PND俘获模式测试技术求取储层含水饱和度方法研究

李小罗 马丽勤

(1.辽河油田公司基建工程部 辽宁盘锦) (2.中国石油辽河油田公司钻采工艺研究院 辽宁盘锦)

PND俘获模式测试技术求取储层含水饱和度方法研究

李小罗1马丽勤2

(1.辽河油田公司基建工程部 辽宁盘锦) (2.中国石油辽河油田公司钻采工艺研究院 辽宁盘锦)

文章研究了脉冲中子衰减能谱(PND)测试技术的基本原理及俘获模式求取含水饱和度的计算方法,并根据现场测试结果与地质录井解释结果进行对比,解释结果基本一致,表明了解释结果的可靠性。

脉冲中子;俘获截面;含水饱和度

0 引 言

脉冲中子衰减能谱(PND)测试技术是一种近年发展起来的石油勘探过油管储层评价测井技术,该技术是对热中子寿命测井和碳氧比测井技术的继承和发展。它较好地克服了井眼流体和岩性的影响,是目前储层评价方面最先进的测井技术之一。一次下井可同时测量快中子与地层作用产生的非弹性散射和俘获伽马谱,分别求取储层的孔隙度、含水饱和度、泥质含量等指标,不仅适用于高矿化度地区,同时也可以用于低矿化度地区[1]。本文主要针对其俘获模式求取岩石含水饱和度的应用研究。

1 脉冲中子测井理论基础

所有的脉冲中子类测井方法都采用了受控中子发生器技术。中子管加电后产生高能快中子,与地层中元素的原子核发生非弹性散射和热中子俘获反应,两种反应均释放出伽马射线。通过探测器测量随时间变化的非弹性散射和俘获伽马射线强度,进而求取地层的含水饱和度等参数。

1.1 地层物质的宏观俘获截面

中子与原子核相互作用的几率是用俘获截面σ表示的,单位是平方米(m2)或平方厘米(cm2),旧用单位是靶恩(b),1b=10-28m2。在研究中子与岩石的相互作用时,涉及大量原子核的作用,需要引入宏观截面的概念。宏观截面也称截面密度,与此对照,一个原子核的截面σ可称为微观截面[2]。宏观截面是中子与单位体积物质的所有原子(或分子)发生作用的截面,用∑表示,单位是每米(m-1)。

式(1)中,N为核密度,即单位体积内的原子核数。习惯上核密度以cm3为单位,并有:

式(2)中:ρ为表示物质的体密度,g/cm3;A为元素的摩尔质量,g/mol;NA为阿伏加德罗常数,它等于6.022×1023。

可见ρ/A代表单位体积的摩尔数,即mol/cm3,再与阿伏加德罗常数相乘则为单位体积的原子数或分子数。

如果所研究的物质不是由单一元素(严格地讲应为核素)而是由 m种元素的混合所组成,则截面密度应为:

式(3)中,Ni为第i种元素的核密度;σio第i种元素的微观截面。

对于化合物,当中子能量大于1 eV时,靶核与自由核一样。当中子能量较小时,中子与结合在分子中的原子核散射时,由于受化学键的影响,使中子似乎是与一个质量数比散射核大得多的原子核作用,有可能与分子发生非弹性散射。当中子能量更低时,中子与靶核的作用犹如靶核具有整个分子的质量。低能中子与分子或固体的作用,不能用微观截面来描述,只能用宏观截面。

宏观截面有散射截面(∑s)、吸收截面(∑a)和总截面(∑t)之分,公式如下:

岩石的宏观散射截面(∑s)是中子在1 cm路程上与原子核发生碰撞(包括非弹性和弹性散射)的几率,也可表示为:

式(5)中,σsi是第i种核素的微观散射截面。为计算方便,可用元素的核截面代替核素的截面,这要考虑到一种元素中各核素的丰度和截面,以确定原子核的平均截面。地层热中子宏观俘获截面的典型数值见表

1[2]。

通常地层由岩石骨架、泥质、地层水、油等几部分组成。

地层的热中子宏观俘获截面与以下几个方面的影响因素有关:

1)高矿化度地层水热中子宏观俘获截面比石英、白云石和方解石等孔隙性岩石骨架矿物大一个数量级,是淡水或原油宏观俘获截面的2～5倍,因而一般储层的宏观俘获截面主要取决于高矿化度地层水的相对体积。

2)高矿化度地层水的热中子宏观俘获截面和寿命与原油有明显区别,因而用中子寿命测井可测定含水饱和度。

3)天然气的热中子宏观俘获截面很小,因此可利用热中子寿命测井识别油气层。

4)硼的热中子俘获截面非常大,岩石骨架和孔隙流体中若含硼,对于热中子寿命测井影响严重。但若将含硼水注入地层,根据由硼引起的∑的变化,可研究地层的吸水能力、可动流体相对体积和含水饱和度。

5)地层骨架矿物的热中子宏观俘获截面与孔隙流体有明显区别,因此孔隙度对中子寿命测井有一定程度的影响。

6)粘土矿物的热中子宏观俘获截面大,泥质含量对中子寿命测井有较大影响。

1.2 俘获反应与俘获截面测量

入射中子进入原子核,被靶核俘获,形成复合核,复合核比原来核多了一个中子,处于激发态,从激发态回到基态时放出一个或几个伽马光子,作用后中子不存在了,生成的核是原靶核的另一种同位素。这种反应,称为辐射俘获,用符号(n,γ)表示,在辐射俘获反应中放出的伽马射线,称为俘获伽马射线。

