脈沖中子氯能譜測井的蒙特卡羅模擬研究

胡松,徐英華,袁超,許靜

(1.中國石化石油勘探開發(fā)研究院,北京100083;2.中國石油集團測井有限公司大慶分公司,黑龍江大慶163000；3.中國石油勘探開發(fā)研究院,北京100083;4.中國石油大港油田分公司勘探開發(fā)研究院,天津300270)

0 引 言

隨著油田開發(fā)程度不斷深入,水驅采油使油層含水率不斷升高,一些油田已經處于高含水的開發(fā)中后期[1-4]。儲層剩余油檢測是油田開發(fā)決策的基礎[5],目前油田生產中評價含油飽和度主要采用碳氧比能譜測井和中子壽命測井[6-9]。氯能譜測井是除碳氧比能譜測井和中子壽命測井外評價地層含油飽和度的有效方法,特別是在高礦化度地層應用效果明顯。該技術是利用俘獲伽馬能譜中提取的氯能譜段計數和熱中子計數的比值確定地層的含油飽和度[11-13]。

傳統(tǒng)的氯能譜測井是采用化學中子源,對工作人員和環(huán)境都存在潛在危害[14-16]。除此之外,采用的镅鈹化學中子源具有連續(xù)發(fā)射的特性,無法區(qū)分中子與井眼周圍物質作用產生的非彈性散射與俘獲伽馬射線,氯元素的特征俘獲伽馬射線受其他元素的特征伽馬射線影響較大。脈沖中子源發(fā)射中子具有可控性,安全環(huán)保,并且中子能量和產額高于化學中子源[18]。依據脈沖中子源的時間特性,采用劃分時間窗的方法,分別獲取非彈性散射與俘獲伽馬能譜,獲取的俘獲氯能譜計數受干擾更少。

本文利用蒙特卡羅數值模擬方法建立儀器-井眼-地層計算模型,開展脈沖中子氯能譜測井響應研究,并研究不同井眼和地層影響因素對測井響應的影響,驗證采用脈沖中子源的氯能譜測井可行性。

1 氯能譜確定地層含油飽和度原理

地層含油飽和度So和氯能譜計數ICl、熱中子計數In關系為[18-19]

(1)

(2)

由式(1)和式(2)可以得到

(3)

式中,PCl-為孔隙內平均Cl-含量;Pw為分析化驗取得的地層水Cl-含量;C為經驗系數。

當地層孔隙度已知時,含油飽和度So、氯能譜計數ICl和熱中子計數In關系為

(4)

式中,a、b為常數。

圖1 Cl、Si、Ca、Fe元素主要特征伽馬射線

從俘獲伽馬能譜中獲取氯能譜計數需要選擇合適的能量窗,能量窗選擇標準是在保證伽馬射線計數統(tǒng)計性前提下受其他元素的特征俘獲伽馬射線的影響盡量小。中子與氯元素發(fā)生俘獲反應有多個能量的特征伽馬射線,部分能量的特征伽馬射線與地層中常見元素的特征俘獲伽馬射線能量相近,如氯元素的能量為1.16 MeV的特征俘獲射線強度最大,但與硅元素的1.27 MeV的特征俘獲伽馬射線能量相近受其影響較大。

除此之外,儀器及套管中鐵元素的俘獲伽馬射線主要集中于高能部分綜合考慮,選取氯能譜計數的能量窗為5.7～7.0 MeV(見圖1),在該能量窗內包含氯元素強度較大的5.72、6.11 MeV和6.62 MeV的3個能量的俘獲特征伽馬射線,但是鈣元素6.42 MeV的特征俘獲伽馬射線在氯元素的6.11 MeV和6.62 MeV的特征俘獲伽馬射線之間,若地層中含有較多鈣元素(如灰?guī)r和云巖地層)需要做校正。

2 蒙特卡羅模擬及結果分析

2.1 蒙特卡羅模型建立

利用蒙特卡羅方法[20-21]建立套管井條件下的計算模型(見圖2)。熱中子探測器為3He中子探測器,伽馬探測器為NaI探測器,屏蔽體為鎢。井眼部分由井眼流體、套管、水泥環(huán)等組成,水泥環(huán)厚度為3 cm,套管壁厚為1.5 cm,地層模型厚度140 cm。

測井儀器采用D-T脈沖中子源,脈沖寬度是40 μs。中子探測器主要用于氯元素特征伽馬射線的歸一化,伽馬探測器用于測量氯元素特征射線,綜合考慮井眼影響、探測深度等因素,中子探測器的源距優(yōu)化為27.5 cm,伽馬探測器的源距為60 cm。

