雙參數(shù)石灰?guī)r碳氧比刻度模型井的研制

徐強(qiáng), 辛督強(qiáng), 劉杰, 楊志高

(1.西京學(xué)院理學(xué)院, 陜西 西安 710123; 2.西京學(xué)院工程研究院, 陜西 西安 710123)

0　引　言

碳氧比能譜測井[1-2]可在套管井中評價地層巖性[3]、孔隙度[4-5]和含油飽和度[6],較好地劃分油層和水層[7-8]。地層含油飽和度是碳氧比能譜測井儀主要測井目標(biāo),儀器響應(yīng)隨地層參數(shù)的變化而變化,把儀器響應(yīng)轉(zhuǎn)換為地層的地質(zhì)參數(shù),只能利用刻度井完成。目前,中國石油大慶油田和中石化勝利油田都建立了碳氧比刻度井群,大慶油田刻度井群較為完整,分水砂井、油砂井、套管影響刻度井、水泥環(huán)影響刻度井等4大類,采用石英砂堆積建井;中石化勝利油田刻度井群以天然巖石模塊為骨架,巖性較多,其孔隙流體是水[9]。

本文介紹了一種雙參數(shù)碳氧比模型井,這種模型井可以在1口井中同時建立孔隙度和含油飽和度2種參數(shù)標(biāo)準(zhǔn),為測井儀的儀器響應(yīng)與含油飽和度建立直接聯(lián)系,為碳氧比能譜測井儀的研發(fā)和改進(jìn)、儀器定標(biāo)提供了便利條件。

1　雙參數(shù)碳氧比能譜模型井原理

1.1　模型井的要求

碳氧比能譜模型井中對孔隙度參數(shù)的要求:①可以模擬實(shí)際地層的孔隙度,對碳氧比能譜測井儀來,說孔隙度越大根據(jù)碳氧比結(jié)果求得的含油飽和度可信度越高,孔隙度小于10%時只能定性地判斷油水層,而中國各大油田的地層孔隙度一般不超過35%,因此,孔隙度的范圍在10%～35%即可;②孔隙度分布要均勻,以方便刻度作業(yè),即被刻度儀器可在模型井任意位置進(jìn)行刻度;③孔隙應(yīng)為連通孔隙,因為碳氧比測井儀是通過測量孔隙中的液體來測量孔隙度的,若部分孔隙為不連通孔隙,則可造成模型井標(biāo)稱孔隙度與儀器測得孔隙度有較大偏差,無法達(dá)到刻度的目的。雙參數(shù)碳氧比模型井采用堆積法[10],可以很好滿足以上3個要求。

實(shí)際制作的模型井采用石灰?guī)r為骨架,以1,3-丁二醇的水溶液為模擬孔隙流體。模擬孔隙流體是為了模擬儲油層中油水混合物中的碳元素和氧元素,要求其成分穩(wěn)定、安全,可實(shí)現(xiàn)多種含油飽和度值。因為井下的油水混合體系是在高溫高壓下形成的水包油或油包水的不穩(wěn)定體系,在模型井中無法長時間穩(wěn)定存在,且無法給出準(zhǔn)確的碳氧比數(shù)據(jù);又因不同地區(qū)的原油成分差別很大而無法采用含油飽和度作為通用參數(shù)。雙參數(shù)模擬地層孔隙流體采用1,3-丁二醇的水溶液,可以很好滿足模擬井的要求[11],同時以16烷(C16H34)為平均分子量標(biāo)準(zhǔn)的柴油作為原油的標(biāo)準(zhǔn)參照物,則不同地區(qū)的原油都可換算為這種標(biāo)準(zhǔn)的含油飽和度(本文均指含柴油飽和度),方便了計量和標(biāo)定。

在套管井中測量地層孔隙度的常用方法有脈沖中子孔隙度、補(bǔ)償中子孔隙度、補(bǔ)償聲波孔隙度,其中脈沖中子近、遠(yuǎn)俘獲計數(shù)比計算孔隙度法類似于補(bǔ)償中子孔隙度法[12]。補(bǔ)償中子孔隙度測井受骨架巖性(主要是密度)和孔隙流體含氫指數(shù)影響,1,3-丁二醇的含氫指數(shù)(1.00～1.01)幾乎和水一致。因此,使用1,3-丁二醇的水溶液充填孔隙,能夠建成補(bǔ)償中子孔隙度刻度井。

