油田剩余油飽和度測試儀器及其進(jìn)展*

黃 蓉 張乃祿 仵 杰 楊 妮

(西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院 陜西 西安 710065)

0 引 言

油田開發(fā)步入中后期，水淹程度嚴(yán)重、剩余油分散、油水關(guān)系復(fù)雜，開采難度越來越大，導(dǎo)致油田采出率低［1］。因此，及時(shí)對地層剩余油飽和度進(jìn)行監(jiān)測，通過測井分析對地層剩余油情況進(jìn)行認(rèn)識和評價(jià)，找出油氣田下一步的生產(chǎn)措施，對指導(dǎo)油田后期合理高效開發(fā)、提高采出效率起著重要作用。目前，雖然進(jìn)行剩余油飽和度測試的儀器較多，在實(shí)際應(yīng)用中也取得了一定的效果，但是從整體上看還存在很多不足之處，諸如:測試儀器的精度較低;測試儀器所測各種資料的綜合利用程度不高;測試儀器集成化程度不高等。因此，針對我國油田生產(chǎn)測井的特點(diǎn)，研究油田剩余油飽和度測試的新技術(shù)，開發(fā)新型測試儀器，并合理地選擇剩余油飽和度測試儀器，提高中高含水期的剩余油飽和度測試評價(jià)效果，對定期監(jiān)測油層的動(dòng)態(tài)變化、了解油層的動(dòng)態(tài)狀況具有重要的意義。

1 剩余油飽和度測試儀器

剩余油飽和度測試的核心是精細(xì)劃分剩余油層、準(zhǔn)確計(jì)算剩余油飽和度，其具有覆蓋面最廣、采樣密度最大、采集地層信息最多的特點(diǎn)，是監(jiān)測靜態(tài)和動(dòng)態(tài)剩余油飽和度的重要手段。目前剩余油飽和度測試儀器主要有碳氧比測試儀器、中子壽命測試儀器、硼(釓)—中子壽命測試儀器、電阻率測試儀器等［2～5］，每種測試儀器都有其適用性和局限性。

1.1 碳氧比能譜測試儀器

碳氧比能譜測試儀器是利用中子發(fā)生器在每秒20 kHz的脈沖控制下向地層發(fā)射能量為14.3 MeV 的中子束，中子穿透儀器外殼、井內(nèi)流體和套管、水泥環(huán)等介質(zhì)進(jìn)入地層，與地層中不同的核素發(fā)生碰撞，產(chǎn)生非彈性散射伽馬射線和俘獲伽馬射線2 種伽馬射線［2］。通過對地層中相應(yīng)的非彈性散射伽馬射線能譜和俘獲伽馬射線能譜進(jìn)行能量和強(qiáng)度分析，確定地層中的元素及其相應(yīng)的含量。而碳和氧分別是原油和水的指示元素，可根據(jù)測得的碳氧比值計(jì)算和評價(jià)儲(chǔ)層的剩余油飽和度，其測量原理如圖1 所示。

圖1 碳氧比能譜測試原理

近幾年來，斯倫貝謝、貝克阿特拉斯和哈里伯頓公司等國外三大測井公司相繼推出了雙源距碳氧比測試儀器［3］，提高了碳氧比測試儀器的應(yīng)用效果，并在中國各大油田得到廣泛應(yīng)用。該測試儀器具有兩種接收探頭，長源距接收探頭和短源距接收探頭，長源距接收探頭記錄井筒到地層的總響應(yīng)，短源距接收探頭記錄井筒內(nèi)的響應(yīng)，通過長、短源距碳氧比曲線的校正處理可消除井筒內(nèi)原油粘污的影響。

該儀器僅適用于孔隙度大于15%、低礦化度的地層，且要求測量的時(shí)候井筒內(nèi)需有井液;當(dāng)探測深度較淺，并且井眼嚴(yán)重跨塌的地層情況下，碳氧比測試則探測不到真正的地層信息，這在一定程度上制約了該儀器的應(yīng)用。

