致密砂巖儲層飽和度測井現(xiàn)場對比試驗

李原杰,廖發(fā)明,柳先遠,呂波,陳嘯博

(1.中國石油塔里木油田公司迪那油氣開發(fā)部,新疆庫爾勒841000;2.中國石油塔里木油田公司勘探開發(fā)研究院,新疆庫爾勒841000)

0 引 言

近年來,塔里木盆地相繼發(fā)現(xiàn)了迪那、迪北、博孜、大北、克深等氣田,這類氣田都具有埋藏深、壓力高、孔隙度低、含邊底水等特點。據(jù)統(tǒng)計,以上氣田的儲層基質(zhì)孔隙度為3%～10%,屬于典型的致密砂巖氣田[1-4]。

常規(guī)套后飽和度測井,如中子壽命、碳氧比測井等,對儲層物性要求較高,通常要求孔隙度大于10%,甚至大于15%時才能獲得相對準確的解釋結(jié)果。目前,現(xiàn)場開展的低孔隙度儲層飽和度測井試驗,其儲層孔隙度基本都高于10%[5-9],而對于類似塔里木盆地這種致密砂巖儲層飽和度測井卻鮮有報道。自氣田投入開發(fā)以來,由于長期缺乏有效的實測資料,對剩余氣分布規(guī)律、氣水界面變化情況認識不清,制約了氣田合理開發(fā)和優(yōu)化調(diào)整。針對此問題,在迪那2氣田分別開展了熱中子成像測井系統(tǒng)(Thermal Nutron Imaging System,TNIS)、儲層性能監(jiān)測儀(Reservoir Performence Monitor,RPM)和儲層動態(tài)測井儀(Reservoir Dynamic Tool,RDT)這3種測井儀器的對比測井試驗,探索致密砂巖儲層飽和度監(jiān)測技術的適用性和可行性,旨在為同類型致密砂巖儲層飽和度測井提供借鑒。

1 氣田概況及存在的問題

迪那2氣田位于塔里木盆地庫車坳陷秋里塔格構(gòu)造帶,為受背斜控制的異常高壓塊狀底水凝析氣田。該氣田目的層為古近系蘇維依組和庫姆格列木群,以粉砂巖、細砂巖為主,其次為含礫砂巖、砂礫巖,儲層裂縫發(fā)育,非均質(zhì)性強,基質(zhì)孔隙度6%～10%,滲透率(0.01～1.00)×10-3μm2,地層水礦化度160 000 mg/L,水型為氯化鈣型,為典型的裂縫型致密砂巖儲層。

迪那2氣田于2009年投產(chǎn),2016年部分井開始出現(xiàn)見水跡像,目前氣田邊部已出現(xiàn)多口見水井,如何評價儲層氣體動用程度、分析儲層水淹狀況成為當下氣田開發(fā)的首要任務。由于致密砂巖儲層尚無飽和度測井先例,為客觀評價不同測井儀器的優(yōu)缺點,同時開展了TNIS、RPM 和RDT飽和度測井,以優(yōu)選適用于氣田地質(zhì)特征的測井儀器,為氣田后期開發(fā)調(diào)整和綜合治理提供依據(jù)。

2 測井儀器對比

2.1 測井原理

2.1.1TNIS

TNIS利用可控的脈沖中子管向地層發(fā)射14 MeV的高能快中子,高能快中子經(jīng)過一系列的非彈性碰撞和彈性碰撞后,當其能量與組成地層的原子處于熱平衡狀態(tài)時,中子不再減速,此時中子稱為熱中子,它的能量約為0.025 eV,與地層原子發(fā)生的反應主要是熱中子俘獲。利用該儀器的2個3He探測器探測沒有被地層俘獲的熱中子,記錄從高能快中子束發(fā)射開始15～2 700 μs時間內(nèi)的熱中子俘獲和計數(shù)率衰減狀況,以15 μs作為1個時間道,每個探測器均將其時間譜記錄分成180個時間道,根據(jù)各道記錄的熱中子計數(shù)率生成熱中子俘獲譜和熱中子衰減譜,以成像方式顯示,可快速、直觀地分辨近井地帶的油氣水分布,計算含水飽和度[6-9]。

