梁啟軒，張 鋒，譚海洲，范繼林，李向輝

(1.中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580；2.中石化勝利油田分公司 油藏動態(tài)監(jiān)測中心，山東 東營 257237;3.河南省科學(xué)院同位素研究所有限責(zé)任公司 鄭州市同位素示蹤與探測重點(diǎn)實驗室，河南 鄭州 450015)

經(jīng)過長期注水開發(fā)后，我國大部分油田已經(jīng)進(jìn)入高含水階段。剩余油飽和度的確定對于提高油氣產(chǎn)能及指導(dǎo)油田后期開發(fā)具有重要意義[1]。受油管、套管及水泥環(huán)材質(zhì)等特性影響，電測井及聲波測井不適用于確定套后油氣飽和度[2-3]。由于快中子具有較高的能量，可以輕易穿透套管、水泥環(huán)進(jìn)入地層與地層元素原子核進(jìn)行反應(yīng)，碳氧比能譜測井采用D-T脈沖源，通過探測元素發(fā)生非彈性散射作用生成的瞬發(fā)伽馬能譜，記錄碳窗和氧窗計數(shù)來實現(xiàn)剩余油飽和度的監(jiān)測[4-5]。目前應(yīng)用于確定飽和度的脈沖中子測井技術(shù)有儲層飽和度測井儀(Reservoir saturation tool)、儲層特性監(jiān)測儀(Reservoir performance monitor)、油藏監(jiān)測儀(Reservoir monitor tool)、套管井儲層評價系統(tǒng)(Cased-reservoir evaluation system)、多功能光譜測井技術(shù)(Pulsar)均可進(jìn)行對地層碳氧比值的測量[6-9]。

巖性變化會改變地層元素組成，對地層含油飽和度解釋存在影響。常規(guī)解釋模型通過C/O和Si/Ca交會的方式校正巖性影響[10]，但該方法只對水線進(jìn)行校正而未考慮巖性對碳氧比差值的影響。在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，含灰質(zhì)地層常出現(xiàn)含油飽和度解釋過于樂觀。對此，何巍巍等[11]提出了一種利用比例因子的方法對灰質(zhì)含量的影響進(jìn)行校正。李玉玲[12]、李光軍[13]等提出對C/O和Si/Ca比進(jìn)行巖性校正后再進(jìn)行含油飽和度計算。馬水龍等[14]提出一種利用遠(yuǎn)伽馬探測器的俘獲鈣產(chǎn)額來校正鈣質(zhì)含量對C/O的影響，并在南堡鈣質(zhì)砂巖儲層地區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用。申本科[15]提出對巖心進(jìn)行礦物X-射線衍射實驗分析泥質(zhì)成分，得到C/O值隨泥質(zhì)含量的回歸方程，實現(xiàn)地層含油飽和度泥質(zhì)校正。

地層骨架組成是影響碳氧比飽和度解釋精度重要因素之一，為校正不同巖性組分對碳氧比飽和度解釋結(jié)果的影響，本文針對脈沖中子全譜飽和度測井儀在混合巖性地層條件下的碳氧比含油飽和度解釋問題，從C/O解釋原理出發(fā)，結(jié)合蒙特卡羅數(shù)值模擬(MCNP)[16]方法，得到系統(tǒng)條件下的非彈性散射和俘獲伽馬能譜。通過分析不同巖性條件下的C/O測井響應(yīng)，對碳氧比飽和度解釋中巖性影響規(guī)律進(jìn)行總結(jié)。通過引入巖性校正因子，提出一種新的碳氧比解釋模型，研究該模型對提高復(fù)雜巖性地層含油飽和度解釋精度的可行性。

1 碳氧比能譜測井原理

碳氧比飽和度測井是以脈沖中子與地層相互作用為物理基礎(chǔ)的核測井方法，通過在井眼中的14 MeV脈沖中子源向地層持續(xù)發(fā)射高能快中子，快中子進(jìn)入地層后，與地層物質(zhì)發(fā)生非彈性散射和輻射俘獲作用，利用伽馬探測器記錄地層碳、氧、硅、鈣等元素特征伽馬射線計數(shù)，通過刻度井進(jìn)行刻度后，可對地層巖性及含油飽和度進(jìn)行確定[4-6]。

