二氧化碳?xì)怛?qū)稠油層脈沖中子含氣量監(jiān)測(cè)方法

范繼林，張鋒, ，田立立，梁?jiǎn)④?，張笑瑒，方群偉，魯保平，李向輝

（1. 中國(guó)石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島 266580；2. 山東省深層油氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266580；3. 中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司技術(shù)中心，西安 710000；4. 河南省科學(xué)院同位素研究所有限責(zé)任公司，鄭州 450000）

0 引言

CO2是最常見的溫室氣體之一，世界各國(guó)都希望找到消除其對(duì)環(huán)境危害的解決方案[1-2]。集中工業(yè)排放CO2并將其注入到深部地層中進(jìn)行長(zhǎng)期儲(chǔ)存是一種有前景的解決溫室效應(yīng)的方法[3]。CO2驅(qū)提高采收率（CO2-EOR）技術(shù)滿足這一要求，同時(shí)間接實(shí)現(xiàn)了油層的二次開采，可增加油氣產(chǎn)量，提高經(jīng)濟(jì)效益。阿爾及利亞的In Salah項(xiàng)目在5年內(nèi)成功向裂縫性砂巖地層注入超過(guò)300′104t的CO2，證明了該方法的可行性和可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[4]。

目前，許多監(jiān)測(cè) CO2儲(chǔ)存狀態(tài)的方法已經(jīng)成功地應(yīng)用于世界各地[5]，如地震[6-8]、CT[9]、井溫測(cè)井[10-11]等。在CO2-EOR技術(shù)中，CO2飽和度是表征其分布和運(yùn)移的關(guān)鍵參數(shù)。脈沖中子測(cè)井技術(shù)作為核地球物理勘探中評(píng)價(jià)含氣飽和度的重要方法，在注 CO2油藏含氣飽和度評(píng)價(jià)中發(fā)揮著不可或缺的作用[12-17]。近幾年，斯倫貝謝設(shè)計(jì)了一支多功能脈沖中子測(cè)井儀，利用長(zhǎng)源距 YAP（鋁酸釔）晶體探測(cè)器結(jié)合脈沖中子產(chǎn)額監(jiān)測(cè)器探測(cè)實(shí)現(xiàn)快中子散射截面（σf）的測(cè)量，用于儲(chǔ)集層含氣飽和度的定量監(jiān)測(cè)[18]。但是直接利用非彈伽馬信息表征 14 MeV快中子散射截面一定程度上會(huì)受到地層巖性影響，導(dǎo)致含氣飽和度解釋結(jié)果存在誤差。

本文針對(duì) CO2、水和稠油對(duì)快中子減速能力的差異，基于快中子散射及次生伽馬分布理論，以三探測(cè)器脈沖中子測(cè)井技術(shù)為基準(zhǔn)，提出一種利用次生非彈和俘獲伽馬信息組合表征σf的方法，克服地層巖性對(duì)σf表征的影響。針對(duì)實(shí)際地層中存在泥質(zhì)的情況，給出相對(duì)應(yīng)的 CO2飽和度解釋模型，并闡述儲(chǔ)集層各種因素對(duì)σf關(guān)于地層孔隙度響應(yīng)的影響，建立更完善的注CO2稠油儲(chǔ)集層含氣飽和度定量評(píng)價(jià)方法。

1 理論與方法

稠油儲(chǔ)集層孔隙一般被高密度、高黏度的稠油充填，部分儲(chǔ)集層存在一定的孔隙水。CO2氣驅(qū)過(guò)程中，孔隙流體逐漸被CO2所驅(qū)替，形成稠油-氣雙相或稠油-氣-水三相流體。CO2的含氫指數(shù)為零，其密度、熱中子俘獲截面、快中子散射截面等參數(shù)與地層水、稠油相差較大。因此，注入地層的 CO2氣體會(huì)導(dǎo)致地層的熱中子俘獲截面和快中子散射截面發(fā)生極大變化。作為一種獨(dú)立于其他中子測(cè)量信息的參數(shù)[18]，快中子散射截面對(duì)定量監(jiān)測(cè)注 CO2稠油儲(chǔ)集層含氣飽和度有較好的效果。

