侯振永，李疾翎，李家駿，楊志華

中海油服油田技術(shù)事業(yè)部，河北 三河

1.引言

油田開(kāi)發(fā)后，地層中的含油氣飽和度會(huì)發(fā)生不同的變化，甚至有部分儲(chǔ)集層會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的水淹情況，影響油氣的產(chǎn)量和油田后期的生產(chǎn)開(kāi)發(fā)，因此對(duì)油氣藏的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)變得尤為重要。在套管井中剩余油評(píng)價(jià)一般采用核測(cè)井技術(shù)，根據(jù)測(cè)量原理的不同分為碳氧比和中子壽命測(cè)井技術(shù)兩類(lèi)。碳氧比測(cè)井技術(shù)僅適用于中高孔隙度的地層，而中子壽命測(cè)井由于其不受本底的影響，在低孔隙度的地層具有較大優(yōu)勢(shì)，本次研究的脈沖中子–中子(PNN)測(cè)井技術(shù)就是其中的一種[1][2]。

PNN 測(cè)井通過(guò)脈沖中子發(fā)生器向地層發(fā)射高能量(14 MeV)快中子，經(jīng)過(guò)一系列的非彈性碰撞和彈性碰撞后，能量與組成地層的原子處于熱平衡時(shí)，中子不再減速，變?yōu)闊嶂凶覽3][4][5]。此時(shí)它的能量為0.025eV 左右，之后被地層中的元素所吸收，儀器通過(guò)記錄未被俘獲的熱中子數(shù)來(lái)反映地層的俘獲截面，進(jìn)而計(jì)算含油飽和度。

井眼條件和地層因素對(duì)PNN 測(cè)井的測(cè)量結(jié)果有不同影響，無(wú)論是海上油田還是陸地油田條件下，地層的礦化度、孔隙度、泥質(zhì)含量以及管柱結(jié)構(gòu)等都對(duì)其所測(cè)量的地層宏觀俘獲截面有著不同程度的影響，從而直接影響剩余油飽和度的求取。陸地油田以直井為主，而海上油田則多以斜井和叢式井為主，生產(chǎn)井的管柱主要為多層分采管柱，其管柱結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜多變，且海上油田地層中礦化度變化范圍較陸地油田而言更廣[6][7][8]。因此需要針對(duì)海上油田的情況進(jìn)行蒙特卡羅數(shù)值模擬，以便更精確地計(jì)算地層剩余油飽和度，為油氣田下一步生產(chǎn)措施提供更加合理高效的指導(dǎo)和開(kāi)發(fā)建議。

2.蒙特卡羅方法模擬研究

蒙特卡羅方法又稱(chēng)統(tǒng)計(jì)模擬方法，首先建立一個(gè)概率模型或隨機(jī)過(guò)程，使它的參數(shù)等于問(wèn)題的解；然后通過(guò)對(duì)模型或過(guò)程的觀察或抽樣試驗(yàn)來(lái)計(jì)算所求參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征，最后給出所求解的近似值[9][10]。針對(duì)海上油田設(shè)計(jì)模擬的計(jì)算模型主要由測(cè)井儀、地層、井眼(包括流體、套管、水泥環(huán)等)、中子發(fā)生器、屏蔽體、長(zhǎng)短源距探測(cè)器等部分組成(見(jiàn)圖1)。其中，測(cè)井儀直徑為43mm；地層為圓筒狀幾何模型，內(nèi)外半徑和高分別為10、70、120 cm，填充物為不同巖性、不同礦化度的水和油，含水飽和度為50%[11]。套管管柱結(jié)構(gòu)包括兩種，外徑分別為7in 和9?in，油管外徑為3.5in，篩管外徑為5.5in，水泥環(huán)厚度為3cm。中子源發(fā)射6×107個(gè)能量為14.3MeV 的快中子，脈沖寬度3μs；分別在源距42.5、74.5cm處記錄能量小于0.1MeV的熱中子；時(shí)間道從0~1800 μs，每道為30μs。

為了研究PNN 測(cè)井的影響因素對(duì)熱中子時(shí)間衰減譜的影響，建立均勻介質(zhì)模型，研究各條件下對(duì)地層俘獲截面的影響。

Figure 1.The calculation model of PNN Monte Carlo simulation 圖1.PNN 測(cè)井蒙特卡羅方法模擬的計(jì)算模型

2.1.儀器與井眼相對(duì)位置模擬

為了研究?jī)x器偏心貼井壁與居中對(duì)地層俘獲截面求取的影響，建立以下套管條件下的計(jì)算模型，其中地層為地層水礦化度2 ×104mg/L 的砂泥巖地層，對(duì)7in和9?in 兩種套管尺寸在單層(套管)、雙層(套管和油管)管柱條件下，進(jìn)行儀器居中和偏心貼井壁測(cè)量的模擬，模擬結(jié)果分別如圖2 和圖3所示。