在模擬過程中,通過設定權窗預先規(guī)劃粒子在地層中的輸送路徑,減小模擬統(tǒng)計誤差,提高模擬計算精度。模擬計算50～100 μs時間窗內的俘獲伽馬能譜以及熱中子計數。實測伽馬能譜受探測器響應的影響,但是本文作為方法研究,暫不考慮探測器響應。

圖2 蒙特卡羅計算模型

2.2 模擬結果及分析

利用蒙特卡羅數值模擬方法建立儀器-井眼-地層計算模型,模擬研究采用脈沖中子源的氯能譜測井響應及不同井眼和地層因素的影響。

2.2.1測井響應

利用如圖2所示的計算模型,井眼直徑20 cm,井眼內充滿礦化度為100 000 mg/L的氯化鈉型礦化水;地層孔隙度為30%,孔隙中水為礦化度為100 000 mg/L的氯化鈉型礦化水,改變含油飽和度為0、20%、40%、60%、80%和100%,模擬石英砂巖和石灰?guī)r地層中俘獲伽馬能譜和熱中子計數,得到氯能譜和熱中子計數比值與含油飽和度的關系(見圖3)。

圖3 石英砂巖和石灰?guī)r地層中ICl/In隨含油飽和度變化曲線

由圖3可見,在石英砂巖和石灰?guī)r地層中隨著含油飽和度的增加氯能譜與熱中子計數比值都呈線性減小趨勢。含油飽和度一定條件下,石英砂巖地層中氯能譜與熱中子計數比值要比石灰?guī)r地層的大。這是由于石英砂巖地層對中子的減速能力要比石灰?guī)r的弱,石英砂巖地層中到達探測器的熱中子數量要比石灰?guī)r的多,產生的俘獲伽馬射線也多。

2.2.2孔隙度影響

采用同樣的計算模型,井眼直徑為20 cm,井眼內充滿淡水,地層巖性為石英砂巖,泥質含量為0,孔隙中水為礦化度為100 000 mg/L的氯化鈉型礦化水,模擬不同含油飽和度條件下石英砂巖地層中氯能譜和熱中子計數比值與孔隙度關系曲線(見圖4)。

圖4 不同含油飽和度石英砂巖地層中ICl/In隨孔隙度變化曲線

由圖4可見,當地層孔隙飽含礦化水時,氯能譜和熱中子計數比值隨著孔隙度的增加呈增加趨勢;當地層孔隙飽含油時,隨著孔隙度增加氯能譜和熱中子計數比值基本上不發(fā)生變化。地層孔隙度一定時,含油飽和度越低,氯能譜和熱中子計數比值越大?？紫抖仍酱?油水層的ICl/In差值越大,孔隙度為10%時,油水層的ICl/In差值約為0.011;孔隙度為20%時,油水層的ICl/In差值約為0.024?？紫抖仍酱?不同含油飽和度地層中氯能譜和熱中子計數比值的差值越大,越有利于流體的識別。

2.2.3巖性影響

井眼直徑為20 cm,井眼內充滿淡水;地層巖性為石英砂巖或石灰?guī)r,地層泥質含量為0,孔隙飽含礦化度為100 000 mg/L的氯化鈉型礦化水或油,得到不同地層巖性條件下氯能譜和熱中子計數比值與孔隙度的關系曲線(見圖5)。

圖5 不同巖性地層中ICl/In隨孔隙度變化曲線

由圖5可見,地層孔隙度和地層流體一定時,石英砂巖地層中氯能譜和熱中子計數比值要比石灰?guī)r地層的大;石英砂巖和石灰?guī)r地層中氯能譜和熱中子計數比值隨孔隙度變化曲線有一定重疊,在該區(qū)域確定含油飽和度時受巖性的影響較大,測井處理解釋時需要對巖性做必要的校正。

2.2.4泥質含量的影響

井眼直徑為20 cm,井眼內充滿淡水;地層由巖石骨架、泥質和孔隙流體3部分組成;泥質由高嶺石、伊利石、蒙脫石、綠泥石、石英細砂組成,各種礦物體積百分比都為20%;孔隙中飽含礦化度為100 000 mg/L的氯化鈉型礦化水或油。改變泥質含量為0、20%和40%,得到不同泥質含量條件下氯能譜和熱中子計數比值與孔隙度的關系曲線(見圖6)。

圖6 不同泥質含量石英砂巖地層中ICl/In隨孔隙度變化曲線

圖6可見,在地層流體一定時,地層泥質含量變化引起氯能譜和熱中子計數比值的變化很小,因此氯能譜測井評價含油飽和度受到泥質含量影響很小,當泥質含量較小時可忽略其影響。

