PNN剩余油饱和度测井解释参数确定方法及应用

赵建鹏,陈 惠,李 宁,曹 浩,寇培鑫,谭成仟

(1.西安石油大学地球科学与工程学院,陕西西安710065;2.陕西省油气成藏地质学重点实验室,陕西西安710065;3.中国石油集团测井有限公司地质研究院,陕西西安710075)

油田开发中后期,剩余油饱和度监测对油田增储上产和稳油控水具有重要意义。脉冲中子测井已成为识别水淹层以及确定油藏剩余油饱和度的重要方法[1],该方法评价剩余油饱和度的模式主要分为基于非弹性散射的碳氧比(C/O)测量模式和基于俘获反应的俘获测量模式[2]。C/O测量模式受地层水含盐浓度的影响较小,但当地层孔隙度小于15%时应用效果变差,且一般要求多次测量消除目的层段测井的涨落误差。俘获测量模式是测量中子被地层俘获后释放出的伽马射线强度,在低孔隙度、低矿化度储层中应用效果较差。脉冲中子-中子(PNN)测井与传统的中子寿命测井有很大的区别,它是测量没有被地层俘获的热中子,在低孔隙度、低矿化度储层中适应性强,在国内外各油田剩余油挖潜中发挥了重要作用[3]。PNN测井饱和度定量解释的基础是岩石物理体积模型,但模型中解释参数的确定是困扰测井解释人员的难点问题[4-6],也是影响剩余油饱和度计算精度的重要因素。黄志洁等[7]分析了PNN测井技术特点及传统岩石物理体积模型的局限性,对模型的适应范围进行了详细分析,认为采用理论或实验分析值选取PNN测井体积模型的解释参数适应性较差。肖承文等[8]认为PNN测井饱和度定量解释参数具有较大的分布范围,直接进行饱和度定量计算容易产生较大误差,利用未生产层段的PNN测井值与电阻率之间的相关关系,计算射孔层段的当前电阻率,进而利用计算的当前电阻率确定射孔层段当前含油饱和度,以此来避免PNN测井解释参数的选择。孟宪涛等[9]通过建立泥质密度与俘获截面之间的相关关系确定泥质的俘获截面,但该方法依赖于常规测井中的密度曲线,当密度曲线不存在时,单井应用受限。赵秀峰[10]对肯基亚克油田PNN测井数据进行了分析并基于理论方法确定了解释参数,但油层水淹后地层水性质复杂,理论方法计算的地层水宏观俘获截面,往往具有较大误差。刘珈辰等[11]针对体积模型中解释参数选择范围较大的问题,利用对俘获截面测井响应方程中各解释参数进行偏导数计算,分析了骨架、泥质、地层水以及油气俘获截面的变化对含水饱和度计算结果的敏感性。此外,部分学者针对研究靶区的地质特点,对标准岩石物理体积模型进行了不同的改进。例如,郭海敏等[12]针对低孔、低渗储层引入了区域特征系数K。张新雨等[13]针对高泥质含量储层引入校正因子F。胡冰恒等[14]针对泥质含量和低矿化度两种因素对俘获截面测量值的影响,引入了双校正因子K1和K2,改进的体积模型在研究靶区都取得了较好的应用效果,提高了剩余油饱和度计算精度。但是校正因子的求取需要一定的前提条件,并且在引入校正因子的同时,无形中也引入了多余的变量,使得该方法在实际生产应用中存在一定困难。本文在PNN测井饱和度定量解释标准体积模型与改进模型统一性分析的基础上研究了PNN饱和度定量解释模型中区域俘获截面参数确定方法,并通过实例分析证明本文方法的可行性与准确性,以期对利用PNN测井进行饱和度定量解释提供方法借鉴。

1 测量原理

PNN测井通过脉冲中子发生器将14.1MeV的快中子发射到地层,快中子进入地层后与物质的原子核发生碰撞将产生减速、扩散和被俘获几个过程。非弹性散射是中子能量损耗的主要方式,发生在中子发射后10-8～10-6s时间段;弹性散射发生在中子发射后10-6～10-3s时间段,该过程使得中子的速度变得缓慢,慢化后的热中子(能量约0.025eV)在其它物质附近漫游时,很容易被俘获吸收发生俘获反应。PNN测井仪器利用两个不同源距的3He计数管(效率97%)以3×10-5s的采样间隔记录快中子发射3×10-5s后的1.8×10-3s时间内的热中子记数率,每个探测器记录60道[15],根据记录的热中子计数率生成热中子时间衰减谱,并根据时间衰减谱确定中子寿命τ,然后利用公式(1)确定地层的宏观俘获截面[16]。

