周基恒,鄧力川,王成龍,方永軍,于恒

(貝克休斯(中國)油田技術(shù)服務(wù)有限公司油藏開發(fā)服務(wù)部,北京 100000)

0 引 言

常見的脈沖中子測量方法有熱中子俘獲截面和碳氧比測井。在用于氣田儲層評價時這2種方法因其測量原理的限制,并不能有效識別氣層。因為熱中子俘獲截面測量利用儲層中大俘獲截面離子(如氯離子)的濃度差異識別氣層和計算含水飽和度,在地層水礦化度較低的區(qū)塊其熱中子俘獲截面并不能有效區(qū)分氣、水層;碳氧比測量儲層中碳原子與氧原子的相對比例,而氣層中碳氧原子比例與水層差別很小,不足以準(zhǔn)確識別氣、水層[1]。要測準(zhǔn)生產(chǎn)井的儲層含氣飽和度需要一種能從測量原理上區(qū)分氣、水層,且能夠有效消除復(fù)雜井況干擾的測井方法。RPM-C型脈沖中子測井儀氣體探測測量模式很好地解決了以上難題。本文著重探討該測量模式的2個關(guān)鍵點:①利用快中子與原子核的彈性碰撞原理測量氣層信息;②借助蒙特卡羅模型進行后期數(shù)字資料處理。

1 測量原理

RPM-C脈沖中子測井儀通過脈沖中子發(fā)生器發(fā)射的快中子穿過完井管柱與地層原子核發(fā)生核反應(yīng),儀器接收晶體記錄核反應(yīng)產(chǎn)生的伽馬射線,從而探測地層信息[2]。脈沖中子測井中其中子核反應(yīng)分4種,即依中子能量高低為活化反應(yīng)、非彈散射、彈性散射和俘獲反應(yīng)?；罨磻?yīng)主要應(yīng)用于水流速測量;儲層飽和度測量主要應(yīng)用非彈散射、彈性散射和中子俘獲等3種反應(yīng)。

圖1 脈沖中子數(shù)據(jù)采集圖例

1.1 脈沖中子測井中中子核反應(yīng)

中子俘獲反應(yīng):中子俘獲截面代表原子核俘獲熱中子的能力,俘獲過程中會釋放出伽馬射線。儀器通過采集計數(shù)率—時間衰減譜[見圖1(a)]測量大俘獲截面原子核在地層中的存在情況。代表性測量項目有中子俘獲測井,該方法實際是對硼、氯等原子的探測,若地層水礦化度太低,水中硼、氯離子濃度與氣層差別太小,則無法保證飽和度的定量計算精度[3]。

非彈性散射反應(yīng):快中子與某種特定原子核發(fā)生非彈性碰撞,會造成能量的損失并釋放出一條特定能量的伽馬射線。儀器通過記錄接收到的該能量伽馬射線的條數(shù)之比,測量地層中各原子核的比例[見圖1(b)]。代表性測量項目有碳氧比測井。非彈碰撞的發(fā)生對快中子能量要求較高,發(fā)生的隨機性更大,造成儀器測量統(tǒng)計誤差漲落大,要求測速較慢且測量趟數(shù)較多,探測深度也受到一定限制[4]。

彈性散射反應(yīng):彈性散射作用只是中子與原子核之間動能和動量的轉(zhuǎn)換,反應(yīng)前后動能和動量守恒,故不會釋放伽馬射線,但會在碰撞過程中降低中子的能量,影響快中子的傳播距離。儀器通過記錄伽馬射線在空間域上的衰減情況測量地層中氫原子的密度[見圖1(c)]。代表性測量項目有氣體探測。該測量方法記錄計數(shù)率的空間衰減情況,對地層水礦化度無要求,允許較快的測速和更少的趟數(shù)。

