海上油田脈沖中子–中子測井蒙特卡羅方法模擬研究

侯振永，李疾翎，李家駿，楊志華

中海油服油田技術(shù)事業(yè)部，河北 三河

1.引言

油田開發(fā)后，地層中的含油氣飽和度會發(fā)生不同的變化，甚至有部分儲集層會出現(xiàn)嚴(yán)重的水淹情況，影響油氣的產(chǎn)量和油田后期的生產(chǎn)開發(fā)，因此對油氣藏的動態(tài)監(jiān)測變得尤為重要。在套管井中剩余油評價一般采用核測井技術(shù)，根據(jù)測量原理的不同分為碳氧比和中子壽命測井技術(shù)兩類。碳氧比測井技術(shù)僅適用于中高孔隙度的地層，而中子壽命測井由于其不受本底的影響，在低孔隙度的地層具有較大優(yōu)勢，本次研究的脈沖中子–中子(PNN)測井技術(shù)就是其中的一種[1][2]。

PNN 測井通過脈沖中子發(fā)生器向地層發(fā)射高能量(14 MeV)快中子，經(jīng)過一系列的非彈性碰撞和彈性碰撞后，能量與組成地層的原子處于熱平衡時，中子不再減速，變?yōu)闊嶂凶覽3][4][5]。此時它的能量為0.025eV 左右，之后被地層中的元素所吸收，儀器通過記錄未被俘獲的熱中子數(shù)來反映地層的俘獲截面，進(jìn)而計(jì)算含油飽和度。

井眼條件和地層因素對PNN 測井的測量結(jié)果有不同影響，無論是海上油田還是陸地油田條件下，地層的礦化度、孔隙度、泥質(zhì)含量以及管柱結(jié)構(gòu)等都對其所測量的地層宏觀俘獲截面有著不同程度的影響，從而直接影響剩余油飽和度的求取。陸地油田以直井為主，而海上油田則多以斜井和叢式井為主，生產(chǎn)井的管柱主要為多層分采管柱，其管柱結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜多變，且海上油田地層中礦化度變化范圍較陸地油田而言更廣[6][7][8]。因此需要針對海上油田的情況進(jìn)行蒙特卡羅數(shù)值模擬，以便更精確地計(jì)算地層剩余油飽和度，為油氣田下一步生產(chǎn)措施提供更加合理高效的指導(dǎo)和開發(fā)建議。

2.蒙特卡羅方法模擬研究

蒙特卡羅方法又稱統(tǒng)計(jì)模擬方法，首先建立一個概率模型或隨機(jī)過程，使它的參數(shù)等于問題的解；然后通過對模型或過程的觀察或抽樣試驗(yàn)來計(jì)算所求參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征，最后給出所求解的近似值[9][10]。針對海上油田設(shè)計(jì)模擬的計(jì)算模型主要由測井儀、地層、井眼(包括流體、套管、水泥環(huán)等)、中子發(fā)生器、屏蔽體、長短源距探測器等部分組成(見圖1)。其中，測井儀直徑為43mm；地層為圓筒狀幾何模型，內(nèi)外半徑和高分別為10、70、120 cm，填充物為不同巖性、不同礦化度的水和油，含水飽和度為50%[11]。套管管柱結(jié)構(gòu)包括兩種，外徑分別為7in 和9?in，油管外徑為3.5in，篩管外徑為5.5in，水泥環(huán)厚度為3cm。中子源發(fā)射6×107個能量為14.3MeV 的快中子，脈沖寬度3μs；分別在源距42.5、74.5cm處記錄能量小于0.1MeV的熱中子；時間道從0~1800 μs，每道為30μs。

為了研究PNN 測井的影響因素對熱中子時間衰減譜的影響，建立均勻介質(zhì)模型，研究各條件下對地層俘獲截面的影響。

Figure 1.The calculation model of PNN Monte Carlo simulation 圖1.PNN 測井蒙特卡羅方法模擬的計(jì)算模型

2.1.儀器與井眼相對位置模擬

為了研究儀器偏心貼井壁與居中對地層俘獲截面求取的影響，建立以下套管條件下的計(jì)算模型，其中地層為地層水礦化度2 ×104mg/L 的砂泥巖地層，對7in和9?in 兩種套管尺寸在單層(套管)、雙層(套管和油管)管柱條件下，進(jìn)行儀器居中和偏心貼井壁測量的模擬，模擬結(jié)果分別如圖2 和圖3所示。