1.2 中子壽命測試儀器

當(dāng)?shù)貙铀V化度較高時(shí)，碳氧比能譜測試儀器受到限制，在這種情況下中子壽命測試儀器則可以較為準(zhǔn)確求取高礦化度地層水油藏的剩余油飽和度。

中子壽命測試儀器是通過脈沖中子源向地層發(fā)射能量為14 Mev 的快中子，經(jīng)過和地層中的原子核發(fā)生非彈性碰撞后，逐漸減速為熱中子，直至被俘獲產(chǎn)生伽馬射線［3］。熱中子壽命與物質(zhì)的俘獲截面有關(guān)，地層俘獲截面越大，熱中子壽命越短。利用巖石骨架和地層流體間熱中子宏觀俘獲截面大小的差異可以劃分油、氣、水層。

中子壽命測試儀器只能應(yīng)用在已射孔的套管井中，且僅適用于地層孔隙度大于12%，地層水礦化度大于10 ppm的地層。目前這種方法主要以結(jié)合鄰井的注水情況及其他一些資料來識別套管外儲(chǔ)層的水淹層位為主，對儲(chǔ)層剩余油飽和度僅是一種估算，還無法上升到準(zhǔn)確的定量評價(jià)。

1.3 硼(釓)—中子壽命測試儀器

中子壽命測試儀器雖然在中國得到廣泛使用，取得良好效果，但該儀器的脈沖中子源是由中子發(fā)生器產(chǎn)生，儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、更換中子管困難、測試費(fèi)用昂貴。為此，近年發(fā)展出一種新的測試儀器，即中子伽馬注硼(釓)測-滲-測確定剩余油飽和度測試儀器，可替代中子壽命測試儀。其是以人工方式注入俘獲截面較大的硼酸溶液(或釓溶液)，硼(釓)元素向地層中擴(kuò)散，提高地層水的俘獲截面而不改變油層的熱中子俘獲截面，使得油和水的俘獲截面值差異變大，從而區(qū)分油層和水層［4］。與中子壽命測試儀器相比，其應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展至低礦化度地層，并具有儀器維修方便、生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)。

根據(jù)相滲透或離子濃度差擴(kuò)散原理，越是高滲透、高倍水洗的強(qiáng)水淹層，擴(kuò)散滲入的硼(釓)離子越多，測得的俘獲截面值越高，使測量的含水飽和度(Sw)相對誤差越小。因此，硼(釓)—中子壽命測試儀器適合于在高倍水洗的強(qiáng)水淹層確定含水飽和度(Sw)，從而彌補(bǔ)了碳氧比測試儀器在目前含水飽和度高的產(chǎn)層中確定剩余油飽和度(Sor)誤差的不足［5］。

中子伽馬注硼(釓)測-滲-測儀器僅適用于已射孔的套管井中，同時(shí)地層孔隙度要大于10%。測試時(shí)井內(nèi)不能有嚴(yán)重漏失，不能存在異常高壓。并且其在資料解釋方法、地層或井筒對測量影響因素的研究等方面還不夠完善。因此需進(jìn)一步加強(qiáng)室內(nèi)模擬井筒條件下的研究和試驗(yàn)，完善解釋方法，提高其解釋精度。

1.4 電阻率測試儀器

電阻率測試儀由于費(fèi)用低，施工方便，測試半徑較大，探測技術(shù)先進(jìn)，因而應(yīng)用廣泛。電阻率測試應(yīng)用阿爾齊公式［6］來求取地層剩余油飽和度，該測量方法最大的特點(diǎn)就是誤差小，大致在±8%左右。

