碳氧比測(cè)井鈣質(zhì)校正方法研究及應(yīng)用

何巍巍，鄧茜珊，鄭 華，孫 亮

(1.大慶師范學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163000；2.大慶油田測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司，黑龍江 大慶 163000)

大慶油田的脈沖中子全譜測(cè)井儀(PNST)測(cè)井技術(shù)是應(yīng)用較為廣泛的套后地層參數(shù)評(píng)價(jià)技術(shù)，以高能脈沖中子轟擊地層，主要通過(guò)分析伽瑪能譜中C、O、Si、Ca等元素相對(duì)產(chǎn)額，利用碳氧比(C/O)、俘獲Si/Ca或非彈Ca/Si等測(cè)井曲線(xiàn)識(shí)別地層巖性，計(jì)算儲(chǔ)層含油飽和度(So)，判斷儲(chǔ)層水淹級(jí)別，在大慶等油田獲得了較好應(yīng)用效果[1-2]。大慶長(zhǎng)垣油田的巖性剖面以砂泥巖為主，但地層中也常出現(xiàn)鈣質(zhì)。高電阻率的鈣質(zhì)對(duì)用常規(guī)測(cè)井資料解釋儲(chǔ)層流體性質(zhì)造成困難[3-5]。地層中鈣質(zhì)的主要成分為碳酸鈣，其中無(wú)機(jī)碳也影響碳氧比測(cè)井資料解釋So，表現(xiàn)為兩方面：一是儲(chǔ)層中含鈣質(zhì)，造成儲(chǔ)層C/O曲線(xiàn)及解釋So偏高；二是夾層含鈣質(zhì)，造成夾層C/O曲線(xiàn)升高，依夾層判斷C/O曲線(xiàn)基線(xiàn)又會(huì)造成解釋儲(chǔ)層So偏低。

應(yīng)用國(guó)外引進(jìn)的碳氧比測(cè)井儀時(shí)，配套解釋軟件中包含了鈣質(zhì)校正算法[6-7]。因此有必要針對(duì)國(guó)產(chǎn)PNST測(cè)井儀研究地層鈣質(zhì)校正方法，提高其測(cè)井資料解釋So的準(zhǔn)確性。

在三維復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)中耦合中子/光子/電子輸運(yùn)的通用蒙特卡羅軟件包MCNP被廣泛應(yīng)用于核測(cè)井?dāng)?shù)值模擬，對(duì)脈沖中子伽瑪能譜測(cè)井的模擬精度能滿(mǎn)足建立測(cè)井資料解釋模型及獲得模型參數(shù)的需要[8-9]。本研究利用MCNP軟件，按照PNST測(cè)井儀和大慶油田常規(guī)套管井條件，建立碳氧比測(cè)井的蒙特卡羅數(shù)值模擬模型，以測(cè)井儀在刻度井實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)校驗(yàn)?zāi)Ｐ?，研究鈣質(zhì)對(duì)PNST碳氧比測(cè)井曲線(xiàn)的影響，建立校正方法，并用取心數(shù)據(jù)驗(yàn)證該校正方法的實(shí)用性。

1 傳統(tǒng)PNST測(cè)井資料解釋So方法

用脈沖中子全譜測(cè)井儀(PNST)雙源距碳氧比(C/O)測(cè)井資料解釋So時(shí)，C/O測(cè)井值[2]為：

C/O=

δ(1-φ)+[(aYo+b)CAL+(cYo+d)]+αH

(1)

式中，右側(cè)的四項(xiàng)分別是地層中碳/氧原子數(shù)比、地層密度、井內(nèi)持油率、水泥環(huán)厚度對(duì)C/O測(cè)井值的貢獻(xiàn)；式中，φ為孔隙度，So為地層含油飽和度，VCa為鈣質(zhì)含量，CAL為套管內(nèi)徑，Yo為井內(nèi)持油率，H為水泥環(huán)厚度，各參數(shù)均取無(wú)量綱值；δ、a、b、c、d、α為不同條件下儀器刻度實(shí)驗(yàn)得出的權(quán)重系數(shù)，近、遠(yuǎn)伽瑪探測(cè)器的權(quán)重系數(shù)不同，其他為固定常數(shù)。解釋測(cè)井資料時(shí)，對(duì)C/O曲線(xiàn)作泥質(zhì)校正，用最優(yōu)化法解雙探測(cè)器C/O測(cè)井值的方程組，校正掉Yo影響，獲得So。