2.1.2RPM

RPM通過脈沖中子發(fā)生器發(fā)射的14 MeV高能快中子進入地層后,與地層中的原子發(fā)生熱中子俘獲、非彈性碰撞和彈性碰撞3種核反應,儀器上的3個NaI探測晶體記錄核反應產(chǎn)生的伽馬射線,采集熱中子俘獲計數(shù)率與時間衰減譜或元素能量譜,從而探測地層信息。與3種核反應相對應的代表性測量項目分別是熱中子俘獲譜、碳氧比能譜和氣體探測。中子在傳播過程中能量衰減越少則傳播距離越遠,儀器通過短源距和超長源距伽馬射線計數(shù)率差別預測含氫指數(shù),而儲層中氣體和液體的含氫指數(shù)有明顯差別,可以利用這個原理預測地層的氣體飽和度[10-11]。

2.1.3RDT

RDT是新一代脈沖中子全譜成像測井儀器,它利用高通量脈沖中子發(fā)生器向地層發(fā)射14 MeV高能快中子,高能快中子進入地層后發(fā)生非彈性碰撞、彈性碰撞和熱中子俘獲。儀器通過3個高精度探測器(即短、長LaBr3探測器和超長NaI探測器)分別記錄非彈性碰撞伽馬和俘獲伽馬時間譜及元素能量譜,分析地層中的各種元素及其含量,計錄碳氧比、熱中子俘獲截面、快中子截面(FNXS)等參數(shù),劃分儲集層、識別巖性特征、計算孔隙度和流體飽和度等參數(shù)?？熘凶咏孛媸荝DT區(qū)別其它測井儀器的一個最主要參數(shù),它是地層巖石固有的物理屬性,表征地層原子與快中子發(fā)生碰撞的幾率,與單位體積下地層原子數(shù)量有關。FNXS對氣的響應非常敏感且受巖性、泥質(zhì)影響小,是識別致密層中含氣層的有利手段[12-13]。

2.2 解釋方法

TNIS測井選擇經(jīng)典的巖石物理體積模型進行飽和度定量計算,利用泥質(zhì)含量、孔隙度等參數(shù),采用地層熱中子宏觀俘獲截面曲線計算含水飽和度,從而得到含氣飽和度。

Σ=(1-φ-Vsh)Σma+VshΣsh+φSwΣw+

φ(1-Sw)Σh

(1)

(2)

Sg=1-Sw

(3)

式中,Σ為地層熱中子宏觀俘獲截面,c.u.(1)非法定計量單位,1 c.u.=10-3 cm-1,下同;Σma為巖石骨架熱中子宏觀俘獲截面,c.u.;Σw為地層水熱中子宏觀俘獲截面,c.u.;Σh為油氣熱中子宏觀俘獲截面,c.u.;Σsh為泥質(zhì)的熱中子宏觀俘獲截面,c.u.;Vsh為泥質(zhì)含量,%;φ為地層孔隙度,%;Sw為地層含水飽和度,%;Sg為地層含氣飽和度,%。

RPM在數(shù)據(jù)處理時引入蒙特卡羅模型,利用超級計算機群模擬每個高能快中子進入地層后發(fā)生核反應的伽馬射線計數(shù)率,得到儀器理論響應值圖版。由于每個高能快中子進入地層后的核反應是隨機的,為了達到統(tǒng)計精度,每個模型點的統(tǒng)計都會進行超過5 000萬次的模擬,從而得到理論水線和氣線。實際應用時,根據(jù)實測曲線與氣線、水線的相對比例計算得到含氣飽和度。

RDT利用FNXS對氣體的敏感性特征,識別儲層含氣性,定性劃分氣層、差氣層和干層,采用體積模型定量計算含水、氣飽和度。FNXS采用式(4)進行計算,對于純砂巖儲層FNXS值為6.84 m-1,實測值小于該值為含氣顯示。

