脉冲中子氯能谱测井的蒙特卡罗模拟研究

胡松,徐英华,袁超,许静

(1.中国石化石油勘探开发研究院,北京100083;2.中国石油集团测井有限公司大庆分公司,黑龙江大庆163000；3.中国石油勘探开发研究院,北京100083;4.中国石油大港油田分公司勘探开发研究院,天津300270)

0 引 言

随着油田开发程度不断深入,水驱采油使油层含水率不断升高,一些油田已经处于高含水的开发中后期[1-4]。储层剩余油检测是油田开发决策的基础[5],目前油田生产中评价含油饱和度主要采用碳氧比能谱测井和中子寿命测井[6-9]。氯能谱测井是除碳氧比能谱测井和中子寿命测井外评价地层含油饱和度的有效方法,特别是在高矿化度地层应用效果明显。该技术是利用俘获伽马能谱中提取的氯能谱段计数和热中子计数的比值确定地层的含油饱和度[11-13]。

传统的氯能谱测井是采用化学中子源,对工作人员和环境都存在潜在危害[14-16]。除此之外,采用的镅铍化学中子源具有连续发射的特性,无法区分中子与井眼周围物质作用产生的非弹性散射与俘获伽马射线,氯元素的特征俘获伽马射线受其他元素的特征伽马射线影响较大。脉冲中子源发射中子具有可控性,安全环保,并且中子能量和产额高于化学中子源[18]。依据脉冲中子源的时间特性,采用划分时间窗的方法,分别获取非弹性散射与俘获伽马能谱,获取的俘获氯能谱计数受干扰更少。

本文利用蒙特卡罗数值模拟方法建立仪器-井眼-地层计算模型,开展脉冲中子氯能谱测井响应研究,并研究不同井眼和地层影响因素对测井响应的影响,验证采用脉冲中子源的氯能谱测井可行性。

1 氯能谱确定地层含油饱和度原理

地层含油饱和度So和氯能谱计数ICl、热中子计数In关系为[18-19]

(1)

(2)

由式(1)和式(2)可以得到

(3)

式中,PCl-为孔隙内平均Cl-含量;Pw为分析化验取得的地层水Cl-含量;C为经验系数。

当地层孔隙度已知时,含油饱和度So、氯能谱计数ICl和热中子计数In关系为

(4)

式中,a、b为常数。

图1 Cl、Si、Ca、Fe元素主要特征伽马射线

从俘获伽马能谱中获取氯能谱计数需要选择合适的能量窗,能量窗选择标准是在保证伽马射线计数统计性前提下受其他元素的特征俘获伽马射线的影响尽量小。中子与氯元素发生俘获反应有多个能量的特征伽马射线,部分能量的特征伽马射线与地层中常见元素的特征俘获伽马射线能量相近,如氯元素的能量为1.16 MeV的特征俘获射线强度最大,但与硅元素的1.27 MeV的特征俘获伽马射线能量相近受其影响较大。

除此之外,仪器及套管中铁元素的俘获伽马射线主要集中于高能部分综合考虑,选取氯能谱计数的能量窗为5.7～7.0 MeV(见图1),在该能量窗内包含氯元素强度较大的5.72、6.11 MeV和6.62 MeV的3个能量的俘获特征伽马射线,但是钙元素6.42 MeV的特征俘获伽马射线在氯元素的6.11 MeV和6.62 MeV的特征俘获伽马射线之间,若地层中含有较多钙元素(如灰岩和云岩地层)需要做校正。

2 蒙特卡罗模拟及结果分析

2.1 蒙特卡罗模型建立

利用蒙特卡罗方法[20-21]建立套管井条件下的计算模型(见图2)。热中子探测器为3He中子探测器,伽马探测器为NaI探测器,屏蔽体为钨。井眼部分由井眼流体、套管、水泥环等组成,水泥环厚度为3 cm,套管壁厚为1.5 cm,地层模型厚度140 cm。

测井仪器采用D-T脉冲中子源,脉冲宽度是40 μs。中子探测器主要用于氯元素特征伽马射线的归一化,伽马探测器用于测量氯元素特征射线,综合考虑井眼影响、探测深度等因素,中子探测器的源距优化为27.5 cm,伽马探测器的源距为60 cm。

在模拟过程中,通过设定权窗预先规划粒子在地层中的输送路径,减小模拟统计误差,提高模拟计算精度。模拟计算50～100 μs时间窗内的俘获伽马能谱以及热中子计数。实测伽马能谱受探测器响应的影响,但是本文作为方法研究,暂不考虑探测器响应。