1.1 地層介質(zhì)的快中子散射截面

根據(jù)ENDF/B-VII.0核數(shù)據(jù)庫(kù)獲取地層常見元素的微觀截面，再根據(jù)相關(guān)公式求取介質(zhì)的宏觀彈性散射截面[19]。圖 1展示了不同地層骨架礦物和孔隙流體的彈性散射截面與中子能量的關(guān)系?？梢钥闯?，氣體的彈性散射截面明顯小于地層骨架礦物和孔隙液相流體，CO2的這一特征尤其明顯。本文基于地層介質(zhì)彈性散射截面的差異，將彈性散射截面作為σf，用于定量評(píng)價(jià)CO2飽和度。

圖1 不同介質(zhì)的彈性散射截面與中子能量關(guān)系曲線

利用數(shù)值積分方法計(jì)算常見地層骨架礦物與孔隙流體的σf值，如表1所示。可以看出，氣體σf值相對(duì)較低，尤其是 CO2，地層骨架礦物σf值總體較大且略有差異，淡水和稠油的σf值更大且較為接近。因此，基于CO2的超低彈性散射截面的特性，將注CO2稠油儲(chǔ)集層油水氣三相流體視作氣液兩相流體。

表1 一定密度下不同介質(zhì)的σf值

1.2 利用非彈和俘獲伽馬信息組合表征快中子散射截面的方法

快中子進(jìn)入地層與地層原子核相互碰撞而慢化。在此過(guò)程中，次生非彈伽馬射線產(chǎn)生于快中子與地層元素作用的非彈性散射過(guò)程。圖2所示的球狀模型中，氘-氚中子源（D-T）位于圖示中心位置O點(diǎn)，向四周均勻發(fā)射能量為14 MeV的快中子，半徑為r的球面用于記錄來(lái)自地層的非彈伽馬射線。

圖2 無(wú)限大均勻球狀介質(zhì)模型

根據(jù)快中子散射理論[20]，發(fā)生非彈性散射的快中子通量分布如下式所示：

非彈伽馬射線的強(qiáng)度取決于地層元素的類型及其微觀非彈性散射截面。元素k在一次碰撞中產(chǎn)生的伽馬光子數(shù)為ik，對(duì)應(yīng)的微觀非彈性散射截面為σk，在半徑為r、厚度為dr的球殼中產(chǎn)生的伽馬射線數(shù)為：

整個(gè)球體模型中的非彈伽馬光子數(shù)等于 dI從r=0到r=+∞的積分?？紤]伽馬衰減的影響，假設(shè)地層各處的σf值相等，其質(zhì)量衰減系數(shù)（μm）和一個(gè)快中子與地層元素碰撞發(fā)生非彈性散射產(chǎn)生的平均伽馬光子數(shù)（i）為定值，忽略探測(cè)器外的伽馬光子貢獻(xiàn)，根據(jù)中子伽馬耦合場(chǎng)理論[21]，非彈性伽馬通量為：

利用拉格朗日中值定理，將（3）式簡(jiǎn)化為：

（4）式中，α為與源距有關(guān)的比例因子，對(duì)于給定儀器為定值。由（4）式可知，非彈性伽馬通量不僅與σf值有關(guān)，還與地層密度有關(guān)。因此，可以將σf視作非彈性伽馬計(jì)數(shù)和地層密度的函數(shù)?；诙嗵綔y(cè)器脈沖中子測(cè)井儀，用組合雙探測(cè)器非彈、俘獲伽馬計(jì)數(shù)比表征地層密度[22]：

（5）式中，A、B、C為常數(shù)，通過(guò)模擬或刻度井實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合獲得。

將（4）式和（5）式相結(jié)合，使用近、遠(yuǎn)探測(cè)器的非彈和俘獲伽馬計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)σf的定量表征：