從圖2、圖3的模擬結(jié)果可知，無論在單層還是雙層管柱結(jié)構(gòu)下，儀器居中和偏心貼井壁在井筒區(qū)域(0~360μs內(nèi))熱中子衰減不一樣，儀器偏心貼井壁在井筒區(qū)衰減更快，但是兩種測量情況對地層區(qū)域信息提取無影響，對區(qū)分油水性質(zhì)也不會產(chǎn)生影響。測井過程中PNN 測井儀沒有推靠器，無法保證貼井壁測量，因此建議測井時盡可能地貼井壁測量。

Figure2. Monte Carlo simulation of the singlelayer pipe string instrument sticking to wellbore and centralization 圖2.單層管柱儀器偏心貼井壁與居中時的蒙特卡羅模擬

Figure 3.Monte Carlo simulation of the double layer pipe string instrument sticking to wellbore and centralization 圖3.雙層管柱儀器偏心貼井壁與居中時的蒙特卡羅模擬

2.2.管柱結(jié)構(gòu)模擬

由于海上油田管柱結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，通常分為單層(套管)、雙層(油管和套管)和三層(套管、油管、篩管)管柱，管柱結(jié)構(gòu)如表1所示。本次模擬分別對3種管柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如圖4所示。

Table1.The structure of casing strings表1.管柱結(jié)構(gòu)表

從圖4 的模擬結(jié)果分析可知，前360μs熱中子計(jì)數(shù)率基本反映的是井眼區(qū)信息，該時間段隨著管柱層數(shù)增多熱中子計(jì)數(shù)率明顯下降，單層、雙層管柱熱中子計(jì)數(shù)率曲線在進(jìn)入地層區(qū)時間段后斜率趨于穩(wěn)定，說明可以有效提取反映地層區(qū)的信息。但三層管柱熱中子在井眼區(qū)就俘獲殆盡，無法有效提取反映地層區(qū)的信息，說明三層管柱結(jié)構(gòu)會對地層俘獲截面造成影響。單層管柱地層俘獲截面的選道建議是10~40 道(300~1200μs)；雙層管柱地層俘獲截面的選道建議是13~35道(390~1050 μs)；三層管柱地層俘獲截面的選道建議，7in 套管是7~33道(210~990μs)，9? in 套管是15~45道(450~1350 μs)。

2.3.套管尺寸模擬

套管主要由鋼鐵制成，俘獲截面為220 c.u.，遠(yuǎn)大于井內(nèi)流體的宏觀截面，因此套管對井眼區(qū)的影響有待研究[3]。為研究套管尺寸對地層宏觀截面的影響，在單層、雙層管柱結(jié)構(gòu)條件下，分別對7in和9? in 兩種套管尺寸進(jìn)行模擬。

分析圖5的模擬結(jié)果可知，相同管柱條件下，套管影響前360 μs的熱中子計(jì)數(shù)率，隨套管尺寸的增加，熱中子相對計(jì)數(shù)率逐漸減少，在0~360μs的井眼區(qū)內(nèi)迅速減小，井眼的尺寸越大，井眼中存在的流體越多，擴(kuò)散效應(yīng)就越明顯。當(dāng)井筒中模擬條件為淡水時，套管壁厚越厚，衰減越快。套管尺寸的不同只影響地層宏觀俘獲截面絕對值的大小，由于進(jìn)入地層區(qū)中子數(shù)量減少，可能會造成一定的統(tǒng)計(jì)起伏誤差，但理論上對區(qū)分油水性質(zhì)不會產(chǎn)生影響。7in 套管地層俘獲截面的選道建議是13~40道(390~1200μs)，9?in 套管地層俘獲截面的選道建議是16~35道(480~1050μs)。

2.4.地層水礦化度模擬

Figure 4.Monte Carlo simulation of difference casing string structures 圖4.不同管柱結(jié)構(gòu)的蒙特卡羅模擬

Figure 5.Monte Carlo simulation of different casing diameters圖5.不同套管外徑的蒙特卡羅模擬

為了研究地層水礦化度對地層俘獲截面的影響以及確定PNN 測井儀在生產(chǎn)過程中適合的礦化度范圍，利用蒙特卡羅方法進(jìn)行模擬。模擬地層為砂泥巖地層[4]，地層孔隙度20%，孔隙流體為水，井眼水礦化度為2 ×104mg/L，單層管柱7in和9? in 兩種套管尺寸。分別對地層水礦化度為0.7×104、2×104、3×104、4×104、5×104、10×104、15×104、18×104、20 ×104mg/L 進(jìn)行模擬。

