過套管四中子測井新技術(shù)在油氣田開發(fā)中的應(yīng)用

林學(xué)春,劉文鈺,袁洪波,任耀軍,李海燕,李偉

(1.大港油田分公司勘探開發(fā)研究院,天津300280;2.大港油田分公司第四采油廠,天津300280;3.中國石油集團測井有限公司天津分公司,天津300280;4.若克(北京)技術(shù)有限公司,北京100101)

0 引 言

在油田勘探開發(fā)過程中,及時準(zhǔn)確地判識儲層的有效性、流體性質(zhì)及油氣飽和度是儲層評價中需要解決的問題。一些新鉆井由于井況復(fù)雜,無法順利實施裸眼測井,需要過套管測井補充儲層巖性、孔隙度、含油飽和度等參數(shù)資料,為油田制訂開發(fā)方案提供技術(shù)依據(jù)[1-2]。中國大部分油田經(jīng)過多年注水開發(fā)生產(chǎn),存在不同程度水淹,需要通過套后測井方法,準(zhǔn)確判識儲層水淹狀況、評估剩余油分布狀態(tài),為制訂油田開發(fā)措施提供詳實數(shù)據(jù)。

中國于2016年11月引進四中子測井技術(shù)[3],該技術(shù)利用镅鈹中子源放射出產(chǎn)額穩(wěn)定的快中子與地層相互作用,利用中子-中子和中子-伽馬雙物理過程中探測的信息,計算地層的泥質(zhì)含量、物性和含油氣性等參數(shù),完成儲層有效性評價、油氣水識別、水淹層判識等工作。四中子測井在中國累計已經(jīng)完成測井作業(yè)200余井次,在裸眼井資料補充、剩余油評價等方面有良好的應(yīng)用效果。

1 四中子測井儀器結(jié)構(gòu)

四中子測井儀器外徑43 mm,長4.5 m,分為通訊和采集2個短節(jié)。通訊短節(jié)依次有溫度探頭、高能伽馬探頭、自然伽馬探頭、接箍定位器;采集短節(jié)依次有長源距伽馬探頭、短源距伽馬探頭、5 Ci(1)非法定計量單位,1 Ci=3.7×1010 Bq,下同镅鈹中子源、短源距中子探頭、長源距中子探頭(見圖1)。四中子測井?dāng)?shù)據(jù)可以通過電纜實時傳輸?shù)降孛娌杉到y(tǒng),也可以用存儲方式完成測井。

圖1 四中子測井儀器結(jié)構(gòu)圖

2 四中子測井解釋方法

四中子測井技術(shù)利用中子-中子、中子-伽馬雙物理過程獲得4條計數(shù)率曲線,通過疊加算法計算地層的泥質(zhì)含量、物性和含油氣性等參數(shù)[4-7]。

2.1 泥質(zhì)含量計算

(1)利用自然伽馬計算地層的泥質(zhì)含量。該方法快捷方便,已廣泛應(yīng)用,但實際中會遇到問題,例如,地層中有鉆井液侵入時,自然伽馬對此反應(yīng)不明顯,但是中子測量值對該侵入非常敏感;當(dāng)?shù)貙又杏懈叻派湫栽貢r,自然伽馬方法會導(dǎo)致泥質(zhì)含量計算結(jié)果偏高。

(2)利用黏土含量指示曲線計算泥質(zhì)含量。黏土結(jié)構(gòu)中鋁元素是主要組成部分,砂巖中硅元素是主要組成部分,這2種元素具有明顯不同的熱中子俘獲截面。與硅元素相比,鋁元素具有更高捕獲中子的可能性,并且有可能發(fā)射更多的伽馬射線,鋁元素產(chǎn)生的伽馬計數(shù)率會更高。由此可以得到地層黏土含量指示曲線,選取砂巖和泥巖的黏土含量曲線特征值(QC),就可以將QC轉(zhuǎn)換為地層的泥質(zhì)含量。

(1)