辐射俘获反应是制备放射性同位素的重要途径。在脉冲中子能谱测井中,俘获反应所放出的伽马射线常常是地层岩性和孔隙度参数的很好指示。如Si和Ca的俘获伽马射线及其比值常常用来区分砂岩和碳酸盐岩地层,或者用来指示地层中的碳酸盐岩含量;而氢的俘获伽马射线,则常用来指示地层的孔隙度等等。

1.3 俘获伽马能谱测井方式

与其它脉冲中子类测井仪器一样,PND测井仪器也有一个脉冲中子发生器,供电后中子发生器每秒输出2×108个14.3 MeV的高能中子,主要是与氢原子碰撞而减速,一般通过20～30次的碰撞变为热中子。前10μs发生非弹性散射碰撞,接下来的1 000μs产生热中子俘获,两种反应均释放出伽马射线。PND测井仪的两个NaI探头分别探测两种发射方式的脉冲中子和地层反应产生的伽马射线、近远探头的比值等,得到俘获截面信息Σ、非弹性散射CATO和C/O等信息。PND测井具有独特的两种脉冲中子发射方式,脉冲的占空比为10%;工作在非弹性散射和俘获两种测量模式之下;可以提供两种类型的孔隙度和两种类型的含水饱和度。

通过最小二乘法对获得的井眼和地层俘获计数信息进行组合,得出接近地层真实情况的俘获截面值(∑),通过∑可以求取俘获模式下的孔隙度(RPHI)、含水饱和度(SWPN)。热中子被俘获,并释放俘获伽马射线。俘获率很大程度依赖于Cl的含量(Cl的俘获截面=33.6 Barns)。因此,俘获测量适用于地层水矿化度在50 000 ppm以上的地层,孔隙度也是影响它的重要因素,要求孔隙度不小于10%。俘获模式的探测半径为14″～18″(35.6～45.7cm),对井眼尺寸和井眼物质不敏感,测速可达20 ft/min。

2 俘获模式下的含水饱和度模型

俘获截面∑测量值是地层、井筒流体、套管、水泥环、井况等影响因素的综合响应(见公式7)。对其中的影响因素进行经验校正后,得出原状地层俘获截面为SIGC。俘获测量模式下,地层水矿化度越大、孔隙度大,解释的结果就较为可靠[3、4]。

按照体积模型,地层俘获截面∑(测量值)为岩石骨架、泥质、和地层流体俘获截面值的总和,即:

SIGC=SIGMEF(1-φe-Vsh)+SIGWSsφe+ SIGHC(1-Sw)φe+SIGMSH×Vsh(7)

由公式(7)得出饱和度模型为:

公式(7)和公式(8)中:SIGC为提高分辨率处理后的地层俘获截面;SIGW为理论上纯水层的俘获截面,淡水的俘获截面是22;SIGHC为碳氢化合物的俘获截面,油的变化范围为16～22,一般为18,只有非常重质的原油能达到22cu;气的变化范围是2～12,一般取8; SIGMEF为骨架俘获截面;Vsh为泥质含量;SIGMSH为泥岩骨架的俘获截面,其变化范围是24～45。

理论上灰岩骨架的俘获截面,其变化范围是7～15,通常取9。当孔隙度为10%,地层水矿化度为50 000 ppm时,纯水、油、气层的俘获截面分别为:∑w= 14.2 c.u,∑o=12.2 c.u,∑g=10.6 c.u,可以看出它们的差别已经不大,区分油水层的难度加大,所以它的应用条件为地层水矿化度不小于50 000 ppm,孔隙度不小于10%。

3 应用实例

xx井,设计井深5 823.0 m,完钻井深5 704.0 m。为了了解诱喷后的产出情况,确定下一步的完井方案,进行了PND测井。该井于四开碳酸盐岩井段测量了PND-S资料测井曲线质量为优。由于该段有两处高孔隙度段,且水样化验矿化度较高,采用俘获信息计算含水饱和度和见表2,并与该井地质录井解释结果进行对比,解释结果基本一致。

4 结论及建议

脉冲中子能谱衰减俘获模式测试技术在地层条件合适时,提供的俘获测井信息能够较为准确地解释出不同层段地层的含水饱和度,因此该方法有较好的应用前景。在进行PND测井解释时应尽可能利用多的地层信息,以降低解释结果的不确定性,提高解释精度,如地质录井资料,包括岩心录井、岩屑录井、钻时录井和泥浆录井等资料,这些资料是识别油水层最直观,最重要的第一性资料,是储集层含油气最直接的标志,也是测井解释判别流体性质的重要依据之一。

表2 地质录井评价与PND-S测井解释结果对比表

[1] 郭海敏.生产测井导论[M].北京:石油工业出版社, 2003

[2] 黄隆基.放射性测井原理[M].北京:石油工业出版社, 1985

[3] 郭淑军,郭海敏,戴家才,等.PND测井识别气层在塔河油田的应用[J].江汉石油学院学报,2004,26(4)

[4] 郭海敏,张豆娟,戴家才,等.用PND测井资料求取水平井储层含水饱和度[J].江汉石油学院学报,2003,25(4)

Li Xiaoluo and Ma Liqing.Study on calculation method of reservation water saturation by PND seizing pattern.PI,2010,24(3):46～48

This paper presents the fundamental principle of pulse neutron decay spectrum testing technology and the calculation method of seizing pattern to get water saturation.Compared the testing result in the field with interpretation of geological mud logging,results in coherent conclusion.show that the conclusion of PND-S interpretation is reliable.

pulse neutron;seizing section;water saturation

P631.6+3

B

1004-9134(2010)03-0046-03

李小罗,男,,1974年生,工程师,1997年毕业于西安石油学院石油工程专业,现在辽河油田公司基建工程部工作。邮编:124010

2009-11-25 编辑:梁保江)

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