1.2 氣體探測(Gasview)原理

儀器探頭實際不能直接探測彈性散射的發(fā)生,因其反應(yīng)并不釋放伽馬射線,實際接收到的伽馬射線仍然來自于俘獲和非彈性散射反應(yīng)?？熘凶优c不同原子核發(fā)生彈性散射后均會消耗能量,最易與中子發(fā)生彈性碰撞且損耗中子能量最高的原子核是與中子質(zhì)量相近的氫原子。表1是5種不同初始能量的快中子與各類原子核發(fā)生一次彈性碰撞后的平均剩余能量[5]。表1中高能中子與氫核發(fā)生彈性碰撞有非常高的能量損失,經(jīng)過為數(shù)不多次數(shù)的彈性散射,中子能量降低到難以再與地層中原子核發(fā)生非彈性散射反應(yīng)的程度,再在較短距離內(nèi)進行多次彈性散射后,中子變?yōu)闊嶂凶?被周圍原子核俘獲?？梢越普J(rèn)為彈性散射導(dǎo)致的快中子能量損失的主控因素為傳播路徑上的含氫指數(shù)。

每個中子進入地層后與地層原子核的彈性/非彈性/俘獲反應(yīng)均是隨機發(fā)生,并非所有中子與原子核的反應(yīng)都釋放伽馬射線,因為這些反應(yīng)對中子的能級均有一定要求,例如與碳原子核發(fā)生非彈性散射需要快中子至少有4.43 MeV的能量,與氧原子核反應(yīng)需要6.12 MeV。中子在傳播過程中能量衰減越少就越能與距離發(fā)射源更遠(yuǎn)區(qū)域的原子核發(fā)生非彈性/俘獲作用并釋放伽馬射線,超長源距伽馬探頭就能接收到更多的伽馬射線。儀器通過計算短源距與超長源距伽馬射線計數(shù)率之比(在空間域衰減的程度)預(yù)測快中子在傳播過程中能量衰減程度,從而估算出彈性碰撞的發(fā)射頻率、預(yù)測含氫指數(shù)。儲層中氣體和液體的含氫指數(shù)有明顯差別,可以利用這個原理預(yù)測地層的氣體飽和度。

表1 5種初始能量快中子與各類原子核發(fā)生1次彈性碰撞后的平均剩余能量[5]

1.3 PNC3D測量模式

RPM-C儀器對超遠(yuǎn)探頭位置進行了優(yōu)化,使其能夠接收到中子與地層相互作用產(chǎn)生的伽馬射線,實現(xiàn)PNC3D(Pulse Neutron Capture 3 Detectors)模式測量,即中子發(fā)生器以1 kHz的頻率向地層發(fā)射快中子,在每個反饋時窗之中1 000 μs的前60 μs為發(fā)射窗口,剩下的時間為響應(yīng)窗口,3個接收探頭從發(fā)射窗口即開始記錄伽馬射線,直至該周期結(jié)束。儀器在6 in*非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同井眼、4.5 in套管井中的實驗結(jié)果表明,第1、3探頭計數(shù)率比值更能有效反映氣層的特征響應(yīng),極大地提高了儀器對地層含氫指數(shù)變化的敏感度(見圖2、圖3)。

圖2 RPM-C探頭計數(shù)率比氣體敏感度對比

圖3 RPM-C型儀器結(jié)構(gòu)示意圖

1.4 數(shù)據(jù)采集與統(tǒng)計

圖4為PNC3D模式下3個探頭采集到的計數(shù)率——時間譜,紅/綠/藍(lán)線分別顯示近(SS)/遠(yuǎn)(LS)/超遠(yuǎn)(XLS)探頭的伽馬射線計數(shù)率。圖4中,前60 μs時段內(nèi)探頭接收到的計數(shù)率迅速增大,這是由于中子源開始發(fā)射快中子,快中子與原子核發(fā)生非彈性散射釋放的伽馬射線增多。從60 μs以后,發(fā)射源停止工作,伽馬射線條數(shù)漸漸減少,這時接收到的伽馬射線多為中子俘獲反應(yīng)所釋放。

