利用快中子散射截面定量評價砂泥巖儲層含氣飽和度的方法及應(yīng)用

王 振，范繼林，張 鋒,3，梁國武，王俊華

(1.中海油田股份有限公司，河北 燕郊 065201; 2.中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580;3.深層油氣重點實驗室，山東 青島 266580)

天然氣是國家深地戰(zhàn)略和國家綠色能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要基石。我國75%以上天然氣來自復(fù)雜巖性和非常規(guī)油氣藏，致密氣成為天然氣開發(fā)的一個主力勘探領(lǐng)域，主要包括陸相砂巖、海相碳酸鹽巖等多種類型。致密氣儲層非均質(zhì)性強(qiáng)，氣、水關(guān)系復(fù)雜[1-2]，氣水層準(zhǔn)確識別技術(shù)和有效儲層預(yù)測技術(shù)尚不滿足勘探開發(fā)要求。

目前，采用聲波、電阻率、核磁等測井技術(shù)可以進(jìn)行致密氣儲層含氣識別與評價。張志虎等[3]利用密度和中子測井響應(yīng)方程建立計算模型，在儲層水電阻率不確定情況下定量求取含氣飽和度。王大興[4]利用聲波測井資料進(jìn)行致密砂巖儲層含氣評價，得到縱橫波速度衰減和泊松比與儲層孔隙度及含氣飽和度呈近似負(fù)線性關(guān)系；尹帥等[5]研究在四川盆地須家河組以常規(guī)測井、元素俘獲能譜測井(ECS)、核磁共振測井(NMR)及全波列測井資料進(jìn)行評價，提高了預(yù)測精度。張筠等[6]開展核磁共振測井觀測模式對比分析，以巖石弛豫特征和氣水弛豫特征為基礎(chǔ)，在四川盆地縫洞性碳酸鹽巖儲層進(jìn)行氣水識別。

作為核地球物理勘探中氣體飽和度評估的重要方法，脈沖中子測井技術(shù)在含氣飽和度評估中起著不可或缺的作用。Badruzzaman等[7]利用PNC及伽馬計數(shù)比來確定密度和含氣指示； Guo等[8]利用超長源距探測器定量評價孔隙度為3%～7%的泥砂巖儲層的含氣性；Bertoli[9]、Adrian[10]和Mamdouh[11]推出新型多探測器脈沖中子測井技術(shù)(MDPN)，Zhou等[12]推出一種包含三個探測器的新型脈沖中子TMD-L測井技術(shù)，該脈沖中子測井儀通過長探測器伽馬信息實現(xiàn)儲層含氣飽和度的評價。

基于甲烷、水和油對快中子散射能力的差異，本文提出一種利用快中子散射截面(FNXS)定量評價含氣飽和度的方法。通過長探測器的非彈伽馬射線表征FNXS，結(jié)合儲層巖石體積物理模型，實現(xiàn)對儲層含氣飽和度的定量監(jiān)測，建立含氣儲層飽和度的評價方法，為定量監(jiān)測致密氣藏中的天然氣飽和度提供一種有效技術(shù)支持。

1 理論方法

快中子的探測效率極低，用次生伽馬射線間接探測快中子是一種常用方法。脈沖中子測井技術(shù)中，D-T中子源可產(chǎn)生窄脈沖的快中子，向各個方向傳播并與井眼和儲層中的原子核相互作用。快中子進(jìn)入地層后，在極短時間內(nèi)與地層介質(zhì)發(fā)生非彈性散射釋放非彈伽馬射線，同時發(fā)生彈性散射，中子逐漸慢化成為熱中子，后被地層原子核俘獲，釋放俘獲伽馬射線。地層非彈性散射截面與密度呈正相關(guān)關(guān)系，即非彈性散射過程中產(chǎn)生的伽馬射線越強(qiáng)，地層密度作用導(dǎo)致的伽馬射線的衰減作用越強(qiáng)[12]。因此，將14 MeV的彈性散射截面作為快中子散射截面(FNXS)用以含氣評價是一種合理的技術(shù)手段。

根據(jù)快中子散射理論[13]，發(fā)生非彈性散射的快中子通量分布φf(r)如公式(1)所示：

(1)

式中，r為探測器源距，φ0為中子源強(qiáng)度。λs與FNXS分別為快中子散射自由程與快中子散射截面，滿足互為倒數(shù)的關(guān)系。

利用中子伽馬耦合場理論[14]，非彈性散射伽馬通量φin(R)如公式(2)所示：

(2)

