利用元素伽馬能譜測井識別氣層的數(shù)值模擬

張 鋒, 趙 靚, 張泉瀅, 李向輝, 遆永周

(1.中國石油大學(華東)地球科學與技術(shù)學院,山東青島 266580; 2.海洋國家實驗室海洋礦產(chǎn)資源評價與探測技術(shù)功能實驗室,山東青島 266071; 3.河南省科學院同位素研究所有限責任公司,河南鄭州 450000)

隨著油氣田勘探開發(fā)的深入,地層含氣飽和度的評價和定量計算變得尤為重要[1-2]。傳統(tǒng)評價地層含氣的方法有脈沖中子曲線疊加技術(shù)、巖性密度測井、三孔隙度重疊法、熱中子衰減時間測井、電阻率測井、成像測井[3-5];近年來隨著脈沖中子測井技術(shù)的發(fā)展,利用儀器探測到的中子及伽馬時間譜信息進行地層含氣飽和度評價在油氣識別方面發(fā)揮了重要作用[6-7]。國內(nèi)外專家對定量評價含氣飽和度進行了相關(guān)研究,Trcka等[8]利用不同探測器的非彈伽馬計數(shù)比值動態(tài)監(jiān)測儲集層含氣情況。黃導武等[9]提出了在PNC測井中利用長短源距計數(shù)率比值計算低礦化度水地層含氣飽和度的方法; Guo等[10]通過利用不同探測器的俘獲伽馬計數(shù)組合來評價地層含氣響應。張鋒等[11]利用三探測器中子測井儀近、遠探測器和中、遠探測器熱中子計數(shù)比值的差值,定量評價含氣儲層。Guo等[12]根據(jù)非彈窗對巖性密度敏感的特性將俘獲窗分為快、慢兩個部分,利用在致密儲層中非彈窗和慢俘獲窗的比值不受地層水礦化度影響的特性識別氣層。2015年,Gerardo Cedillo等[13]提出了利用多探測器脈沖中子測井儀中不同源距探測器記錄的非彈伽馬計數(shù)比值量化計算地層含氣飽和度。現(xiàn)有使用脈沖中子源的元素伽馬能譜儀器主要包括貝克休斯公司的FLeX儀器[14]和斯倫貝謝公司的Litho Scanner儀器[15],兩種儀器通過利用D-T中子源和單探測器信息在實際勘探開發(fā)中完成地層元素評價及有機碳探測,但能否利用元素伽馬能譜儀器探測得到的伽馬信息進行地層含氣飽和度評價仍是亟待解決的問題。由于氣層和水層在組成和快中子核參數(shù)存在差異,筆者利用元素能譜測井儀器記錄的伽馬能譜信息,通過研究不同井眼和地層條件下非彈及俘獲伽馬計數(shù)比值與地層含氣飽和度的關(guān)系,提出利用非彈伽馬計數(shù)與俘獲伽馬計數(shù)的比值確定地層飽和度的方法,為元素伽馬能譜測井技術(shù)進行氣層識別和定量評價提供依據(jù)。

1 元素伽馬能譜測井識別氣層物理基礎(chǔ)

相比于常規(guī)儲集層,煤巖、頁巖等非常規(guī)具有儲層巖性復雜、儲層物性差(孔隙度小于10%、滲透率小于1.0×10-3μm2、埋藏較深等特點,油氣勘探開發(fā)難度較大[16-17]。元素伽馬能譜測井技術(shù)通過利用中子與地層元素原子核發(fā)生作用放出伽馬射線信息確定元素含量、劃分巖性,在非常規(guī)儲層評價中具有廣泛的應用前景。

脈沖中子源按照一定的頻率和脈寬向地層發(fā)射快中子,快中子進入地層后發(fā)生非彈性散射和彈性散射,產(chǎn)生非彈伽馬射線并減速為熱中子,熱中子在地層中擴散被地層原子核俘獲,產(chǎn)生俘獲伽馬射線。不同地層流體對快中子的減速能力和對熱中子的俘獲能力存在差異,當?shù)貙雍瑲鈺r,由于天然氣的密度和含氫指數(shù)均遠小于水,地層對快中子的減速能力降低且熱中子的擴散長度增加,因此利用元素伽馬能譜測井儀器記錄的非彈、俘獲伽馬射線信息能夠反映地層流體的變化。

根據(jù)中子擴散理論,假設(shè)源強S0的中子源向地層發(fā)射快中子,快中子與一個原子核發(fā)生非彈性散射放出的伽馬射線強度為i,則單位時間內(nèi)地層體積元dV在探測器處產(chǎn)生的非彈伽馬射線強度為