該儀器通過測量過鋼套管漏入地層的電流來獲得電阻率。在理論上很簡單，但是在應(yīng)用中會(huì)遇到很多瓶頸，由于鋼的電磁性質(zhì)和地層的性質(zhì)完全不同，在實(shí)踐中會(huì)存在誤差，導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)確。為了保證測量的精準(zhǔn)度，必須測量出漏入電層微弱電流，保證儀器的電子線路的電壓達(dá)到10 V 左右。并且，對于水淹程度不同的泥質(zhì)砂巖油層來說，在混合液電阻率多變的條件下，不能直接用阿爾奇公式來計(jì)算剩余油飽和度。這限制了該儀器的廣泛應(yīng)用。

2 剩余油飽和度測試儀器新進(jìn)展

目前，對剩余油飽和度測試影響較大的是井眼的影響、地層溫度與壓力的影響、侵入帶的影響、漲落誤差的影響及油井本身結(jié)構(gòu)等［7］。為滿足油田實(shí)際生產(chǎn)的需要，剩余油飽和度測試的新儀器相繼誕生。

2.1 過套管電阻率測試儀器(CHFR)

過套管電阻率測試儀器是在普通電阻率測試儀器的基礎(chǔ)上所發(fā)展新測試儀器，與核測井相比具有更好的探測特性和動(dòng)態(tài)探測范圍，逐漸成為套管井剩余油飽和度測試中較好的新儀器。CHFR 測試資料為挖潛措施的制定提供較為可靠的依據(jù)，在剩余油飽和度測試中起到重要作用［2］。

CHFR 的測量原理與普通電阻率側(cè)向測試相似，如圖2 所示。儀器向套管通電，電流向上下傳遞并到達(dá)地面，通過的路徑和裸眼井側(cè)向測井類似，多數(shù)電流滯留在套管里，但有少部分流入地層，儀器的電極測出漏失電流的電勢差，與地層的電導(dǎo)率成正比［8］。通過測量過鋼套管漏入地層的電流來實(shí)現(xiàn)直接測量地層電阻率，根據(jù)電阻率測井曲線計(jì)算射孔生產(chǎn)層剩余油飽和度。

圖2 過套管電阻率測試原理與電流分布

CHFR 儀器與脈沖中子測試儀器相比，具有更深的探測深度和更寬的動(dòng)態(tài)探測范圍，實(shí)現(xiàn)在鋼套管內(nèi)對套管外儲(chǔ)層電阻率的測量，為準(zhǔn)確評價(jià)儲(chǔ)層含油性、定量計(jì)算儲(chǔ)層剩余油飽和度提供了有效技術(shù)手段。

2.2 脈沖中子—中子測試儀器(PNN)

PNN(Pulsed Neutron - Neutron)測試儀器是奧地利HOTWELL 公司生產(chǎn)的脈沖中子—中子測試儀器，是新一代的套管井儲(chǔ)層評價(jià)測試儀器，徹底解決了中子壽命等脈沖中子測試儀器在低礦化度情況下很難取得準(zhǔn)確的剩余油飽和度問題。

PNN 測試基本原理是利用中子發(fā)生器向地層發(fā)射14 MeV 的快中子，與地層中的元素發(fā)生非彈性、彈性散射和俘獲等相互作用，生成超熱中子、熱中子和次生伽馬射線。通過He-3 中子計(jì)數(shù)管探測熱中子，利用熱中子計(jì)數(shù)率來求出熱中子的宏觀俘獲截面，從而求取剩余油飽和度［9］。

與中子壽命測試儀器不同，PNN 不記錄俘獲伽馬射線而是直接記錄俘獲反應(yīng)前后的熱中子計(jì)數(shù)率，這避免了其他脈沖中子儀器在低礦化度、氯元素少的地層下不能獲得高計(jì)數(shù)率的缺點(diǎn)，能保證低礦化度地層條件下剩余油飽和度的準(zhǔn)確測量。與其他剩余油測試儀器相比，在測量油田剩余油飽和度方面，PNN 測試儀器具有一定的優(yōu)勢。PNN 與其它剩余油飽和度測試儀器的參數(shù)對比［10］見表1。

