王 振，范繼林，張 鋒,3，梁國武，王俊華

(1.中海油田股份有限公司，河北 燕郊 065201; 2.中國石油大學(華東)，山東 青島 266580;3.深層油氣重點實驗室，山東 青島 266580)

天然氣是國家深地戰(zhàn)略和國家綠色能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要基石。我國75%以上天然氣來自復雜巖性和非常規(guī)油氣藏，致密氣成為天然氣開發(fā)的一個主力勘探領域，主要包括陸相砂巖、海相碳酸鹽巖等多種類型。致密氣儲層非均質性強，氣、水關系復雜[1-2]，氣水層準確識別技術和有效儲層預測技術尚不滿足勘探開發(fā)要求。

目前，采用聲波、電阻率、核磁等測井技術可以進行致密氣儲層含氣識別與評價。張志虎等[3]利用密度和中子測井響應方程建立計算模型，在儲層水電阻率不確定情況下定量求取含氣飽和度。王大興[4]利用聲波測井資料進行致密砂巖儲層含氣評價，得到縱橫波速度衰減和泊松比與儲層孔隙度及含氣飽和度呈近似負線性關系；尹帥等[5]研究在四川盆地須家河組以常規(guī)測井、元素俘獲能譜測井(ECS)、核磁共振測井(NMR)及全波列測井資料進行評價，提高了預測精度。張筠等[6]開展核磁共振測井觀測模式對比分析，以巖石弛豫特征和氣水弛豫特征為基礎，在四川盆地縫洞性碳酸鹽巖儲層進行氣水識別。

作為核地球物理勘探中氣體飽和度評估的重要方法，脈沖中子測井技術在含氣飽和度評估中起著不可或缺的作用。Badruzzaman等[7]利用PNC及伽馬計數(shù)比來確定密度和含氣指示； Guo等[8]利用超長源距探測器定量評價孔隙度為3%～7%的泥砂巖儲層的含氣性；Bertoli[9]、Adrian[10]和Mamdouh[11]推出新型多探測器脈沖中子測井技術(MDPN)，Zhou等[12]推出一種包含三個探測器的新型脈沖中子TMD-L測井技術，該脈沖中子測井儀通過長探測器伽馬信息實現(xiàn)儲層含氣飽和度的評價。

基于甲烷、水和油對快中子散射能力的差異，本文提出一種利用快中子散射截面(FNXS)定量評價含氣飽和度的方法。通過長探測器的非彈伽馬射線表征FNXS，結合儲層巖石體積物理模型，實現(xiàn)對儲層含氣飽和度的定量監(jiān)測，建立含氣儲層飽和度的評價方法，為定量監(jiān)測致密氣藏中的天然氣飽和度提供一種有效技術支持。

1 理論方法

快中子的探測效率極低，用次生伽馬射線間接探測快中子是一種常用方法。脈沖中子測井技術中，D-T中子源可產生窄脈沖的快中子，向各個方向傳播并與井眼和儲層中的原子核相互作用?？熘凶舆M入地層后，在極短時間內與地層介質發(fā)生非彈性散射釋放非彈伽馬射線，同時發(fā)生彈性散射，中子逐漸慢化成為熱中子，后被地層原子核俘獲，釋放俘獲伽馬射線。地層非彈性散射截面與密度呈正相關關系，即非彈性散射過程中產生的伽馬射線越強，地層密度作用導致的伽馬射線的衰減作用越強[12]。因此，將14 MeV的彈性散射截面作為快中子散射截面(FNXS)用以含氣評價是一種合理的技術手段。

根據快中子散射理論[13]，發(fā)生非彈性散射的快中子通量分布φf(r)如公式(1)所示：

(1)

式中，r為探測器源距，φ0為中子源強度。λs與FNXS分別為快中子散射自由程與快中子散射截面，滿足互為倒數(shù)的關系。

利用中子伽馬耦合場理論[14]，非彈性散射伽馬通量φin(R)如公式(2)所示：

(2)