圖4 PNC3D模式計數(shù)率—時間譜示意圖

儀器通過計算超遠(yuǎn)探頭與短源距探頭伽馬射線計數(shù)率的比值反映伽馬射線在空間域上的衰減情況[5]。作數(shù)據(jù)統(tǒng)計時可以選擇前100 μs內(nèi)接收的伽馬射線,即受非彈性散射控制的射線衰減程度作為探測指標(biāo),得到RIN13曲線[見式(1)。RIN13曲線的含義:R為Ratio;IN為inelastic;13為SS、XLS探頭,即第1、3探頭非彈性散射伽馬射線計數(shù)率比]。

(1)

式中,NSS為短源距探頭計數(shù)率;NXLS為超長源距探頭計數(shù)率。

也可以選擇時窗靠后的伽馬射線比,即受俘獲反應(yīng)控制的射線衰減程度作為探測指標(biāo),得到RATO13曲線。曲線公式為

(2)

2 解釋原理

RPM儲層動態(tài)監(jiān)測儀的用途之一是測量地層飽和度。利用測井曲線計算飽和度的思路均通過儲層建模實現(xiàn)[6]。在裸眼測井的數(shù)據(jù)采集過程中,儀器直接面對地層,井況相對簡單,在數(shù)據(jù)資料處理過程中只需作部分環(huán)境校正后即可使用通用模型進行飽和度計算。但生產(chǎn)井飽和度測量要復(fù)雜許多,儀器與目地層之間存在著復(fù)雜的完井管柱和流體環(huán)境,各個區(qū)塊有著各不相同的完井方案,所以無法使用通用模型進行計算,只能針對目的井實施單獨建模。

貝克休斯公司借鑒核物理科研,引入超級計算機超高采樣模擬技術(shù),通過蒙特卡羅模型(Monte Carlo model)[7]建立數(shù)字模擬現(xiàn)實采集得到理論測井響應(yīng)值。

2.1 RPM的蒙特卡羅模型

RPM數(shù)據(jù)處理所使用的蒙特卡羅模型通過設(shè)定邊界條件模擬快中子進入模型環(huán)境后的伽馬射線計數(shù)率得到儀器理論響應(yīng)值圖版?？熘凶舆M入地層后的核反應(yīng)是隨機的,為達到統(tǒng)計精度,水線和油線上的每個點均需要超過5 000萬的模擬統(tǒng)計。模型圖版橫坐標(biāo)為有效孔隙度,縱坐標(biāo)為邊界條件下理論響應(yīng)值(見圖5);邊界條件為模擬孔隙內(nèi)100%含水和100%含油氣2種情況,分別得到水線和氣線。

圖5 RPM的蒙特卡羅模型示意圖

模型實際應(yīng)用中將模型圖版帶入裸眼井?dāng)?shù)據(jù)進行計算,擬合出隨孔隙度變化的氣線、水線理論值。若實際測量點落在水線上,則該測量點有效孔隙內(nèi)100%含水;若實際測量點落在氣線上,則該測量點有效孔隙內(nèi)100%含氣。定量計算是根據(jù)實際測量曲線與氣線、水線的相對比例[式(3)]得到最終的含油飽和度。

Sgas=X/ΔRATO13

(3)

式中,Sgas為氣體飽和度;X為測量點孔隙度下儀器讀值與蒙特卡羅RATO13模型氣線讀值的差值;ΔRATO13為測量點孔隙度下蒙特卡羅RATO13模型氣線與水線讀值的差值。