GRAT=(CT-0.3×CG)/CN

FNXS=A-ln (GRAT×100)×B

(4)

式中,GRAT為與計數(shù)率有關的比值;CT為超長源距非彈性碰撞計數(shù)率,cps;CG為超長源距俘獲伽馬計數(shù)率,cps;CN為短源距非彈性碰撞計數(shù)率,cps;A、B是與儲層巖石、流體性質(zhì)及油套管尺寸相關的經(jīng)驗系數(shù),m-1。

利用蒙特卡羅方法模擬純砂巖儲層0%～100%含氣條件下的GRAT值及其對應的FNXS值,通過式(4)得到A值范圍為6.5～7.0 m-1,B值范圍為0.3～0.5 m-1,A、B隨測試井井筒條件不同而略有變化。對于特定的測試井,選取儲層中典型的泥巖和含氣層,給定初始A=6.5 m-1、B=0.3 m-1計算FNXS,調(diào)整A、B使其FNXS值落在純水線(又稱骨架線)和純氣線上,得到測試井的A、B值,進而求得測試井儲層段的FNXS值。

3 應用實例

3.1 迪那2-X井簡況

迪那2-X井2019年投產(chǎn),層位為古近系蘇維依組,井筒內(nèi)管柱為全通徑,儀器可下至目的層。該井測井段為4 732.5～4 855.0 m,裸眼測井解釋氣層共10層25.5 m,孔隙度7.9%～11.7%,厚度加權(quán)平均9.8%;差氣層共7層16.0 m,孔隙度6.2%～8.4%,厚度加權(quán)平均6.8%;整體平均孔隙度為8.8%,為典型的致密砂巖儲層。

3.2 效果評價

3.2.1質(zhì)量評價

3種測井儀器同時在迪那2-X井開展試驗,儀器熱中子俘獲截面重復性對比見圖1。主測值與復測值曲線表明,3種儀器曲線重復性良好,統(tǒng)計誤差在允許范圍之內(nèi),資料品質(zhì)優(yōu)。整體而言,3種儀器性能穩(wěn)定、反應靈敏,資料質(zhì)量可信度高,滿足解釋要求。

圖1 儀器熱中子俘獲截面重復性對比

3.2.2資料分析

TNIS測井成果見圖2。TNIS在氣層的響應特征為:長短源距熱中子計數(shù)率出現(xiàn)較大正差異,且數(shù)值整體較高;熱中子衰減譜兩峰出現(xiàn)差異,后峰明顯后曳;熱中子俘獲譜邊緣幅度較高,顯示較高的中子壽命;環(huán)周成像顏色呈淺黃色,熱中子俘獲截面值顯示為低值?；谝陨吓袛?第5道長短源距熱中子計數(shù)率疊合顯示氣層、差氣層都有明顯包絡,但區(qū)分不明顯,而干層也存在包絡現(xiàn)象,如第2～5、21、23小層。第6～9道分別為熱中子俘獲譜、熱中子衰減成像、熱中子俘獲成像和環(huán)周成像,氣層、差氣層均有響應,表現(xiàn)為熱中子俘獲成像幅度較高、顏色較淺、熱中子俘獲截面呈低值,但同時存在某些差氣層響應反而較氣層更明顯的情況,如第19、22、24、25小層;某些干層也表現(xiàn)為氣層響應,如第18、21、23小層。整體而言,TNIS在識別儲層上無明顯優(yōu)勢,無法有效識別氣層和干層。

圖2 迪那2-X井TNIS測井成果圖

RPM測井成果見圖3。由于該井射孔底界井筒有積液,為驗證不同井筒校正模式對測井結(jié)果的影響,先以井筒為氣的校正模式測井,然后在積液面上下30 m內(nèi)進行井筒為液的校正模式測井,結(jié)果顯示2次測井參數(shù)重合性好,表明不同的井筒校正模式對測井結(jié)果沒有影響。第8道超長、短源距熱中子計數(shù)率疊合顯示,在氣層、差氣層有明顯的包絡顯示,對應熱中子俘獲截面呈低值,在干層基本沒有包絡,熱中子俘獲截面呈高值,但在個別干層、差氣層識別上存在偏差,如第21、23干層和第22差氣層。整體而言,RPM能有效識別出儲層,效果優(yōu)于TNIS測井。解釋結(jié)果表明,目前該井縱向上不同深度儲層飽和度均有衰減,呈均衡動用,未出現(xiàn)局部儲層飽和度大幅降低或未動用現(xiàn)象,與該區(qū)塊縱向連通性好且相吻合(壓力測試資料顯示不同層系為統(tǒng)一壓力系統(tǒng))。