公式(1)顯示，傳統(tǒng)資料解釋方法可用中子、密度、聲波等測(cè)井曲線(xiàn)計(jì)算VCa曲線(xiàn)[10]，但需要完井時(shí)測(cè)中子、密度曲線(xiàn)；也可用碳氧比測(cè)井Si/Ca曲線(xiàn)與聲波測(cè)井曲線(xiàn)綜合計(jì)算VCa，但因使用曲線(xiàn)過(guò)少而可靠性差。此外，采用元素分析方法對(duì)碳氧比測(cè)井俘獲能譜解譜可獲得地層中的Ca元素含量，但是過(guò)程繁瑣、精度較低[11-12]。

碳氧比測(cè)井提供反映地層鈣質(zhì)含量的非彈Ca/Si曲線(xiàn)和俘獲Ca產(chǎn)額曲線(xiàn)，前者不受井眼和地層Cl含量影響，但數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)精度較低，后者統(tǒng)計(jì)精度較高但受地層Cl含量影響大。本研究運(yùn)用蒙特卡羅數(shù)值模擬方法，研究C/O和俘獲Ca產(chǎn)額YCa與地層鈣質(zhì)含量VCa的關(guān)系，用YCa校正掉VCa對(duì)C/O的影響，利用常規(guī)砂泥巖剖面解釋方法計(jì)算更為準(zhǔn)確的So。

2 數(shù)值模擬模型的建立與校驗(yàn)

2.1 模型的建立

數(shù)值模擬模型呈圓筒狀，其剖面示于圖1。模型尺寸須足夠大，才能模擬無(wú)限大地層的響應(yīng)，參照刻度井的地層尺寸，模型的高和直徑分別取遠(yuǎn)大于PNST測(cè)井儀縱向分辨率和徑向探測(cè)深度的1.5 m和1.8 m[9,13]。在模型圓筒中央設(shè)置套管井。由于公式(1)中許多常數(shù)與井眼條件有關(guān)，因此按照大慶油田常規(guī)套管井條件設(shè)置模型的井眼柵元[14]。

圖1 MCNP數(shù)值模擬模型剖面示意圖Fig.1 Sectional drawing of the MCNP numerical model

井內(nèi)介質(zhì)為清水；J55鋼級(jí)油層套管的壁厚和外徑分別為7.72 mm和139.7 mm，套管密度為7.85 g/cm3；套管外有層水泥環(huán)，按0.44水灰比用清水和G級(jí)油井水泥配制水泥環(huán)材料，水泥環(huán)密度1.95 g/cm3，水泥環(huán)外徑200 mm。在水泥環(huán)以外是模擬地層。按照PNST測(cè)井儀中各零部件的結(jié)構(gòu)尺寸與材料設(shè)置模擬測(cè)井儀的柵元，測(cè)井儀在套管中貼靠套管內(nèi)壁。

為提高模擬計(jì)算效率，將模型中尺寸較大物體剖分成較小柵元，并運(yùn)用柵元重要性、權(quán)重窗口等減小計(jì)數(shù)方差；此外，先分別模擬到達(dá)鍺酸鉍(Bi4Ge3O12，BGO)探測(cè)器外面的伽瑪流能譜和不同能量的單能伽瑪射線(xiàn)照射探測(cè)器外面的探測(cè)器響應(yīng)函數(shù)，保證計(jì)數(shù)方差均小于0.2%，然后將兩者卷積，模擬探測(cè)器測(cè)量的能譜[14]。

根據(jù)研究需要，設(shè)置模擬地層材料的元素配比與密度。按PNST測(cè)井儀碳氧比工作模式的中子爆發(fā)與近遠(yuǎn)BGO探測(cè)器伽瑪能譜采集時(shí)序，模擬非彈凈譜和俘獲譜。能譜分256道，能量范圍覆蓋0～8.89 MeV。采用PNST測(cè)井資料解釋軟件的算法，從能譜中提取C/O、YCa等參數(shù)。

