徐強(qiáng), 辛督強(qiáng), 劉杰, 楊志高

(1.西京學(xué)院理學(xué)院, 陜西 西安 710123; 2.西京學(xué)院工程研究院, 陜西 西安 710123)

0　引　言

碳氧比能譜測井[1-2]可在套管井中評(píng)價(jià)地層巖性[3]、孔隙度[4-5]和含油飽和度[6],較好地劃分油層和水層[7-8]。地層含油飽和度是碳氧比能譜測井儀主要測井目標(biāo),儀器響應(yīng)隨地層參數(shù)的變化而變化,把儀器響應(yīng)轉(zhuǎn)換為地層的地質(zhì)參數(shù),只能利用刻度井完成。目前,中國石油大慶油田和中石化勝利油田都建立了碳氧比刻度井群,大慶油田刻度井群較為完整,分水砂井、油砂井、套管影響刻度井、水泥環(huán)影響刻度井等4大類,采用石英砂堆積建井;中石化勝利油田刻度井群以天然巖石模塊為骨架,巖性較多,其孔隙流體是水[9]。

本文介紹了一種雙參數(shù)碳氧比模型井,這種模型井可以在1口井中同時(shí)建立孔隙度和含油飽和度2種參數(shù)標(biāo)準(zhǔn),為測井儀的儀器響應(yīng)與含油飽和度建立直接聯(lián)系,為碳氧比能譜測井儀的研發(fā)和改進(jìn)、儀器定標(biāo)提供了便利條件。

1　雙參數(shù)碳氧比能譜模型井原理

1.1　模型井的要求

碳氧比能譜模型井中對(duì)孔隙度參數(shù)的要求:①可以模擬實(shí)際地層的孔隙度,對(duì)碳氧比能譜測井儀來,說孔隙度越大根據(jù)碳氧比結(jié)果求得的含油飽和度可信度越高,孔隙度小于10%時(shí)只能定性地判斷油水層,而中國各大油田的地層孔隙度一般不超過35%,因此,孔隙度的范圍在10%～35%即可;②孔隙度分布要均勻,以方便刻度作業(yè),即被刻度儀器可在模型井任意位置進(jìn)行刻度;③孔隙應(yīng)為連通孔隙,因?yàn)樘佳醣葴y井儀是通過測量孔隙中的液體來測量孔隙度的,若部分孔隙為不連通孔隙,則可造成模型井標(biāo)稱孔隙度與儀器測得孔隙度有較大偏差,無法達(dá)到刻度的目的。雙參數(shù)碳氧比模型井采用堆積法[10],可以很好滿足以上3個(gè)要求。

實(shí)際制作的模型井采用石灰?guī)r為骨架,以1,3-丁二醇的水溶液為模擬孔隙流體。模擬孔隙流體是為了模擬儲(chǔ)油層中油水混合物中的碳元素和氧元素,要求其成分穩(wěn)定、安全,可實(shí)現(xiàn)多種含油飽和度值。因?yàn)榫碌挠退旌象w系是在高溫高壓下形成的水包油或油包水的不穩(wěn)定體系,在模型井中無法長時(shí)間穩(wěn)定存在,且無法給出準(zhǔn)確的碳氧比數(shù)據(jù);又因不同地區(qū)的原油成分差別很大而無法采用含油飽和度作為通用參數(shù)。雙參數(shù)模擬地層孔隙流體采用1,3-丁二醇的水溶液,可以很好滿足模擬井的要求[11],同時(shí)以16烷(C16H34)為平均分子量標(biāo)準(zhǔn)的柴油作為原油的標(biāo)準(zhǔn)參照物,則不同地區(qū)的原油都可換算為這種標(biāo)準(zhǔn)的含油飽和度(本文均指含柴油飽和度),方便了計(jì)量和標(biāo)定。

在套管井中測量地層孔隙度的常用方法有脈沖中子孔隙度、補(bǔ)償中子孔隙度、補(bǔ)償聲波孔隙度,其中脈沖中子近、遠(yuǎn)俘獲計(jì)數(shù)比計(jì)算孔隙度法類似于補(bǔ)償中子孔隙度法[12]。補(bǔ)償中子孔隙度測井受骨架巖性(主要是密度)和孔隙流體含氫指數(shù)影響,1,3-丁二醇的含氫指數(shù)(1.00～1.01)幾乎和水一致。因此,使用1,3-丁二醇的水溶液充填孔隙,能夠建成補(bǔ)償中子孔隙度刻度井。

