薛素麗, 諸葛月英, 閆愛(ài)華, 郭發(fā)軍, 李康, 衛(wèi)香莉, 王紅梅
(1.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司華北事業(yè)部, 河北 任丘 062552;2.中國(guó)石油華北油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院, 河北 任丘 062552)
華北油田冀中地區(qū)油藏的地質(zhì)年代跨度大,從新生界到太古界,以第三系的砂泥巖油藏和古潛山碳酸鹽油藏為主。大部分油藏埋藏深度范圍為2 000~4 000 m,地層溫度主要分布范圍80~150 ℃,壓力分布范圍為10~40 MPa,儲(chǔ)層孔隙度分布范圍為8%~35%,滲透率為0.01~1 000 mD*非法定計(jì)量單位,1 mD=9.87×10-4 μm2, 下同,既有低孔隙度低滲透率儲(chǔ)層又有高孔隙度高滲透率儲(chǔ)層。地層水Cl離子濃度主要分布范圍1 000~20 000 mg/L,少部分油藏地層水Cl離子濃度大于20 000 mg/L,地層水Cl離子最低濃度約400 mg/L。冀中地區(qū)已進(jìn)入開(kāi)發(fā)中后期,一般多套層系同時(shí)開(kāi)發(fā),不同層系間、層間物性差異大,油水關(guān)系復(fù)雜,大部分主力油藏水淹程度較高,剩余油分布情況復(fù)雜。常用的PND、RST、RPM、RMT、PSSL全譜剩余油飽和度測(cè)井技術(shù)[1-5]主要采用非彈測(cè)量模式和俘獲測(cè)量模式,非彈測(cè)量模式不受地層水礦化度的影響,但對(duì)地層孔隙度的要求較高;俘獲測(cè)量模式適于高礦化度儲(chǔ)層。PNN測(cè)井通過(guò)探測(cè)沒(méi)有被地層俘獲的熱中子,在低礦化度、低孔隙度條件下可以保持較高的熱中子計(jì)數(shù)率,提高了在低礦化度低孔隙度地層的測(cè)量精度[6-7],但是,仍然難以滿足冀中地區(qū)低礦化度低孔隙度儲(chǔ)層的要求。2013年9月中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司華北事業(yè)部引進(jìn)了在PNN測(cè)井技術(shù)上發(fā)展起來(lái)新的測(cè)井技術(shù)——TNIS(Thermal Neutron Imaging System)熱中子成像測(cè)井系統(tǒng)。與PNN測(cè)井儀相比TNIS測(cè)井系統(tǒng)的中子發(fā)生器產(chǎn)額更高、更穩(wěn)定,儀器性能更加穩(wěn)定。其熱中子俘獲成像和熱中子衰減成像,使解釋結(jié)果更直觀。TNIS測(cè)井記錄的熱中子時(shí)間譜更長(zhǎng),記錄點(diǎn)加密,在低礦化度低孔隙度儲(chǔ)層表現(xiàn)更加優(yōu)良。目前共在冀中地區(qū)測(cè)井20井次,取得了較好的應(yīng)用效果。
TNIS簡(jiǎn)稱熱中子成像測(cè)井系統(tǒng),儀器向地層發(fā)射14.1 MeV的快中子,經(jīng)過(guò)一系列的非彈性碰撞(10-8~10-7s)和彈性碰撞(10-6~10-3s),當(dāng)中子的能量與組成地層的原子處于熱平衡狀態(tài)時(shí),中子不再減速,稱為熱中子。此時(shí)它的能量約為0.025 eV,與地層原子核發(fā)生的反應(yīng)主要是俘獲反應(yīng)。該儀器利用2個(gè)高精度3He探測(cè)器,探測(cè)沒(méi)有被地層俘獲的熱中子,記錄從快中子束發(fā)射后15~2 700 μs時(shí)間內(nèi)的熱中子計(jì)數(shù)率衰竭狀況,以每15 μs作為1個(gè)時(shí)間道,每個(gè)探測(cè)器均將其時(shí)間譜記錄分成180個(gè)時(shí)間道,根據(jù)各道記錄的熱中子計(jì)數(shù)率生成熱中子衰減譜和地層熱中子俘獲譜,直觀分辨近井地帶的油氣水分布,計(jì)算含水飽和度。
