碳氧比測井鈣質校正方法研究及應用

何巍巍，鄧茜珊，鄭 華，孫 亮

(1.大慶師范學院 機電工程學院，黑龍江 大慶 163000；2.大慶油田測試技術服務分公司，黑龍江 大慶 163000)

大慶油田的脈沖中子全譜測井儀(PNST)測井技術是應用較為廣泛的套后地層參數評價技術，以高能脈沖中子轟擊地層，主要通過分析伽瑪能譜中C、O、Si、Ca等元素相對產額，利用碳氧比(C/O)、俘獲Si/Ca或非彈Ca/Si等測井曲線識別地層巖性，計算儲層含油飽和度(So)，判斷儲層水淹級別，在大慶等油田獲得了較好應用效果[1-2]。大慶長垣油田的巖性剖面以砂泥巖為主，但地層中也常出現鈣質。高電阻率的鈣質對用常規測井資料解釋儲層流體性質造成困難[3-5]。地層中鈣質的主要成分為碳酸鈣，其中無機碳也影響碳氧比測井資料解釋So，表現為兩方面：一是儲層中含鈣質，造成儲層C/O曲線及解釋So偏高；二是夾層含鈣質，造成夾層C/O曲線升高，依夾層判斷C/O曲線基線又會造成解釋儲層So偏低。

應用國外引進的碳氧比測井儀時，配套解釋軟件中包含了鈣質校正算法[6-7]。因此有必要針對國產PNST測井儀研究地層鈣質校正方法，提高其測井資料解釋So的準確性。

在三維復雜幾何結構中耦合中子/光子/電子輸運的通用蒙特卡羅軟件包MCNP被廣泛應用于核測井數值模擬，對脈沖中子伽瑪能譜測井的模擬精度能滿足建立測井資料解釋模型及獲得模型參數的需要[8-9]。本研究利用MCNP軟件，按照PNST測井儀和大慶油田常規套管井條件，建立碳氧比測井的蒙特卡羅數值模擬模型，以測井儀在刻度井實測數據校驗模型，研究鈣質對PNST碳氧比測井曲線的影響，建立校正方法，并用取心數據驗證該校正方法的實用性。

1 傳統PNST測井資料解釋So方法

用脈沖中子全譜測井儀(PNST)雙源距碳氧比(C/O)測井資料解釋So時，C/O測井值[2]為：

C/O=

δ(1-φ)+[(aYo+b)CAL+(cYo+d)]+αH

(1)

式中，右側的四項分別是地層中碳/氧原子數比、地層密度、井內持油率、水泥環厚度對C/O測井值的貢獻；式中，φ為孔隙度，So為地層含油飽和度，VCa為鈣質含量，CAL為套管內徑，Yo為井內持油率，H為水泥環厚度，各參數均取無量綱值；δ、a、b、c、d、α為不同條件下儀器刻度實驗得出的權重系數，近、遠伽瑪探測器的權重系數不同，其他為固定常數。解釋測井資料時，對C/O曲線作泥質校正，用最優化法解雙探測器C/O測井值的方程組，校正掉Yo影響，獲得So。

公式(1)顯示，傳統資料解釋方法可用中子、密度、聲波等測井曲線計算VCa曲線[10]，但需要完井時測中子、密度曲線；也可用碳氧比測井Si/Ca曲線與聲波測井曲線綜合計算VCa，但因使用曲線過少而可靠性差。此外，采用元素分析方法對碳氧比測井俘獲能譜解譜可獲得地層中的Ca元素含量，但是過程繁瑣、精度較低[11-12]。

碳氧比測井提供反映地層鈣質含量的非彈Ca/Si曲線和俘獲Ca產額曲線，前者不受井眼和地層Cl含量影響，但數據統計精度較低，后者統計精度較高但受地層Cl含量影響大。本研究運用蒙特卡羅數值模擬方法，研究C/O和俘獲Ca產額YCa與地層鈣質含量VCa的關系，用YCa校正掉VCa對C/O的影響，利用常規砂泥巖剖面解釋方法計算更為準確的So。