2.2 數(shù)值模擬模型的基準(zhǔn)校驗(yàn)

大慶油田沒(méi)有成套的灰?guī)r或含鈣質(zhì)砂巖的飽和度刻度井，為了檢驗(yàn)數(shù)值模擬模型的正確性，針對(duì)實(shí)際刻度井群中孔隙度為16.8%、20.4%、26.0%、28.9%、33.8%的飽和水砂巖地層，以及孔隙度為15.8%、21.4%、25.0%、28.7%、33.8%的飽和油砂巖地層，對(duì)比模擬與實(shí)測(cè)的非彈凈譜和俘獲譜，以及相應(yīng)的C/O和YCa參數(shù)。

大慶油田儲(chǔ)層孔隙度平均約20%，因此測(cè)量孔隙度20.4%飽和水砂巖地層的遠(yuǎn)探測(cè)器非彈凈譜與俘獲譜，結(jié)果示于圖2。由圖2結(jié)果可知，模擬能譜和實(shí)測(cè)能譜相似度高，皮爾森相關(guān)系數(shù)的平方R2均大于0.995，說(shuō)明模擬能譜再現(xiàn)了實(shí)測(cè)能譜，驗(yàn)證了模型的正確性。解釋軟件分別按1.56～1.98 MeV、2.80～4.15 MeV、4.15～4.81 MeV和5.09～6.76 MeV能窗從遠(yuǎn)探測(cè)器非彈凈譜提取Si、Ca、C和O產(chǎn)額 (能窗區(qū)的計(jì)數(shù)除以全能譜有效區(qū)的總計(jì)數(shù))，按5.32～6.80 MeV能窗從俘獲譜提取YCa。

刻度井條件下模擬與實(shí)測(cè)遠(yuǎn)探測(cè)器C/O與YCa數(shù)據(jù)列于表1。由表1數(shù)據(jù)結(jié)果可知，模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于1.5%，說(shuō)明模擬精度較高，模擬數(shù)據(jù)能再現(xiàn)測(cè)井響應(yīng)規(guī)律，模擬數(shù)據(jù)可用于解釋方法的建立和解釋參數(shù)的確定。

圖2 模擬能譜與實(shí)測(cè)能譜對(duì)比的實(shí)例Fig.2 Examples of comparison between simulated spectrum and measured spectrum

地層類(lèi)型?模擬C/O實(shí)測(cè)C/O相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差模擬YCa實(shí)測(cè)YCa相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差飽和水16.8%0.492 00.492 4-0.08%0.198 00.199 3-0.65%砂巖地層20.4%0.488 70.489 2-0.10%0.192 30.194 3-1.01%26.0%0.483 10.485 4-0.47%0.185 10.186 3-0.64%28.9%0.480 20.480 9-0.15%0.182 10.182 7-0.36%33.8%0.474 90.475 9-0.21%0.178 30.177 30.56%飽和油15.8%0.529 70.530 1-0.08%0.199 80.201 1-0.67%砂巖地層21.4%0.539 40.532 81.24%0.191 00.193 5-1.33%25.0%0.546 70.540 91.07%0.186 30.187 3-0.53%28.7%0.554 30.554 30.00%0.182 40.182 40.00%33.8%0.565 90.573 1-1.26%0.178 30.178 7-0.23%

3 鈣質(zhì)的影響與校正

保持?jǐn)?shù)值模擬模型中測(cè)井儀與井眼柵元參數(shù)不變，只改變地層?xùn)旁牟牧吓浔?，分別用石英和方解石模擬地層骨架中砂質(zhì)和鈣質(zhì)，考察骨架鈣質(zhì)含量范圍0～100%、孔隙度0～40%、孔隙中飽和油或水的地層中VCa對(duì)C/O、YCa的影響。