(1)

(2)

式中,Cin為非彈伽馬計數(shù);Σin為非彈散射截面;φf為快中子的通量分布;μ為伽馬射線的線性吸收系數(shù);Ls為快中子的減速長度;r、X分別為體積元dV到中子源和探測器的距離。

同理,熱中子與原子核發(fā)生俘獲反應產(chǎn)生的俘獲伽馬射線為

(3)

式中,Ccap為俘獲伽馬計數(shù);i′為一個熱中子與原子核發(fā)生俘獲反應放出俘獲伽馬射線強度;Lt為熱中子的擴散長度。

因此探測器記錄的非彈伽馬計數(shù)與俘獲伽馬計數(shù)比值R為

(4)

式中,比值R只與i、i′、快中子減速長度Ls以及熱中子擴散長度Lt相關(guān)。其中i和i′與地層中物質(zhì)的原子核相關(guān),考慮到i和i′在R中是以比值(i/i′)形式存在的,兩者隨物質(zhì)原子核的變化在一定程度上相互抵消,其影響相對Ls和Lt造成的影響可以忽略,因此不考慮地層物質(zhì)原子核與中子作用產(chǎn)生非彈和俘獲伽馬射線強度的比值(i/i′)的影響。

顯然非彈俘獲計數(shù)比R主要受快中子減速長度Ls和熱中子擴散長度Lt的影響,其主要取決于地層孔隙度φ和含氣飽和度Sg。如圖1為砂巖地層(孔隙度為10%和30%)快中子減速長度和熱中子擴散長度隨地層含氣飽和度Sg的變化關(guān)系[18]。

圖1 減速長度、擴散長度與地層含氣飽和度關(guān)系Fig.1 Relationship between Ls and Lt with different gas saturation

從圖1中可以看出,當?shù)貙涌紫抖纫欢〞r,快中子減速長度和熱中子擴散長度均隨地層含氣飽和度的增加而增加,但快中子減速長度受含氣飽和度的影響變化幅度更大。由于地層中產(chǎn)生的非彈、俘獲伽馬射線分布與快中子減速長度和熱中子的擴散長度有關(guān),不同含氣飽和度Sg地層的非彈俘獲計數(shù)比R不同,故可利用同一探測器記錄的R值來確定地層含氣飽和度。

2 蒙特卡羅模擬及結(jié)果分析

為了研究非彈和俘獲伽馬計數(shù)比與地層含氣飽和度響應關(guān)系,利用蒙特卡羅方法模擬不同地層條件下的非彈和俘獲伽馬場分布。建立計算模型參數(shù)如下:井眼直徑為20 cm,井眼內(nèi)充滿淡水,地層半徑為10～70 cm,高為140 cm,地層為砂巖地層,地層孔隙度中分別填充不同的流體;儀器外徑為4.3 cm,儀器外殼厚0.4 cm,儀器貼井壁測量。儀器采用由1個D-T脈沖中子發(fā)生器和1個BGO探測器組成的測量系統(tǒng),脈沖寬度為40 μs,周期為1 000 μs,BGO探測器源距為65 cm,中子源和探測器之間放置厚度為5 cm的鎢鎳鐵屏蔽體。為了簡化模擬的過程,沒有考慮探測器的響應特性,計算模型如圖2所示。

模擬中子數(shù)目1×108,能量14 MeV;模擬時采用F4柵元計數(shù)方式,記錄伽馬時間譜時間范圍為0～1 000 μs,道寬20 μs,計數(shù)誤差小于5%。數(shù)據(jù)處理時,非彈伽馬和俘獲伽馬采用能窗范圍均為0～8.5 MeV,記錄非彈伽馬時間窗為0～40 μs,俘獲伽馬時間窗為200～600 μs。利用蒙特卡羅模擬得到同一源距處的非彈伽馬和俘獲伽馬計數(shù),研究利用非彈俘獲計數(shù)比的方法來定量評價氣層。

2.1 非彈、俘獲伽馬計數(shù)隨含氣飽和度的變化規(guī)律

利用圖2所示模型,井眼內(nèi)充滿淡水,地層孔隙含氣(主要成分為CH4,密度為0.2 g/cm3),地層含氣飽和度為0、30%、50%、70%、100%時,改變地層孔隙度為0到40%,間隔為5%,模擬得到不同地層孔隙度條件下,探測器的非彈、俘獲伽馬計數(shù)(NI和NC)與地層含氣飽和度的關(guān)系,如圖3所示。