圖3 迪那2-X井RPM測井成果圖*非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

RDT測井成果見圖4。該井RDT采用全組合模式進行測井,錄取了非彈性碰撞、熱中子俘獲、碳氧比、儲層孔隙度等全譜參數(shù)。通過將多種實測曲線相互疊合,探索各參數(shù)在氣層、差氣層和干層上的響應。第3道是TRAT(長短源距熱中子俘獲計數(shù)率比)與CIRD(超長源距非彈性碰撞計數(shù)率/超長源距熱中子俘獲計數(shù)率)的疊合,第4道是AC(聲波時差)與SATG(長源距非彈性碰撞計數(shù)率/長源距熱中子俘獲計數(shù)率)的疊合,利用曲線包絡面積識別出氣層和干層,但氣層和差氣層區(qū)分不明顯,如第10、19、24小層。第5道是3個不同源距熱中子俘獲計數(shù)率疊合,對氣層、差氣層和干層的識別效果不佳,如第6～17小層。第6道是該井快中子截面與純砂巖快中子截面的疊合,其綠色填充面積識別出了氣層、差氣層和干層,效果優(yōu)于第7道熱中子俘獲截面對儲層含氣性的識別能力。第7道熱中子俘獲截面與地區(qū)熱中子俘獲截面(經(jīng)驗值)疊合,將部分干層識別為儲層,如第1、21、23小層。與裸眼測井結(jié)果對比,RDT測井儲層飽和度也顯示了不同程度的衰減,其幅度與RPM測井的衰減幅度略有差別,主要原因是2種測井儀器精度、誤差不同所致,但儲層動用和衰減趨勢與實際認識相符。

圖4 迪那2-X井RDT測井成果圖(飽和度)

在遺漏層識別方面,第18小層裸眼解釋為干層,該次RDT測井解釋本小層孔隙度為5%,熱中子俘獲截面較其它干層(如第1～5小層)明顯偏低,長短源距熱中子俘獲計數(shù)率曲線均有包絡顯示,且快中子截面(FNXS)值為6.78 m-1,低于純砂巖快中子截面值,表明該小層含氣,因此,綜合解釋為差氣層。

4 結(jié) 論

(1)TNIS探測未被地層俘獲的熱中子,以成像方式顯示熱中子衰減譜和熱中子俘獲譜,具有快速、直觀的特點;RPM利用氣體探測測量伽馬射線在空間域上的衰減,具有測量速度快、趟數(shù)少的特點;RDT探測非彈性碰撞伽馬和俘獲伽馬時間譜及元素能量譜,一次下井可以測量多種參數(shù),具有識別效果好、精度高的特點。

(2)3種儀器對比測井表明,RDT測井效果最佳,其特有的快中子截面參數(shù)能有效識別氣層、差氣層和干層;RPM測井效果次之,其氣體探測對儲層含氣性有較好的敏感性;而TNIS測井獲得的熱中子俘獲截面和長短源距熱中子計數(shù)率比與RDT、RPM相同參數(shù)相比無明顯優(yōu)勢,其熱中子衰減成像技術無法有效識別氣層和干層。

(3)迪那2-X井飽和度測井的成功應用,實現(xiàn)了致密砂巖儲層飽和度測井探索,驗證了不同測井儀器的可行性和適用性,為塔里木及其它油田同類型儲層飽和度監(jiān)測提供了借鑒。由于現(xiàn)場試驗選取的測井段無水淹層,3種測井儀器對水淹層的識別效果還需進一步驗證。