隨鉆脈沖中子測(cè)井識(shí)別天然氣的數(shù)值模擬

摘 要

摘要：由于天然氣具有密度低、黏度小等特點(diǎn)，利用3種孔隙度資料可以定性識(shí)別天然氣層，但定量評(píng)價(jià)存在困難。為此，在隨鉆過(guò)程中依據(jù)天然氣與油、水的含氫指數(shù)不同，利用脈沖中子測(cè)井
摘要：由于天然氣具有密度低、黏度小等特點(diǎn)，利用3種孔隙度資料可以定性識(shí)別天然氣層，但定量評(píng)價(jià)存在困難。為此，在隨鉆過(guò)程中依據(jù)天然氣與油、水的含氫指數(shù)不同，利用脈沖中子測(cè)井技術(shù)記錄的近、遠(yuǎn)探測(cè)器熱中子或俘獲伽馬計(jì)數(shù)率比的相對(duì)變化量來(lái)定量確定含氣飽和度；在此基礎(chǔ)上，利用蒙特卡羅方法建立計(jì)算模型，模擬不同井眼和地層條件下脈沖中子測(cè)井遠(yuǎn)近探測(cè)器記錄的熱中子或伽馬計(jì)數(shù)，研究其比值與含氣飽和度的測(cè)井響應(yīng)。結(jié)果表明：油水層和氣層的計(jì)數(shù)相對(duì)變化量能反映地層的含氣飽和度，孔隙度越大，相對(duì)比值越大，對(duì)氣層的定量評(píng)價(jià)越準(zhǔn)確；巖性、泥質(zhì)含量、地層水的礦化度、井眼流體和尺寸以及鉆井液侵入等因素都會(huì)對(duì)天然氣地層的脈沖中子測(cè)井響應(yīng)產(chǎn)生影響?？傊?，利用脈沖中子測(cè)井技術(shù)可以定量評(píng)價(jià)天然氣層，對(duì)提高天然氣識(shí)別能力和氣田高效勘探開(kāi)發(fā)具有重要意義。
關(guān)鍵詞：天然氣；地層；脈沖中子測(cè)井；含氣飽和度；影響；因素；蒙特卡羅法
    中國(guó)天然氣工業(yè)經(jīng)歷了近10年的快速發(fā)展，天然氣儲(chǔ)量進(jìn)入新的增長(zhǎng)高峰期。但是天然氣勘探具有埋深大、物性差、圈閉條件復(fù)雜的特點(diǎn)，其發(fā)現(xiàn)難度逐漸增大。目前在常規(guī)天然氣層的識(shí)別和評(píng)價(jià)方法很多，主要包括聲波時(shí)差與中子伽馬曲線重疊、雙孔隙度重疊、三孔隙度重疊、差值或者比值法、縱波時(shí)差差比法、核磁共振測(cè)井、成像測(cè)井、補(bǔ)償中子時(shí)間推移測(cè)井、巖性密度測(cè)井、熱中子衰減時(shí)間測(cè)井、碳氧比測(cè)井等[1～4]。近年來(lái)脈沖中子測(cè)井技術(shù)在氣層的識(shí)別和評(píng)價(jià)過(guò)程中發(fā)揮了重要作用，Trcka D等[5]利用儲(chǔ)層動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)儀(RPM)不同探測(cè)器的非彈伽馬計(jì)數(shù)比值建立了與含氣飽和度的響應(yīng)關(guān)系，Hamada G M[6]等利用中子壽命和過(guò)套管電阻率測(cè)井進(jìn)行砂巖氣層含烴物質(zhì)監(jiān)測(cè)。
    隨鉆條件下利用電阻率來(lái)判斷油氣層，但由于電阻率相差不大，很難定量確定含氣飽和度。斯倫貝謝公司在新一代隨鉆測(cè)井儀器增加了地層宏觀俘獲截面測(cè)量，Gauthier P J等[7]結(jié)合隨鉆電阻率和地層宏觀俘獲截面來(lái)確定含油飽和度，取得了較好的效果。由于天然氣含氫指數(shù)低且具有挖掘效應(yīng)，其對(duì)中子的作用與油和水存在較大差別，通過(guò)脈沖中子測(cè)井技術(shù)得到的遠(yuǎn)近探測(cè)器的熱中子或俘獲伽馬計(jì)數(shù)率比，建立其相對(duì)變化量與孔隙度的響應(yīng)關(guān)系，可以定量確定含氣飽和度。利用蒙特卡羅方法模擬不同孔隙度、巖性等地層和井眼條件下的中子分布，研究熱中子或俘獲伽馬計(jì)數(shù)率比值和含氣飽和度的響應(yīng)及井眼和地層因素對(duì)確定含氣飽和度的影響，為隨鉆條件下天然氣儲(chǔ)層含氣飽和度的定量評(píng)價(jià)提供技術(shù)支持。
1 確定含氣飽和度的方法
    新型集成隨鉆測(cè)井儀器包括方位自然伽馬測(cè)量、伽馬-伽馬密度測(cè)量和脈沖中子測(cè)量等3部分，而脈沖中子測(cè)量不僅能確定孔隙度，還可確定地層宏觀俘獲截面、元素含量以及中子伽馬密度等多種地層參數(shù)。
    天然氣和原油的元素成分比較接近，但其密度比原油和水小得多，含氫指數(shù)遠(yuǎn)小于油和水，天然氣地層的熱中子通量分布會(huì)因氫的含量降低而有所變化，利用不同源距探測(cè)器的熱中子計(jì)數(shù)可以反映地層的含氣特性。
    根據(jù)脈沖中子測(cè)井技術(shù)得到的近、遠(yuǎn)探測(cè)器的熱中子或俘獲伽馬計(jì)數(shù)比值為：
 