從圖6 可以看出，模擬時井眼中流體相同，在熱中子時間譜的0~210μs(前7道)時間間隔內(nèi)，熱中子計(jì)數(shù)率隨時間衰變規(guī)律相同，該時間段是井眼中熱中子的衰減區(qū)。210μs(第7道)以后，地層水礦化度的不同對熱中子衰減快慢有很大影響，礦化度增加，熱中子計(jì)數(shù)率不斷降低，能更好地區(qū)分油水，但是同時也使熱中子的計(jì)數(shù)率大幅降低，導(dǎo)致PNN 測井測量結(jié)果準(zhǔn)確度減小。當(dāng)?shù)貙铀V化度小于3×104mg/L 時，地層俘獲截面求取的選道建議是10~50道(300~1500μs)；當(dāng)?shù)V化度介于(3~10)×104mg/L 時，選道建議是13~40道(390~1200μs)；當(dāng)?shù)V化度大于10×104mg/L 時，選道建議是15~35道(450~1050μs)，選道隨礦化度增大適當(dāng)提前。

2.5.泥質(zhì)含量模擬

為研究泥質(zhì)含量對地層俘獲截面的影響，利用蒙特卡羅方法進(jìn)行模擬。模擬地層為砂泥巖地層，井眼水為淡水[5]，地層水礦化度為2×104mg/L，單層管柱7in 和9?in 兩種套管尺寸。分別對泥質(zhì)含量為10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%進(jìn)行模擬。

從圖7中可以看出，井眼內(nèi)流體相同，在熱中子時間譜的0~210μs(前7道)時間間隔內(nèi)，熱中子計(jì)數(shù)率隨時間的衰變規(guī)律相同。210 μs以后，地層泥質(zhì)含量的不同對熱中子衰減快慢有很大影響，泥質(zhì)含量增加，熱中子計(jì)數(shù)率降低，當(dāng)泥質(zhì)含量大于20%，斜率變大。泥質(zhì)含量增加導(dǎo)致地層宏觀吸收截面增加，不利于定性區(qū)分地層的油水特性，泥質(zhì)含量越高，影響越明顯，需要對計(jì)算的俘獲截面或含水飽和度進(jìn)行校正。

Figure 6.Monte Carlo simulation of different formation water salinities圖6.不同地層水礦化度時的蒙特卡羅模擬

Figure 7.Monte Carlo simulation of different shale contents 圖7.不同泥質(zhì)含量時的蒙特卡羅模擬

2.6.孔隙度不同時的模擬

為研究地層孔隙度對地層俘獲截面的影響，利用蒙特卡羅方法進(jìn)行模擬。模擬地層為純砂巖地層，井眼水為淡水，孔隙中地層水礦化度2 ×104mg/L，單層管柱7in 和9? in 兩種套管尺寸。分別對孔隙度為5%、10%、15%、20%、25%、30%進(jìn)行模擬。

從圖8可以看出，井眼流體相同，在熱中子時間譜的0~210μs(前7道)時間內(nèi)，熱中子計(jì)數(shù)率隨時間衰變規(guī)律相同。210μs以后，孔隙度的不同對熱中子衰減快慢有很大影響，孔隙度增加，熱中子計(jì)數(shù)率不斷降低且斜率區(qū)別較大，對油水區(qū)分有一定影響。地層俘獲截面求取的選道建議是10~45道(300~1350 μs)，同時建議選道隨孔隙度增大適當(dāng)提前。

3.結(jié)論

在PNN 測井過程中，多種環(huán)境因素導(dǎo)致測量結(jié)果不能準(zhǔn)確反映地層信息。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，通過蒙特卡羅模擬，得出以下結(jié)論。

1)通過管柱結(jié)構(gòu)模擬，單層、雙層、三層管柱在360μs后均可有效反映地層區(qū)的信息。但在三層管柱條件下，計(jì)數(shù)率較低，不能完全反映地層信息，因此不建議在三層管柱條件下進(jìn)行PNN 測井。

2)通過泥質(zhì)含量模擬，當(dāng)泥質(zhì)含量高于20%，對地層俘獲截面影響較大，需要對俘獲截面值進(jìn)行校正。

3)通過地層水礦化度、孔隙度模擬，適合PNN 測井的礦化度范圍大約在(1~10)×104mg/L，當(dāng)?shù)貙铀V化度為2×104mg/L 時，PNN 測井適于的孔隙度下限為5%。通過儀器與井眼相對位置模擬，建議PNN 測井時盡可能貼井壁測量。

4)通過管柱結(jié)構(gòu)、套管尺寸、地層水礦化度以及孔隙度的蒙特卡羅模擬，得出相應(yīng)條件下求取地層俘獲截面的取道建議，對含油飽和度的準(zhǔn)確求取具有指導(dǎo)意義。

Figure 8.Monte Carlo simulation of different porosities圖8.不同孔隙度時的蒙特卡羅模擬