2 數值模擬模型的建立與校驗

2.1 模型的建立

數值模擬模型呈圓筒狀，其剖面示于圖1。模型尺寸須足夠大，才能模擬無限大地層的響應，參照刻度井的地層尺寸，模型的高和直徑分別取遠大于PNST測井儀縱向分辨率和徑向探測深度的1.5 m和1.8 m[9,13]。在模型圓筒中央設置套管井。由于公式(1)中許多常數與井眼條件有關，因此按照大慶油田常規套管井條件設置模型的井眼柵元[14]。

圖1 MCNP數值模擬模型剖面示意圖Fig.1 Sectional drawing of the MCNP numerical model

井內介質為清水；J55鋼級油層套管的壁厚和外徑分別為7.72 mm和139.7 mm，套管密度為7.85 g/cm3；套管外有層水泥環，按0.44水灰比用清水和G級油井水泥配制水泥環材料，水泥環密度1.95 g/cm3，水泥環外徑200 mm。在水泥環以外是模擬地層。按照PNST測井儀中各零部件的結構尺寸與材料設置模擬測井儀的柵元，測井儀在套管中貼靠套管內壁。

為提高模擬計算效率，將模型中尺寸較大物體剖分成較小柵元，并運用柵元重要性、權重窗口等減小計數方差；此外，先分別模擬到達鍺酸鉍(Bi4Ge3O12，BGO)探測器外面的伽瑪流能譜和不同能量的單能伽瑪射線照射探測器外面的探測器響應函數，保證計數方差均小于0.2%，然后將兩者卷積，模擬探測器測量的能譜[14]。

根據研究需要，設置模擬地層材料的元素配比與密度。按PNST測井儀碳氧比工作模式的中子爆發與近遠BGO探測器伽瑪能譜采集時序，模擬非彈凈譜和俘獲譜。能譜分256道，能量范圍覆蓋0～8.89 MeV。采用PNST測井資料解釋軟件的算法，從能譜中提取C/O、YCa等參數。

2.2 數值模擬模型的基準校驗

大慶油田沒有成套的灰巖或含鈣質砂巖的飽和度刻度井，為了檢驗數值模擬模型的正確性，針對實際刻度井群中孔隙度為16.8%、20.4%、26.0%、28.9%、33.8%的飽和水砂巖地層，以及孔隙度為15.8%、21.4%、25.0%、28.7%、33.8%的飽和油砂巖地層，對比模擬與實測的非彈凈譜和俘獲譜，以及相應的C/O和YCa參數。

大慶油田儲層孔隙度平均約20%，因此測量孔隙度20.4%飽和水砂巖地層的遠探測器非彈凈譜與俘獲譜，結果示于圖2。由圖2結果可知，模擬能譜和實測能譜相似度高，皮爾森相關系數的平方R2均大于0.995，說明模擬能譜再現了實測能譜，驗證了模型的正確性。解釋軟件分別按1.56～1.98 MeV、2.80～4.15 MeV、4.15～4.81 MeV和5.09～6.76 MeV能窗從遠探測器非彈凈譜提取Si、Ca、C和O產額 (能窗區的計數除以全能譜有效區的總計數)，按5.32～6.80 MeV能窗從俘獲譜提取YCa。

刻度井條件下模擬與實測遠探測器C/O與YCa數據列于表1。由表1數據結果可知，模擬與實測數據的相對標準偏差均小于1.5%，說明模擬精度較高，模擬數據能再現測井響應規律，模擬數據可用于解釋方法的建立和解釋參數的確定。

圖2 模擬能譜與實測能譜對比的實例Fig.2 Examples of comparison between simulated spectrum and measured spectrum