根據(jù)阿特拉斯公式實驗刻度，碳氧比含油飽和度經(jīng)驗公式如(1)所示。

(1)

其中，C/Olog為C/O測井值，C/Ow為C/O水線值，ΔC/O為同一孔隙度條件下的油水線差值。

巖性變化導(dǎo)致地層C、O計數(shù)發(fā)生變化，傳統(tǒng)碳氧比解釋模型利用Si/Ca和C/O刻度關(guān)系校正巖性變化，利用孔隙度表征碳氧比差值變化，解釋模型為公式(2)所示。

(2)

其中，kw為碳氧硅鈣交會水線的斜率，lw為碳氧硅鈣交會水線的截距，A1、A2、A3分別為碳氧比差值二次項系數(shù)、一次項系數(shù)及截距。

實際使用過程中，地層骨架類型和粘土含量變化會對碳氧比差值產(chǎn)生一定影響，公式(2)只對混合巖性地層水線進(jìn)行校正，忽視了巖性對碳氧比差值的影響，在混合巖性地層常出現(xiàn)含油飽和度解釋偏差。蒙特卡羅數(shù)值模擬方法(MCNP)可以模擬中子與物質(zhì)的相互作用過程，是進(jìn)行核測井響應(yīng)研究的有效方法。為進(jìn)一步確定巖性影響，可使用MCNP對混合巖性地層C/O測井響應(yīng)進(jìn)行模擬。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，引入巖性影響因子校正碳氧比差值，建立改進(jìn)的碳氧比解釋模型，提高含油飽和度確定的準(zhǔn)確度。

2 灰質(zhì)和泥質(zhì)地層C/O響應(yīng)規(guī)律模擬

2.1 蒙特卡羅模擬方法

利用MCNP對不同含油飽和度、孔隙度和巖性地層進(jìn)行模擬。依據(jù)全譜飽和度測井儀器構(gòu)建如圖1所示MCNP計算模型，地層模型尺寸為150 cm(徑向)×56 cm(軸向)，井眼直徑12.6 cm，井眼內(nèi)填充淡水，套管為不銹鋼厚0.7 cm，水泥環(huán)為硅酸鈣厚3 cm。儀器直徑6.2 cm，近探測器尺寸為5.08 cm×2.54 cm，源距36.268 6 cm，遠(yuǎn)探測器尺寸為10.16 cm×2.54 cm，源距55.02 cm，中子脈沖寬度為40 μs。

模擬時將地層模型劃分為3 cm×2 cm的柵元，柵元內(nèi)填充孔隙度0～40%的砂巖，孔隙流體為淡水和密度0.87 g/cm3的油。記錄中子發(fā)生器工作過程中的特征伽馬射線作為非彈性散射伽馬計數(shù)。為更貼近實際測井結(jié)果，考慮探測器響應(yīng)，使用8×107粒子數(shù)進(jìn)行模擬，采用減方差卡(DXT)，減少計算誤差?？傆嫈?shù)誤差達(dá)到0.3%。在進(jìn)行C/O數(shù)據(jù)處理時，分別選取4.22～4.69 MeV和4.8～6.43 MeV作為C和O的非彈性散射伽馬能窗。選取3.32～3.78 MeV和4.72～5.18 MeV為硅的俘獲伽馬能窗，4.19～5.19 MeV和6.23～6.70 MeV為鈣的俘獲伽馬能窗。

2.2 含灰質(zhì)砂巖地層數(shù)值模擬結(jié)果

按照上述計算模型，向地層骨架中逐漸增加密度為2.71 g/cm3的碳酸鈣，灰質(zhì)含量增加間隔為20%。得到C/O隨灰質(zhì)含量、孔隙度和孔隙流體的變化關(guān)系示于圖2和圖3，碳氧比差值隨巖性變化關(guān)系示于圖4。