（6）式表明地層σf可以通過(guò)雙源距探測(cè)器的非彈和俘獲伽馬信息組合表征得到，其中系數(shù)K、L、M、N可以通過(guò)模擬或刻度井實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合得出。

1.3 注CO2稠油儲(chǔ)集層含氣飽和度解釋模型

σf是儲(chǔ)集層的宏觀物理特性，遵循巖石體積物理模型。利用（6）式獲取儲(chǔ)集層σf值，針對(duì)孔隙中充填CO2和稠油的砂巖儲(chǔ)集層，宏觀σf滿足以下巖石體積物理模型：

則儲(chǔ)集層含氣飽和度解釋模型為：

純砂巖儲(chǔ)集層骨架為理想地層條件，實(shí)際地層骨架組分常含有一定比例的泥質(zhì)或其他固體礦物。以含泥質(zhì)的地層為研究對(duì)象，基于地層泥質(zhì)與砂巖骨架σf值的差異，根據(jù)巖石體積物理模型，當(dāng)?shù)貙哟嬖谀噘|(zhì)時(shí)，σf滿足下式：

由（9）式可知，泥質(zhì)的存在會(huì)引起巖石體積物理模型的改變。當(dāng)?shù)貙又写嬖谀噘|(zhì)時(shí)，需要結(jié)合測(cè)量點(diǎn)的泥質(zhì)含量及地層孔隙度來(lái)校正（7）式所示砂巖地層模型。因此，含泥質(zhì)儲(chǔ)集層含氣飽和度解釋模型為：

相比于（8）式所示純砂巖地層條件下的含氣飽和度計(jì)算公式，（10）式考慮了含泥質(zhì)的地層條件。當(dāng)?shù)貙雍衅渌腆w礦物時(shí)，同樣需要對(duì)含氣飽和度解釋模型進(jìn)行修正，以滿足實(shí)際地層骨架條件。

2 蒙特卡羅模擬

蒙特卡羅模擬（MCNP）屬于隨機(jī)抽樣或統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法，可用于中子、光子、電子及其耦合輸運(yùn)過(guò)程的模擬，在放射性測(cè)井模擬、儀器制造和響應(yīng)等方面得到了廣泛的應(yīng)用[23]。本文利用MCNP建立儀器地層模型，模擬計(jì)算快中子輸運(yùn)的所有過(guò)程，包括快中子慢化產(chǎn)生非彈伽馬、熱中子俘獲產(chǎn)生俘獲伽馬以及伽馬射線的衰減?；贛CNP模擬結(jié)果，分析σf的表征及含氣響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)注 CO2稠油儲(chǔ)集層含氣飽和度的定量監(jiān)測(cè)。

2.1 儀器地層模型建立

圖 3所示為本文所建立的數(shù)值計(jì)算模型。地層模型整體設(shè)置為高150 cm、直徑120 cm套管井地層條件，井眼直徑20 cm且充填淡水，地層骨架為砂巖、石灰?guī)r或白云巖。套管為0.7 cm厚的不銹鋼材料，套管與地層之間充填厚度為3 cm的CaSiO3材料水泥環(huán)。儲(chǔ)集層孔隙度從0變化到40%，間隔5%；CO2飽和度設(shè)置為0～100%，地層壓力設(shè)置為35，50，65 MPa，地層溫度設(shè)置為363.15，393.15，423.15 K。在地層壓力和溫度分別為35 MPa和363.15 K時(shí)，CO2氣體、淡水與稠油的密度分別為0.50，1.00，0.95 g/cm3。

圖3 儀器地層模型示意圖

采用三探測(cè)器脈沖中子測(cè)井儀進(jìn)行 CO2氣體飽和度監(jiān)測(cè)。設(shè)計(jì)中子脈沖發(fā)射的時(shí)間為40 μs，非彈和俘獲伽馬射線的測(cè)量時(shí)間分別為0～40 μs和50～1 000 μs。測(cè)井儀器的近、中、遠(yuǎn)3個(gè)探測(cè)器分別編號(hào)為1，2，3，同時(shí)記錄非彈和俘獲伽馬計(jì)數(shù)。源與探測(cè)器之間以及相鄰探測(cè)器之間加屏蔽。采用17-4PH鋼作為儀器外殼材料，厚度0.5 cm。源為D-T脈沖中子源，向地層均勻發(fā)射高能快中子（14 MeV）。探測(cè)器材料為L(zhǎng)aBr3晶體，3個(gè)探測(cè)器的源距分別為27.5，40.0，60.0 cm。3個(gè)探測(cè)器的晶體直徑為5 cm，長(zhǎng)度分別為5，10，10 cm。