式中，φin為非彈伽馬射線通量，μm為質量衰減系數(shù)，ik為中子與每個元素一次碰撞中產生的伽馬光子數(shù)，φf(r)為快中子通量分布，R為長探測器源距，Σin為地層的快中子非彈性散射截面，ρ為地層體積密度。

相對于地層快中子散射截面，快中子非彈性散射截面較小，可以將Σin視為定值。假定中子與每個元素一次碰撞中產生的伽馬光子數(shù)ik不變，由公式(2)可知，由于不同巖性儲層的屬性參數(shù)(μm,ρ)存在差異，計算FNXS時需要考慮地層巖性參數(shù)的影響。因此，利用非彈性散射伽馬通量表征FNXS滿足以下公式：

FNXS=f(φin,Lith)

(3)

其中，Lith為地層巖性參數(shù)。公式(3)說明了地層FNXS的求取可以利用非彈伽馬射線通量來表征，但會受到地層巖性的影響。因此，不同巖性地層需要建立不同的表征方法來滿足FNXS計算的準確性。儲層常見物質的快中子散射截面列于表1。

表1 儲層常見物質的快中子散射截面

相比于儲層骨架與孔隙油水的核物理參數(shù)，固體礦物質FNXS的大小與水和稠油的類似，氣體的氫指數(shù)較低，熱中子俘獲截面、密度和FNXS存在較大差異。因此，含氣儲層中，利用FNXS可以將儲層油氣水三相流體轉化為氣液兩相流體，為含氣飽和度評價提供了一種新的方法。FNXS遵循巖石體積物理模型，在純砂巖儲層中，滿足公式(4)：

FNXS=FNXSmatrix(1-φ)+FNXSgasφSg+

FNXSoilφ(1-Sg)

(4)

由上式可以得到純砂巖儲層含氣飽和度為：

(5)

在砂泥巖含氣儲層中，滿足公式(6)：

FNXS=FNXSmatrix(1-φ)(1-Vsh)+

FNXSsh(1-φ)Vsh+FNXSgasφSg+

FNXSoilφ(1-Sg)

(6)

則含泥質砂巖儲層含氣飽和度計算公式為：

Sg=(FNXS-FNXSmatrix(1-φ)(1-Vsh)+

FNXSsh(1-φ)Vsh-FNXSoilφ)/

(FNXSgasφ-FNXSoilφ)

(7)

式中，具有不同下標的FNXS表示不同儲層組分的FNXS值(matrix為骨架，gas和g為甲烷，oil為油)，φ為儲層孔隙度，Vsh為泥質含量，S為飽和度。

2 蒙特卡羅數(shù)值模擬與FNXS表征

蒙特卡羅方法(MCNP)[15]可用于中子、光子、電子或耦合的中子、光子、電子傳輸輸運過程，利用蒙特卡羅方法建立井筒-儲層計算模型，模擬快中子輸運過程，研究非彈性散射伽馬計數(shù)與快中子散射截面關系，建立模擬數(shù)據與刻度井實驗數(shù)據相結合的FNXS的表征方法，進而定量評價儲層含氣飽和度。

2.1 數(shù)值模型構建

MCNP數(shù)值計算模型示于圖1。儲層模型為高140 cm，直徑140 cm的圓柱狀套管井儲層，井眼充滿淡水，直徑10.16 cm。水泥環(huán)由CaSiO3組成，密度為1.87 g/cm3，厚度2.54 cm；套管為不銹鋼材質，厚度0.635 cm。儲層孔隙度在0～30%范圍內變化，含氣飽和度為0、25%、50%、75%、100%。儲層溫度為323.15 K，壓力為20 MPa，該地層溫壓條件下，甲烷、淡水和稠油的密度分別為0.12、1.00、0.95 g/cm3。

圖1 儀器儲層模型

三探測器脈沖中子測井儀用作儲層含氣飽和度監(jiān)測器，源和每個探測器之間存在屏蔽裝置。儀器外殼由17-4PH鋼制成，厚度為0.5 cm。源為D-T脈沖中子源，產生高能中子(14 MeV)并向儲層均勻發(fā)射。探測器材料為LaCl3晶體，三個探測器的源距分別為36、54、72 cm。三個探測器晶體的直徑均為2.54 cm，長度分別為5.08、10.16、5.24 cm。