3.1 鈣質(zhì)對(duì)C/O和YCa的影響

部分PNST遠(yuǎn)探測(cè)器測(cè)井參數(shù)的模擬結(jié)果示于圖3，近探測(cè)器測(cè)井參數(shù)變化規(guī)律與之相似。圖3中曲線(xiàn)為模擬數(shù)據(jù)光滑后的結(jié)果，離散點(diǎn)為測(cè)井儀在刻度井中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，砂巖和灰?guī)r分別表示地層骨架為純石英和純方解石，孔隙中流體分別是水和油。

C/O數(shù)據(jù)變化規(guī)律：水砂巖地層C/O值隨φ增大而減小，油砂巖C/O值隨φ增大而增大，油砂巖與水砂巖的C/O差值隨著φ增大而增大，在φ固定的條件下C/O值隨So增大而增大，這是砂泥巖條件下C/O資料解釋So的基礎(chǔ)。在φ和So都固定的條件下，隨著地層中鈣質(zhì)含量增大，C/O值幾乎線(xiàn)性增大，其增大速率與φ和So值有關(guān)，水灰?guī)r與水砂巖C/O差值隨著φ增大而略有減小，油灰?guī)r與油砂巖C/O差值隨φ增大而略有增大，C/O值對(duì)灰?guī)r中So變化的靈敏度比砂巖的稍高。

YCa數(shù)據(jù)呈現(xiàn)如下特點(diǎn)：砂巖YCa值隨著φ增大而減?。辉赩Ca和φ固定的條件下，YCa值與So無(wú)關(guān)，YCa值隨著VCa增大而線(xiàn)性增大，其增大速率與φ有關(guān)。盡管從俘獲譜提取的YCa受井眼與地層中Cl元素含量影響，但由于地層水礦化度低、碳氧比測(cè)井時(shí)普遍用清水壓井，在大慶油田適合用YCa校正鈣質(zhì)對(duì)C/O解釋So的影響。

3.2 鈣質(zhì)校正方法

圖3 C/O與YCa隨著巖性與φ變化Fig.3 C/O and YCa change along with lithology and φ

其他參數(shù)不變時(shí)C/O隨著VCa增大而增大，將鈣質(zhì)造成的C/O增量記為ΔC/OCa。它隨VCa變化的速率受φ和So影響，其中So的影響較小，可忽略，求得ΔC/OCa與VCa和φ的近似關(guān)系。在不同φ條件下，用So=50%時(shí)灰?guī)r與砂巖C/O差值，除以灰?guī)r與砂巖YCa差值，得到VCa影響二者的比例系數(shù)；用YCa測(cè)井值與砂巖YCa的差值，乘以該比例系數(shù)，可計(jì)算出ΔC/OCa。近、遠(yuǎn)探測(cè)器C/O的校正方法相同，以PNST遠(yuǎn)探測(cè)器為例，推導(dǎo)出：

ΔC/OCa=(5.67-25.0φ+43.2φ2)·

[YCa-(0.234-0.273φ+0.312φ2)]

(2)

用公式(3)對(duì)C/O測(cè)井值進(jìn)行鈣質(zhì)影響校正：

C/Ocorr,Ca=C/O-ΔC/OCa

(3)

再將C/Ocorr,Ca作為測(cè)井值，使用砂泥巖剖面的碳氧比測(cè)井資料解釋方法，求取So。

以YCa增量校正C/O增量，當(dāng)儲(chǔ)層φ變化較小時(shí)，可將C/O曲線(xiàn)與YCa曲線(xiàn)按一定比例尺疊合，用于減除VCa造成的C/O增量，直觀且易調(diào)參，實(shí)用性更強(qiáng)。

4 鈣質(zhì)校正方法的應(yīng)用

FXX-J+XX井位于大慶油田長(zhǎng)垣南部，開(kāi)采層是碳氧比測(cè)井資料易受地層中含鈣質(zhì)影響的葡萄花層。對(duì)該井中1號(hào)至4號(hào)層進(jìn)行密閉取心，取心分析鈣質(zhì)占巖心質(zhì)量的0.2%～25.2%，平均占2.0%。完井后隨即進(jìn)行了PNST測(cè)井，因此將PNST碳氧比測(cè)井資料解釋So與取心分析So對(duì)比，驗(yàn)證測(cè)井解釋結(jié)果是否準(zhǔn)確。