圖3 不同孔隙度地層伽馬計數(shù)與含氣飽和度關(guān)系Fig.3 Relationship between gamma counts and gas saturation with different porosity

由圖3可知,探測器記錄的非彈、俘獲伽馬計數(shù)與地層含氣飽和度存在函數(shù)關(guān)系。當?shù)貙涌紫抖纫欢〞r,隨著含氣飽和度的增加,地層密度下降、含氫指數(shù)減小,非彈伽馬計數(shù)和俘獲伽馬計數(shù)均增加;當?shù)貙涌紫抖雀淖儠r,含氣飽和度小于某一確定值(約35%)時,非彈伽馬計數(shù)隨著地層孔隙度的增大而減小,而當?shù)貙雍瑲怙柡投却笥诖舜_定值時規(guī)律相反。當?shù)貙涌紫抖茸兓瘯r,俘獲伽馬計數(shù)隨著地層孔隙度的增加而減小。

利用探測器記錄到的非彈伽馬計數(shù)和俘獲伽馬計數(shù),計算井眼流體為水,地層含氣飽和度為0、30%、50%、70%、100%,地層孔隙度由0變化為40%時,不同地層條件下的非彈俘獲計數(shù)比R隨地層含氣飽和度的關(guān)系如圖4所示。

圖4 非彈俘獲計數(shù)比和地層含氣飽和度的響應關(guān)系Fig.4 Relationship of R and porosity with different formation gas saturation

由圖4可知,非彈和俘獲伽馬計數(shù)比R的變化能夠反映地層含氣飽和度的大小。當?shù)貙涌紫抖纫欢〞r,非彈和俘獲伽馬計數(shù)均隨著地層含氣飽和度的增大而增大,計算得到的非彈俘獲計數(shù)比R隨著地層含氣飽和度的增加呈線性減小,地層孔隙度越大,不同含氣飽和度引起的R的差異越大。當?shù)貙雍瑲怙柡投纫欢〞r,R隨著地層孔隙度的增大而增大,且地層含氣飽和度越小,R的變化越劇烈。

根據(jù)圖4中不同孔隙度條件下的非彈俘獲比R與地層含氣飽和度Sg的響應關(guān)系,建立地層含氣飽和度評價模型

Sg=(2 145-176.6φ+5.93φ2-0.066φ3)+

(-2 635+233.7φ-7.85φ2+0.088φ3)R.

(5)

由式(5)可得,地層含氣飽和度Sg是非彈俘獲計數(shù)比R和地層孔隙度φ的函數(shù),利用探測器探測到的R結(jié)合地層孔隙度參數(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)地層含氣飽和度評價。

2.2 影響因素分析及校正

由于實際測量中R受井眼和地層環(huán)境的影響。利用圖2所示模型,模擬得到不同影響因素對R的影響,為進行實際地層含氣飽和度解釋評價提供了依據(jù)。

2.2.1 地層水礦化度的影響

其他條件不變,改變地層孔隙度由0到40%,間隔為5%,地層完全含水,地層水礦化度Cw為0、1%、2%、5%、10%,計算得到地層流體不同時非彈俘獲計數(shù)比R隨孔隙度的變化規(guī)律,如圖5所示。

由圖5(a)可知,井眼流體相同,地層孔隙度一定時,R隨著地層水礦化度的增大而增大,這主要是因為地層水礦化度越高,地層對熱中子的俘獲能力越強,非彈俘獲計數(shù)比R越大。當?shù)貙铀V化度一定時,非彈俘獲計數(shù)比R隨著地層孔隙度的增大而增大,且地層水礦化度越大,非彈俘獲計數(shù)比R隨孔隙度的變化越劇烈,差異越明顯。因此高地層水礦化度有利于地層含氣飽和度評價。

圖5 非彈俘獲計數(shù)比和地層水礦化度的響應關(guān)系及校正圖版Fig.5 Relationship of R and porosity under different formation water salinity and its correction chart of water salinity

盡管地層水礦化度越高越有利于地層含氣評價，但礦化度變化會影響地層含氣飽和度計算的準確性,由于高地層水礦化度條件下計算得到的R偏大,從而導致利用公式計算得到的地層含氣飽和度較真實值偏小。因此在實際利用R確定地層含氣飽和度時還需要結(jié)合電阻率曲線計算儲層的地層水礦化度,并根據(jù)如圖5(b)所示的地層水礦化度校正圖版對其進行校正;同時,根據(jù)俘獲伽馬計數(shù)受地層水礦化度影響明顯的特點,還可以通過分析俘獲伽馬能譜和時間譜,優(yōu)化俘獲伽馬計數(shù)的能量范圍和時間窗提高非彈俘獲計數(shù)比R的準確性,從而降低地層水礦化度的影響。