利用MCNP軟件對(duì)TNIS測(cè)井在低礦化度下孔隙流體性質(zhì)識(shí)別能力進(jìn)行研究[8-9]。MCNP是一種能夠模擬連續(xù)能量的粒子在任意幾何形狀的模型中輸運(yùn)且與時(shí)間相關(guān)的大型通用模擬軟件。模擬時(shí)建立相應(yīng)的計(jì)算模型,通過(guò)逐一記錄單個(gè)粒子的歷程,對(duì)粒子和原子核發(fā)生碰撞時(shí)的位置、能量、運(yùn)動(dòng)方向、反應(yīng)類型、源分布等多方面進(jìn)行抽樣,最終通過(guò)大量粒子的平均結(jié)果反映粒子在物質(zhì)中的輸運(yùn)過(guò)程。
模型由3部分構(gòu)成(見(jiàn)圖1):①TNIS測(cè)井儀由中子源、遠(yuǎn)、近探測(cè)器組成;②井眼由流體、套管和水泥環(huán)組成;③地層。
圖1 TNIS蒙特卡羅模擬計(jì)算模型
模擬條件:儀器直徑43 mm,中子源脈沖寬度3 μs,發(fā)射2×108個(gè)能量為14.1 MeV的熱中子,近、遠(yuǎn)探測(cè)器源距分別為430、652 mm;井眼流體為淡水,井眼直徑215.9 mm,水泥環(huán)厚度38.1 mm,套管外徑139.7 mm,壁厚7.72 mm;地層為純砂巖
(SiO2),厚度120 cm,半徑65 cm,純砂巖Σma值9 c.u.*,原油的Σo值為18 c.u.。模擬地層水礦化度(NaCl濃度)分別為10 000、6 000、4 000 mg/L,地層水俘獲截面Σw分別為25.5、24.2、23.5 c.u.,地層孔隙度分別為30%、20%、10%,含油飽和度分別為0%、30%、70%。模擬近探測(cè)器處記錄的熱中子時(shí)間譜,記錄時(shí)間為快中子束發(fā)射后15~2 700 μs,每道為15 μs。為了減少統(tǒng)計(jì)漲落的影響,統(tǒng)計(jì)的熱中子計(jì)數(shù)率截止時(shí)間是從快中子束發(fā)射到熱中子衰減到計(jì)數(shù)率為1 s-1時(shí)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。
通過(guò)MCNP模擬計(jì)算得到不同礦化度、孔隙度、含油飽和度模擬條件下地層俘獲截面和近探測(cè)器的計(jì)數(shù)率截止時(shí)間對(duì)比表(見(jiàn)表1)。
表1 低礦化度儲(chǔ)層蒙特卡羅數(shù)值模擬對(duì)比表
*非法定計(jì)量單位,1 c.u.=10-3cm-1,下同
蒙特卡羅數(shù)值模擬結(jié)果顯示,在礦化度(NaCl濃度)為4 000~10 000 mg/L、孔隙度大于20%的地層,利用俘獲截面和計(jì)數(shù)率截止時(shí)間均可以分辨油水關(guān)系。礦化度(NaCl濃度)為4 000~6 000 mg/L、孔隙度為10%的地層,不同含油飽和度的俘獲截面差值和相對(duì)變化率明顯減小,說(shuō)明隨著礦化度和孔隙度的同時(shí)降低,俘獲截面的油水分辨能力明顯減弱。表1中不同含油飽和度的計(jì)數(shù)率截止時(shí)間差值為15~92 μs,相差1~6個(gè)時(shí)間道,所有低礦化度模擬條件下,計(jì)數(shù)率截止時(shí)間相對(duì)變化率均明顯高于俘獲截面的相對(duì)變化率。