式中，φin為非彈伽馬射線通量，μm為質(zhì)量衰減系數(shù)，ik為中子與每個元素一次碰撞中產(chǎn)生的伽馬光子數(shù)，φf(r)為快中子通量分布，R為長探測器源距，Σin為地層的快中子非彈性散射截面，ρ為地層體積密度。

相對于地層快中子散射截面，快中子非彈性散射截面較小，可以將Σin視為定值。假定中子與每個元素一次碰撞中產(chǎn)生的伽馬光子數(shù)ik不變，由公式(2)可知，由于不同巖性儲層的屬性參數(shù)(μm,ρ)存在差異，計算FNXS時需要考慮地層巖性參數(shù)的影響。因此，利用非彈性散射伽馬通量表征FNXS滿足以下公式：

FNXS=f(φin,Lith)

(3)

其中，Lith為地層巖性參數(shù)。公式(3)說明了地層FNXS的求取可以利用非彈伽馬射線通量來表征，但會受到地層巖性的影響。因此，不同巖性地層需要建立不同的表征方法來滿足FNXS計算的準(zhǔn)確性。儲層常見物質(zhì)的快中子散射截面列于表1。

表1 儲層常見物質(zhì)的快中子散射截面

相比于儲層骨架與孔隙油水的核物理參數(shù)，固體礦物質(zhì)FNXS的大小與水和稠油的類似，氣體的氫指數(shù)較低，熱中子俘獲截面、密度和FNXS存在較大差異。因此，含氣儲層中，利用FNXS可以將儲層油氣水三相流體轉(zhuǎn)化為氣液兩相流體，為含氣飽和度評價提供了一種新的方法。FNXS遵循巖石體積物理模型，在純砂巖儲層中，滿足公式(4)：

FNXS=FNXSmatrix(1-φ)+FNXSgasφSg+

FNXSoilφ(1-Sg)

(4)

由上式可以得到純砂巖儲層含氣飽和度為：

(5)

在砂泥巖含氣儲層中，滿足公式(6)：

FNXS=FNXSmatrix(1-φ)(1-Vsh)+

FNXSsh(1-φ)Vsh+FNXSgasφSg+

FNXSoilφ(1-Sg)

(6)

則含泥質(zhì)砂巖儲層含氣飽和度計算公式為：

Sg=(FNXS-FNXSmatrix(1-φ)(1-Vsh)+

FNXSsh(1-φ)Vsh-FNXSoilφ)/

(FNXSgasφ-FNXSoilφ)

(7)

式中，具有不同下標(biāo)的FNXS表示不同儲層組分的FNXS值(matrix為骨架，gas和g為甲烷，oil為油)，φ為儲層孔隙度，Vsh為泥質(zhì)含量，S為飽和度。

2 蒙特卡羅數(shù)值模擬與FNXS表征

蒙特卡羅方法(MCNP)[15]可用于中子、光子、電子或耦合的中子、光子、電子傳輸輸運過程，利用蒙特卡羅方法建立井筒-儲層計算模型，模擬快中子輸運過程，研究非彈性散射伽馬計數(shù)與快中子散射截面關(guān)系，建立模擬數(shù)據(jù)與刻度井實驗數(shù)據(jù)相結(jié)合的FNXS的表征方法，進(jìn)而定量評價儲層含氣飽和度。

2.1 數(shù)值模型構(gòu)建

MCNP數(shù)值計算模型示于圖1。儲層模型為高140 cm，直徑140 cm的圓柱狀套管井儲層，井眼充滿淡水，直徑10.16 cm。水泥環(huán)由CaSiO3組成，密度為1.87 g/cm3，厚度2.54 cm；套管為不銹鋼材質(zhì)，厚度0.635 cm。儲層孔隙度在0～30%范圍內(nèi)變化，含氣飽和度為0、25%、50%、75%、100%。儲層溫度為323.15 K，壓力為20 MPa，該地層溫壓條件下，甲烷、淡水和稠油的密度分別為0.12、1.00、0.95 g/cm3。

圖1 儀器儲層模型

三探測器脈沖中子測井儀用作儲層含氣飽和度監(jiān)測器，源和每個探測器之間存在屏蔽裝置。儀器外殼由17-4PH鋼制成，厚度為0.5 cm。源為D-T脈沖中子源，產(chǎn)生高能中子(14 MeV)并向儲層均勻發(fā)射。探測器材料為LaCl3晶體，三個探測器的源距分別為36、54、72 cm。三個探測器晶體的直徑均為2.54 cm，長度分別為5.08、10.16、5.24 cm。