2.2.2 井眼流體的影響

采用圖2所示模型,其他條件不變,地層分別飽含氣和純水時,改變地層孔隙度由0改變到40%,間隔為5%,模擬井眼流體為淡水、油和礦化度為2%鹽水時的測井響應規(guī)律,計算得到不同井眼和地層條件下非彈俘獲計數(shù)比R隨孔隙度的變化規(guī)律,如圖6所示。

由圖6可得,井眼流體的變化對非彈俘獲比R的影響較小,不同井眼流體條件下計算得到的非彈俘獲計數(shù)比R差異較小。井眼流體一定時,R隨著地層孔隙度的增大而增大,且井眼流體為水和油條件下計算得到的R基本相同,對地層含氣評價幾乎沒有影響。當井眼流體為礦化度2%鹽水時,由于氯對熱中子的俘獲能力強,相同孔隙度條件下,井眼中鹽水的礦化度會影響R的測量結(jié)果,探測器記錄的俘獲伽馬計數(shù)隨著井眼流體礦化度的增大而減小,導致R增大。

圖6 不同井眼流體條件下的非彈俘獲計數(shù)比Fig.6 Rationship of R and porosity with different borehole fluid

2.2.3 巖性的影響

采用圖2所示模型,其他條件不變,地層孔隙度由0改變到40%,間隔為5%,分別模擬地層巖性為砂巖和石灰?guī)r時,地層飽含淡水和氣條件下的測井響應規(guī)律,計算得到兩種巖性條件下非彈俘獲計數(shù)比R隨孔隙度的變化規(guī)律,如圖7所示。

由圖7可以看出,巖性對R計算的絕對值存在影響。在不同巖性地層R均隨地層孔隙度的增大而增大，但地層孔隙度增大,巖石骨架不同引起R的差異減小;且在同一地層孔隙度條件下,石灰?guī)r地層對熱中子的俘獲能力強,使得其俘獲伽馬計數(shù)比砂巖低,R更大。由于不同巖性計算得到的R隨孔隙度的變化幅度相同,但是R的絕對值不同,因此在利用R確定地層含氣飽和度時,需要對巖性進行校正。

圖7 不同巖性條件下的非彈俘獲計數(shù)比Fig.7 Relationship of R with different lithology

2.2.4 井眼尺寸的影響

其他條件不變,改變井徑為14、20、24.1 cm,地層孔隙中分別飽含淡水和氣,地層孔隙度由0改變到40%,間隔為5%,模擬得到3種井徑條件下的非彈俘獲比,如圖8所示。

由圖8(a)可知,非彈俘獲計數(shù)比R受井徑變化的影響。當?shù)貙涌紫抖纫欢〞r,R隨著井徑的增大而增大;當井徑一定時,R隨著孔隙度的增大而增大。通過對比發(fā)現(xiàn),在地層流體相同時,井徑的變化僅僅影響R絕對值的大小,不影響R隨孔隙度變化曲線的斜率,即不同井徑條件下,R隨孔隙度變化的相對變化量相同。由于井徑變化會影響R,因此可以利用如圖8(b)所示校正圖版對井徑進行校正,從而提高含氣飽和度評價的準確性。

圖8 不同井眼尺寸的非彈俘獲計數(shù)比及校正圖版Fig.8 Relationship of R and porosity in different borehole size and its correction chart

2.2.5 鉆井液侵入的影響

地層為孔隙度25%的砂巖地層,地層含氣飽和度為80%時,利用圖2所建模型,從井壁開始沿著地層徑向依次用鉆井液驅(qū)替一定厚度地層中的氣體,使得驅(qū)替后的地層含水飽和度為100%,經(jīng)過若干次驅(qū)替,井眼周圍地層變?yōu)轱柡纳皫r地層。通過模擬得到每次驅(qū)替后探測器的非彈、俘獲伽馬計數(shù),計算得到非彈俘獲計數(shù)比R隨鉆井液侵入深度的變化關(guān)系,如圖9所示。

由圖9可以看出,儀器探測深度約為35 cm。當鉆井液侵入較淺(小于35 cm)時,R隨著侵入深度的增大而增大,這主要是因為鉆井液侵入地層時,相比于含氣地層條件下,俘獲伽馬計數(shù)衰減劇烈,從而使得此時計算得到的R比真實值大;當鉆井液侵入深度大于探測深度(大于35 cm)時,隨著侵入的增加R基本不變,此時無法利用非彈俘獲計數(shù)比確定地層含氣飽和度。