表1 PNN 與其它剩余油飽和度測試儀器對比

2.3 儲(chǔ)層監(jiān)測測試儀器(RMT)

哈里伯頓公司的儲(chǔ)層監(jiān)測儀［11］(RMT)以核物理理論為基礎(chǔ)。儀器總長8.9 m，最大外徑為54 mm，采用兩個(gè)高密度BGO 探測晶體(直徑為35 mm)，近遠(yuǎn)源距探測器長度分別為為25 mm 和152 mm，晶體中心到中子源的距離分別為292 mm 和520 mm，并將探測器放置在杜瓦瓶中，這樣可以保證儀器在150℃環(huán)境下連續(xù)工作6 小時(shí)以上，打破了以往碳氧比測井儀器由于溫度的影響而只能在3 200 m 以內(nèi)測試的限制，并且儀器能夠承受15 000 psi(103 MPa)的高壓。

RMT 測井模式分為非彈性萬散射模式和俘獲測量模式［12］，兩種模式采取的測量時(shí)序不同。由于不同核素的非彈性散射和俘獲測量具有各自的特征能量，利用該特征可計(jì)算不同地層核素的產(chǎn)額，從而進(jìn)一步計(jì)算剩余油飽和度。

RMT 測試儀器不受地層水礦化度變化的影響，具有多種測量模式，應(yīng)用范圍廣，對油田高含水后期套管井剩余油監(jiān)測具有較好的適應(yīng)性，可用于定量識別剩余油富集區(qū)域和層段，尋找誤解、漏判油氣層，評價(jià)未射孔層開發(fā)潛力。

2.4 井下重力儀測試儀器(BHGM)

BHGM 測試儀器采用測一生產(chǎn)一測法，其原理是在進(jìn)行正式開采以前先用井下重力儀盡量準(zhǔn)確地測出目的層段的體積密度，作為基準(zhǔn)測試;然后開始開采，需測量含油飽和度時(shí)，對該井在此點(diǎn)再次測試［13］。密度較高的水取代部分低密度油的物理過程，使兩次體積密度的測量值出現(xiàn)差異。采出的油越多，體積密度值變化越大。剩余油飽和度就是根據(jù)體積密度的變化大小決定的。

井下重力儀(BHGM)是測量剩余油飽和度的一項(xiàng)有競爭力的測試儀器。它具有許多優(yōu)點(diǎn):不受井眼附近環(huán)境的影響、探測半徑大、應(yīng)用簡單、精度高。這種儀器可用于各種巖性包括砂巖和碳酸鹽巖油藏，既可用于天然水驅(qū)又可用于注水采油。

3 剩余油飽和度測試儀器的選擇

具體剩余油飽和度測試儀器多達(dá)二十余種，在充分認(rèn)識現(xiàn)有剩余油測試儀器適用條件、方法特點(diǎn)和影響因素的基礎(chǔ)上，要合理地選擇剩余油測試儀器以實(shí)現(xiàn)剩余油測試評價(jià)的目標(biāo)。剩余油飽和度測試儀器的選擇應(yīng)該遵循地質(zhì)約束測井、巖心及動(dòng)態(tài)生產(chǎn)刻度測井、測井服務(wù)于地質(zhì)和開發(fā)三個(gè)原則［14］。

1)地質(zhì)約束測試

在實(shí)際的剩余油飽和度的測量工作中，不同的測試儀器的適用性不同，需要有針對性地選擇剩余油飽和度測試儀器。應(yīng)該根據(jù)油田的地質(zhì)特點(diǎn)(包括儲(chǔ)層的巖性、物性、地層水礦化度等)以及油田剩余油開發(fā)地質(zhì)研究的需求來選擇具體的測試儀器。

2)巖心及動(dòng)態(tài)生產(chǎn)刻度測試

油藏在開發(fā)的過程中，其儲(chǔ)層物性、巖性、含油性、孔隙結(jié)構(gòu)、油水兩相滲流特征都發(fā)生動(dòng)態(tài)的變化，在開展剩余油飽和度測井工作時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對開發(fā)過程中的實(shí)時(shí)巖心測試分析，并以動(dòng)態(tài)資料為約束，提高剩余油飽和度測試解釋精度、改善評價(jià)效果。