式中,CSNN為四中子測井中子-中子短源距探測器計數(shù)率,cps;CLNN為四中子測井中子-中子長源距探測器計數(shù)率,cps;CSNG為四中子測井中子-伽馬短源距探測器計數(shù)率,cps;CLNG為四中子測井中子-伽馬長源距探測器計數(shù)率,cps;M、N、Z、Y為地區(qū)經(jīng)驗系數(shù),默認(rèn)值分別為0.04、0、1.90、-1.50。

2.2 物性計算

四中子測井通過計數(shù)率曲線的疊加計算得到地層的總孔隙度、有效孔隙度、相對密度孔隙度、中子孔隙度等。

(1)總孔隙度。中子-中子(NN)和中子-伽馬(NG)測井都主要反映地層孔隙度的變化,當(dāng)儲層孔隙油水飽和時,隨著孔隙度增大,地層含氫指數(shù)增高,NN和NG計數(shù)率均降低,可用NN和NG計數(shù)率來計算NN和NG孔隙度。在淡水地層中,令NN孔隙度等于NG孔隙度。在相同孔隙度下,隨著地層水礦化度增高,地層中氯離子含量也增高;氯元素具有較高的熱中子俘獲截面,將有效地俘獲熱中子,使得此時NN計數(shù)率與淡水時相比略有降低,計算的NN孔隙度值偏大;氯原子核俘獲熱中子后釋放伽馬射線,使NG計數(shù)率升高,計算的NG孔隙度值明顯減小。碳?xì)浠衔锱c水的含氫指數(shù)通常存在差異,在相同孔隙度下,地層中氫原子數(shù)多時,受快中子與氫核彈性散射競爭的影響,快中子與地層中其它元素發(fā)生非彈性散射的幾率低,產(chǎn)生的非彈性伽馬射線數(shù)量減少,使計算的NG孔隙度與NN孔隙度比偏高?；贜N和NG測井孔隙度誤差相反的響應(yīng)特征,通過反向疊加處理消除流體的影響,可以得到準(zhǔn)確的地層總孔隙度φtotal。

(2)

式中,P、Q為地區(qū)經(jīng)驗系數(shù),與鉆頭尺寸和井筒管柱結(jié)構(gòu)及鋼材屬性有關(guān)。

(2)相對密度孔隙度。測井利用伽馬射線與物質(zhì)的相互作用來測定地層密度[8]。伽馬計數(shù)率與物質(zhì)密度之間存在密切關(guān)系,密度越高,伽馬計數(shù)越低。通常密度測量使用已知能量的伽馬射線源,并根據(jù)測量得到的計數(shù)率,計算出測量空間的相對密度。四中子測井分別記錄NN和NG的計數(shù)率,如果NG計數(shù)率相對于NN計數(shù)率下降,則在測量空間內(nèi)遇到了高密度物質(zhì);如果NG計數(shù)率相對于NN計數(shù)率上升,則遇到了低密度物質(zhì)。

根據(jù)伽馬和中子場的相互關(guān)系構(gòu)建相對密度曲線,通過歸一化2個物理過程單個探測器對孔隙度的響應(yīng),然后從長源距中子-中子孔隙度中減去長源距中子-伽馬孔隙度得到相對密度,通過將相對密度曲線進行歸一化計算,得到相對密度孔隙率度曲線。四中子測井相對密度曲線可以用來校正流體指示曲線(QL)、氣層判識以及儲層巖性分析等。

CE=φLNN-φLNG

(3)

(4)

式中,φLNN為四中子測井長源距中子-中子孔隙度,%;φLNG為四中子測井長源距中子-伽馬孔隙度,%;CE為四中子測井計算的相對密度值,%;φCE為相對密度孔隙度值,%;CEma為地層骨架的相對密度值,%;CEf為地層流體的相對密度值,%。

(3)中子孔隙度。四中子測井儀器有長、短源距2個中子探頭,測井過程中分別記錄中子-中子長、短源距的熱中子計數(shù)率,進行補償計算,得到地層的中子孔隙度(φf),用于計算含氣飽和度。