2.2 快中子散射截面表征方法

通過(guò)對(duì)含稠油和 CO2的砂巖、石灰?guī)r和白云巖等不同巖性儲(chǔ)集層的研究分析，模擬得到了在不同地層巖性（砂巖、石灰?guī)r和白云巖）、孔隙度（0～30%，間隔 5%）、含油氣性（飽含稠油和飽含 CO2）條件下的三探測(cè)器非彈、俘獲伽馬計(jì)數(shù)。（5）式所示非彈、俘獲伽馬計(jì)數(shù)比組合的目的是消除地層密度的影響，因此綜合考慮計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)性與σf表征的準(zhǔn)確性，選用近、遠(yuǎn)探測(cè)器信息進(jìn)行σf的定量表征。利用（6）式，采用多元線性回歸方法，建立了非彈、俘獲伽馬信息向σf轉(zhuǎn)換的表征公式：

為了驗(yàn)證該公式的適用性，對(duì)其計(jì)算所得的σf值與地層模型設(shè)置的σf理論值進(jìn)行對(duì)比分析，σf計(jì)算值與理論值的誤差表達(dá)式為：

表2給出了不同孔隙度下飽含稠油與飽含CO2砂巖儲(chǔ)集層σf計(jì)算值與理論值誤差分析結(jié)果，表3給出了不同孔隙度下飽含 CO2砂巖、灰?guī)r以及白云巖儲(chǔ)集層σf計(jì)算值與理論值誤差分析結(jié)果，以驗(yàn)證在不同含油氣性、不同巖性條件下表征公式的準(zhǔn)確性?？梢钥闯觯?1）式能夠較為精準(zhǔn)地表征地層σf，計(jì)算得到的σf值與地層模型設(shè)置的σf理論值的誤差可控制在±2%以內(nèi)。因此，利用脈沖中子測(cè)井儀非彈、俘獲伽馬信息組合可以實(shí)現(xiàn)對(duì)注CO2氣驅(qū)稠油儲(chǔ)集層σf的定量表征。

表2 砂巖儲(chǔ)集層σf計(jì)算值與理論值誤差分析

表3 飽含CO2的3種巖性儲(chǔ)集層σf計(jì)算值與理論值誤差分析

實(shí)際稠油儲(chǔ)集層中，在地層泥質(zhì)含量、稠油密度、地層溫度和壓力以及氣體類型等因素的影響下，利用（11）式進(jìn)行儲(chǔ)集層σf的表征可能存在誤差。因此，在不同井眼-地層因素的影響下，應(yīng)首先對(duì)（11）式獲取的σf值進(jìn)行校正，保證σf值的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)利用σf評(píng)價(jià)稠油儲(chǔ)集層CO2氣驅(qū)效果的普適性。

2.3 快中子散射截面與CO2飽和度響應(yīng)