從圖2、圖3的模擬結(jié)果可知，無(wú)論在單層還是雙層管柱結(jié)構(gòu)下，儀器居中和偏心貼井壁在井筒區(qū)域(0~360μs內(nèi))熱中子衰減不一樣，儀器偏心貼井壁在井筒區(qū)衰減更快，但是兩種測(cè)量情況對(duì)地層區(qū)域信息提取無(wú)影響，對(duì)區(qū)分油水性質(zhì)也不會(huì)產(chǎn)生影響。測(cè)井過(guò)程中PNN 測(cè)井儀沒(méi)有推靠器，無(wú)法保證貼井壁測(cè)量，因此建議測(cè)井時(shí)盡可能地貼井壁測(cè)量。

Figure2. Monte Carlo simulation of the singlelayer pipe string instrument sticking to wellbore and centralization 圖2.單層管柱儀器偏心貼井壁與居中時(shí)的蒙特卡羅模擬

Figure 3.Monte Carlo simulation of the double layer pipe string instrument sticking to wellbore and centralization 圖3.雙層管柱儀器偏心貼井壁與居中時(shí)的蒙特卡羅模擬

2.2.管柱結(jié)構(gòu)模擬

由于海上油田管柱結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，通常分為單層(套管)、雙層(油管和套管)和三層(套管、油管、篩管)管柱，管柱結(jié)構(gòu)如表1所示。本次模擬分別對(duì)3種管柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如圖4所示。

Table1.The structure of casing strings表1.管柱結(jié)構(gòu)表

從圖4 的模擬結(jié)果分析可知，前360μs熱中子計(jì)數(shù)率基本反映的是井眼區(qū)信息，該時(shí)間段隨著管柱層數(shù)增多熱中子計(jì)數(shù)率明顯下降，單層、雙層管柱熱中子計(jì)數(shù)率曲線在進(jìn)入地層區(qū)時(shí)間段后斜率趨于穩(wěn)定，說(shuō)明可以有效提取反映地層區(qū)的信息。但三層管柱熱中子在井眼區(qū)就俘獲殆盡，無(wú)法有效提取反映地層區(qū)的信息，說(shuō)明三層管柱結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)地層俘獲截面造成影響。單層管柱地層俘獲截面的選道建議是10~40 道(300~1200μs)；雙層管柱地層俘獲截面的選道建議是13~35道(390~1050 μs)；三層管柱地層俘獲截面的選道建議，7in 套管是7~33道(210~990μs)，9? in 套管是15~45道(450~1350 μs)。

2.3.套管尺寸模擬

套管主要由鋼鐵制成，俘獲截面為220 c.u.，遠(yuǎn)大于井內(nèi)流體的宏觀截面，因此套管對(duì)井眼區(qū)的影響有待研究[3]。為研究套管尺寸對(duì)地層宏觀截面的影響，在單層、雙層管柱結(jié)構(gòu)條件下，分別對(duì)7in和9? in 兩種套管尺寸進(jìn)行模擬。

分析圖5的模擬結(jié)果可知，相同管柱條件下，套管影響前360 μs的熱中子計(jì)數(shù)率，隨套管尺寸的增加，熱中子相對(duì)計(jì)數(shù)率逐漸減少，在0~360μs的井眼區(qū)內(nèi)迅速減小，井眼的尺寸越大，井眼中存在的流體越多，擴(kuò)散效應(yīng)就越明顯。當(dāng)井筒中模擬條件為淡水時(shí)，套管壁厚越厚，衰減越快。套管尺寸的不同只影響地層宏觀俘獲截面絕對(duì)值的大小，由于進(jìn)入地層區(qū)中子數(shù)量減少，可能會(huì)造成一定的統(tǒng)計(jì)起伏誤差，但理論上對(duì)區(qū)分油水性質(zhì)不會(huì)產(chǎn)生影響。7in 套管地層俘獲截面的選道建議是13~40道(390~1200μs)，9?in 套管地層俘獲截面的選道建議是16~35道(480~1050μs)。

2.4.地層水礦化度模擬

Figure 4.Monte Carlo simulation of difference casing string structures 圖4.不同管柱結(jié)構(gòu)的蒙特卡羅模擬

Figure 5.Monte Carlo simulation of different casing diameters圖5.不同套管外徑的蒙特卡羅模擬

為了研究地層水礦化度對(duì)地層俘獲截面的影響以及確定PNN 測(cè)井儀在生產(chǎn)過(guò)程中適合的礦化度范圍，利用蒙特卡羅方法進(jìn)行模擬。模擬地層為砂泥巖地層[4]，地層孔隙度20%，孔隙流體為水，井眼水礦化度為2 ×104mg/L，單層管柱7in和9? in 兩種套管尺寸。分別對(duì)地層水礦化度為0.7×104、2×104、3×104、4×104、5×104、10×104、15×104、18×104、20 ×104mg/L 進(jìn)行模擬。

