致密砂岩储层饱和度测井现场对比试验

李原杰,廖发明,柳先远,吕波,陈啸博

(1.中国石油塔里木油田公司迪那油气开发部,新疆库尔勒841000;2.中国石油塔里木油田公司勘探开发研究院,新疆库尔勒841000)

0 引 言

近年来,塔里木盆地相继发现了迪那、迪北、博孜、大北、克深等气田,这类气田都具有埋藏深、压力高、孔隙度低、含边底水等特点。据统计,以上气田的储层基质孔隙度为3%～10%,属于典型的致密砂岩气田[1-4]。

常规套后饱和度测井,如中子寿命、碳氧比测井等,对储层物性要求较高,通常要求孔隙度大于10%,甚至大于15%时才能获得相对准确的解释结果。目前,现场开展的低孔隙度储层饱和度测井试验,其储层孔隙度基本都高于10%[5-9],而对于类似塔里木盆地这种致密砂岩储层饱和度测井却鲜有报道。自气田投入开发以来,由于长期缺乏有效的实测资料,对剩余气分布规律、气水界面变化情况认识不清,制约了气田合理开发和优化调整。针对此问题,在迪那2气田分别开展了热中子成像测井系统(Thermal Nutron Imaging System,TNIS)、储层性能监测仪(Reservoir Performence Monitor,RPM)和储层动态测井仪(Reservoir Dynamic Tool,RDT)这3种测井仪器的对比测井试验,探索致密砂岩储层饱和度监测技术的适用性和可行性,旨在为同类型致密砂岩储层饱和度测井提供借鉴。

1 气田概况及存在的问题

迪那2气田位于塔里木盆地库车坳陷秋里塔格构造带,为受背斜控制的异常高压块状底水凝析气田。该气田目的层为古近系苏维依组和库姆格列木群,以粉砂岩、细砂岩为主,其次为含砾砂岩、砂砾岩,储层裂缝发育,非均质性强,基质孔隙度6%～10%,渗透率(0.01～1.00)×10-3μm2,地层水矿化度160 000 mg/L,水型为氯化钙型,为典型的裂缝型致密砂岩储层。

迪那2气田于2009年投产,2016年部分井开始出现见水迹像,目前气田边部已出现多口见水井,如何评价储层气体动用程度、分析储层水淹状况成为当下气田开发的首要任务。由于致密砂岩储层尚无饱和度测井先例,为客观评价不同测井仪器的优缺点,同时开展了TNIS、RPM 和RDT饱和度测井,以优选适用于气田地质特征的测井仪器,为气田后期开发调整和综合治理提供依据。

2 测井仪器对比

2.1 测井原理

2.1.1TNIS

TNIS利用可控的脉冲中子管向地层发射14 MeV的高能快中子,高能快中子经过一系列的非弹性碰撞和弹性碰撞后,当其能量与组成地层的原子处于热平衡状态时,中子不再减速,此时中子称为热中子,它的能量约为0.025 eV,与地层原子发生的反应主要是热中子俘获。利用该仪器的2个3He探测器探测没有被地层俘获的热中子,记录从高能快中子束发射开始15～2 700 μs时间内的热中子俘获和计数率衰减状况,以15 μs作为1个时间道,每个探测器均将其时间谱记录分成180个时间道,根据各道记录的热中子计数率生成热中子俘获谱和热中子衰减谱,以成像方式显示,可快速、直观地分辨近井地带的油气水分布,计算含水饱和度[6-9]。

2.1.2RPM

RPM通过脉冲中子发生器发射的14 MeV高能快中子进入地层后,与地层中的原子发生热中子俘获、非弹性碰撞和弹性碰撞3种核反应,仪器上的3个NaI探测晶体记录核反应产生的伽马射线,采集热中子俘获计数率与时间衰减谱或元素能量谱,从而探测地层信息。与3种核反应相对应的代表性测量项目分别是热中子俘获谱、碳氧比能谱和气体探测。中子在传播过程中能量衰减越少则传播距离越远,仪器通过短源距和超长源距伽马射线计数率差别预测含氢指数,而储层中气体和液体的含氢指数有明显差别,可以利用这个原理预测地层的气体饱和度[10-11]。