2.2.5地層水礦化度影響

井眼直徑為20 cm,井眼內充滿淡水;地層巖性為石英砂巖,泥質含量為0,孔隙度為30%,孔隙中飽含礦化度為100 000 mg/L的氯化鈉型礦化水。改變地層水礦化度分別為0、10 000、20 000、30 000、40 000、50 000、60 000、70 000 mg/L和100 000 mg/L,得到不同地層水礦化度條件下氯能譜和熱中子計數比值與含油飽和度的關系曲線(見圖7)。

圖7 不同地層水礦化度砂巖地層中ICl/In隨含油飽和度變化曲線

定義計算含油飽和度的靈敏度為

(6)

式中,(ICl/In)So=0為含油飽和度為0時氯能譜和熱中子計數比值;(ICl/In)So=100%為含油飽和度為100%時氯能譜和熱中子計數比值。

不同地層水礦化度條件下含油飽和度計算靈敏度見表1。結合圖6和表1中數據,可以看出地層水礦化度較小于30 000 mg/L算含油飽和度的靈敏度很低,因此在低礦化水地層中不適宜利用氯能譜測井評價含油飽和度;當地層水的礦化度為30 000～40 000 mg/L時,測井響應就比較明顯,因此在利用氯能譜測井確定含油飽和度時盡量要求地層水礦化度在40 000 mg/L以上。

表1 不同地層水礦化度下測量含油飽和度的靈敏度

井眼直徑為20 cm,井眼內充滿淡水;地層巖性為石英砂巖,泥質含量為0,孔隙飽含礦化度為50 000、80 000或100 000 mg/L的氯化鈉型礦化水,得到不同地層水礦化度條件下氯能譜和熱中子計數比值與孔隙度的關系曲線(見圖8)。

圖8 不同地層水礦化度石英砂巖地層中ICl/In隨孔隙度變化曲線

由圖8可見,地層孔隙度一定時,地層水礦化度越高,不同地層水礦化度的地層中氯能譜和熱中子計數比值的差值越高,越有利于地層流體的識別。

2.2.6井眼尺寸影響

井眼內充滿淡水,地層巖性為石英砂巖,泥質含量為0,孔隙中飽含礦化度為100 000 mg/L的氯化鈉型礦化水或油,改變井眼直徑為20 cm和30.447 cm,得到不同井眼尺寸條件下氯能譜和熱中子計數比值和孔隙度的關系曲線(見圖9)。

圖9 不同井眼尺寸條件下ICl/In隨孔隙度變化曲線

由圖9可見,地層孔隙中飽含礦化水時,地層孔隙度一定時井眼尺寸越大,氯能譜和熱中子計數比值越小;地層孔隙飽含油時,隨著孔隙度的變化,氯能譜和熱中子計數比值基本不變;井眼尺寸越大,氯能譜和熱中子計數比值越小,且越不利于確定地層含油飽和度。

2.2.7井眼流體影響

井眼直徑為20 cm,地層巖性為石英砂巖,泥質含量為0,孔隙中飽含礦化度為100 000 mg/L的氯化鈉型礦化水或油,改變井眼流體為礦化度為100 000 mg/L的氯化鈉型礦化水或油,得到不同井眼流體條件下氯能譜和熱中子計數比值和孔隙度的關系曲線(見圖10)。

圖10 不同井眼流體的石英砂巖地層中ICl/In隨孔隙度變化曲線

由圖10可見,地層孔隙度一定時,不論是地層孔隙中飽含礦化水還是油,井眼為礦化水時氯能譜和熱中子計數比值要比井眼為油時的大,這是由于井眼為礦化水時,經過井眼流體達到探測器周圍的熱中子被大量俘獲,使氯能譜計數增大而熱中子計數減小。

3 結 論

(1)氯能譜測井是套管井中除碳氧比能譜測井和中子壽命測井確定含油飽和度的有效方法,傳統(tǒng)氯能譜測井采用化學中子源,對工作人員和環(huán)境都存在潛在危害,利用蒙特卡羅數值模擬方法驗證采用脈沖中子源進行氯能譜測井的可行性。

(2)氯能譜與熱中子計數比值隨著含油飽和度的增加呈線性減小;氯能譜和熱中子計數比值隨著孔隙度的增加呈雙曲線增加,孔隙度越大越有利于飽和度評價。

(3)地層巖性對測井響應影響很大,若地層巖性已知可以消除其影響;泥質含量的影響很小,泥質含量較小時可以忽略其影響;等效氯化鈉礦化度越高越有利于含油飽和度的確定,等效氯化鈉礦化度大于40 000 mg/L時效果明顯;井眼尺寸越大,越不利于含油飽和度的確定;當井眼中含有礦化水時會增大氯能譜與熱中子計數比值,在測井解釋時需要做必要的校正。