2.2 RPM模型的建立

要建立準(zhǔn)確的RPM蒙特卡羅模型,首先需要搜集準(zhǔn)確的建模參數(shù)。圖6是RPM模型需要4大類參數(shù):①巖性參數(shù)。數(shù)據(jù)可以從裸眼井測井巖性解釋結(jié)論中得到。②井眼完井參數(shù)。數(shù)據(jù)在完井方案報告中可以得到。③油管/環(huán)空流體密度。參數(shù)可以通過生產(chǎn)測井的流體密度曲線測到。④地層內(nèi)流體參數(shù)。數(shù)據(jù)可以從油田開發(fā)方的油分析/水分析資料獲得。

資料搜集完備后,將各項參數(shù)填入建模參數(shù)卡發(fā)往貝克休斯HTC中心,由該中心完成建模并反饋給解釋程序。蒙特卡羅模型需要超級計算機做大量的模擬計算,從提交參數(shù)表到建模完成需要4 d的時間。但建模與測井施工相互獨立,只要參數(shù)確定,測井施工前即可開始建模工作,并不影響解釋進度。

圖6 建立蒙特卡羅模型所需參數(shù)

2.3 模型及其影響因素

2.3.1 氣體密度對模型結(jié)果的影響

圖7 氣體密度對模型理論值的影響

不同地層儲層內(nèi)氣體的密度各不相同。圖7為RATO13的理論模型,模型基本參數(shù)為砂巖地層、8.5 in井眼、7 in套管;氣體主要成分為甲烷;原油密度0.8 g/cm3、地層水密度1.03 g/cm3。圖7中藍(lán)線、綠線分別為水線和油線,紅色長虛線為氣體密度0.247 g/cm3時的理論響應(yīng)值,紅色點虛線為氣體密度0.189 g/cm3時的理論響應(yīng)值,紅色實線為氣體密度0.096 g/cm3時的理論響應(yīng)值。圖7可見,隨著氣體密度降低,模型理論響應(yīng)值從36降到了18。

2.3.2 井內(nèi)流體性質(zhì)對模型結(jié)果的影響

不同的測井環(huán)境其測井時井內(nèi)流體性質(zhì)也各不相同。圖8為RATO13模型對比,實線代表井眼內(nèi)為水;短虛線代表井內(nèi)為油;長虛線代表井內(nèi)為氣體的模型。模型基本參數(shù)為砂巖地層、8.5 in井眼、7 in套管、氣體主要成分為甲烷密度0.2 g/cm3、原油密度0.8 g/cm3、地層水密度1.03 g/cm3。對比結(jié)果,井眼內(nèi)為水的理論值區(qū)間要高于井眼內(nèi)為油和氣,氣體理論值區(qū)間最低。

圖8 井內(nèi)流體對模型理論值的影響

2.3.3 井身結(jié)構(gòu)對模型結(jié)果的影響

不同的鉆井設(shè)計其井眼大小也有差別。圖9為RATO13模型對比,其實線代表外徑6 in井眼-外徑4.5 in套管井況模型;虛線代表外徑8.5 in井眼-外徑4.5 in套管井況模型。模型基本參數(shù)為砂巖地層、氣體主要成分為甲烷密度0.2 g/cm3、原油密度0.8 g/cm3、地層水密度1.03 g/cm3。對比結(jié)果,不同的井身結(jié)構(gòu),理論測量曲線具有偏移。

圖9 井眼尺寸對模型理論值的影響

2.3.4 地層巖型對模型結(jié)果的影響

對應(yīng)不同巖性的地層其理論響應(yīng)值區(qū)間也各不相同。圖10為RATO13模型對比,實線代表砂巖地層;短虛線代表灰?guī)r地層;長虛線代表白云巖地層。模型基本參數(shù)為8.5 in井眼、7 in套管、氣體主要成分為甲烷密度0.2 g/cm3、原油密度0.8 g/cm3、地層水密度1.03 g/cm3。對比結(jié)果,理論值區(qū)間從低到高依次為砂巖—灰?guī)r—白云巖。