2.2 非彈性散射伽馬計數(shù)響應(yīng)

由于伽馬射線計數(shù)數(shù)量級較大，選用伽馬射線計數(shù)對數(shù)(lnN)進(jìn)行研究。利用圖1所示儀器地層模型，分別設(shè)置純巖性砂巖、灰?guī)r、白云巖和泥巖地層骨架，改變儲層孔隙為0～30%，間隔5%，模擬純含氣與純含水地層條件下，不同儲層條件下的長源距探測器的伽馬射線計數(shù)對數(shù)與FNXS的關(guān)系，形成快中子散射截面表征方法。圖2展示了砂巖和泥巖(綠泥石)儲層條件下，不同地層孔隙度、飽含氣和飽含水儲層FNXS關(guān)于長探測器lnN的變化關(guān)系。

由圖2可知，同一巖性條件下，F(xiàn)NXS與lnN有著良好的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。利用長探測器伽馬射線計數(shù)lnN可以實現(xiàn)FNXS的定量表征。砂泥巖條件下FNXS表征關(guān)系如下：

a——砂巖儲層；b——泥巖儲層

純砂巖儲層：FNXS=-3.34×lnN+30.04

(8)

純泥巖儲層： FNXS=-3.61×lnN+31.66

(9)

式中，F(xiàn)NXS為散射截面測量值，lnN為長探測器伽馬計數(shù)對數(shù)?；谝陨瞎?，通過測量的長探測器伽馬信息，可以實時得到FNXS曲線，結(jié)合體積模型計算儲層含氣飽和度。

基于砂泥巖儲層骨架物質(zhì)組成，利用FNXS評價含氣飽和度時需要進(jìn)行地層巖性識別。在砂泥巖地層條件下，需要結(jié)合泥質(zhì)含量對FNXS表征公式進(jìn)行差值修正，滿足實際地層巖性需求，以保證FNXS計算的準(zhǔn)確性。

2.3 FNXS與含氣飽和度響應(yīng)關(guān)系

獲取不同巖性地層下FNXS表征方法后，研究FNXS與含氣飽和度的關(guān)系，實現(xiàn)儲層含氣飽和度的定量評價。利用圖1所示儀器地層模型，在純巖性地層條件下，將儲層設(shè)置為充滿油氣的砂巖儲層，改變孔隙度為0～30%，間隔為5%，同時改變含氣飽和度為0～100%，間隔為25%。在不同的含氣飽和條件下，模擬得到FNXS與儲層孔隙度的變化示于圖3。

圖3 FNXS關(guān)于儲層孔隙度的變化

從不同含氣飽和度條件下FNXS關(guān)于儲層孔隙度的響應(yīng)可以看出，在含氣飽和度較低的情況下，F(xiàn)NXS隨著孔隙度逐漸增加，而在含氣飽和度較高的情況下，F(xiàn)NXS隨著孔隙度逐漸減小。在油氣混相儲層中，當(dāng)氣體飽和度低時，油對快中子的慢化占主導(dǎo)地位；當(dāng)氣體飽和度高時，氣對快中子的慢化占主導(dǎo)地位。不同含氣飽和度條件下，F(xiàn)NXS關(guān)于孔隙度的變化關(guān)系差異明顯，表明FNXS是一種良好的含氣飽和度評價方法。

針對巖性較為復(fù)雜的儲層，以含泥質(zhì)砂巖為例，在儲層泥質(zhì)含量為0、10%、20%和30%條件下，改變孔隙度為0～30%，間隔為5%，同時改變含氣飽和度為0～100%，間隔為25%。在不同的含氣飽和條件下，含泥質(zhì)砂巖儲層FNXS與儲層孔隙度的變化示于圖4。

圖4 泥質(zhì)含量對FNXS測量的影響

由圖4可以看出，與純砂巖儲層類似，在任意泥質(zhì)含量儲層條件下，含氣飽和度較低時，F(xiàn)NXS隨著孔隙度逐漸增加，含氣飽和度較高時，F(xiàn)NXS隨著孔隙度逐漸減小，但隨著儲層泥質(zhì)含量增大，計算得到的FNXS相應(yīng)升降低。儲層FNXS主要受儲層骨架、孔隙油水的影響，泥質(zhì)的FNXS小于石英，相比于純砂巖儲層，盡管泥質(zhì)與石英散射截面相差較小，但仍表現(xiàn)出由于泥質(zhì)的存在導(dǎo)致地層整體FNXS降低的現(xiàn)象。因此，通過這一現(xiàn)象表明，在含泥質(zhì)儲層或復(fù)雜巖性儲層，利用FNXS進(jìn)行含氣飽和度評價時，首先應(yīng)對純巖性的FNXS表征公式進(jìn)行差值，獲取適用于該含泥質(zhì)儲層或復(fù)雜巖性儲層條件下的FNXS表征公式，是精準(zhǔn)確定儲層FNXS的前提。