表1中計(jì)數(shù)率截止時(shí)間相對(duì)變化率是截止時(shí)間差值與全部記錄時(shí)間的比值,通過(guò)截取尾部時(shí)間譜,還可以放大截止時(shí)間差異,在礦化度(NaCl濃度)為4 000~6 000 mg/L、孔隙度為10%的地層,也可以很好地分析油水關(guān)系,說(shuō)明TNIS測(cè)井利用熱中子計(jì)數(shù)率成像可以輔助俘獲截面成像在低礦化度、低孔隙度儲(chǔ)層更好地分析油水關(guān)系。
PNN測(cè)井記錄快中子束發(fā)射后30~1 800 μs的熱中子計(jì)數(shù)率,每道為30 μs。而TNIS測(cè)井記錄快中子束發(fā)射后15~2 700 μs的熱中子計(jì)數(shù)率,每道為15 μs。TNIS測(cè)井記錄的熱中子時(shí)間譜更長(zhǎng),記錄點(diǎn)加密。從表1可以看到,在礦化度(NaCl濃度)為4 000~10 000 mg/L、孔隙度為10%的地層,TNIS測(cè)井計(jì)數(shù)率截止時(shí)間為1 800~2 000 μs,超出了PNN測(cè)井記錄的時(shí)間譜。因此,在低礦化度、低孔隙度儲(chǔ)層TNIS測(cè)井比PNN測(cè)井油水識(shí)別能力更強(qiáng)。
TNIS測(cè)井充分利用了儀器記錄的全部熱中子時(shí)間譜,時(shí)間譜的尾部雖然受到統(tǒng)計(jì)起伏的影響,但TNIS測(cè)井儀具有統(tǒng)計(jì)起伏小和停機(jī)測(cè)量的功能,并且通過(guò)解譜軟件將熱中子衰減尾部的統(tǒng)計(jì)漲落避去,能保留較多的孔隙流體信息,提高了在低孔隙度、低礦化度儲(chǔ)層的流體性質(zhì)識(shí)別能力。
實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn),TNIS測(cè)井在孔隙度大于20%、地層水Cl離子濃度大于1 000 mg/L的儲(chǔ)層也可以識(shí)別油水關(guān)系。如,應(yīng)用實(shí)例中L1x、L2井地層水Cl離子濃度分別為1 098、991 mg/L。同樣在地層水Cl離子濃度大于40 000 mg/L、孔隙度大于5%的儲(chǔ)層也可以識(shí)別油水關(guān)系。如,應(yīng)用實(shí)例中Z1井,地層水Cl離子濃度為45 198.8 mg/L,15
~17號(hào)層孔隙度在4.85%~10.0%范圍內(nèi)。
采用改進(jìn)的φ—Σ交會(huì)圖法(見(jiàn)圖2)解決低礦化度非均質(zhì)儲(chǔ)層的飽和度計(jì)算[7]。圖2中橫坐標(biāo)是用孔隙度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的Σ,即ΣNor=Σ×φ。該解釋方法充分考慮了地層孔隙度、泥質(zhì)含量的影響。通過(guò)分別確定經(jīng)孔隙度校正后的純水線和純烴線,并對(duì)骨架的俘獲截面進(jìn)行泥質(zhì)含量校正,運(yùn)用內(nèi)插法計(jì)算含水飽和度。
圖2 改進(jìn)的φ—Σ交會(huì)圖
純水線計(jì)算式為
Σw100=[ΣmaSHC(1-φ)+Σwφ]φ
(1)
純烴線計(jì)算式為
Σw0=[ΣmaSHC(1-φ)+Σhφ]φ
(2)
式中,ΣmaSHC為經(jīng)過(guò)泥質(zhì)校正后的巖石骨架的宏觀俘獲截面,由式(3)計(jì)算
(3)
其他任何點(diǎn)的含水飽和度計(jì)算式為
(4)