圖9 不同鉆井液侵入深度的非彈俘獲計數(shù)比Fig.9 Relationship of R with different drilling fluid invasion depth

3 應用實例

利用元素能譜測井儀器在套管井中實際測量得到的非彈性散射伽馬計數(shù)和俘獲伽馬計數(shù),計算實測資料的非彈俘獲計數(shù)比R,結(jié)合模擬研究得到的含氣飽和度響應模型對實測數(shù)據(jù)進行含氣飽和度評價。新疆某井中5 300～5 360 m井段利用元素能譜測井資料對地層進行含氣性評價,實測解釋如圖10所示。

圖10 XX井測井解釋Fig.10 Logging interpretation of well XX

結(jié)合孔隙度曲線和巖性剖面可知,該井段主要為常規(guī)孔隙度砂巖層,夾雜部分泥巖層(泥巖層默認不含氣,含氣飽和度判定為0),井眼流體為淡水,因此不需要進行巖性和井眼流體校正;根據(jù)井徑和電法測井曲線得到對應的井眼尺寸和地層水礦化度,利用相應的校正圖版對非彈俘獲計數(shù)比進行了井眼環(huán)境校正,得到標準地層情況下的非彈俘獲計數(shù)比R;并利用圖4得到含氣飽和度計算模型,得到了該井段的含氣飽和度。圖10中第5道為探測器測量得到的非彈伽馬計數(shù)(粉色曲線)和俘獲伽馬計數(shù)(黑色曲線),第6道為非彈俘獲計數(shù)比R。

由圖10中可知,當深度為5 320～5 327 m時,聲波時差曲線出現(xiàn)周波跳躍,補償密度曲線指示地層密度值降低,此時利用圖中第5道中的非彈伽馬計數(shù)和俘獲伽馬計數(shù)計算得到非彈俘獲計數(shù)比R,此時R顯示低值,綜合含氣飽和度響應模型求取含氣飽和度，結(jié)果顯示該層為高含氣地層;當深度為5 327.5～5 329 m時,地層伽馬值為高伽馬,巖性顯示該層為泥巖層，非彈俘獲計數(shù)比相對于含氣儲層高很多，主要由于泥巖層含氫指數(shù)高，非彈和俘獲伽馬計數(shù)都降低，但俘獲伽馬計數(shù)降低更劇烈。

可見,通過結(jié)合實際測井資料,利用元素伽馬能譜測井技術(shù)測量得到的非彈俘獲比可以快速劃分含氣地層,當?shù)貙雍瑲鈺r,非彈俘獲計數(shù)比R顯示低值,且含氣飽和度越高,R越小;當?shù)貙訛槟鄮r層時,R顯示為明顯的高值。同時,結(jié)合孔隙度數(shù)據(jù),根據(jù)模擬得到的含氣飽和度響應模型能夠?qū)Φ貙雍瑲怙柡投榷糠治?實現(xiàn)地層含氣性評價。

4 結(jié) 論

(1)利用元素伽馬能譜測井數(shù)據(jù)信息識別氣層,根據(jù)伽馬時間譜得到非彈俘獲計數(shù)比R確定地層含氣飽和度,可以實現(xiàn)地層含氣性評價。

(2)當?shù)貙涌紫抖纫欢〞r,隨著含氣飽和度的增加,非彈和俘獲伽馬計數(shù)均增加,而R減小;當?shù)貙涌紫抖仍黾訒r,含氣飽和度小于35%時,非彈伽馬計數(shù)減少,大于該值時規(guī)律正好相反,而俘獲伽馬計數(shù)都減少,R都增加。

(3)井眼流體對非彈俘獲計數(shù)比R的影響較小,非彈俘獲計數(shù)比R主要受巖性、地層水礦化度、井眼尺寸、鉆井液侵入的影響。相同孔隙條件下,石灰?guī)r地層的非彈俘獲計數(shù)比R高于砂巖地層;當?shù)貙訔l件相同時,地層水礦化度越高、井徑越大、鉆井液侵入越小越有利于含氣飽和度的評價。由于地層環(huán)境因素會影響非彈俘獲計數(shù)比R的計算結(jié)果,因此在實際含氣評價中需要對相關(guān)參數(shù)進行校正。

(4)利用提出的含氣飽和度評價模型,對實測井數(shù)據(jù)進行地層含氣飽和度定量評價,解釋結(jié)果與其他評價方法吻合良好,驗證了元素伽馬能譜測井技術(shù)評價地層含氣飽和度的可行性。