图2 蒙特卡罗计算模型

2.2 模拟结果及分析

利用蒙特卡罗数值模拟方法建立仪器-井眼-地层计算模型,模拟研究采用脉冲中子源的氯能谱测井响应及不同井眼和地层因素的影响。

2.2.1测井响应

利用如图2所示的计算模型,井眼直径20 cm,井眼内充满矿化度为100 000 mg/L的氯化钠型矿化水;地层孔隙度为30%,孔隙中水为矿化度为100 000 mg/L的氯化钠型矿化水,改变含油饱和度为0、20%、40%、60%、80%和100%,模拟石英砂岩和石灰岩地层中俘获伽马能谱和热中子计数,得到氯能谱和热中子计数比值与含油饱和度的关系(见图3)。

图3 石英砂岩和石灰岩地层中ICl/In随含油饱和度变化曲线

由图3可见,在石英砂岩和石灰岩地层中随着含油饱和度的增加氯能谱与热中子计数比值都呈线性减小趋势。含油饱和度一定条件下,石英砂岩地层中氯能谱与热中子计数比值要比石灰岩地层的大。这是由于石英砂岩地层对中子的减速能力要比石灰岩的弱,石英砂岩地层中到达探测器的热中子数量要比石灰岩的多,产生的俘获伽马射线也多。

2.2.2孔隙度影响

采用同样的计算模型,井眼直径为20 cm,井眼内充满淡水,地层岩性为石英砂岩,泥质含量为0,孔隙中水为矿化度为100 000 mg/L的氯化钠型矿化水,模拟不同含油饱和度条件下石英砂岩地层中氯能谱和热中子计数比值与孔隙度关系曲线(见图4)。

图4 不同含油饱和度石英砂岩地层中ICl/In随孔隙度变化曲线

由图4可见,当地层孔隙饱含矿化水时,氯能谱和热中子计数比值随着孔隙度的增加呈增加趋势;当地层孔隙饱含油时,随着孔隙度增加氯能谱和热中子计数比值基本上不发生变化。地层孔隙度一定时,含油饱和度越低,氯能谱和热中子计数比值越大。孔隙度越大,油水层的ICl/In差值越大,孔隙度为10%时,油水层的ICl/In差值约为0.011;孔隙度为20%时,油水层的ICl/In差值约为0.024。孔隙度越大,不同含油饱和度地层中氯能谱和热中子计数比值的差值越大,越有利于流体的识别。

2.2.3岩性影响

井眼直径为20 cm,井眼内充满淡水;地层岩性为石英砂岩或石灰岩,地层泥质含量为0,孔隙饱含矿化度为100 000 mg/L的氯化钠型矿化水或油,得到不同地层岩性条件下氯能谱和热中子计数比值与孔隙度的关系曲线(见图5)。

图5 不同岩性地层中ICl/In随孔隙度变化曲线

由图5可见,地层孔隙度和地层流体一定时,石英砂岩地层中氯能谱和热中子计数比值要比石灰岩地层的大;石英砂岩和石灰岩地层中氯能谱和热中子计数比值随孔隙度变化曲线有一定重叠,在该区域确定含油饱和度时受岩性的影响较大,测井处理解释时需要对岩性做必要的校正。

2.2.4泥质含量的影响

井眼直径为20 cm,井眼内充满淡水;地层由岩石骨架、泥质和孔隙流体3部分组成;泥质由高岭石、伊利石、蒙脱石、绿泥石、石英细砂组成,各种矿物体积百分比都为20%;孔隙中饱含矿化度为100 000 mg/L的氯化钠型矿化水或油。改变泥质含量为0、20%和40%,得到不同泥质含量条件下氯能谱和热中子计数比值与孔隙度的关系曲线(见图6)。

图6 不同泥质含量石英砂岩地层中ICl/In随孔隙度变化曲线

图6可见,在地层流体一定时,地层泥质含量变化引起氯能谱和热中子计数比值的变化很小,因此氯能谱测井评价含油饱和度受到泥质含量影响很小,当泥质含量较小时可忽略其影响。