3)測試服務(wù)于地質(zhì)和開發(fā)

剩余油飽和度測試儀器的選擇應(yīng)該以要解決的實(shí)際問題為對象，所開展的剩余油飽和度測試工作應(yīng)能針對性地解決實(shí)際開發(fā)問題。對于中高含水階段的復(fù)雜油氣藏而言，基于對油藏的地質(zhì)特征研究，將裸眼井測試與套管井測試相結(jié)合，并借用現(xiàn)代數(shù)學(xué)方法及數(shù)值模擬技術(shù)，深化剩余油飽和度測試評價(jià)認(rèn)識。

4 剩余油飽和度測試儀器的發(fā)展趨勢

1)高精度化

我國大多數(shù)油田進(jìn)入開發(fā)后期，需要準(zhǔn)確測量油田剩余油飽和度、了解油田剩余油分布狀況，對于三次采油，誤差不能高于5 個(gè)飽和度單位。因此，以康普頓公司脈沖中子衰減測試儀器PND-S 為代表的新型剩余油飽和度測試儀器，重點(diǎn)提高計(jì)數(shù)率、降低統(tǒng)計(jì)誤差，測量高精度化成為必然的發(fā)展趨勢。

2)智能化

剩余油飽和度測試智能化已成為增強(qiáng)測井服務(wù)后勁的當(dāng)務(wù)之急。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)與先進(jìn)人工智能應(yīng)用于井下測試儀器中，完成各種數(shù)據(jù)的采集、傳輸、控制，使之與地面計(jì)算機(jī)組成智能化測井系統(tǒng)。同時(shí)，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、灰色關(guān)聯(lián)技術(shù)、最優(yōu)化理論等引入到剩余油測試評價(jià)中，建立基于測井、動(dòng)態(tài)生產(chǎn)資料及其他地球物理信息的剩余油綜合解釋模型，已成為剩余油飽和度智能化測試的發(fā)展方向。

3)集成化

高含水期油藏油水關(guān)系十分復(fù)雜，剩余油飽和度的測量難度越來越大，僅憑單一剩余油飽和度測試存在很大局限性。以斯倫貝謝、貝克阿特拉斯和哈里伯頓公司為代表的三大測井儀器公司對作業(yè)需求量大的常規(guī)測井系列進(jìn)行了系統(tǒng)集成，使常規(guī)測井儀器向著多組合、共用電子線路及集成探頭、增加單項(xiàng)測量的相互控制等方向發(fā)展，有效地縮短了集成儀器的長度并降低儀器重量，變分散的儀器測量為高精度的組合儀器測量，提高了測試作業(yè)的時(shí)效，使剩余油飽和度測試達(dá)到快速、準(zhǔn)確的測量。

4)網(wǎng)絡(luò)化

基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化剩余油飽和度測試儀器已成為發(fā)展的主流。國外三大測井儀器公司正在努力研發(fā)基于網(wǎng)絡(luò)化剩余油飽和度測試新儀器。貝克·阿特拉斯公司的脈沖中子油藏動(dòng)態(tài)監(jiān)測儀(RPM)，其設(shè)計(jì)理念正是試圖通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對剩余油飽和度測試進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測，有效地實(shí)現(xiàn)跨地域的管理，實(shí)現(xiàn)測試數(shù)據(jù)采集、處理、分析和解釋等的遠(yuǎn)程控制和共享，呈現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)化、分布廣、開放性、便捷性的特點(diǎn)。