基于蒙特卡羅數(shù)值計(jì)算方法建立圖 3所示儀器地層模型，在孔隙含稠油和 CO2混合流體的砂巖儲(chǔ)集層條件下，設(shè)置地層孔隙度為 0～40%，間隔 5%，CO2飽和度分別為0，25%，50%，75%，100%。利用給出的儲(chǔ)集層σf表征公式，得到不同CO2飽和度條件下σf與地層孔隙度響應(yīng)關(guān)系，如圖 4所示。可以看出，儲(chǔ)集層 CO2飽和度對(duì)σf隨孔隙度的變化規(guī)律影響極大。在低CO2飽和度情況下，稠油為孔隙流體的主要成分，除地層骨架外，稠油對(duì)中子的減速作用占主導(dǎo)地位；隨著CO2飽和度的增大，孔隙逐漸被CO2氣體填充，CO2對(duì)中子的減速作用逐漸明顯直至占主導(dǎo)地位。相對(duì)于地層骨架，稠油具有較高的σf值，CO2具有超低σf特性，因此，在CO2飽和度較低時(shí)（0，25%），σf隨著地層孔隙度的增大呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；在 CO2飽和度較高時(shí)（50%，75%，100%），σf隨著地層孔隙度的增大呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)?；谝陨戏治隹芍谧?CO2稠油儲(chǔ)集層中，地層宏觀σf是由孔隙度、含氣飽和度綜合決定的。在已知地層孔隙度條件下，利用多探測(cè)器信息表征地層宏觀σf，結(jié)合巖石體積物理模型即可進(jìn)行注CO2稠油儲(chǔ)集層含氣飽和度的定量監(jiān)測(cè)。

圖4 σf與地層孔隙度響應(yīng)關(guān)系

在實(shí)際儲(chǔ)集層中，常含有不同類型的泥質(zhì)組分，影響整個(gè)儲(chǔ)集層介質(zhì)對(duì)快中子的減速能力。因此，需要根據(jù)（10）式進(jìn)行含泥質(zhì)儲(chǔ)集層 CO2飽和度計(jì)算。以綠泥石為泥質(zhì)組分研究對(duì)象，基于圖 3所示儀器地層模型，設(shè)置砂巖地層中泥質(zhì)含量為10%，20%，30%，40%，地層孔隙度為0～40%，間隔5%，CO2飽和度分別為0，50%，80%，模擬地層含泥質(zhì)條件下σf與地層孔隙度的響應(yīng)關(guān)系，如圖 5所示?？傮w來(lái)說(shuō)，泥質(zhì)類型為綠泥石時(shí)，泥質(zhì)的存在導(dǎo)致地層σf的計(jì)算值明顯小于純砂巖地層。在高 CO2飽和度條件下，不同泥質(zhì)含量下σf隨地層孔隙度呈近似平行變化，在低CO2飽和度條件下，隨著孔隙度的增加，泥質(zhì)含量對(duì)σf的影響逐漸減小。這說(shuō)明泥質(zhì)引起的σf值變化量由地層孔隙度和泥質(zhì)含量共同決定，同時(shí)表明在實(shí)際儲(chǔ)集層中，利用σf結(jié)合含泥質(zhì)巖石體積物理模型進(jìn)行CO2飽和度解釋較為合理。

圖5 泥質(zhì)含量對(duì)σf與孔隙度響應(yīng)的影響

3 影響因素分析

本文提出了利用σf評(píng)價(jià)注CO2稠油儲(chǔ)集層含氣飽和度的定量解釋方法。但在實(shí)際注CO2稠油儲(chǔ)集層中，由于測(cè)井環(huán)境影響因素的不確定性，含氣飽和度評(píng)價(jià)方法有時(shí)可能失效。因此，對(duì)地層影響因素（如溫度、壓力、井眼環(huán)境等）進(jìn)行分析和校正是十分必要的，這是保證利用σf定量監(jiān)測(cè)CO2含氣飽和度的適用性的基礎(chǔ)。

3.1 儲(chǔ)集層溫度、壓力的影響

對(duì)于 CO2氣驅(qū)儲(chǔ)集層，地層溫度和壓力改變是導(dǎo)致 CO2溶于稠油形成混相油的主要因素。由于溶解度的不同，混相油密度在不同溫壓條件下存在一定的差異。根據(jù) Marra等[24]的研究，地層壓力、溫度改變引起的混相油密度變化按照以下兩個(gè)公式計(jì)算：