2.2.5地层水矿化度影响

井眼直径为20 cm,井眼内充满淡水;地层岩性为石英砂岩,泥质含量为0,孔隙度为30%,孔隙中饱含矿化度为100 000 mg/L的氯化钠型矿化水。改变地层水矿化度分别为0、10 000、20 000、30 000、40 000、50 000、60 000、70 000 mg/L和100 000 mg/L,得到不同地层水矿化度条件下氯能谱和热中子计数比值与含油饱和度的关系曲线(见图7)。

图7 不同地层水矿化度砂岩地层中ICl/In随含油饱和度变化曲线

定义计算含油饱和度的灵敏度为

(6)

式中,(ICl/In)So=0为含油饱和度为0时氯能谱和热中子计数比值;(ICl/In)So=100%为含油饱和度为100%时氯能谱和热中子计数比值。

不同地层水矿化度条件下含油饱和度计算灵敏度见表1。结合图6和表1中数据,可以看出地层水矿化度较小于30 000 mg/L算含油饱和度的灵敏度很低,因此在低矿化水地层中不适宜利用氯能谱测井评价含油饱和度;当地层水的矿化度为30 000～40 000 mg/L时,测井响应就比较明显,因此在利用氯能谱测井确定含油饱和度时尽量要求地层水矿化度在40 000 mg/L以上。

表1 不同地层水矿化度下测量含油饱和度的灵敏度

井眼直径为20 cm,井眼内充满淡水;地层岩性为石英砂岩,泥质含量为0,孔隙饱含矿化度为50 000、80 000或100 000 mg/L的氯化钠型矿化水,得到不同地层水矿化度条件下氯能谱和热中子计数比值与孔隙度的关系曲线(见图8)。

图8 不同地层水矿化度石英砂岩地层中ICl/In随孔隙度变化曲线

由图8可见,地层孔隙度一定时,地层水矿化度越高,不同地层水矿化度的地层中氯能谱和热中子计数比值的差值越高,越有利于地层流体的识别。

2.2.6井眼尺寸影响

井眼内充满淡水,地层岩性为石英砂岩,泥质含量为0,孔隙中饱含矿化度为100 000 mg/L的氯化钠型矿化水或油,改变井眼直径为20 cm和30.447 cm,得到不同井眼尺寸条件下氯能谱和热中子计数比值和孔隙度的关系曲线(见图9)。

图9 不同井眼尺寸条件下ICl/In随孔隙度变化曲线

由图9可见,地层孔隙中饱含矿化水时,地层孔隙度一定时井眼尺寸越大,氯能谱和热中子计数比值越小;地层孔隙饱含油时,随着孔隙度的变化,氯能谱和热中子计数比值基本不变;井眼尺寸越大,氯能谱和热中子计数比值越小,且越不利于确定地层含油饱和度。

2.2.7井眼流体影响

井眼直径为20 cm,地层岩性为石英砂岩,泥质含量为0,孔隙中饱含矿化度为100 000 mg/L的氯化钠型矿化水或油,改变井眼流体为矿化度为100 000 mg/L的氯化钠型矿化水或油,得到不同井眼流体条件下氯能谱和热中子计数比值和孔隙度的关系曲线(见图10)。

图10 不同井眼流体的石英砂岩地层中ICl/In随孔隙度变化曲线

由图10可见,地层孔隙度一定时,不论是地层孔隙中饱含矿化水还是油,井眼为矿化水时氯能谱和热中子计数比值要比井眼为油时的大,这是由于井眼为矿化水时,经过井眼流体达到探测器周围的热中子被大量俘获,使氯能谱计数增大而热中子计数减小。

3 结 论

(1)氯能谱测井是套管井中除碳氧比能谱测井和中子寿命测井确定含油饱和度的有效方法,传统氯能谱测井采用化学中子源,对工作人员和环境都存在潜在危害,利用蒙特卡罗数值模拟方法验证采用脉冲中子源进行氯能谱测井的可行性。

(2)氯能谱与热中子计数比值随着含油饱和度的增加呈线性减小;氯能谱和热中子计数比值随着孔隙度的增加呈双曲线增加,孔隙度越大越有利于饱和度评价。

(3)地层岩性对测井响应影响很大,若地层岩性已知可以消除其影响;泥质含量的影响很小,泥质含量较小时可以忽略其影响;等效氯化钠矿化度越高越有利于含油饱和度的确定,等效氯化钠矿化度大于40 000 mg/L时效果明显;井眼尺寸越大,越不利于含油饱和度的确定;当井眼中含有矿化水时会增大氯能谱与热中子计数比值,在测井解释时需要做必要的校正。