2.1.3RDT

RDT是新一代脉冲中子全谱成像测井仪器,它利用高通量脉冲中子发生器向地层发射14 MeV高能快中子,高能快中子进入地层后发生非弹性碰撞、弹性碰撞和热中子俘获。仪器通过3个高精度探测器(即短、长LaBr3探测器和超长NaI探测器)分别记录非弹性碰撞伽马和俘获伽马时间谱及元素能量谱,分析地层中的各种元素及其含量,计录碳氧比、热中子俘获截面、快中子截面(FNXS)等参数,划分储集层、识别岩性特征、计算孔隙度和流体饱和度等参数。快中子截面是RDT区别其它测井仪器的一个最主要参数,它是地层岩石固有的物理属性,表征地层原子与快中子发生碰撞的几率,与单位体积下地层原子数量有关。FNXS对气的响应非常敏感且受岩性、泥质影响小,是识别致密层中含气层的有利手段[12-13]。

2.2 解释方法

TNIS测井选择经典的岩石物理体积模型进行饱和度定量计算,利用泥质含量、孔隙度等参数,采用地层热中子宏观俘获截面曲线计算含水饱和度,从而得到含气饱和度。

Σ=(1-φ-Vsh)Σma+VshΣsh+φSwΣw+

φ(1-Sw)Σh

(1)

(2)

Sg=1-Sw

(3)

式中,Σ为地层热中子宏观俘获截面,c.u.(1)非法定计量单位,1 c.u.=10-3 cm-1,下同;Σma为岩石骨架热中子宏观俘获截面,c.u.;Σw为地层水热中子宏观俘获截面,c.u.;Σh为油气热中子宏观俘获截面,c.u.;Σsh为泥质的热中子宏观俘获截面,c.u.;Vsh为泥质含量,%;φ为地层孔隙度,%;Sw为地层含水饱和度,%;Sg为地层含气饱和度,%。

RPM在数据处理时引入蒙特卡罗模型,利用超级计算机群模拟每个高能快中子进入地层后发生核反应的伽马射线计数率,得到仪器理论响应值图版。由于每个高能快中子进入地层后的核反应是随机的,为了达到统计精度,每个模型点的统计都会进行超过5 000万次的模拟,从而得到理论水线和气线。实际应用时,根据实测曲线与气线、水线的相对比例计算得到含气饱和度。

RDT利用FNXS对气体的敏感性特征,识别储层含气性,定性划分气层、差气层和干层,采用体积模型定量计算含水、气饱和度。FNXS采用式(4)进行计算,对于纯砂岩储层FNXS值为6.84 m-1,实测值小于该值为含气显示。

GRAT=(CT-0.3×CG)/CN

FNXS=A-ln (GRAT×100)×B

(4)

式中,GRAT为与计数率有关的比值;CT为超长源距非弹性碰撞计数率,cps;CG为超长源距俘获伽马计数率,cps;CN为短源距非弹性碰撞计数率,cps;A、B是与储层岩石、流体性质及油套管尺寸相关的经验系数,m-1。

利用蒙特卡罗方法模拟纯砂岩储层0%～100%含气条件下的GRAT值及其对应的FNXS值,通过式(4)得到A值范围为6.5～7.0 m-1,B值范围为0.3～0.5 m-1,A、B随测试井井筒条件不同而略有变化。对于特定的测试井,选取储层中典型的泥岩和含气层,给定初始A=6.5 m-1、B=0.3 m-1计算FNXS,调整A、B使其FNXS值落在纯水线(又称骨架线)和纯气线上,得到测试井的A、B值,进而求得测试井储层段的FNXS值。

3 应用实例

3.1 迪那2-X井简况

迪那2-X井2019年投产,层位为古近系苏维依组,井筒内管柱为全通径,仪器可下至目的层。该井测井段为4 732.5～4 855.0 m,裸眼测井解释气层共10层25.5 m,孔隙度7.9%～11.7%,厚度加权平均9.8%;差气层共7层16.0 m,孔隙度6.2%～8.4%,厚度加权平均6.8%;整体平均孔隙度为8.8%,为典型的致密砂岩储层。

3.2 效果评价

3.2.1质量评价

3种测井仪器同时在迪那2-X井开展试验,仪器热中子俘获截面重复性对比见图1。主测值与复测值曲线表明,3种仪器曲线重复性良好,统计误差在允许范围之内,资料品质优。整体而言,3种仪器性能稳定、反应灵敏,资料质量可信度高,满足解释要求。