(1)

式中:Σ为测井获得的地层俘获截面。

PNN测井直接测量没有被地层俘获的热中子,在低孔隙度、低矿化度的地层,没被俘获的热中子多,探测器记录的计数率高,因此PNN测井在低矿化度、低孔隙度储层具有较高测量精度[17]。

2 定量解释模型与解释参数选择

2.1 解释模型分析

PNN测井饱和度定量解释的基础与传统的中子寿命测井一致,均基于岩石物理体积模型。将储层看成是由骨架、孔隙和泥质组成的简化模型,孔隙中含有油气、水等流体(图1)。储层总的俘获截面Σ可表示为各组分俘获截面贡献之和[18],即:

图1 PNN测井岩石物理体积模型

Σ=(1-Vsh-φ)Σma+VshΣsh+φ(1-Sw)Σh+φSwΣw

(2)

式中:Vsh为泥质含量;φ为孔隙度;Σma为骨架的俘获截面;Σsh为泥质的俘获截面;Σh为油气的俘获截面;Σw为地层水的俘获截面。

与标准岩石物理体积模型不同,部分学者在研究过程中,根据研究区特征,在标准体积模型的基础上,引入区域特征因子对标准岩石物理体积模型进行改进。

郭海敏等[12]针对测量结果在不同区域的差异性,在标准体积模型的基础上引入具有区域特征的系数K,将地层俘获截面表示为:

Σ=(1-Vsh-φ)(KΣma)+Vsh(KΣsh)+φ(1-Sw)(KΣh)+φSw(KΣw)

(3)

张新雨等[13]对海上某油田PNN测井解释研究中,分析了泥质含量对PNN测井响应特征的影响,针对高泥质含量储层引入校正因子F,将地层俘获截面表示为:

Σ=(1-Vsh-φ)Σma+Vsh(FΣsh)+φ(1-Sw)Σh+φSwΣw

(4)

胡冰恒等[14]在华北油田留北构造带储层研究过程中,针对低地层水矿化度、高泥质含量储层,在标准体积模型的基础上引入校正因子K1和K2,将地层俘获截面表示为:

Σ=(1-Vsh-φ)Σma+Vsh(K1Σsh)+φ(1-Sw)Σh+φSw(K2Σw)

(5)

由公式(3)至公式(5)可以看出,改进体积模型均为在标准体积模型的基础上对不同组分俘获截面参数乘以区域特征因子,从本质上讲,是区域俘获截面解释参数选取的问题,因此,改进后的模型可写成以下统一形式:

(6)

由公式(6)可得:

(7)

2.2 解释参数选择

通常情况下,在PNN测井定量计算饱和度的参数中,孔隙度、泥质含量主要由常规测井获得。因此,本文主要讨论岩石骨架、泥质、地层水及油气的俘获截面确定方法。

2.2.1 解释参数取值范围及理论确定方法

1) 岩石骨架宏观俘获截面。

岩石骨架的俘获截面与骨架的组成元素及其相对含量有关,岩石骨架的俘获截面与主要造岩矿物俘获截面值存在不同,不同文献中关于骨架俘获截面的取值范围有一定区别[19-20]。一般情况下,储层岩性确定后,骨架的俘获截面变化范围较小,常见岩石骨架中石英砂岩俘获截面为8c.u.(1c.u.≈0.028m3),白云岩俘获截面为8c.u.,石灰岩俘获截面为12c.u.(图2),通常选用理论值即可满足PNN测井定量解释要求。

图2 不同组分俘获截面变化范围

2) 泥质宏观俘获截面。

泥质的俘获截面与构成泥质的粘土矿物类型有较大关系,不同研究地区的泥质俘获截面变化范围很大,一般为25～50c.u.(图2)。在实际应用中,可以根据研究区实际测井资料,从俘获截面测井曲线上的纯泥岩段直接读取或利用直方图法确定研究区泥质的俘获截面参数[21]。