如果不考慮井眼效應(yīng)[13](井內(nèi)流體成分與密度、套管規(guī)范、水泥環(huán)成分/密度/厚度等井眼條件不變),只考慮碳氧比測井曲線對(duì)地層參數(shù)的響應(yīng),那么,大致上C/O值為

C/O=α·nC/nO+β(1-φ)+γ

(1)

式中,nC/nO是整個(gè)地層中C元素與O元素原子數(shù)比值;α是測井靈敏度因子;第2項(xiàng)與地層密度有關(guān),大致與地層孔隙度有關(guān);第3項(xiàng)是常數(shù)[14]。可知,只需要第1項(xiàng)nC/nO接近,則測井值就接近。因此,使用1,3-丁二醇的水溶液充填孔隙,能夠建成含油飽和度刻度井。

1.2　堆積法實(shí)現(xiàn)小孔隙度

堆積密度是描述堆積現(xiàn)象的重要參數(shù),設(shè)堆積密度表示為ε,它與孔隙度φ的關(guān)系為

ε=1-φ

(2)

影響堆積密度的因素包括顆粒的大小、形狀、表面粗糙程度、潮濕情況等,等徑球體的最大堆積密度為0.74[15]。因?yàn)槟繕?biāo)孔隙度為15%,也就是堆積密度為85%。采用的堆積原料不可能由單一粒徑的顆粒組成。因此,用雙組分顆粒選取不同粒徑顆粒每2種分成1組,就大小顆粒的數(shù)量比進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

采用石灰?guī)r顆粒進(jìn)行堆積,這些原料不可能是標(biāo)準(zhǔn)的球體,則需對(duì)原料的粒徑、比例進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn),才能確定堆積井配方。

(1) 產(chǎn)地選取:為保證石灰?guī)r顆?；瘜W(xué)成分有較好的一致性,經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)調(diào)研和石材市場走訪,確定陜西富平為合適的原料產(chǎn)地。

(2) 原料化驗(yàn):在陜西富平多處石場采集樣品,并對(duì)其成分進(jìn)行化學(xué)分析,首先經(jīng)過化驗(yàn)篩選出碳酸鈣含量大于95%的石灰石,再由化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)室確定其各化學(xué)成分含量,最終選出提供達(dá)標(biāo)樣品的廠家。

(3) 原料處理:選取廠家能大量供應(yīng)4目、6目、8目、60目的石灰?guī)r顆粒作為配方實(shí)驗(yàn)原料,使用球磨機(jī)進(jìn)行顆粒磨圓,以抽樣目視無明顯棱角為合格,通過晾曬風(fēng)干使原料干燥,用多次篩網(wǎng)篩選法去除原料中的石粉,并使同型號(hào)中的顆粒粒徑較為一致。

(4) 小樣堆積:用選定的4種石灰?guī)r顆粒進(jìn)行配方實(shí)驗(yàn),每2種組成1組,比例從1∶1開始實(shí)驗(yàn),逐漸增大到10∶1,若未找到15%孔隙度的配方,則逐漸減少到1∶10。

2種粒徑的顆粒進(jìn)行隨機(jī)堆積的邊界效應(yīng)影響層的平均厚度約在小顆粒的粒徑到大顆粒的粒徑之間[16-18],采用直徑為450 mm、高為470 mm的不銹鋼桶作為實(shí)驗(yàn)裝置,以堆積高度為450 mm,邊界效應(yīng)層厚度為4目顆粒最大粒徑(4.75 mm)計(jì)算,邊界效應(yīng)層體積約占總體積的5.19%,其影響可以忽略,故可以采用該尺寸鋼桶作為配方實(shí)驗(yàn)用具。

初步篩選時(shí)堆積厚度為200 mm,用水將孔隙填滿,加水到剛剛沒過砂石平面為合適。按上述的方法找到3組配方,再做多層堆積實(shí)驗(yàn)(即150 mm為1層,壓實(shí)后繼續(xù)堆積直至450 mm高為止)和重復(fù)實(shí)驗(yàn),選出重復(fù)性最好的第1種配方,3組配方及其實(shí)現(xiàn)的孔隙度見表1。

由于邊界效應(yīng)在小體積情況下對(duì)孔隙度的影響更為顯著,而邊界層的孔隙度比較大,小樣配方實(shí)現(xiàn)的孔隙度會(huì)比在大井桶中實(shí)際堆積的孔隙度稍大。

表1　小樣實(shí)現(xiàn)的孔隙度

1.3　模擬地層孔隙流體實(shí)驗(yàn)