式中N1、N2分別為近探測(cè)器和遠(yuǎn)探測(cè)器的熱中子或俘獲伽馬計(jì)數(shù)率；r1、r2分別為短源距和長(zhǎng)源距；Lf為地層的快中子減速長(zhǎng)度。
顯然飽含氣層的計(jì)數(shù)比值分別為：
 
式中Lfg為氣層的快中子減速長(zhǎng)度。
參照Trcka D[5]提出反映含氣飽和度的非彈性散射伽馬計(jì)數(shù)比值，定義熱中子或俘獲伽馬計(jì)數(shù)比值的相對(duì)變化量參數(shù)(D)為：
 
    不同孔隙度和含氣飽和度地層的快中子減速長(zhǎng)度(Lf)不同，其D也不同；利用孔隙度資料和D的響應(yīng)關(guān)系可定量確定含氣飽和度。
2 蒙特卡羅模擬方法
    MCNP[8]是一種能夠模擬連續(xù)能量的中子、光子、電子、中子/光子和光子/電子粒子在任意幾何形狀介質(zhì)中的輸運(yùn)過(guò)程，在核測(cè)井方法基礎(chǔ)和應(yīng)用研究中發(fā)揮了巨大作用。
    利用蒙特卡羅方法建立隨鉆條件下的計(jì)算模型，井眼直徑為20cm；地層徑向半徑分別為10～70cm、長(zhǎng)為120cm的柱體，把整個(gè)地層劃分成環(huán)距為7.5cm、厚度5cm的相鄰柵元，地層分別填充不同巖性、孔隙度和流體的物質(zhì)；測(cè)井儀器外徑為45mm，脈沖中子源處于儀器左端15cm處，脈沖寬度為3μs，長(zhǎng)、短源距分別為72.5cm和42.5cm。為了簡(jiǎn)化模擬過(guò)程，沒(méi)有考慮熱中子探測(cè)器He-3管的響應(yīng)，中子源和探測(cè)器間放置理想屏蔽體(圖1)。模擬時(shí)選取的截面數(shù)據(jù)庫(kù)為ENDF/B-VI.0，采用F4柵元計(jì)數(shù)方式，記錄熱中子的時(shí)間譜道寬為30μs，記錄時(shí)間間隔為30～1800μs，得到長(zhǎng)短源距處的熱中子時(shí)間譜，研究利用遠(yuǎn)近探測(cè)器熱中子計(jì)數(shù)比值相對(duì)變化量的方法來(lái)定量評(píng)價(jià)氣層。