(5)

式中,R、T為地區(qū)經(jīng)驗系數(shù),通過與地層總孔隙度疊加計算獲得。

2.3 飽和度計算

四中子測井可以通過計算得到地層的含油飽和度、含氣飽和度。

(1)流體識別曲線。中子孔隙度測量對2個參數(shù)非常敏感,即地層的真實孔隙度和孔隙空間中的流體類型,NG與NN孔隙度對孔隙流體類型的敏感性相反[9]。在計算φtotal時,使用NN和NG孔隙度對孔隙空間中流體的不同敏感性來補償和抵消其影響。而對于流體類型的識別,以疊加的方式放大這些流體類型敏感性,計算的曲線稱為四中子測井流體指示曲線。

(6)

式中,QL為四中子測井計算的流體指示曲線值,%;U、V為地區(qū)經(jīng)驗系數(shù),通過與φtotal疊加獲取。

(2)含油飽和度(So)計算。四中子測井NG與NN孔隙度對孔隙流體類型的不同敏感性,使得φtotal和QL在2種情況下相等:①有效孔隙度為0時(如泥巖段);②在淡水中,中子-中子對含氫指數(shù)(HI)和一定礦化度水的響應(yīng)f(HI,Sal)NN-NG與中子-伽馬對含氫指數(shù)和一定礦化度水的響應(yīng)f(HI,Sal)NN+NG相等時。在充滿碳?xì)浠衔锏牡貙?QL讀數(shù)低于φtotal,φtotal和QL之間的分離將與孔隙中碳?xì)浠衔锖砍烧壤?。由圖2可見,2條曲線在淡水中重疊,在更高礦化度為A值的鹽水中,疊加φtotal和QL并向下平移QL曲線,使得QL和φtotal在礦化度A處重合。如果要確定地層B點的孔隙度變化,可以觀察B點處φtotal和QL的差異,就是X所示線段的長度,其代表碳?xì)浠衔锖康亩嗌佟?/p>

圖2 QL與φtotal在不同流體中的差異

依據(jù)QL與φtotal之間的差異,通過轉(zhuǎn)換計算,可以得到含油飽和度

So=FK(φtotal-QLce)

(7)

式中,F為四中子測井地層因子;K為四中子測井流體跨距系數(shù),與礦化度和含氫指數(shù)有關(guān);QLce為經(jīng)過密度校正的四中子測井計算流體指示曲線值,%。

(3)含氣飽和度(Sg)計算。地層中若含氣,中子孔隙度和密度孔隙度會存在明顯的包絡(luò)。四中子測井采用與裸眼井測井解釋類似的密度-中子疊加方法來計算含氣飽和度,為了更精確地評價地層的含氣飽和度,四中子測井采用2個疊加方式求取:①總孔隙度和相對密度孔隙度疊加;②總孔隙度和中子孔隙度疊加。

(8)

式中,a為權(quán)重數(shù),通常取0.75;c為總孔隙度與相對密度孔隙度差值的歸一化值;d為總孔隙度與中子孔隙度差值的歸一化值,與地區(qū)有關(guān)。

3 實際應(yīng)用效果及分析

3.1 裸眼井資料補充

XX1井位于濱海斷鼻主體,目的層段Es1上砂組,巖性主要為泥巖夾粉砂巖、細(xì)砂巖,地層水類型為NaHCO3,總礦化度7 000～9 500 mg/L,地面原油密度0.81～0.87 g/cm3。由于井況復(fù)雜,該井沒有進行裸眼測井。固井后,2019年4月28日完成過套管四中子測井,其解釋成果見圖3。圖3中的儲層段3 648.4～3 655.0 m,依據(jù)伽馬計算泥質(zhì)含量為10%～15%,依據(jù)黏土含量指示曲線計算泥質(zhì)含量為20%～30%,兩者差異表明該段有鉆井液侵入,該段總孔隙度平均為17%,相對密度孔隙度平均為15%,計算有效孔隙度平均為14%。在泥巖段,疊合φtotal和QL曲線,在3 648.4～3 654.5 m層段,兩者有明顯的包絡(luò)(紅色陰影部分),表明地層中良好的含油特征。經(jīng)過計算,3 648.4～3 653.1 m層段含油飽和度為40%～60%;3 653.1～3 654.5 m層段含油飽和度為15%～40%。結(jié)合泥質(zhì)含量、孔隙度和含油飽和度計算結(jié)果,解釋后結(jié)果見表1。2019年6月25日射孔3 646.5～3 651.5 m層段,日產(chǎn)油28.07 t,含水率1.5%,與四中子測井解釋結(jié)果一致。