5 結(jié) 論

1)進(jìn)行剩余油飽和度測試是油藏地質(zhì)技術(shù)開發(fā)人員分析地下油水運(yùn)動(dòng)規(guī)律的重要手段。近年來，以過套管電阻率(CHFR)、儲(chǔ)層監(jiān)測(RMT)和井下重力儀(BHGM)為代表的測試儀器較核測井儀器在剩余油飽和度測試有更廣泛的應(yīng)用，逐漸成為套管井剩余油飽和度測試中較好的新儀器［15］。

2)剩余油飽和度測試儀器近二十余種，不同的測試儀器都有其適應(yīng)性。應(yīng)根據(jù)地層水礦化度、孔隙度等儲(chǔ)層條件，確定具體的剩余油飽和度監(jiān)測測試儀器，對儲(chǔ)層進(jìn)行綜合評價(jià)，才能達(dá)到剩余油飽和度測試的最優(yōu)化結(jié)果。

3)剩余油飽和度測試儀器正在快速發(fā)展，高精度、智能化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化的剩余油飽和度測試儀器已成為主要發(fā)展趨勢。同時(shí)，結(jié)合油田地質(zhì)特點(diǎn)和深度開發(fā)的要求，將現(xiàn)代數(shù)學(xué)方法應(yīng)用于剩余油飽和度測試與評價(jià)解釋當(dāng)中，將為剩余油飽和度測試儀器的發(fā)展注入新的活力。

［1］張學(xué)云.油田高含水期剩余油挖潛研究［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2010，21:149 -151.

［2］尚 偉.中高含水期剩余油測井評價(jià)技術(shù)綜述與展望［J］.化工管理，2014:108 -109.

［3］張鐵軒. 剩余油飽和度的測井評價(jià)方法［J］. 科技導(dǎo)報(bào)，2010，28(8):104 -109.

［4］劉東生.一種新的剩余油飽和度測井方法—注釓中子伽馬測井［J］.石油儀器，2009，23(1):67 -70.

［5］譚圣軍，陳 營，汪戈壁.硼中子壽命測井確定剩余油分布［J］.油氣地質(zhì)與采收率，2001，8(2):76 -78.

［6］王 棟，張洪洋，申小虎.剩余油飽和度測井技術(shù)現(xiàn)狀及展望［J］.化工管理，2014:101 -102.

［7］陳 猛.基于PNN 測井剩余油飽和度監(jiān)測技術(shù)研究［D］.湖北:長江大學(xué)，2012.

［8］李曉蕾，杜志強(qiáng)，蔣國棟，等. CHFR 技術(shù)及其在中原油田剩余油監(jiān)測中的應(yīng)用［J］.石油天然氣學(xué)報(bào)，2011，33(6):239 -242.

［9］袁恩祥，焦文霞，蘭 風(fēng)，等.脈沖中子-中子(PNN)測井技術(shù)在中原油田的應(yīng)用［J］. 內(nèi)蒙古石油化工，2010，16:109 -110.

［10］張 鋒.我國脈沖中子測井技術(shù)發(fā)展綜述［J］.原子能科學(xué)技術(shù)，2009，43:116 -123.

［11］Hamada G M，King F U，Hegazy A A，et al.Hydrocarbon potential monitoring in gas sandstone reservoirs using TDT and CHFR techniques［C］. SPE，EUROPEC，EAGE Conference and Exhibition. London:Society of Petroleum Engineers，2007:105003 -MS.

［12］周 強(qiáng)，于麗萍. RMT 測井在高含水期儲(chǔ)層評價(jià)中的應(yīng)用［J］.石油儀器，2012，26(2):49 -54.

［13］郭 平，冉新權(quán)，徐艷梅，等.剩余油分布研究方法［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2007:1 -2.

［14］ Herold B H，Benimeli D，Levesque C，et al. Combinable through- tubing cased hole formation resistivity tool ［C］.SPE，SPE Annual Technical Conference and Exhibition.Texas:Society of Petroleum Engineers，2004:90018 -MS.

［15］趙軍龍，曹軍濤，李傳浩，等.中高含水期剩余油測井評價(jià)技術(shù)綜述與展望［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2013，28(2):838-843.