如果不考慮井眼效應(yīng)[13](井內(nèi)流體成分與密度、套管規(guī)范、水泥環(huán)成分/密度/厚度等井眼條件不變),只考慮碳氧比測井曲線對地層參數(shù)的響應(yīng),那么,大致上C/O值為

C/O=α·nC/nO+β(1-φ)+γ

(1)

式中,nC/nO是整個地層中C元素與O元素原子數(shù)比值;α是測井靈敏度因子;第2項與地層密度有關(guān),大致與地層孔隙度有關(guān);第3項是常數(shù)[14]。可知,只需要第1項nC/nO接近,則測井值就接近。因此,使用1,3-丁二醇的水溶液充填孔隙,能夠建成含油飽和度刻度井。

1.2　堆積法實(shí)現(xiàn)小孔隙度

堆積密度是描述堆積現(xiàn)象的重要參數(shù),設(shè)堆積密度表示為ε,它與孔隙度φ的關(guān)系為

ε=1-φ

(2)

影響堆積密度的因素包括顆粒的大小、形狀、表面粗糙程度、潮濕情況等,等徑球體的最大堆積密度為0.74[15]。因為目標(biāo)孔隙度為15%,也就是堆積密度為85%。采用的堆積原料不可能由單一粒徑的顆粒組成。因此,用雙組分顆粒選取不同粒徑顆粒每2種分成1組,就大小顆粒的數(shù)量比進(jìn)行實(shí)驗。

采用石灰?guī)r顆粒進(jìn)行堆積,這些原料不可能是標(biāo)準(zhǔn)的球體,則需對原料的粒徑、比例進(jìn)行大量的實(shí)驗,才能確定堆積井配方。

(1) 產(chǎn)地選取:為保證石灰?guī)r顆粒化學(xué)成分有較好的一致性,經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)調(diào)研和石材市場走訪,確定陜西富平為合適的原料產(chǎn)地。

(2) 原料化驗:在陜西富平多處石場采集樣品,并對其成分進(jìn)行化學(xué)分析,首先經(jīng)過化驗篩選出碳酸鈣含量大于95%的石灰石,再由化學(xué)分析實(shí)驗室確定其各化學(xué)成分含量,最終選出提供達(dá)標(biāo)樣品的廠家。

(3) 原料處理:選取廠家能大量供應(yīng)4目、6目、8目、60目的石灰?guī)r顆粒作為配方實(shí)驗原料,使用球磨機(jī)進(jìn)行顆粒磨圓,以抽樣目視無明顯棱角為合格,通過晾曬風(fēng)干使原料干燥,用多次篩網(wǎng)篩選法去除原料中的石粉,并使同型號中的顆粒粒徑較為一致。

(4) 小樣堆積:用選定的4種石灰?guī)r顆粒進(jìn)行配方實(shí)驗,每2種組成1組,比例從1∶1開始實(shí)驗,逐漸增大到10∶1,若未找到15%孔隙度的配方,則逐漸減少到1∶10。

2種粒徑的顆粒進(jìn)行隨機(jī)堆積的邊界效應(yīng)影響層的平均厚度約在小顆粒的粒徑到大顆粒的粒徑之間[16-18],采用直徑為450 mm、高為470 mm的不銹鋼桶作為實(shí)驗裝置,以堆積高度為450 mm,邊界效應(yīng)層厚度為4目顆粒最大粒徑(4.75 mm)計算,邊界效應(yīng)層體積約占總體積的5.19%,其影響可以忽略,故可以采用該尺寸鋼桶作為配方實(shí)驗用具。

初步篩選時堆積厚度為200 mm,用水將孔隙填滿,加水到剛剛沒過砂石平面為合適。按上述的方法找到3組配方,再做多層堆積實(shí)驗(即150 mm為1層,壓實(shí)后繼續(xù)堆積直至450 mm高為止)和重復(fù)實(shí)驗,選出重復(fù)性最好的第1種配方,3組配方及其實(shí)現(xiàn)的孔隙度見表1。

由于邊界效應(yīng)在小體積情況下對孔隙度的影響更為顯著,而邊界層的孔隙度比較大,小樣配方實(shí)現(xiàn)的孔隙度會比在大井桶中實(shí)際堆積的孔隙度稍大。