圖2 不同灰質(zhì)含量條件下的C/O扇形圖

由圖2得到，由于單位體積地層中的碳原子數(shù)隨灰質(zhì)含量增加而增加，故C/O隨灰質(zhì)含量增加而增大；隨地層孔隙度增加，純含油地層單位體積骨架C、O原子數(shù)降低，流體C原子數(shù)增加，故呈現(xiàn)C/O值隨孔隙度二次遞增趨勢，不同灰質(zhì)含量地層油線近似平行；隨孔隙度增加，純含水地層骨架C、O原子數(shù)降低，流體O原子數(shù)增加，故呈現(xiàn)C/O隨孔隙度線性遞減，水線斜率增大。

圖3 不同孔隙度條件下的碳氧比值隨灰質(zhì)含量的變化

圖4 碳氧比差值隨孔隙度變化的趨勢

由圖3得到，隨灰質(zhì)含量增加，純水層骨架C原子數(shù)增加，O原子數(shù)降低，孔隙度一定時，純水層C/O值隨灰質(zhì)含量呈線性遞增；由于孔隙度和巖性對單位體積地層C、O原子數(shù)的影響不同，在不同孔隙度下，純水層C/O值隨灰質(zhì)含量的增加率不同。

由圖4得到，扇形圖水線受到灰質(zhì)含量的影響，C/O差值隨孔隙度呈二次遞增趨勢；隨灰質(zhì)含量的增加，碳氧比差值隨孔隙度的增加率增大。

2.3 含泥質(zhì)砂巖地層數(shù)值模擬結(jié)果

不同泥質(zhì)礦物因C、O元素占比不同，對C/O的影響不同。利用MCNP模擬蒙脫石、綠泥石、高嶺石、伊利石對砂巖地層C/O值的影響。其中綠泥石對C/O值影響最大，且在扇形圖變化趨勢與灰質(zhì)含量對C/O值的影響類似，選擇綠泥石為代表泥質(zhì)進(jìn)行研究。

按照上述地層模型，向純砂巖骨架中增加密度為2.77 g/cm3的綠泥石，增加間隔為20%。得到C/O隨灰質(zhì)含量、孔隙度和孔隙流體的變化趨勢示于圖5。

圖5 不同泥質(zhì)含量、孔隙度及含油飽和度條件下的碳氧比值變化規(guī)律

由圖5得到，隨著泥質(zhì)含量的增加，C/O值增大，且C/O值隨孔隙度呈二次型遞增，不同泥質(zhì)含量條件下油線近似平行；純含水不同泥質(zhì)含量地層C/O值隨孔隙度增加而減小。

3 C/O確定含油飽和度模型改進(jìn)

根據(jù)MCNP模擬結(jié)果，可將含灰質(zhì)砂巖地層C/O油水線差值(ΔC/O)分為兩個部分，① 為不同孔隙油線與對應(yīng)巖性骨架點(diǎn)之間的差值(ΔC/O1)，根據(jù)圖6所示，可由碳氧比差值隨孔隙度的二次函數(shù)關(guān)系直接給出；② 為對應(yīng)巖性骨架點(diǎn)和不同孔隙水線之間差值(ΔC/O2)，可由已知孔隙度條件下的灰質(zhì)含量與純水層碳氧比值關(guān)系得出。

由圖6直接擬合純油層碳氧比與對應(yīng)巖性條件下的骨架差值如公式(3)所示：

ΔC/O1=A1×φ2+A2×φ+A3

(3)

圖6 油線與骨架點(diǎn)碳氧比差值隨孔隙度的變化趨勢

如圖3所示，在一定孔隙度條件下，C/O與灰質(zhì)含量呈線性遞增。由C/O扇形圖(圖2)所示，水線C/O值隨孔隙度遞減，通過已知孔隙條件下的水線C/O值，利用兩點(diǎn)公式可得出任意巖性、孔隙度條件下的水線C/O。該C/O值與骨架點(diǎn)差值構(gòu)成第二部分的碳氧比差值。