圖3 XX1井四中子測井解釋成果圖

表1 XX1井重點層段解釋成果表

3.2 氣層評價分析

XX3井為YEZ油田二斷塊的一口生產(chǎn)井,地層水類型為NaHCO3,總礦化度4 000～5 500 mg/L,地面原油密度0.93～0.94 g/cm3。該井于2019年6月19日完井,2019年11月17日進行四中子測井。XX3井四中子測井含氣分析成果見圖4,目的層段22號層(1 555.7～1 557.0 m)、23-1號層(1 558.3～1 561.1 m),φCE與φtotal存在明顯的鏡像包絡(luò)特征,表明該段明顯的含氣特征;同時QL和φtotal也有包絡(luò)面積,表明該段明顯的含油特征,據(jù)此分別計算出該段的含氣飽和度和含油飽和度。結(jié)合計算的泥質(zhì)含量、孔隙度、含油飽和度、含氣飽和度,參考該段較高的原油密度,解釋成果見表2。2019年11月23日射孔1 554.8～1 559.3 m層段,初始日產(chǎn)氣2 000 m3,與四中子測井解釋結(jié)果一致。

圖4 XX3井四中子測井含氣分析成果圖

表2 XX3井重點層段解釋成果表

3.3 水淹層分析

XX6井為WGT油田G三斷塊的一口水平生產(chǎn)井,目的層段為下第三系孔店組,2019年9月30日完井。為落實該段的水淹及剩余油分布狀況,2019年12月2日進行四中子測井。調(diào)整曲線刻度比例,滿足2個重合:①在泥巖段使CLNN和CLNG重合;②在致密層段,即計數(shù)率最高的層段,使CLNN和CLNG重合。儲層段CLNN與CLNG均形成包絡(luò),中子計數(shù)率明顯降低,伽馬計數(shù)率相對升高,分析是儲層水淹所致,依據(jù)含油飽和度值和孔隙度以及泥質(zhì)含量等參數(shù),對儲層進行分類,該井重點層段解釋成果見表3,該井解釋成果見圖5。2020年1月,對該段進行試油,含水率近100%。由于地層非均質(zhì)性等原因,該段儲層各小層之間水淹程度差異較大,分段堵水措施比較困難,建議進行整體封堵。

圖5 XX6井四中子測井解釋成果圖

表3 XX6井重點層段解釋成果表

4 結(jié) 論

(1)四中子測井技術(shù)依據(jù)雙物理過程中子-中子、中子-伽馬的探測信息,采用疊加的處理方法,消除環(huán)境影響,可以準(zhǔn)確獲取地層的泥質(zhì)含量、物性和含油氣性等信息。

(2)四中子測井在油田成功應(yīng)用的案列,證明其在裸眼井資料補充、套后剩余油評價、氣層識別及水淹層分析等方面有著良好的應(yīng)用效果,為油田勘探與開發(fā)提供有效的技術(shù)支持。

(3)在四中子測井解釋結(jié)果中,許多水淹層的含油飽和度值明顯低于理論殘余油飽和度值,因此,該技術(shù)在不同油田區(qū)域應(yīng)用時,需要密切結(jié)合區(qū)域背景信息,使解釋模型的選取和參數(shù)調(diào)整更趨于合理,計算結(jié)果才能準(zhǔn)確反映地層的真實信息。