基于圖3所示儀器地層模型，在砂巖地層條件下，設(shè)置地層孔隙度為 0～40%，間隔 5%，CO2含氣飽和度為0，50%，80%。固定地層溫度為363.15 K，依次改變地層壓力為35，50，65 MPa，研究地層壓力的影響；固定地層壓力為 35 MPa，依次改變地層溫度為363.15，393.15，423.15 K，研究地層溫度的影響。由圖6可知，地層溫壓條件對(duì)利用σf計(jì)算CO2含氣飽和度的效果影響不大。由（13）式和（14）式計(jì)算得到，地層溫度為363.15 K，稠油地層壓力從35 MPa增加到65 MPa時(shí)，混相油的密度變化范圍為0.950～0.963 g/cm3；地層壓力為 35 MPa，地層溫度從 363.15 K增加到423.15 K時(shí)，混相油的密度從 0.950 g/cm3增加到0.983 g/cm3。地層溫壓變化引起的混相油密度變化范圍較小，對(duì)快中子的減速能力基本不變，加之地層骨架因素，整個(gè)儲(chǔ)集層對(duì)快中子的減速能力不變。在所研究的地層溫度和壓力范圍內(nèi)，混相油的密度不會(huì)發(fā)生劇烈變化，稠油儲(chǔ)集層溫度和壓力引起的稠油密度變化并不足以影響整個(gè)地層的快中子減速能力。因此，在注CO2稠油儲(chǔ)集層中采用σf評(píng)價(jià)CO2含氣飽和度時(shí)，可以忽略地層溫度和壓力的影響。

圖6 地層溫壓條件對(duì)σf與孔隙度響應(yīng)的影響

3.2 稠油密度的影響

在CO2氣驅(qū)稠油儲(chǔ)集層過(guò)程中，由于CO2溶解度的變化，稠油密度在一定的溫度和壓力范圍內(nèi)發(fā)生變化[25]。當(dāng)壓力從35 MPa增加到65 MPa，溫度為333.15 K時(shí)，稠油的密度變化范圍為0.94～1.00 g/cm3。基于圖3所示儀器地層模型，改變稠油密度為0.95，0.97，0.99 g/cm3，研究在3種稠油密度情況下σf與孔隙度的響應(yīng)關(guān)系。由圖7可知，在低CO2飽和度（0）地層條件下，稠油密度對(duì)σf有一定的影響，隨著稠油密度的增加，σf計(jì)算值有一定的增大趨勢(shì)。然而，在高 CO2飽和度（80%）儲(chǔ)集層中，稠油密度影響并不明顯，這是由于此時(shí)儲(chǔ)集層流體已經(jīng)大部分被 CO2驅(qū)替。對(duì)于實(shí)際注CO2稠油油藏，多次注入CO2氣體后稠油密度的變化范圍遠(yuǎn)小于本文所研究的稠油密度變化范圍。因此，注CO2氣驅(qū)后稠油密度的變化對(duì)CO2飽和度的測(cè)量影響可以忽略。

圖7 稠油密度對(duì)σf與孔隙度響應(yīng)的影響

3.3 井眼流體性質(zhì)的影響

稠油儲(chǔ)集層 CO2氣驅(qū)提高采收率技術(shù)常采用連續(xù)多次注入或水、CO2氣體交替注入的形式，因此井筒環(huán)境會(huì)由鉆井液充填改變?yōu)槌碛汀O2或水等多種流體充填的情況。為了研究井眼流體對(duì)利用σf評(píng)價(jià)儲(chǔ)集層CO2含氣飽和度的影響，基于圖3所示儀器地層模型，分別將井眼流體類型設(shè)置為水、氣與稠油，得到不同井眼流體以及儲(chǔ)集層含氣飽和度條件下σf與地層孔隙度的響應(yīng)關(guān)系，如圖 8所示?？梢钥闯?，在任意儲(chǔ)集層CO2飽和度條件下，不同井眼流體使得σf關(guān)于地層孔隙度呈現(xiàn)平行變化。水和油對(duì)快中子的減速能力差異較小，井眼含油條件下σf值略小于井眼含水條件下σf值；與水和油相比，氣對(duì)快中子的減速能力明顯減弱，σf值顯著減小。因此，在用σf判斷注 CO2稠油儲(chǔ)集層氣驅(qū)效果時(shí)，需要區(qū)分井內(nèi)流體類型，對(duì)井眼含氣性進(jìn)行校正。