3 模擬結(jié)果及討論
3.1 含氣飽和度和孔隙度不同時(shí)的測(cè)井響應(yīng)
    利用上述計(jì)算模型，井眼內(nèi)流體為淡水，地層為分別飽含油和氣的砂巖，其中油的密度為0.87g/cm3，天然氣(CH4)的密度為0.2g/cm3，在地層孔隙度為30%，改變含氣飽和度依次為0、20%、40%、60%、80%和100%，含氣飽和度分別為0、20%、50%和80%，改變孔隙度依次為10%、15%、20%、25%、30%、35%和40%時(shí)，模擬記錄遠(yuǎn)近探測(cè)器處的熱中子計(jì)數(shù)，得到不同含氣飽和度時(shí)D與孔隙度的關(guān)系曲線(圖2)。
 

    由圖2可以得到：遠(yuǎn)近探測(cè)器熱中子計(jì)數(shù)率比的相對(duì)變化量與孔隙度和含氣飽和度都有關(guān)；在孔隙度一定時(shí)，D隨地層含氣飽和度的增加呈線性減小，D能夠反映含氣飽和度的大??；含氣飽和度一定時(shí)，D隨孔隙度的增加而增加，且含氣飽和度越小這種變化越劇烈；孔隙度越大時(shí)不同含氣飽和度引起的D的差異越大。故利用脈沖中子測(cè)井技術(shù)得到的遠(yuǎn)近探測(cè)器熱中子計(jì)數(shù)率比的相對(duì)變化量和孔隙度資料可以確定含氣飽和度，且孔隙度越大的地層越有利于評(píng)價(jià)氣層。
3.2 巖性和泥質(zhì)含量的影響
    其他條件不變時(shí)，地層孔隙中分別飽含油和氣，骨架分別為砂巖和石灰?guī)r，改變地層的孔隙度，模擬得到的熱中子計(jì)數(shù)比相對(duì)變化量與孔隙度的變化關(guān)系見(jiàn)圖3a。在考慮泥質(zhì)時(shí)，泥質(zhì)由細(xì)砂、黏土和水組成，體積百分比分別為8%、72%和20%，黏土礦物包括20%的蒙脫石、21%的伊利石、24%的綠泥石、20%的高嶺石和5%黑云母，密度為2.21568g/cm3，泥質(zhì)含量分別為0、20%和40%的砂巖地層時(shí)D與孔隙度的關(guān)系如圖3-b所示。
 

    由圖3可以看出：砂巖地層和石灰?guī)r地層的相對(duì)比值(D)隨孔隙度的變化趨勢(shì)相同，在孔隙度較小時(shí)變化較大，當(dāng)孔隙度增加到一定程度時(shí)開(kāi)始變緩；孔隙度較小時(shí)不同巖性引起D的差異較小，隨著孔隙度的增加地層巖性不同D的差異越大；孔隙度相同時(shí)下砂巖地層的D要比石灰?guī)r地層的大，原因是石灰?guī)r對(duì)中子的減速能力比砂巖大；泥質(zhì)含量引起的D的差異隨孔隙度的增加而增加，且孔隙度相同時(shí)泥質(zhì)含量越大D越小。因此利用熱中子計(jì)數(shù)率比相對(duì)變化量確定含氣飽和度時(shí)受巖性和泥質(zhì)含量的影響，砂巖地層對(duì)氣反應(yīng)靈敏，泥質(zhì)含量越大對(duì)確定地層含氣飽和度越不利。
3.3 地層水礦化度的影響
    利用同樣的計(jì)算模型，分別飽含不同礦化度地層水和氣的砂巖地層，其中地層水礦化度分別為0、30000、50000和100000μg/g，改變地層孔隙度，模擬得到熱中子計(jì)數(shù)相對(duì)比值與孔隙度的關(guān)系(圖4)。
 

    由圖4可以看出：不同礦化度地層水時(shí)熱中子計(jì)數(shù)率相對(duì)變化量(D)仍隨孔隙度的增加而增加，地層水礦化度越高變化越快；同一孔隙度條件下，地層水礦化度越大時(shí)，D越大，主要由于地層水礦化度越大，對(duì)遠(yuǎn)近探測(cè)器處熱中子俘獲的能力差異越大。因此地層水礦化度越高越有利于含氣評(píng)價(jià)，但需對(duì)地層水礦化度的影響進(jìn)行校正。
3.4 井眼尺寸和流體的影響
    其他計(jì)算條件不變，井眼內(nèi)流體分別為氣(CH4，密度為0.19g/cm3)、淡水和30000μg/g的礦化水，地層為飽含油和氣的砂巖，依次改變地層的孔隙度，模擬得到熱中子計(jì)數(shù)比的相對(duì)變化量與孔隙度的關(guān)系(圖5-a)；同樣其他條件不變，井眼內(nèi)充滿(mǎn)氣，井眼直徑為分別為20、22.827、27.907cm和30.447cm時(shí)的關(guān)系如圖5-b所示。

