水淹層;97-2號層(1805.5～1807.6m)熱中子壽命曲線值相對其上方97-1號層減小,俘獲截面值增大,衰減譜無拖曳,熱中子俘獲成像邊緣幅度相對上方層位明顯減小,顏色變紅,表明含油性相對上方層位變差,通過定量計算孔隙度為13.5%,地層俘獲截面值為20.4C.U.,含油飽和度為24.7%,解釋為高水淹層;98-1號層(1810.5～1811.6m)相較于98-2層(1811.6～1816.3m)熱中子壽命曲線值明顯要低,而宏觀俘獲截面值要大,熱中子俘獲成像邊緣幅度也明顯比98-2號層段小,顏色呈深紅色,而98-2號層段俘獲成像呈亮黃色,表明98-1號層含油性很差,98-2號層含油性較好。通過定量計算98-1號層孔隙度為13.4%,地層俘獲截面值為20.6C.U.,含油飽和度為27%,98-2號層孔隙度13.8%,地層俘獲截面值為18.6C.U.,含油飽和度46.1%。因此,98-1號層解釋為高水淹層,98-2號層解釋為低水淹層。

將上述地層孔隙度計算結果與對應深度巖心實驗孔隙度數據對比,計算誤差為6.7%;將上述解釋結論與生產資料中的含水率進行對比,解釋結論與生產資料結果一致。從圖4可以看出,儲層水淹后自然電位變化平緩,無法判斷水淹級別,而通過熱中子俘獲成像圖幅度和顏色的變化情況來反映儲層水淹級別的變化則具有較大的優勢。

圖4 盤加35-402A井熱中子成像測井解釋成果

受儲層非均質性影響,超低滲油藏水淹程度差異大,剩余油分布不清。注水前后,儲層的測井響應特征變化大,受儀器分辨率的限制,常規測井無法準確反映某些微觀的物理性質變化,導致水淹層識別難。TNIS獨特的測量方法克服了標準中子壽命測量儀器中存在的在低礦化度情況下,不能有效區分油水層位的問題。TNIS數據分析解釋系統將成像數據利用矩陣解析方法整合成熱中子俘獲成像和熱中子衰減譜兩種模式,使得TNIS的解釋結果更加完美。當地層中充滿高礦化度流體時,俘獲截面值明顯比充滿低礦化度流體和原油的俘獲截面值大。熱中子成像測井適用于高、低礦化度地層水地層。鄂爾多斯盆地長8段注水井礦化度滿足熱中子成像測井測量條件,故能夠依據反映儲層巖性、物性、含油性的GR-TNIS、SIGMA、RATIO等熱中子成像測井資料的變化特征,根據儲層特性及含油飽和度的大小,確定儲層的動用狀況。

4 結論

1) 熱中子成像測井將熱中子在地層中衰減、俘獲的過程以成像方式加以顯示,可直觀、快速判斷儲層特性,而且能夠識別水淹層。

2) 熱中子成像測井可以計算得到宏觀俘獲截面,其大小與含油性有關,據此可以實現飽和度計算與水淹等級劃分。

3) 在鄂爾多斯盆地長8段地層中,熱中子成像測井能有效地判斷油、水層并劃分水淹等級。