圖8 井眼流體性質(zhì)對(duì)σf與孔隙度響應(yīng)的影響

3.4 儲(chǔ)集層CH4含量的影響

稠油儲(chǔ)集層多次注入 CO2過(guò)程中，在儲(chǔ)集層孔隙中存在CH4的條件下，由于注入的CO2氣體與一定比例的 CH4氣體混合，CH4氣體將在 CO2驅(qū)替過(guò)程中積聚，對(duì) CO2飽和度的測(cè)量會(huì)產(chǎn)生一定的影響?；趫D3所示儀器地層模型，設(shè)置地層總含氣飽和度（CO2和CH4）分別為30%和80%，改變其中CH4含氣飽和度分別為 5%，10%，15%，得到兩種氣體不同混合比例條件下σf與地層孔隙度的響應(yīng)關(guān)系，如圖9所示?？梢钥闯?，當(dāng)總含氣飽和度較高時(shí)，CH4含量的影響較小。總氣飽和度較低時(shí)（30%），盡管CH4含量的影響增大，但仍不明顯。因此，利用σf進(jìn)行儲(chǔ)集層 CO2飽和度評(píng)價(jià)難以區(qū)分CH4和CO2兩種氣體類型。相對(duì)于地層骨架、稠油和水，CH4和 CO2的σf均為低值，盡管CH4的σf值略大于CO2，但實(shí)際地層中兩種氣體相對(duì)地層總體積占比較小，孔隙 CO2中存在少量 CH4并不影響地層對(duì)快中子的宏觀減速能力，CO2飽和度的計(jì)算結(jié)果更加接近于CO2和CH4的總飽和度。因此，利用σf評(píng)價(jià)儲(chǔ)集層含氣飽和度的方法難以消除CH4氣體的存在引起的 CO2飽和度計(jì)算誤差。為了確保在CO2-EOR技術(shù)實(shí)施期間CO2飽和度監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，必須嚴(yán)格控制CO2多次注入后的CH4含量。

圖9 儲(chǔ)集層CH4含量對(duì)σf與孔隙度響應(yīng)的影響

4 模擬實(shí)例驗(yàn)證

利用模擬實(shí)例驗(yàn)證本文方法的有效性。地層總厚度234 m，地層之間被黏土層隔開，地層孔隙流體均為稠油、淡水以及CO2氣體的不同組合。表4給出了各個(gè)儲(chǔ)集層的巖性、孔隙度、密度、泥質(zhì)含量以及流體性質(zhì)及飽和度參數(shù)。模擬測(cè)井過(guò)程中，儀器由下至上沿井壁滑動(dòng)，記錄儀器多探測(cè)器的非彈、俘獲伽馬信息，轉(zhuǎn)化為σf，并結(jié)合飽和度計(jì)算方法和校正方法，得到儲(chǔ)集層CO2氣體飽和度。

表4 模擬實(shí)例各儲(chǔ)集層基本參數(shù)

由圖10所示解釋結(jié)果可知，A—F層CO2飽和度計(jì)算誤差分別為 0.3%，1.7%，13.5%，2.9%，2.4%，0.6%。地層巖性及泥質(zhì)含量不影響該方法評(píng)價(jià) CO2飽和度的誤差，無(wú)論地層含泥質(zhì)與否，CO2飽和度的計(jì)算誤差可控制在3%以內(nèi)。因此，對(duì)于含稠油砂巖地層，利用σf實(shí)現(xiàn)CO2飽和度監(jiān)測(cè)是一種有效的方法。當(dāng)?shù)貙哟嬖贑H4氣體時(shí)（C層），CO2飽和度的計(jì)算誤差偏大，為13.5%，這一現(xiàn)象也印證了該方法存在難以區(qū)分CO2和CH4氣體的缺點(diǎn)。