2.4 含氣飽和度計算精度模擬

利用FNXS進(jìn)行儲層含氣飽和度求取過程中，對飽和度定量計算精度的研究十分重要。因此，基于砂巖地層儲層的數(shù)值模擬模型，分別設(shè)置儲層孔隙度為8%、10%、13%、16%、18%、21%、26%，同時對應(yīng)的含氣飽和度設(shè)置為73%、22%、36%、16%、91%、47%、62%。模擬獲取長探測器計數(shù)對數(shù)lnN，通過公式(8)計算儲層FNXS，結(jié)合巖石體積物理模型計算含氣飽和度，并與含氣飽和度設(shè)置值進(jìn)行對比，獲取上述條件下的含氣飽和度計算精度，驗證FNXS評價儲層含氣飽和度的有效性，結(jié)果列于表2。從表2可以看出，在任意孔隙度儲層條件下，含氣飽和度計算絕對誤差控制在5%以內(nèi)，表明利用FNXS進(jìn)行儲層含氣飽和度的精度較高，驗證了該方法的有效性。

表2 含氣飽和度計算精度驗證

3 現(xiàn)場實例驗證

現(xiàn)場實例證明FNXS在致密儲層條件下的含氣飽和度評價的有效性。圖5為X井1 760～1 800 m層段裸眼井資料與FNXS評價含氣飽和度解釋成果。該層段為致密砂泥巖儲層，非儲層段泥質(zhì)含量較大，儲層段以砂巖為主。儲層整體孔隙度較低，約為10%～20%。除第一道深度道外，第2～8道均為裸眼井測井資料，第9道為長探測器伽馬計數(shù)對數(shù)lnN測量值，第10道為FNXS曲線，第11道為含氣飽和度。從X井計算的lnN曲線可以看出，含孔隙層段lnN為高值，F(xiàn)NXS曲線為低值，因此解釋結(jié)果所示利用FNXS解釋的含氣飽和度約為50%，與裸眼井解釋含水飽和度對應(yīng)性良好。該層段已經(jīng)射孔開采，產(chǎn)量較好，與解釋結(jié)果吻合。

圖5 X井FNXS評價含氣飽和度解釋成果

圖6為Y井1 570～1 600 m層段利用FNXS進(jìn)行含氣飽和度評價的結(jié)果。該層段為致密砂泥巖儲層，非儲層段泥質(zhì)含量較大，儲層段以砂巖為主。儲層整體孔隙度較低，1 580～1 584 m段孔隙度在10%以下，1 584～1 592 m段孔隙度接近20%。除第一道深度道外，第2～8道均為裸眼井測井資料，第9道為長探測器伽馬計數(shù)對數(shù)lnN測量值，第10道為FNXS曲線，第11道為含氣飽和度。從Y井lnN曲線可以看出，含孔隙層段lnN為高值，計算得到的FNXS曲線為低值，綜合解釋含孔隙儲層段含氣飽和度約50%，含氣量較高，符合地區(qū)認(rèn)識。

圖6 Y井FNXS評價含氣飽和度解釋成果

4 結(jié)論

本文針對致密氣儲層的含氣評價，基于甲烷、油和水對快中子散射能力的差異，將FNXS應(yīng)用于致密砂巖儲層的含氣飽和度的定量監(jiān)測，為致密氣的定量評價提供了一種有效的方法。具體結(jié)論如下。

(1) 基于MCNP模擬手段，利用長探測器非彈伽馬計數(shù)對數(shù)與FNXS呈負(fù)相關(guān)的特性，實現(xiàn)了純巖性條件下FNXS的定量表征。

(2) 針對含泥質(zhì)砂巖儲層，利用差值實現(xiàn)了FNXS的表征，并利用含泥質(zhì)巖石體積物理模型建立相應(yīng)的含氣飽和度計算模型，實現(xiàn)了含氣飽和度的定量計算。

(3) 測井實例解釋結(jié)果表明了該方法的解釋結(jié)論與實際儲層產(chǎn)量對應(yīng)良好，驗證了FNXS評價致密地層含氣飽和度的有效性。