    由圖5可以看出：低孔隙度地層井眼流體不同引起的相對(duì)比值差異較小，高孔隙度地層差異較大，且井眼內(nèi)充滿(mǎn)氣時(shí)相對(duì)變化量(D)越小，對(duì)確定含氣飽和度越不利；井眼內(nèi)流體為水時(shí)，礦化度的高低對(duì)D的影響很小。在孔隙度一定的地層，井眼尺寸越大時(shí)D越小，這是主要是因?yàn)榫哿黧w為氣，井眼直徑越大挖掘效應(yīng)影響越大，故井眼尺寸越大越不利于含氣飽和度的評(píng)價(jià)。
3.5 鉆井液侵入的影響
    計(jì)算模型不變，建立孔隙度為15%和30%飽含天然氣的砂巖地層，井眼內(nèi)充滿(mǎn)淡水鉆井液，其礦化度為5000μg/g，密度為1.33402g/cm3，向井軸周?chē)鶆蚯秩肷疃确謩e為0、3、6、9、12、15、18、21、24、27、30、33、36、39、42、45、48、51、54、57、60cm，在不考慮泥餅的理想條件下，利用前面相同的方法得到響應(yīng)關(guān)系如圖6所示。
    由于天然氣的含氫指數(shù)小于鉆井液，隨著侵入深度的增加，遠(yuǎn)近探測(cè)器熱中子計(jì)數(shù)率比的相對(duì)變化量也隨之增加，增加至30cm左右時(shí)幾乎不再發(fā)生變化，且孔隙度不同的地層受鉆井液侵入深度的影響差別不大。因此在識(shí)別氣層時(shí)要考慮到鉆井液侵入的影響，但在隨鉆測(cè)井過(guò)程中鉆井液侵入深度很淺，脈沖中子測(cè)井受其影響很小，實(shí)際資料處理時(shí)可忽略鉆井液侵入的影響。
4 結(jié)論
    1) 由于天然氣和油水的含氫指數(shù)不同，利用脈沖中子測(cè)井技術(shù)記錄的近、遠(yuǎn)探測(cè)器熱中子或俘獲伽馬計(jì)數(shù)率比的相對(duì)變化量隨含氣飽和度的增加呈線性減小，可以定量確定含氣飽和度。
    2) 利用熱中子或俘獲伽馬計(jì)數(shù)比相對(duì)變化量確定含氣飽和度時(shí)受井眼和地層條件影響，通過(guò)利用蒙特卡羅模擬研究得到：相對(duì)變化量隨孔隙度增加而增加，孔隙度越大越有利于評(píng)價(jià)含氣飽和度；孔隙度相同時(shí)，砂巖地層的相對(duì)變化量比石灰?guī)r地層的大，而泥質(zhì)含量越小，地層水礦化度越高，相對(duì)變化量越大，對(duì)確定含氣飽和度越有利。
    3) 井眼流體為水、井眼尺寸越小時(shí)，相對(duì)變化量越大，對(duì)確定含氣飽和度越有利；在高孔隙度地層，井眼流體為氣時(shí)的相對(duì)變化量越小，而井眼內(nèi)水的礦化度對(duì)其影響很??；隨著鉆井液侵入深度的增加，相對(duì)變化量也隨之增加，增加至一定深度不再發(fā)生變化。顯然在利用脈沖中子測(cè)井技術(shù)確定含氣飽和度時(shí)需對(duì)各種影響因素進(jìn)行校正，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中還需進(jìn)一步研究。
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(本文作者：張鋒1，2 袁超1，2 侯爽1，2 王新光1，2 1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)地球資源與信息學(xué)院；2.中石油測(cè)井重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國(guó)石油大學(xué)(華東)研究室)