圖10 模擬實(shí)例解釋結(jié)果

5 結(jié)論

CO2與油、水對(duì)快中子減速能力存在極大差異，本文將快中子散射截面應(yīng)用于注 CO2稠油儲(chǔ)集層含氣飽和度的定量監(jiān)測(cè)中，建立 CO2含氣飽和度評(píng)價(jià)模型以實(shí)現(xiàn)飽和度的定量計(jì)算，為注 CO2稠油儲(chǔ)集層剩余油勘探開發(fā)中含氣飽和度監(jiān)測(cè)提供了技術(shù)支持。

基于三探測(cè)器脈沖中子測(cè)井技術(shù)，利用近遠(yuǎn)探測(cè)器的非彈和俘獲伽馬組合可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)集層快中子散射截面的定量表征。含泥質(zhì)儲(chǔ)集層的快中子散射截面與純巖性地層存在差異，利用儲(chǔ)集層泥質(zhì)含量結(jié)合含泥質(zhì)巖石體積物理模型進(jìn)行 CO2飽和度評(píng)價(jià)較為合理。地層溫度和壓力變化引起的混相油密度變化范圍較小，不影響孔隙中稠油和 CO2混相流體對(duì)快中子的減速能力，可以忽略地層溫度壓力以及稠油密度的影響。相對(duì)于地層骨架，CH4和 CO2的快中子散射截面均為低值，CH4的存在容易造成 CO2含氣飽和度評(píng)價(jià)的誤差，因此進(jìn)行CO2飽和度監(jiān)測(cè)時(shí)需要嚴(yán)格控制CH4含量。此外，井眼流體類型極大影響了快中子散射截面的測(cè)量，在利用快中子散射截面判斷注 CO2稠油儲(chǔ)集層氣驅(qū)效果時(shí)，需要區(qū)分井內(nèi)流體類型，對(duì)井眼含氣性進(jìn)行校正。

模擬測(cè)井實(shí)例結(jié)果表明，在儲(chǔ)集層孔隙中不含CH4氣體時(shí)，該方法可以將 CO2飽和度計(jì)算誤差控制在3%以內(nèi)，驗(yàn)證了方法的有效性。

符號(hào)注釋：

A，B，C——常數(shù)，g/cm3；i——一個(gè)快中子與地層元素碰撞發(fā)生非彈性散射產(chǎn)生的平均伽馬光子數(shù)；ik——元素k在一次碰撞中產(chǎn)生的伽馬光子數(shù)；p——地層壓力，MPa；I——伽馬射線數(shù)；r——以中子源為中心的球形半徑，m；dr——半徑為r的球殼的厚度，m；R——探測(cè)器的源距，m；Sg——CO2飽和度，%；T——地層溫度，K；Vsh——泥質(zhì)含量，%；α——與源距有關(guān)的比例因子；ε——σf計(jì)算值與理論值的誤差，%；λs——快中子散射自由程，m；μm——質(zhì)量衰減系數(shù)，m2/kg；ρ——地層密度，kg/m3；?ρp，?ρt——由地層壓力和溫度改變引起的混相油密度的變化量，g/cm3；ρ0——0.1 MPa和288.7 K地層溫壓條件下的混相油密度，g/cm3；σf——快中子散射截面，m-1；σf,cal——σf計(jì)算值，m-1；σf,gas，σf,mat，σf,oil，σf,sh——CO2氣體、地層骨架、原油、泥質(zhì)組分的快中子散射截面，m-1；σf,real——地層模型設(shè)置的σf理論值，m-1；σk——元素k在一次碰撞中對(duì)應(yīng)的微觀非彈性散射截面，m-1；σin——地層的非彈性散射截面，m-1；?——儲(chǔ)集層孔隙度，%；?0——中子源強(qiáng)度；?f(r)——快中子通量，m-2；?in(R)——非彈性伽馬通量，m-2；?cap1，?cap3——近、遠(yuǎn)探測(cè)器俘獲伽馬計(jì)數(shù)；?in1，?in3——近、遠(yuǎn)探測(cè)器非彈伽馬計(jì)數(shù)。