鈣質(zhì)校正前、后的PNST碳氧比測(cè)井資料解釋結(jié)果示于圖4。GR和SP分別是反映巖性與層位的自然伽瑪和自然電位曲線(xiàn)；SICA、COR和CA分別是PNST測(cè)井反映砂泥質(zhì)含量的Si/Ca曲線(xiàn)、反映地層含碳量的C/O曲線(xiàn)和反映鈣質(zhì)含量的Ca產(chǎn)額曲線(xiàn)，為了簡(jiǎn)化圖幅，圖中只顯示了遠(yuǎn)探測(cè)器相應(yīng)曲線(xiàn)；SOCORE是取心分析So數(shù)據(jù)，SWCO和SWI是碳氧比測(cè)井解釋含水飽和度Sw和束縛水飽和度Swi，其中Sw=100%-So。由圖4結(jié)果可知，在這4個(gè)層的取心處，2號(hào)層的C/O測(cè)井值因儲(chǔ)層中存在鈣質(zhì)而偏高，經(jīng)鈣質(zhì)校正后C/O值和解釋So明顯降低；1號(hào)層和3號(hào)層不含鈣質(zhì)，使用與其他層相同的C/O基線(xiàn)，鈣質(zhì)校正后解釋So略有升高。

不同層取心分析So與鈣質(zhì)校正前、后的測(cè)井解釋So對(duì)比結(jié)果列于表2。由表2結(jié)果可以看出，鈣質(zhì)校正后的測(cè)井解釋結(jié)果與取心分析結(jié)果取得了更好的符合，說(shuō)明該鈣質(zhì)校正方法能夠有效提高碳氧比測(cè)井的解釋精度，得到更為準(zhǔn)確的解釋結(jié)果。

圖4 鈣質(zhì)校正前后解釋結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison of the results before and after calcium correction

層位深度/m取心So鈣質(zhì)校正前鈣質(zhì)校正后測(cè)井So相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差測(cè)井So相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差11 446.8561.2%55.29%-5.91%59.17%-2.03%1 446.9847.8%44.66%-3.14%46.63%-1.17%21 454.3842.9%52.07%9.17%45.71%2.81%1 454.6936%40.15%4.15%37.18%1.18%31 474.8138.1%44.53%6.43%48.18%10.08%1 475.0749%41.94%-7.06%49.41%0.41%1 475.6948.4%42.62%-5.78%47.99%-0.41%1 475.9854.6%45.84%-8.76%52.69%-1.91%1 476.1360.6%51.76%-8.84%55.71%-4.89%1 476.9654%45.4%-8.6%51.64%-2.36%1 477.1366.7%45.77%-20.93%63.38%-3.32%1 477.2567.6%48.923%-18.677%70.994%3.394%1 477.7328.6%39.59%10.99%38.91%10.31%41 491.0739%33.59%-5.41%33.79%-5.21%1 491.1733.8%34.22%0.42%33.48%-0.32%

5 小結(jié)

(1) 按大慶油田常規(guī)套管井條件建立了PNST測(cè)井的數(shù)值模擬模型，以測(cè)井儀在砂巖刻度井的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)校驗(yàn)了模型：模擬能譜與實(shí)測(cè)能譜的相關(guān)系數(shù)R2>0.995；模擬與實(shí)測(cè)C/O和俘獲Ca產(chǎn)額的相對(duì)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于1.5%。

(2) 數(shù)值模擬研究結(jié)果表明，孔隙度與含油飽和度相同地層的C/O與俘獲Ca產(chǎn)額均隨地層鈣質(zhì)含量增大而線(xiàn)性增大。

(3) 利用俘獲Ca產(chǎn)額曲線(xiàn)，建立了C/O曲線(xiàn)受鈣質(zhì)影響的校正方法。對(duì)比結(jié)果顯示，鈣質(zhì)校正后的測(cè)井解釋結(jié)果與取心分析的含油飽和度數(shù)據(jù)符合度更高，說(shuō)明針對(duì)在大慶油田應(yīng)用的PNST碳氧比測(cè)井，本研究提出的鈣質(zhì)校正方法能夠有效提高含鈣地層的含油飽和度解釋精度。

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