2.2 非彈性散射伽馬計數(shù)響應

由于伽馬射線計數(shù)數(shù)量級較大，選用伽馬射線計數(shù)對數(shù)(lnN)進行研究。利用圖1所示儀器地層模型，分別設置純巖性砂巖、灰?guī)r、白云巖和泥巖地層骨架，改變儲層孔隙為0～30%，間隔5%，模擬純含氣與純含水地層條件下，不同儲層條件下的長源距探測器的伽馬射線計數(shù)對數(shù)與FNXS的關系，形成快中子散射截面表征方法。圖2展示了砂巖和泥巖(綠泥石)儲層條件下，不同地層孔隙度、飽含氣和飽含水儲層FNXS關于長探測器lnN的變化關系。

由圖2可知，同一巖性條件下，F(xiàn)NXS與lnN有著良好的線性負相關關系。利用長探測器伽馬射線計數(shù)lnN可以實現(xiàn)FNXS的定量表征。砂泥巖條件下FNXS表征關系如下：

a——砂巖儲層；b——泥巖儲層

純砂巖儲層：FNXS=-3.34×lnN+30.04

(8)

純泥巖儲層： FNXS=-3.61×lnN+31.66

(9)

式中，F(xiàn)NXS為散射截面測量值，lnN為長探測器伽馬計數(shù)對數(shù)?；谝陨瞎?，通過測量的長探測器伽馬信息，可以實時得到FNXS曲線，結合體積模型計算儲層含氣飽和度。

基于砂泥巖儲層骨架物質組成，利用FNXS評價含氣飽和度時需要進行地層巖性識別。在砂泥巖地層條件下，需要結合泥質含量對FNXS表征公式進行差值修正，滿足實際地層巖性需求，以保證FNXS計算的準確性。

2.3 FNXS與含氣飽和度響應關系

獲取不同巖性地層下FNXS表征方法后，研究FNXS與含氣飽和度的關系，實現(xiàn)儲層含氣飽和度的定量評價。利用圖1所示儀器地層模型，在純巖性地層條件下，將儲層設置為充滿油氣的砂巖儲層，改變孔隙度為0～30%，間隔為5%，同時改變含氣飽和度為0～100%，間隔為25%。在不同的含氣飽和條件下，模擬得到FNXS與儲層孔隙度的變化示于圖3。

圖3 FNXS關于儲層孔隙度的變化

從不同含氣飽和度條件下FNXS關于儲層孔隙度的響應可以看出，在含氣飽和度較低的情況下，F(xiàn)NXS隨著孔隙度逐漸增加，而在含氣飽和度較高的情況下，F(xiàn)NXS隨著孔隙度逐漸減小。在油氣混相儲層中，當氣體飽和度低時，油對快中子的慢化占主導地位；當氣體飽和度高時，氣對快中子的慢化占主導地位。不同含氣飽和度條件下，F(xiàn)NXS關于孔隙度的變化關系差異明顯，表明FNXS是一種良好的含氣飽和度評價方法。

針對巖性較為復雜的儲層，以含泥質砂巖為例，在儲層泥質含量為0、10%、20%和30%條件下，改變孔隙度為0～30%，間隔為5%，同時改變含氣飽和度為0～100%，間隔為25%。在不同的含氣飽和條件下，含泥質砂巖儲層FNXS與儲層孔隙度的變化示于圖4。

圖4 泥質含量對FNXS測量的影響

由圖4可以看出，與純砂巖儲層類似，在任意泥質含量儲層條件下，含氣飽和度較低時，F(xiàn)NXS隨著孔隙度逐漸增加，含氣飽和度較高時，F(xiàn)NXS隨著孔隙度逐漸減小，但隨著儲層泥質含量增大，計算得到的FNXS相應升降低。儲層FNXS主要受儲層骨架、孔隙油水的影響，泥質的FNXS小于石英，相比于純砂巖儲層，盡管泥質與石英散射截面相差較小，但仍表現(xiàn)出由于泥質的存在導致地層整體FNXS降低的現(xiàn)象。因此，通過這一現(xiàn)象表明，在含泥質儲層或復雜巖性儲層，利用FNXS進行含氣飽和度評價時，首先應對純巖性的FNXS表征公式進行差值，獲取適用于該含泥質儲層或復雜巖性儲層條件下的FNXS表征公式，是精準確定儲層FNXS的前提。