圖10 巖性對模型理論值的影響

通過建模對比,不同井眼條件下儀器測量的理論值區(qū)間截然不同。同理,在儀器實際測量過程中測量值也隨著井況的不同而千差萬別。如果脫離了模型理論值的參照,定量計算將變得毫無根據(jù)。

3 應(yīng)用實例

塔里木油田×區(qū)塊Y產(chǎn)氣井開發(fā)初期測井結(jié)果顯示主力層上部××75～××20 m深度存在一段暫未開發(fā)的氣藏。該井經(jīng)過了10年開發(fā),上部潛力層含氣情況是否發(fā)生變化尚不清楚,希望在二次開發(fā)前借助生產(chǎn)測井探明儲層飽和度信息。

該井為砂巖地層,鉆頭直徑8.5 in,套管外徑7 in,油管外徑2.5 in,地層水密度1.1 g/cm3,氣體以甲烷為主,密度0.35 g/cm3。潛力層位于主力產(chǎn)層以上的××75～××85 m和××97～××17 m井段。通過測前分析,決定選用Gasview測量技術(shù)進行飽和度探測,并根據(jù)井況建立相應(yīng)蒙特卡羅模型(見圖11)。

圖11 X-Y井RATO13蒙特卡羅模型

圖12為X-Y井Gasview氣體探測解釋成果圖。第1道為校深道,裸眼井伽馬曲線與RPM伽馬曲線的對比;第2道為解釋結(jié)論的流體體積分?jǐn)?shù)道,直觀展示了氣和水在孔隙中所占的空間,紅色為氣體填充區(qū)域,藍(lán)色為地層水填充區(qū)域;第4道為飽和度結(jié)論對比道,黑色曲線為10年前裸眼井含氣飽和度解釋結(jié)論,紅色填充區(qū)域為最新RPM氣體飽和度解釋結(jié)論;第5道為RPM飽和度計算道,道中黑色曲線為儀器實際測量曲線RATO13、紅色曲線為通過模型擬合出的氣線理論值、藍(lán)色曲線為水線理論值;××75～××85 m層段實測曲線向氣線偏移,有氣體填充孔隙;××97～××17 m層段實測曲線幾乎與理論水線重疊,故幾乎不含氣。圖12中第6道為綜合巖性流體體積剖面,綠色為泥質(zhì)含量,黃色為砂巖含量,紅色為氣體體積,藍(lán)色為地層水體積。

結(jié)論對比,RPM測量結(jié)果與裸眼井解釋結(jié)論基本一致(見表2),說明在該井開發(fā)過程中上部氣藏并沒有受到下部儲層開發(fā)的影響。

圖12

表2 X-Y Gasveiw解釋成果表

4 結(jié) 論

(1) RPM-C脈沖中子測井儀的PNC3D測井模式利用中子與地層原子核彈性散射原理,獲得套管井氣層識別和含氣飽和度測井資料。通過儀器優(yōu)化設(shè)計,運用短源距與超長源距探頭接受伽馬射線,提高了探測深度和測量精度。

(2) Gasview運用短、超長源距探頭伽馬射線計數(shù)率之比解釋含氣飽和度,其測量主要受孔隙度影響,還與完井結(jié)構(gòu)、井內(nèi)流體、地層巖性、地層流體含氫指數(shù)(或氣體組分與密度)等因素相關(guān)。根據(jù)實際井眼與地層情況,通過蒙特卡羅數(shù)值模擬建立解釋模型,確定模型參數(shù),實現(xiàn)了復(fù)雜井況含氣飽和度測井解釋;

(3) 塔里木某區(qū)塊產(chǎn)氣井通過RPM-C型儀器PNC3D測量模式以及蒙特卡羅模型的應(yīng)用,成功實現(xiàn)氣體探測(Gasview)的采集與解釋,結(jié)論顯示其上部潛力層的含氣飽和度并未受到下部儲層開發(fā)作業(yè)的影響,為實際生產(chǎn)作業(yè)提供了可靠的參考信息。

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