ΔC/O2=(k2×TCaCO3+b2-k1×

(4)

其中，k1為地層孔隙度c1時的C/O與灰質(zhì)含量(TCaCO3)線性擬合方程斜率，b1為擬合方程截距，其中k2為地層孔隙度c2時的C/O與灰質(zhì)含量(TCaCO3)線性擬合方程斜率，b2為擬合方程截距。

綜上，將公式(3)和公式(4)代入碳氧比經(jīng)驗公式(1)，可得改進(jìn)后碳氧比飽和度解釋公式為：

(5)

4 模擬算例驗證

構(gòu)建不同灰質(zhì)、孔隙度、泥質(zhì)、含油飽和度條件下的驗證模型共8層，其模擬模型示于圖7，1～4層為含灰地層對比層，灰質(zhì)含量為15%、64%、24%、24%，第1層孔隙度為25%，其余三層孔隙度為20%。從上至下含油飽和度依次為0%，100%，70%，20%。5～6層為含綠泥石砂巖地層，泥質(zhì)含量為22.5%，孔隙度為25%，含油飽和度分別為70%和40%。7～8層為不同孔隙純含油砂巖地層，孔隙度分別為30%和15%。

根據(jù)1～4層解釋成果圖第4道可得，改進(jìn)碳氧比解釋模型碳氧比差值受巖性及孔隙度的雙重作用，在含灰質(zhì)地層條件下均高于傳統(tǒng)碳氧比解釋模型砂巖刻度條件下的碳氧比差值，與MCNP模擬結(jié)論一致。由第7道可得，改進(jìn)碳氧比解釋模型在低灰質(zhì)含量地層滿足解釋精度要求的前提下，相較于傳統(tǒng)解釋模型能夠降低解釋誤差5%以上。在高含灰質(zhì)地層，含油飽和度計算誤差由傳統(tǒng)解釋模型的24%降低到2%以內(nèi)。

由7～8層解釋成果圖第7道可得，在高孔隙條件下(POR=30%)，兩種解釋模型解釋誤差均在10%以內(nèi)。在中孔隙條件下(POR=15%)，如第8層所示，傳統(tǒng)碳氧比解釋模型飽和度計算誤差大于20%，改進(jìn)碳氧比解釋模型通過對純水層碳氧比值及碳氧比差值進(jìn)行一定校正，飽和度計算誤差可降至1%以下。

綜上，在含灰質(zhì)、泥質(zhì)地層條件下，改進(jìn)碳氧比解釋模型可將含油飽和度解釋誤差由20%降低到5%以內(nèi)，且隨著灰質(zhì)、泥質(zhì)含量的增加，改進(jìn)碳氧比解釋模型飽和度計算符合率更高。在純砂巖地層條件下，改進(jìn)碳氧比解釋模型能夠滿足高孔隙地層條件飽和度計算誤差要求的同時，對中低孔隙地層含油飽和度計算符合率也有一定提升。

5 含灰質(zhì)××井含油飽和度解釋

××井于2010年3月投產(chǎn)，投產(chǎn)井段為2 805.1～2 820.0 m，并于同年6月停產(chǎn)轉(zhuǎn)注，注入12個月后停注，為了解層間剩余油分布，對2 627.6～2 830.0 m井段進(jìn)行全譜飽和度測井。選取層段2 620.0～2 640.0 m、2 715.0～2 730 m、2 800～2 825 m進(jìn)行展示。層段內(nèi)共有儲層段11個，其中油層9個，干層2個。由遠(yuǎn)探測器硅鈣比數(shù)據(jù)及裸眼井資料所示，其上段為巖性含砂質(zhì)灰?guī)r，下段巖性為砂泥巖。分別利用傳統(tǒng)碳氧比解釋模型及改進(jìn)碳氧比解釋模型對該井進(jìn)行含油飽和度解釋，飽和度解釋成果圖示于圖8。