2.4 含氣飽和度計算精度模擬

利用FNXS進行儲層含氣飽和度求取過程中，對飽和度定量計算精度的研究十分重要。因此，基于砂巖地層儲層的數(shù)值模擬模型，分別設置儲層孔隙度為8%、10%、13%、16%、18%、21%、26%，同時對應的含氣飽和度設置為73%、22%、36%、16%、91%、47%、62%。模擬獲取長探測器計數(shù)對數(shù)lnN，通過公式(8)計算儲層FNXS，結合巖石體積物理模型計算含氣飽和度，并與含氣飽和度設置值進行對比，獲取上述條件下的含氣飽和度計算精度，驗證FNXS評價儲層含氣飽和度的有效性，結果列于表2。從表2可以看出，在任意孔隙度儲層條件下，含氣飽和度計算絕對誤差控制在5%以內，表明利用FNXS進行儲層含氣飽和度的精度較高，驗證了該方法的有效性。

表2 含氣飽和度計算精度驗證

3 現(xiàn)場實例驗證

現(xiàn)場實例證明FNXS在致密儲層條件下的含氣飽和度評價的有效性。圖5為X井1 760～1 800 m層段裸眼井資料與FNXS評價含氣飽和度解釋成果。該層段為致密砂泥巖儲層，非儲層段泥質含量較大，儲層段以砂巖為主。儲層整體孔隙度較低，約為10%～20%。除第一道深度道外，第2～8道均為裸眼井測井資料，第9道為長探測器伽馬計數(shù)對數(shù)lnN測量值，第10道為FNXS曲線，第11道為含氣飽和度。從X井計算的lnN曲線可以看出，含孔隙層段lnN為高值，F(xiàn)NXS曲線為低值，因此解釋結果所示利用FNXS解釋的含氣飽和度約為50%，與裸眼井解釋含水飽和度對應性良好。該層段已經射孔開采，產量較好，與解釋結果吻合。

圖5 X井FNXS評價含氣飽和度解釋成果

圖6為Y井1 570～1 600 m層段利用FNXS進行含氣飽和度評價的結果。該層段為致密砂泥巖儲層，非儲層段泥質含量較大，儲層段以砂巖為主。儲層整體孔隙度較低，1 580～1 584 m段孔隙度在10%以下，1 584～1 592 m段孔隙度接近20%。除第一道深度道外，第2～8道均為裸眼井測井資料，第9道為長探測器伽馬計數(shù)對數(shù)lnN測量值，第10道為FNXS曲線，第11道為含氣飽和度。從Y井lnN曲線可以看出，含孔隙層段lnN為高值，計算得到的FNXS曲線為低值，綜合解釋含孔隙儲層段含氣飽和度約50%，含氣量較高，符合地區(qū)認識。

圖6 Y井FNXS評價含氣飽和度解釋成果

4 結論

本文針對致密氣儲層的含氣評價，基于甲烷、油和水對快中子散射能力的差異，將FNXS應用于致密砂巖儲層的含氣飽和度的定量監(jiān)測，為致密氣的定量評價提供了一種有效的方法。具體結論如下。

(1) 基于MCNP模擬手段，利用長探測器非彈伽馬計數(shù)對數(shù)與FNXS呈負相關的特性，實現(xiàn)了純巖性條件下FNXS的定量表征。

(2) 針對含泥質砂巖儲層，利用差值實現(xiàn)了FNXS的表征，并利用含泥質巖石體積物理模型建立相應的含氣飽和度計算模型，實現(xiàn)了含氣飽和度的定量計算。

(3) 測井實例解釋結果表明了該方法的解釋結論與實際儲層產量對應良好，驗證了FNXS評價致密地層含氣飽和度的有效性。