式中,Σlog為地層俘獲截面的測(cè)井值,c.u.;Σma、Σsh、Σh、Σw分別為骨架、泥質(zhì)、烴、地層水俘獲截面,c.u.;Vsh、Vma分別為泥質(zhì)和純骨架在地層中的體積含量,%;φ為孔隙度,%。
該解釋方法排除了泥質(zhì)含量及孔隙度對(duì)測(cè)量值的影響,經(jīng)過(guò)孔隙度校正擴(kuò)大了孔隙流體的信息,提高了在低礦化度、低孔隙度地層的飽和度計(jì)算精度,適用于泥質(zhì)含量變化較大的非均質(zhì)地層。
在冀中地區(qū)共進(jìn)行TNIS熱中子成像測(cè)井20井次,目的層段均為第三系砂泥巖油藏,其中85%的井地層水Cl離子濃度低于10 000 mg/L(見(jiàn)圖3)。共解釋潛力層131個(gè)層,總厚度393.9 m(見(jiàn)表2)。根據(jù)TNIS熱中子成像測(cè)井資料實(shí)施卡層補(bǔ)孔作業(yè)14井次,經(jīng)試油和產(chǎn)出剖面驗(yàn)證,21個(gè)層符合,5個(gè)層不符合,解釋符合率為80.8%。這些油井測(cè)井前,含水率均大于9%。截止2015年8月措施作業(yè)累計(jì)增油14 481 t。
圖3 TNIS熱中子成像測(cè)井井次及其礦化度分布范圍
表2 2013至2015年冀中地區(qū)TNIS測(cè)井識(shí)別潛力層統(tǒng)計(jì)表
圖4 G1井TNIS測(cè)井解釋成果圖
4.2.1 識(shí)別低電阻率油水同層,找到完井解釋遺漏的潛力層
G1井油層段位于ES1、ES2,為砂泥巖地層,孔隙度分布范圍為11.4%~26.1%,地層水Cl離子濃度5 539.1~7 160.9 mg/L。2014年4月2日對(duì)該井進(jìn)行TNIS熱中子成像測(cè)井,經(jīng)資料處理解釋發(fā)現(xiàn)補(bǔ)8、補(bǔ)9號(hào)層2個(gè)完井解釋遺漏的潛力層(見(jiàn)圖4)。與10號(hào)層(水層)相比,在補(bǔ)8、補(bǔ)9號(hào)層熱中子俘獲譜后曳時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),熱中子衰減譜顯示后時(shí)間道還有一定量的熱中子,熱中子俘獲成像邊緣幅度較高。經(jīng)過(guò)定量計(jì)算,補(bǔ)8、補(bǔ)9號(hào)層的孔隙度分別為22.38%、14.21%,含油飽和度分別為32.95%、30.57%,將補(bǔ)8號(hào)層解釋為油水同層,補(bǔ)9號(hào)層物性相對(duì)較差,解釋為差油層。這2個(gè)層泥質(zhì)含量分別為34.67%、31.48%,泥質(zhì)含量較高,電阻率分別為3.0、3.5 Ω·m,而8號(hào)層(完井解釋和TNIS解釋均為油層)的電阻率為8.0 Ω·m,10號(hào)層(完井解釋和TNIS解釋均為水層)的電阻率為3.6 Ω·m。由于補(bǔ)8、補(bǔ)9號(hào)層泥質(zhì)含量高造成這2個(gè)層電阻率低,與水層相當(dāng),且2個(gè)層有效厚度分別僅有2.1、1.1 m,因此完井解釋遺漏了這2個(gè)潛力層。
4.2.2 識(shí)別水淹層