图1 仪器热中子俘获截面重复性对比

3.2.2资料分析

TNIS测井成果见图2。TNIS在气层的响应特征为:长短源距热中子计数率出现较大正差异,且数值整体较高;热中子衰减谱两峰出现差异,后峰明显后曳;热中子俘获谱边缘幅度较高,显示较高的中子寿命;环周成像颜色呈浅黄色,热中子俘获截面值显示为低值。基于以上判断,第5道长短源距热中子计数率叠合显示气层、差气层都有明显包络,但区分不明显,而干层也存在包络现象,如第2～5、21、23小层。第6～9道分别为热中子俘获谱、热中子衰减成像、热中子俘获成像和环周成像,气层、差气层均有响应,表现为热中子俘获成像幅度较高、颜色较浅、热中子俘获截面呈低值,但同时存在某些差气层响应反而较气层更明显的情况,如第19、22、24、25小层;某些干层也表现为气层响应,如第18、21、23小层。整体而言,TNIS在识别储层上无明显优势,无法有效识别气层和干层。

图2 迪那2-X井TNIS测井成果图

RPM测井成果见图3。由于该井射孔底界井筒有积液,为验证不同井筒校正模式对测井结果的影响,先以井筒为气的校正模式测井,然后在积液面上下30 m内进行井筒为液的校正模式测井,结果显示2次测井参数重合性好,表明不同的井筒校正模式对测井结果没有影响。第8道超长、短源距热中子计数率叠合显示,在气层、差气层有明显的包络显示,对应热中子俘获截面呈低值,在干层基本没有包络,热中子俘获截面呈高值,但在个别干层、差气层识别上存在偏差,如第21、23干层和第22差气层。整体而言,RPM能有效识别出储层,效果优于TNIS测井。解释结果表明,目前该井纵向上不同深度储层饱和度均有衰减,呈均衡动用,未出现局部储层饱和度大幅降低或未动用现象,与该区块纵向连通性好且相吻合(压力测试资料显示不同层系为统一压力系统)。

图3 迪那2-X井RPM测井成果图*非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

RDT测井成果见图4。该井RDT采用全组合模式进行测井,录取了非弹性碰撞、热中子俘获、碳氧比、储层孔隙度等全谱参数。通过将多种实测曲线相互叠合,探索各参数在气层、差气层和干层上的响应。第3道是TRAT(长短源距热中子俘获计数率比)与CIRD(超长源距非弹性碰撞计数率/超长源距热中子俘获计数率)的叠合,第4道是AC(声波时差)与SATG(长源距非弹性碰撞计数率/长源距热中子俘获计数率)的叠合,利用曲线包络面积识别出气层和干层,但气层和差气层区分不明显,如第10、19、24小层。第5道是3个不同源距热中子俘获计数率叠合,对气层、差气层和干层的识别效果不佳,如第6～17小层。第6道是该井快中子截面与纯砂岩快中子截面的叠合,其绿色填充面积识别出了气层、差气层和干层,效果优于第7道热中子俘获截面对储层含气性的识别能力。第7道热中子俘获截面与地区热中子俘获截面(经验值)叠合,将部分干层识别为储层,如第1、21、23小层。与裸眼测井结果对比,RDT测井储层饱和度也显示了不同程度的衰减,其幅度与RPM测井的衰减幅度略有差别,主要原因是2种测井仪器精度、误差不同所致,但储层动用和衰减趋势与实际认识相符。

图4 迪那2-X井RDT测井成果图(饱和度)

在遗漏层识别方面,第18小层裸眼解释为干层,该次RDT测井解释本小层孔隙度为5%,热中子俘获截面较其它干层(如第1～5小层)明显偏低,长短源距热中子俘获计数率曲线均有包络显示,且快中子截面(FNXS)值为6.78 m-1,低于纯砂岩快中子截面值,表明该小层含气,因此,综合解释为差气层。

4 结 论

(1)TNIS探测未被地层俘获的热中子,以成像方式显示热中子衰减谱和热中子俘获谱,具有快速、直观的特点;RPM利用气体探测测量伽马射线在空间域上的衰减,具有测量速度快、趟数少的特点;RDT探测非弹性碰撞伽马和俘获伽马时间谱及元素能量谱,一次下井可以测量多种参数,具有识别效果好、精度高的特点。

(2)3种仪器对比测井表明,RDT测井效果最佳,其特有的快中子截面参数能有效识别气层、差气层和干层;RPM测井效果次之,其气体探测对储层含气性有较好的敏感性;而TNIS测井获得的热中子俘获截面和长短源距热中子计数率比与RDT、RPM相同参数相比无明显优势,其热中子衰减成像技术无法有效识别气层和干层。

(3)迪那2-X井饱和度测井的成功应用,实现了致密砂岩储层饱和度测井探索,验证了不同测井仪器的可行性和适用性,为塔里木及其它油田同类型储层饱和度监测提供了借鉴。由于现场试验选取的测井段无水淹层,3种测井仪器对水淹层的识别效果还需进一步验证。