表1　小樣實(shí)現(xiàn)的孔隙度

1.3　模擬地層孔隙流體實(shí)驗

丁二醇(分子式為C4H10O2,分子量為90.121)具有能夠與水互溶、不揮發(fā),且化學(xué)穩(wěn)定性較好的優(yōu)點(diǎn),其凝固點(diǎn)和沸點(diǎn)范圍也符合正常氣溫變化范圍。密度與水幾乎一樣,在長期存放過程中不會發(fā)生分層、分解等現(xiàn)象,是作為模擬地層孔隙流體的理想物質(zhì)。將1,3-丁二醇—水溶液體系作為模擬流體體系,對該體系進(jìn)行溶解性、穩(wěn)定性等方面的實(shí)驗驗證。

用2支10 mL刻度移液管按表2中所給用量分別取1,3-丁二醇和蒸餾水至6個已編號的干燥三角瓶中搖勻。

表2　1,3-丁二醇與水混合溶液體積量比

該體積比對應(yīng)的1,3-丁二醇與水的物質(zhì)的量比分別為1∶0、1∶1、1∶2、1∶4、1∶8、1∶10。用1 mL刻度移液管分別從6個三角瓶中移取1 mL溶液,放到6個已編號的10 mL容量瓶中,稀釋至刻度搖勻。經(jīng)實(shí)驗驗證,上述2種物質(zhì)可以在該摩爾比例范圍內(nèi)完全互溶。

將1,3-丁二醇與水不同比例混合溶液靜置于常態(tài),長時間觀察未見分層、析出現(xiàn)象。用UV-2450型紫外可見分光光度計采用紫外光譜法測定各比例溶液濃度,發(fā)現(xiàn)其基本不變(溶液封閉狀態(tài)下)。說明該溶液體系穩(wěn)定性能夠滿足模擬流體的穩(wěn)定性要求(見圖1)。

圖1　初始狀態(tài)和放置1a后1,3丁二醇溶液吸光度濃度光譜曲線比較

1.4　模型井建造與孔隙度確定

模型井建造在內(nèi)徑為1 200 mm高為1 600 mm的井罐內(nèi),井罐的中心有內(nèi)徑為125 mm、厚度為7.5 mm的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼(U20202)套管,套管外有30 mm的水泥環(huán),水泥環(huán)外是模擬地層,可以供碳氧比能譜儀器進(jìn)行探測,模擬地層高度為1 350 mm。

建造時采取分層建造的方法,即將模擬地層分成9層建造,每層高度為150 mm,將每層的石灰石顆粒和模擬地層孔隙流體在井罐中混合均勻后砸實(shí)壓平,達(dá)到事先畫好的刻度線后再進(jìn)行下一層堆積,直至模型地層建造完成。

模型井的孔隙度有2種計算方法:①按石灰石顆粒計算,計算出的孔隙度稱為干孔隙度;②由模擬孔隙流體計算,計算出來的孔隙度稱為濕孔隙度值。計算公式分別為

(3)

(4)

式中,φma、φW分別為干孔隙度和濕孔隙度,p.u.;VH為孔隙體積;VT為模型地層總體積;Vma為骨架體積,m3;mma為砂石骨架的質(zhì)量;mT為測量模型井體積時所用的水的總質(zhì)量;mf為模擬孔隙流體的質(zhì)量,kg;ρma、ρW、ρf分別為石灰石顆粒、水和模擬孔隙流體的密度,kg/m3。

由于顆粒原料間的孔隙中會有空氣,不可能被模擬孔隙流體完全填充,因此,這2種孔隙度會有差異。當(dāng)2種孔隙度差異小于1 p.u.時,則可認(rèn)為模型地層滿足要求;若2種孔隙度差異大于1 p.u.,則說明孔隙中空氣過多,需要重新建造。實(shí)際建造的模型井?dāng)?shù)據(jù)見表3。

表3　碳氧比模型井建井?dāng)?shù)據(jù)

1.5　等效含油飽和度確定

1.5.11,3-丁二醇模擬地層孔隙流體的等效含油飽和度計算

以柴油作為100%含油飽和度為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行1,3-丁二醇模擬地層孔隙流體等效含油飽和度的計算,柴油以十六烷(C16H34)為平均分子量標(biāo)準(zhǔn),則平均摩爾質(zhì)量為226.441 g/mol,標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度為0.85 g/cm3;1,3丁二醇摩爾質(zhì)量為90.121 g/mol,標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度為1.010 g/cm3;水的摩爾質(zhì)量為18.015 g/mol,標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度為1.000 g/cm3;假設(shè)巖層骨架全部為CaCO3構(gòu)成摩爾質(zhì)量為100.088 g/mol,其密度為2.710 g/cm3。計算方法:

(1) 孔隙度φ=15.1%給定的情況下,按照0、20%、40%、60%、80%、100%等6種含柴油飽和度,計算出對應(yīng)的nC/nO值,使用一元二次方線性回歸法,擬合出含柴油飽和度So與nC/nO的函數(shù)關(guān)系

(5)

(2) 孔隙度φ=15.1%給定的情況下,按照0、20%、40%、60%、80%、100%等6種含1,3-丁二醇飽和度SB,計算出對應(yīng)的nC/nO值,根據(jù)nC/nO與含柴油飽和度So的函數(shù)關(guān)系,推算出采用1,3-丁二醇配比條件下的等效含柴油飽和度So。

按照孔隙度φ值和等效含柴油飽和度So值,再用骨架顆粒、柴油、淡水的體積比例關(guān)系,計算出nC/nO值,進(jìn)行驗證。具體數(shù)據(jù)見表4。表4中第2列nC/nO值是根據(jù)第1列數(shù)據(jù)含1,3-丁二醇飽和度SB計算得出的,最后一列(nC/nO)′值是根據(jù)第3列等效含柴油飽和度So值數(shù)據(jù)得出,可見兩者相差很小,結(jié)果符合得很好。可以計算出當(dāng)模擬地層孔隙流體中1,3-丁二醇與水的質(zhì)量比為5∶2時,在孔隙度為15.1%的模擬地層中其nC/nO值為0.3769,根據(jù)式(5)可計算出含柴油飽和度為50.4%。

根據(jù)上面的算法,不同孔隙度時,以1,3-丁二醇與水的溶液作為模擬地層孔隙流體,其可模擬的含柴油飽和度范圍不同(見表5)。

表4　擬合函數(shù)驗證表

表5　不同孔隙度情況下模擬含柴油飽和度的范圍

2　模型井均勻性的測量

為檢驗新建2口模型井的孔隙度均勻性,使用補(bǔ)償中子測井儀對其進(jìn)行了測量,并根據(jù)式(6)計算除兩端有畸變數(shù)據(jù)外其他數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差

(6)

式中,σ為標(biāo)準(zhǔn)偏差;N為測量次數(shù);xi為第i次測量值;μ為測量值的算術(shù)平均值。

計算可得標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.025,相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.37%。其結(jié)果表明碳氧比模擬井在不同深度孔隙度較為均勻,在東南西北4個方向上沒有明顯差異,說明新建模型井各向同性很好(見圖2)。圖2中,R為短源距探測器與長源距探測器的計數(shù)比;RE、RW、RS、RN為補(bǔ)償中子測井儀測量窗口分別貼在東南西北4個方向上時測到的數(shù)據(jù),橫坐標(biāo)為距模型井上沿的距離。

圖2　補(bǔ)償中子測井儀實(shí)測數(shù)據(jù)

3　結(jié)　論

(1) 提出了一種雙參數(shù)碳氧比模型井的建造方法,其孔隙度以堆積法實(shí)現(xiàn),范圍為10%～35%。等效含柴油飽和度以1,3丁二醇的水溶液實(shí)現(xiàn)。當(dāng)模擬地層巖性為石灰?guī)r、孔隙度為10%時,其范圍為0～70.8%。利用這種方法可以建造不同孔隙度與含油飽和度相配合的模型井群,為儀器標(biāo)定提供了方便。

(2) 實(shí)際驗證,使用雙組分石灰石顆粒進(jìn)行緊密堆積,得到了滿足設(shè)計要求的15.1%的孔隙度,其配方中4目石灰石與60目石灰石顆粒的質(zhì)量比為5∶3。

(3) 采用無毒、無刺激且不易揮發(fā)的1,3-丁二醇的水溶液作為模擬地層孔隙流體,當(dāng)1,3-丁二醇與水的質(zhì)量比為5∶2時,等效含柴油飽和度為50.4%。模擬井采用分層堆積的方法進(jìn)行制作,既保證了每一層可以緊密堆積,又保證了其均勻性。

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