Z1井的油層段位于ES4,為砂泥巖地層,孔隙度分布范圍為4.85%~13.03%,滲透率為0.1~8.3 mD,為低孔隙度、中低孔隙度低滲透率地層,地層水Cl離子濃度為45 198.8 mg/L。該井于2000年7月射開(kāi)17~19號(hào)層投產(chǎn),2014年12月23日對(duì)該井進(jìn)行TNIS熱中子成像測(cè)井(見(jiàn)圖5)。與完井解釋成果對(duì)比,射孔層段17~19號(hào)層,含油飽和度明顯降低,且自然伽馬出現(xiàn)異常高值,有水淹跡象。17、18-1號(hào)層水淹程度較輕,解釋為低水淹層。18-2、19-2號(hào)層熱中子俘獲譜后曳時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),熱中子俘獲成像邊緣幅度高于19-1、19-3號(hào)層,解釋為中水淹層。在19-1、19-3號(hào)層,計(jì)算的剩余油飽和度分別為24.2%、26.0%,水淹程度高,解釋為高水淹層。未射孔層15、16號(hào)層孔隙度分別為6.91%、8.32%,根據(jù)TNIS資料計(jì)算的含油飽和度分別為31.78%、27.35%,這2層物性較差,解釋為差油層。
4.2.3 TNIS解釋結(jié)論與試油結(jié)果一致
L1x井的油層段位于Ng,為砂泥巖地層,孔隙度分布范圍為17.1%~28.5%,地層水Cl離子濃度為1 098.8 mg/L。2013年12月6日對(duì)該井進(jìn)行TNIS熱中子成像測(cè)井。該井僅20號(hào)層射孔生產(chǎn),測(cè)井前日產(chǎn)液34.0 t/d,日產(chǎn)油0.8t/d,含水97.6%。從TNIS測(cè)井成果(見(jiàn)圖6)看,在20號(hào)層熱中子衰減譜顯示后時(shí)間道熱中子少,熱中子俘獲成像邊緣幅度低,定量計(jì)算該層孔隙度為20.7%,含油飽和度為19.5%,將該層解釋為高水淹層。19號(hào)層完井解釋為油層,與20號(hào)層相比,該層熱中子俘獲成像邊緣幅度較高,定量計(jì)算該層孔隙度為20.8%,含油飽和度為36.5%,未達(dá)到油層標(biāo)準(zhǔn),將該層解釋為油水同層。2014年2月根據(jù)TNIS測(cè)井成果,灰封20號(hào)層,補(bǔ)開(kāi)19號(hào)層頂部3.2 m。措施后,日產(chǎn)液26.0 t,日產(chǎn)油6.7 t,含水74.2%,日增油5.9 t。到2015年8月已累計(jì)增油1 799 t。TNIS解釋結(jié)論與試油結(jié)果一致。
圖5 Z1井TNIS測(cè)井解釋成果圖
4.2.4 TNIS解釋結(jié)論與產(chǎn)液剖面測(cè)井成果一致
L2井為一口關(guān)停井,油層段位于Ng底礫巖頂部,為砂泥巖地層,孔隙度分布范圍為25.3%~34.9%,為高孔隙度、中高滲透率油藏,地層水Cl離子濃度為991.0 mg/L。該井所在斷塊為一邊底水油藏。1993年7月射開(kāi)該井8、9號(hào)層,初期日產(chǎn)純油21 t,1994年5月見(jiàn)水,見(jiàn)水后含水快速上升,1998年11月日產(chǎn)液32.9 t,日產(chǎn)油2.0 t,含水93.9%。1998年12月,補(bǔ)開(kāi)10號(hào)層與8、9號(hào)層合采,初期日產(chǎn)液28.4 t,日產(chǎn)油10.6 t,含水62.6%。
圖6 L1x井TNIS測(cè)井解釋成果圖
圖7 L2井TNIS與產(chǎn)液剖面測(cè)井成果對(duì)比圖
之后,含水迅速上升,2000年3月因高含水關(guān)井。關(guān)井前日產(chǎn)液57.8 t,日產(chǎn)油1.0 t,含水98.3%。該井于2014年6月9日進(jìn)行TNIS熱中子成像測(cè)井。8、9、10號(hào)層的TNIS測(cè)井解釋結(jié)論與隨后的2次產(chǎn)液剖面測(cè)井結(jié)果一致。從TNIS測(cè)井成果(見(jiàn)圖7)看,8號(hào)層下部1 746.0~1 748.3 m段,熱中子俘獲譜后曳時(shí)間較長(zhǎng),熱中子衰減譜顯示后時(shí)間道還有一定量的熱中子,熱中子俘獲成像邊緣幅度較高,定量計(jì)算該層孔隙度為26.4%,含油飽和度為30.3%,將該層解釋為油水同層。