由上至下，儲層段依次編號為1、2、3…11。其中1、2、6、7為高灰質(zhì)含量地層，灰質(zhì)含量在40%左右，傳統(tǒng)飽和度解釋模型在高含灰質(zhì)地層中出現(xiàn)解釋結(jié)論較樂觀，全譜含油飽和度解釋結(jié)果超出裸眼井解釋結(jié)果20%左右。利用改進(jìn)解釋模型進(jìn)行解釋，在對應(yīng)層位上，全譜含油飽和度解釋與裸眼井解釋結(jié)果誤差在10%以內(nèi)。4、5號層為低灰質(zhì)含量低層，灰質(zhì)含量在20%左右，傳統(tǒng)碳氧比解釋模型與改進(jìn)碳氧比解釋模型解釋誤差均在10%以內(nèi)，兩種解釋模型都能較準(zhǔn)確反映地層含油飽和度。8、9、10為砂泥巖地層，兩種解釋模型解釋誤差在3%以內(nèi)，其中11號為主要產(chǎn)油層，含油飽和度解釋結(jié)果低于裸眼井含油飽和度解釋結(jié)果，與實際采注情況一致。

綜上，針對XX井進(jìn)行實際解釋，在高灰質(zhì)含量地層，該改進(jìn)碳氧比解釋模型相較于傳統(tǒng)碳氧比解釋模型解釋精度更高，解釋符合率在90%以上。

6 結(jié)果與討論

(1) 根據(jù)全譜飽和度測井儀器參數(shù)，建立了MCNP數(shù)值模擬模型，得到了不同巖性、孔隙度、含油飽和度條件下的碳氧比測井響應(yīng)。根據(jù)模擬結(jié)果所示，隨地層灰質(zhì)、泥質(zhì)組分增加，C/O值增大，碳氧比差值增大。傳統(tǒng)解釋模型計算碳氧比差值時未考慮巖性校正是導(dǎo)致常規(guī)解釋模型解釋結(jié)果出現(xiàn)誤差的主要原因。

(2) 根據(jù)C/O、Si/Ca值受巖性影響的變化趨勢，提出了一種改進(jìn)的碳氧比解釋模型。該解釋模型通過更改水線方程表達(dá)形式，對高含灰質(zhì)地層水線變化進(jìn)行正確表征，同時引入巖性影響因子，實現(xiàn)對不同巖性地層碳氧比差值的精確計算。

圖8 ××井解釋成果圖

(3) 建立不同巖性、孔隙度和飽和度驗證地層，對比結(jié)果顯示，在混合巖性地層中，改進(jìn)碳氧比解釋模型能降低飽和度解釋誤差15%左右，且隨著灰質(zhì)含量、泥質(zhì)含量的增加，改進(jìn)碳氧比解釋模型含油飽和度計算符合率越高。在純砂巖地層條件下，改進(jìn)碳氧比解釋模型能夠滿足高孔隙地層條件飽和度計算誤差范圍要求的同時，對中低孔隙地層含油飽和度計算符合率也有一定提升。

(4) 利用該改進(jìn)解釋模型對實測井XX井進(jìn)行解釋，相較于傳統(tǒng)模型，該改進(jìn)的碳氧比飽和度解釋模型能夠?qū)Σ煌屹|(zhì)含量地層進(jìn)行精確解釋，解釋符合率在90%以上。

本文結(jié)合MCNP數(shù)值模擬方法，對C/O在不同巖性條件下的測井響應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，通過對不同條件下的C/O響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行總結(jié)，提出了一種改進(jìn)的碳氧比飽和度解釋模型。并在模擬井與實測井分別使用傳統(tǒng)碳飽和度解釋模型和改進(jìn)飽和度解釋模型進(jìn)行解釋。相較于傳統(tǒng)碳氧比飽和度解釋模型，該改進(jìn)模型對含灰質(zhì)、泥質(zhì)地層的C/O值刻畫更加精細(xì)，能夠有效減小脈沖中子飽和度在不同巖性地層情況下的剩余油飽和度解釋誤差。