丁二醇(分子式為C4H10O2,分子量為90.121)具有能夠與水互溶、不揮發(fā),且化學(xué)穩(wěn)定性較好的優(yōu)點(diǎn),其凝固點(diǎn)和沸點(diǎn)范圍也符合正常氣溫變化范圍。密度與水幾乎一樣,在長期存放過程中不會(huì)發(fā)生分層、分解等現(xiàn)象,是作為模擬地層孔隙流體的理想物質(zhì)。將1,3-丁二醇—水溶液體系作為模擬流體體系,對(duì)該體系進(jìn)行溶解性、穩(wěn)定性等方面的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

用2支10 mL刻度移液管按表2中所給用量分別取1,3-丁二醇和蒸餾水至6個(gè)已編號(hào)的干燥三角瓶中搖勻。

表2　1,3-丁二醇與水混合溶液體積量比

該體積比對(duì)應(yīng)的1,3-丁二醇與水的物質(zhì)的量比分別為1∶0、1∶1、1∶2、1∶4、1∶8、1∶10。用1 mL刻度移液管分別從6個(gè)三角瓶中移取1 mL溶液,放到6個(gè)已編號(hào)的10 mL容量瓶中,稀釋至刻度搖勻。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,上述2種物質(zhì)可以在該摩爾比例范圍內(nèi)完全互溶。

將1,3-丁二醇與水不同比例混合溶液靜置于常態(tài),長時(shí)間觀察未見分層、析出現(xiàn)象。用UV-2450型紫外可見分光光度計(jì)采用紫外光譜法測定各比例溶液濃度,發(fā)現(xiàn)其基本不變(溶液封閉狀態(tài)下)。說明該溶液體系穩(wěn)定性能夠滿足模擬流體的穩(wěn)定性要求(見圖1)。

圖1　初始狀態(tài)和放置1a后1,3丁二醇溶液吸光度濃度光譜曲線比較

1.4　模型井建造與孔隙度確定

模型井建造在內(nèi)徑為1 200 mm高為1 600 mm的井罐內(nèi),井罐的中心有內(nèi)徑為125 mm、厚度為7.5 mm的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼(U20202)套管,套管外有30 mm的水泥環(huán),水泥環(huán)外是模擬地層,可以供碳氧比能譜儀器進(jìn)行探測,模擬地層高度為1 350 mm。

建造時(shí)采取分層建造的方法,即將模擬地層分成9層建造,每層高度為150 mm,將每層的石灰石顆粒和模擬地層孔隙流體在井罐中混合均勻后砸實(shí)壓平,達(dá)到事先畫好的刻度線后再進(jìn)行下一層堆積,直至模型地層建造完成。

模型井的孔隙度有2種計(jì)算方法:①按石灰石顆粒計(jì)算,計(jì)算出的孔隙度稱為干孔隙度;②由模擬孔隙流體計(jì)算,計(jì)算出來的孔隙度稱為濕孔隙度值。計(jì)算公式分別為

(3)

(4)

式中,φma、φW分別為干孔隙度和濕孔隙度,p.u.;VH為孔隙體積;VT為模型地層總體積;Vma為骨架體積,m3;mma為砂石骨架的質(zhì)量;mT為測量模型井體積時(shí)所用的水的總質(zhì)量;mf為模擬孔隙流體的質(zhì)量,kg;ρma、ρW、ρf分別為石灰石顆粒、水和模擬孔隙流體的密度,kg/m3。

由于顆粒原料間的孔隙中會(huì)有空氣,不可能被模擬孔隙流體完全填充,因此,這2種孔隙度會(huì)有差異。當(dāng)2種孔隙度差異小于1 p.u.時(shí),則可認(rèn)為模型地層滿足要求;若2種孔隙度差異大于1 p.u.,則說明孔隙中空氣過多,需要重新建造。實(shí)際建造的模型井?dāng)?shù)據(jù)見表3。

表3　碳氧比模型井建井?dāng)?shù)據(jù)

1.5　等效含油飽和度確定

1.5.11,3-丁二醇模擬地層孔隙流體的等效含油飽和度計(jì)算

以柴油作為100%含油飽和度為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行1,3-丁二醇模擬地層孔隙流體等效含油飽和度的計(jì)算,柴油以十六烷(C16H34)為平均分子量標(biāo)準(zhǔn),則平均摩爾質(zhì)量為226.441 g/mol,標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度為0.85 g/cm3;1,3丁二醇摩爾質(zhì)量為90.121 g/mol,標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度為1.010 g/cm3;水的摩爾質(zhì)量為18.015 g/mol,標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度為1.000 g/cm3;假設(shè)巖層骨架全部為CaCO3構(gòu)成摩爾質(zhì)量為100.088 g/mol,其密度為2.710 g/cm3。計(jì)算方法:

(1) 孔隙度φ=15.1%給定的情況下,按照0、20%、40%、60%、80%、100%等6種含柴油飽和度,計(jì)算出對(duì)應(yīng)的nC/nO值,使用一元二次方線性回歸法,擬合出含柴油飽和度So與nC/nO的函數(shù)關(guān)系

(5)

(2) 孔隙度φ=15.1%給定的情況下,按照0、20%、40%、60%、80%、100%等6種含1,3-丁二醇飽和度SB,計(jì)算出對(duì)應(yīng)的nC/nO值,根據(jù)nC/nO與含柴油飽和度So的函數(shù)關(guān)系,推算出采用1,3-丁二醇配比條件下的等效含柴油飽和度So。

按照孔隙度φ值和等效含柴油飽和度So值,再用骨架顆粒、柴油、淡水的體積比例關(guān)系,計(jì)算出nC/nO值,進(jìn)行驗(yàn)證。具體數(shù)據(jù)見表4。表4中第2列nC/nO值是根據(jù)第1列數(shù)據(jù)含1,3-丁二醇飽和度SB計(jì)算得出的,最后一列(nC/nO)′值是根據(jù)第3列等效含柴油飽和度So值數(shù)據(jù)得出,可見兩者相差很小,結(jié)果符合得很好?？梢杂?jì)算出當(dāng)模擬地層孔隙流體中1,3-丁二醇與水的質(zhì)量比為5∶2時(shí),在孔隙度為15.1%的模擬地層中其nC/nO值為0.3769,根據(jù)式(5)可計(jì)算出含柴油飽和度為50.4%。

根據(jù)上面的算法,不同孔隙度時(shí),以1,3-丁二醇與水的溶液作為模擬地層孔隙流體,其可模擬的含柴油飽和度范圍不同(見表5)。

表4　擬合函數(shù)驗(yàn)證表

表5　不同孔隙度情況下模擬含柴油飽和度的范圍

2　模型井均勻性的測量

為檢驗(yàn)新建2口模型井的孔隙度均勻性,使用補(bǔ)償中子測井儀對(duì)其進(jìn)行了測量,并根據(jù)式(6)計(jì)算除兩端有畸變數(shù)據(jù)外其他數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差

(6)

式中,σ為標(biāo)準(zhǔn)偏差;N為測量次數(shù);xi為第i次測量值;μ為測量值的算術(shù)平均值。

計(jì)算可得標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.025,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.37%。其結(jié)果表明碳氧比模擬井在不同深度孔隙度較為均勻,在東南西北4個(gè)方向上沒有明顯差異,說明新建模型井各向同性很好(見圖2)。圖2中,R為短源距探測器與長源距探測器的計(jì)數(shù)比;RE、RW、RS、RN為補(bǔ)償中子測井儀測量窗口分別貼在東南西北4個(gè)方向上時(shí)測到的數(shù)據(jù),橫坐標(biāo)為距模型井上沿的距離。

圖2　補(bǔ)償中子測井儀實(shí)測數(shù)據(jù)

3　結(jié)　論

(1) 提出了一種雙參數(shù)碳氧比模型井的建造方法,其孔隙度以堆積法實(shí)現(xiàn),范圍為10%～35%。等效含柴油飽和度以1,3丁二醇的水溶液實(shí)現(xiàn)。當(dāng)模擬地層巖性為石灰?guī)r、孔隙度為10%時(shí),其范圍為0～70.8%。利用這種方法可以建造不同孔隙度與含油飽和度相配合的模型井群,為儀器標(biāo)定提供了方便。

(2) 實(shí)際驗(yàn)證,使用雙組分石灰石顆粒進(jìn)行緊密堆積,得到了滿足設(shè)計(jì)要求的15.1%的孔隙度,其配方中4目石灰石與60目石灰石顆粒的質(zhì)量比為5∶3。

(3) 采用無毒、無刺激且不易揮發(fā)的1,3-丁二醇的水溶液作為模擬地層孔隙流體,當(dāng)1,3-丁二醇與水的質(zhì)量比為5∶2時(shí),等效含柴油飽和度為50.4%。模擬井采用分層堆積的方法進(jìn)行制作,既保證了每一層可以緊密堆積,又保證了其均勻性。

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