而9、10號(hào)層熱中子俘獲成像邊緣幅度明顯低于8號(hào)層,定量計(jì)算孔隙度分別為33.8%、35.3%,含油飽和度分別為16.33%、11.62%,將這2層解釋為含油水層。之后采油廠進(jìn)行措施作業(yè),對(duì)8、9、10號(hào)層擠堵,重射10號(hào)層頂部。2014年7月9日產(chǎn)液剖面測(cè)井成果顯示,10號(hào)層日產(chǎn)油1.3 m3,日產(chǎn)水14.4 m3,與TNIS含油水層解釋結(jié)論一致。2014年10月采油廠實(shí)施措施,灰封10號(hào)層,重射8號(hào)層、9號(hào)層頂部2 m。2014年10月29日產(chǎn)液剖面測(cè)井成果顯示,灰面密封;9號(hào)層日產(chǎn)油0.5 m3,日產(chǎn)水0.8 m3;8號(hào)層日產(chǎn)油4.7 m3,日產(chǎn)水11.8 m3。8、9產(chǎn)液性質(zhì)與TNIS解釋結(jié)論一致。分析認(rèn)為,該井開(kāi)采初期,采油速度過(guò)快,造成邊水錐進(jìn),經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期關(guān)井,油水界面得到恢復(fù),恢復(fù)開(kāi)采后,該井控制了采油速度,目前,仍然保持日產(chǎn)油3.4 t,日產(chǎn)水14.1 t,含水76.0%。到2015年8月已累計(jì)增油1 031 t。通過(guò)該斷塊2口關(guān)停井的TNIS測(cè)井資料,采油廠對(duì)該斷塊的剩余油分布進(jìn)行重新認(rèn)識(shí),計(jì)劃部署新井10口,恢復(fù)老井5口,預(yù)計(jì)恢復(fù)及新建產(chǎn)能29 100 t。
(1) 蒙特卡羅數(shù)值模擬結(jié)果表明,在低礦化度模擬條件下,計(jì)數(shù)率截止時(shí)間相對(duì)變化率均明顯高于俘獲截面的相對(duì)變化率,通過(guò)截取尾部時(shí)間譜,可以放大截止時(shí)間差異,在礦化度(NaCl濃度)為4 000~6 000 mg/L,孔隙度為10%的地層,也可以很好地分析油水關(guān)系。說(shuō)明TNIS測(cè)井利用熱中子計(jì)數(shù)率成像可以輔助俘獲截面成像在低礦化度、低孔隙度儲(chǔ)層更好地分析油水關(guān)系;TNIS測(cè)井比PNN測(cè)井記錄的熱中子時(shí)間譜更長(zhǎng),記錄點(diǎn)加密,在低礦化度、低孔隙度儲(chǔ)層油水識(shí)別能力更強(qiáng)。
(2) 采用改進(jìn)的φ—Σ交會(huì)圖法解決低礦化度非均質(zhì)儲(chǔ)層的飽和度計(jì)算。該解釋方法排除了泥質(zhì)含量及孔隙度對(duì)測(cè)量值的影響,經(jīng)過(guò)孔隙度校正擴(kuò)大了孔隙流體的信息,提高了在低礦化度、低孔隙度儲(chǔ)層的飽和度計(jì)算精度。
(3) 20井次的測(cè)井實(shí)例表明,TNIS測(cè)井適用于低礦化度儲(chǔ)層的剩余油飽和度評(píng)價(jià),在尋找潛力層、識(shí)別低電阻率油層、識(shí)別水淹層方面取得良好效果,根據(jù)資料進(jìn)行卡層補(bǔ)孔作業(yè)見(jiàn)到明顯增油效果。
參考文獻(xiàn):
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