從圖6 可以看出，模擬時(shí)井眼中流體相同，在熱中子時(shí)間譜的0~210μs(前7道)時(shí)間間隔內(nèi)，熱中子計(jì)數(shù)率隨時(shí)間衰變規(guī)律相同，該時(shí)間段是井眼中熱中子的衰減區(qū)。210μs(第7道)以后，地層水礦化度的不同對(duì)熱中子衰減快慢有很大影響，礦化度增加，熱中子計(jì)數(shù)率不斷降低，能更好地區(qū)分油水，但是同時(shí)也使熱中子的計(jì)數(shù)率大幅降低，導(dǎo)致PNN 測(cè)井測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度減小。當(dāng)?shù)貙铀V化度小于3×104mg/L 時(shí)，地層俘獲截面求取的選道建議是10~50道(300~1500μs)；當(dāng)?shù)V化度介于(3~10)×104mg/L 時(shí)，選道建議是13~40道(390~1200μs)；當(dāng)?shù)V化度大于10×104mg/L 時(shí)，選道建議是15~35道(450~1050μs)，選道隨礦化度增大適當(dāng)提前。

2.5.泥質(zhì)含量模擬

為研究泥質(zhì)含量對(duì)地層俘獲截面的影響，利用蒙特卡羅方法進(jìn)行模擬。模擬地層為砂泥巖地層，井眼水為淡水[5]，地層水礦化度為2×104mg/L，單層管柱7in 和9?in 兩種套管尺寸。分別對(duì)泥質(zhì)含量為10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%進(jìn)行模擬。

從圖7中可以看出，井眼內(nèi)流體相同，在熱中子時(shí)間譜的0~210μs(前7道)時(shí)間間隔內(nèi)，熱中子計(jì)數(shù)率隨時(shí)間的衰變規(guī)律相同。210 μs以后，地層泥質(zhì)含量的不同對(duì)熱中子衰減快慢有很大影響，泥質(zhì)含量增加，熱中子計(jì)數(shù)率降低，當(dāng)泥質(zhì)含量大于20%，斜率變大。泥質(zhì)含量增加導(dǎo)致地層宏觀吸收截面增加，不利于定性區(qū)分地層的油水特性，泥質(zhì)含量越高，影響越明顯，需要對(duì)計(jì)算的俘獲截面或含水飽和度進(jìn)行校正。

Figure 6.Monte Carlo simulation of different formation water salinities圖6.不同地層水礦化度時(shí)的蒙特卡羅模擬

Figure 7.Monte Carlo simulation of different shale contents 圖7.不同泥質(zhì)含量時(shí)的蒙特卡羅模擬

2.6.孔隙度不同時(shí)的模擬

為研究地層孔隙度對(duì)地層俘獲截面的影響，利用蒙特卡羅方法進(jìn)行模擬。模擬地層為純砂巖地層，井眼水為淡水，孔隙中地層水礦化度2 ×104mg/L，單層管柱7in 和9? in 兩種套管尺寸。分別對(duì)孔隙度為5%、10%、15%、20%、25%、30%進(jìn)行模擬。

從圖8可以看出，井眼流體相同，在熱中子時(shí)間譜的0~210μs(前7道)時(shí)間內(nèi)，熱中子計(jì)數(shù)率隨時(shí)間衰變規(guī)律相同。210μs以后，孔隙度的不同對(duì)熱中子衰減快慢有很大影響，孔隙度增加，熱中子計(jì)數(shù)率不斷降低且斜率區(qū)別較大，對(duì)油水區(qū)分有一定影響。地層俘獲截面求取的選道建議是10~45道(300~1350 μs)，同時(shí)建議選道隨孔隙度增大適當(dāng)提前。

3.結(jié)論

在PNN 測(cè)井過(guò)程中，多種環(huán)境因素導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不能準(zhǔn)確反映地層信息。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，通過(guò)蒙特卡羅模擬，得出以下結(jié)論。

1)通過(guò)管柱結(jié)構(gòu)模擬，單層、雙層、三層管柱在360μs后均可有效反映地層區(qū)的信息。但在三層管柱條件下，計(jì)數(shù)率較低，不能完全反映地層信息，因此不建議在三層管柱條件下進(jìn)行PNN 測(cè)井。

2)通過(guò)泥質(zhì)含量模擬，當(dāng)泥質(zhì)含量高于20%，對(duì)地層俘獲截面影響較大，需要對(duì)俘獲截面值進(jìn)行校正。

3)通過(guò)地層水礦化度、孔隙度模擬，適合PNN 測(cè)井的礦化度范圍大約在(1~10)×104mg/L，當(dāng)?shù)貙铀V化度為2×104mg/L 時(shí)，PNN 測(cè)井適于的孔隙度下限為5%。通過(guò)儀器與井眼相對(duì)位置模擬，建議PNN 測(cè)井時(shí)盡可能貼井壁測(cè)量。

4)通過(guò)管柱結(jié)構(gòu)、套管尺寸、地層水礦化度以及孔隙度的蒙特卡羅模擬，得出相應(yīng)條件下求取地層俘獲截面的取道建議，對(duì)含油飽和度的準(zhǔn)確求取具有指導(dǎo)意義。

Figure 8.Monte Carlo simulation of different porosities圖8.不同孔隙度時(shí)的蒙特卡羅模擬