3) 地层水宏观俘获截面。

地层水的俘获截面主要与水中盐类离子的类型及含盐浓度有关。地层水的俘获截面具有较大的变化范围(图2),它与NaCl溶液矿化度具有较高的相关性,而与温度、压力相关性较小。当地层水中含有除Cl以外的其它元素时(如B和Li),需将其它的离子成分的矿化度按照特定转换系数换算成等效的NaCl溶液矿化度。然后根据公式(8),按等效的NaCl溶液矿化度计算地层水俘获截面[10]。

Σw=22.1+0.341C+0.00025C2

(8)

式中:C为等效NaCl溶液矿化度,单位为g/L。但油层水淹后地层水性质复杂,理论方法计算的地层水宏观俘获截面,往往存在较大误差。

4) 油气宏观俘获截面。

油的俘获截面与油的密度以及溶解油气有关,其变化幅度一般不大(图2)。普通原油的俘获截面分布范围较小,主要为18～22c.u.,重质油大于22c.u.。油的俘获截面可利用(9)式计算[10]。

(9)

式中:GOR为油气比,单位m3/m3。

天然气的俘获截面值与地层压力、地层温度以及天然气组分等有关,一般小于12c.u.(图2)。天然气的俘获截面可以通过公式(10)计算:

(10)

式中:γg为天然气的相对密度;P为地层压力;T为地层温度。

2.2.2 图版法确定解释参数

由2.2.1节可知,泥质俘获截面虽然变化范围较大,但可以通过俘获截面测井曲线得到区域泥质俘获截面值。油、骨架和地层水的俘获截面均有一个变化范围,其中骨架与油的俘获截面变化范围较小,一般选用理论分析值即可满足解释需要;而水的俘获截面与地层水矿化度有较强相关性,具有较大的变化范围,同时也是较难确定的解释参数。与上述方法不同,图版法通过对实际测井数据的分析可以获取区域性的俘获截面解释参数,从而提高饱和度解释结果的准确性。

PNN测井解释图版主要有3种:①简单交会图法;②HINGLE图版法;③增强图版法。图版法的本质作用是帮助测井解释人员选取合适的区域俘获截面解释参数。其中,增强图版法同时考虑了孔隙度、泥质含量对俘获截面测井值的影响,具有更好的适应范围,是饱和度定量解释中最常用的方法[22]。在增强图版中纵坐标为孔隙度,横坐标为经过泥质校正的且用孔隙度曲线进行归一化的俘获截面测井曲线。增强图版法首先计算经泥质校正和孔隙度归一化后的纯水线(公式(11))和纯油线(公式(12)),然后在油线、水线之间通过线性内插可以得到任意含水饱和度线。

水线计算公式为:

ΣSw=100%=[Σma(1-φ)+Σwφ]φ

(11)

油线计算公式为:

∑Sw= 0%=[∑ma(1-φ)+∑0φ]φ

(12)

由于增强图版的饱和度线是在不含泥质情况下计算的,因此对实际井资料进行处理时,需对测井测量的俘获截面曲线进行泥质校正,具体校正公式如下:

Σsh=0%=Σ-Vsh(Σsh-Σma)

(13)

为突出放大孔隙流体对俘获截面测量值的影响,利用孔隙度对俘获截面进行归一化处理,公式如下:

Σnorm=φΣsh=0%

(14)

式中:Σnorm为孔隙度归一化后的俘获截面。

基于上述理论,利用PyQt开发了图版法解释参数选择模块,加载实际测井数据并选择对应模型及曲线绘制交会图。通过改变俘获截面解释参数的大小,调整纯油线与纯水线的位置,使处理井段实际地层测井数据点合理落在增强图版相应的区域,以此来确定区域俘获截面参数(图3)。该模块也可应用于任何测量地层俘获截面曲线的饱和度定量解释。应用图版法的前提是要求测井数据里同时含有未水淹和已水淹的地层,利用未水淹油层确定油线位置,利用高水淹或者水层来确定水线位置。当处理井段缺少油层、高水淹或者水层时,可从邻井同层位取适当样本点辅助确定油线与水线位置。

图3 增强图版法归一化俘获截面与孔隙度交会结果

由于图版法根据实际测井资料进行分析,通过调整俘获截面参数值使油线、水线及测量点合理分布,该方法确定的俘获截面参数反映了研究区的区域特征,因此避免了改进模型中区域特征因子的求取。

为了评价PNN饱和度定量解释结果的可靠性,引入可信系数对计算结果进行分析,可信系数计算公式为[10]:

(15)

可信系数反映了地层孔隙度一定时,油层与水层的俘获截面测井响应特征的差异性。当可信系数大于0.5时,认为饱和度定量解释结果是可靠的。

3 实际应用

为验证解释参数选取的合理性,选取同时测量过套管电阻率和PNN测井的G35井进行分析,该井所处油藏为典型的边底水油藏,具有统一的油水界面,且水淹类型为地层水水淹。原生产层段为13,14号层,初始油产量为62.5t/d,产水率为2%。此后生产过程中,产水率逐渐增加,根据最新生产动态数据,该井日产油为5.9t,产水率高达90%。为寻找潜力层及堵水作业提供依据,该井随后进行了PNN测井与过套管电阻率测井。增强图版法涉及4个参数,分别为骨架、泥质、油及地层水的俘获截面。对4个参数全部进行调整工作量大,且多解性强,因此按照如下步骤确定PNN测井俘获截面解释参数。

1) 确定油的俘获截面。油的俘获截面变化范围较小,研究区目的层段无气层显示,油气比低,平均GOR为15.0m3/m3,利用公式(9)计算可得研究区油的俘获截面为21c.u.。

2) 确定泥质的俘获截面。绘制G35井泥岩段俘获截面分布直方图,要求该泥岩段井径稳定且与解释层位接近,通过直方图确定该井处理井段泥质俘获截面约为29.5c.u.(图4)。

图4 G35井泥质俘获截面频数统计

3) 确定骨架的俘获截面。当油和泥质的俘获截面确定后,油线位置仅与骨架俘获截面有关,调整骨架俘获截面参数值,改变油线位置,使其位于实际测量点的上方(图5)。

图5 G35井归一化俘获截面与孔隙度交会结果

4) 确定地层水俘获截面。调整地层水的俘获截面参数,改变水线位置,使所有实际测量点位于水线上方(图5)。

通过步骤1)至步骤4)确定油、泥质、骨架、地层水的俘获截面后,可根据射孔层段、裸眼井饱和度解释结果及生产动态资料对俘获截面解释参数进行微调,使处理井段实际地层测井数据点合理落在增强图版相应的区域。通过图5可确定G35井骨架、泥质、油、地层水的区域俘获截面分别约为8,29.5,21,65c.u.。

利用增强图版法获取的区域俘获截面解释参数对G35井进行处理,解释结果如图6及表1所示。

表1 G35井PNN测井解释成果

图6 G35井PNN测井解释成果(解释结论道中5,6,7,8,10号层为油层,9号层为致密夹层,13,14号层为高水淹层)

图6中第6道为PNN计算饱和度与过套管电阻率计算饱和度对比道,第7道为PNN计算饱和度与裸眼井含水饱和度对比道,第9道为解释结论道,其中5,6,7,8,10号层为油层,9号层为致密夹层,13,14号层为高水淹层。由图6及表1可以看出,PNN饱和度解释结果与过套管电阻率解释结果基本一致,并且储层可信系数均大于0.5,符合定量解释标准,计算结果可靠。同时,通过PNN含水饱和度与裸眼井含水饱和度对比,认为5,6,7,8,10号层PNN含水饱和度与裸眼井含水饱和度相近,剩余油饱和度较高,开发潜力较大,可接替成为产油层段。而该井原生产层位13,14号层则水淹比较严重,因此根据PNN测井结果对原生产层段进行堵水作业,对5,6,7,8,10号层进行补孔,实施后日产油68.5t,产水率为18%,投产结果与解释结论一致。证明了本文解释参数选取方法的合理性与准确性。

4 结论

1) PNN测井标准体积模型与改进的体积模型在形式上具有统一性,本质为区域解释参数的选择。通过图版法选取PNN解释参数,可避免求取区域特征因子。

2) 油和骨架俘获截面变化范围较小,一般理论计算值可满足解释需求,泥质俘获截面虽然变化范围较大,但从地层俘获截面测井曲线上可以较好地确定,随着长时间开发,油层水淹后地层水性质复杂,地层水的俘获截面是较难确定的参数,采用增强图版法可以综合确定不同组分的俘获截面,该方法同时考虑了泥质含量、孔隙度对俘获截面测井值的影响,经过孔隙度归一化后增强了孔隙流体的响应特征,提高了饱和度解释精度。

3) 基于PyQt编制的PNN测井处理解释模块,符合实际生产需要,模块同样适应热中子成像测井(TNIS)、脉冲中子寿命测井(NLL)等所有测量地层俘获截面曲线的饱和度定量解释。