地層類型?模擬C/O實測C/O相對標準偏差模擬YCa實測YCa相對標準偏差飽和水16.8%0.492 00.492 4-0.08%0.198 00.199 3-0.65%砂巖地層20.4%0.488 70.489 2-0.10%0.192 30.194 3-1.01%26.0%0.483 10.485 4-0.47%0.185 10.186 3-0.64%28.9%0.480 20.480 9-0.15%0.182 10.182 7-0.36%33.8%0.474 90.475 9-0.21%0.178 30.177 30.56%飽和油15.8%0.529 70.530 1-0.08%0.199 80.201 1-0.67%砂巖地層21.4%0.539 40.532 81.24%0.191 00.193 5-1.33%25.0%0.546 70.540 91.07%0.186 30.187 3-0.53%28.7%0.554 30.554 30.00%0.182 40.182 40.00%33.8%0.565 90.573 1-1.26%0.178 30.178 7-0.23%

3 鈣質的影響與校正

保持數值模擬模型中測井儀與井眼柵元參數不變，只改變地層柵元的材料配比，分別用石英和方解石模擬地層骨架中砂質和鈣質，考察骨架鈣質含量范圍0～100%、孔隙度0～40%、孔隙中飽和油或水的地層中VCa對C/O、YCa的影響。

3.1 鈣質對C/O和YCa的影響

部分PNST遠探測器測井參數的模擬結果示于圖3，近探測器測井參數變化規律與之相似。圖3中曲線為模擬數據光滑后的結果，離散點為測井儀在刻度井中的實測數據，砂巖和灰巖分別表示地層骨架為純石英和純方解石，孔隙中流體分別是水和油。

C/O數據變化規律：水砂巖地層C/O值隨φ增大而減小，油砂巖C/O值隨φ增大而增大，油砂巖與水砂巖的C/O差值隨著φ增大而增大，在φ固定的條件下C/O值隨So增大而增大，這是砂泥巖條件下C/O資料解釋So的基礎。在φ和So都固定的條件下，隨著地層中鈣質含量增大，C/O值幾乎線性增大，其增大速率與φ和So值有關，水灰巖與水砂巖C/O差值隨著φ增大而略有減小，油灰巖與油砂巖C/O差值隨φ增大而略有增大，C/O值對灰巖中So變化的靈敏度比砂巖的稍高。

YCa數據呈現如下特點：砂巖YCa值隨著φ增大而減小；在VCa和φ固定的條件下，YCa值與So無關，YCa值隨著VCa增大而線性增大，其增大速率與φ有關。盡管從俘獲譜提取的YCa受井眼與地層中Cl元素含量影響，但由于地層水礦化度低、碳氧比測井時普遍用清水壓井，在大慶油田適合用YCa校正鈣質對C/O解釋So的影響。

3.2 鈣質校正方法

圖3 C/O與YCa隨著巖性與φ變化Fig.3 C/O and YCa change along with lithology and φ

其他參數不變時C/O隨著VCa增大而增大，將鈣質造成的C/O增量記為ΔC/OCa。它隨VCa變化的速率受φ和So影響，其中So的影響較小，可忽略，求得ΔC/OCa與VCa和φ的近似關系。在不同φ條件下，用So=50%時灰巖與砂巖C/O差值，除以灰巖與砂巖YCa差值，得到VCa影響二者的比例系數；用YCa測井值與砂巖YCa的差值，乘以該比例系數，可計算出ΔC/OCa。近、遠探測器C/O的校正方法相同，以PNST遠探測器為例，推導出：

ΔC/OCa=(5.67-25.0φ+43.2φ2)·

[YCa-(0.234-0.273φ+0.312φ2)]

(2)

用公式(3)對C/O測井值進行鈣質影響校正：

C/Ocorr,Ca=C/O-ΔC/OCa

(3)

再將C/Ocorr,Ca作為測井值，使用砂泥巖剖面的碳氧比測井資料解釋方法，求取So。

以YCa增量校正C/O增量，當儲層φ變化較小時，可將C/O曲線與YCa曲線按一定比例尺疊合，用于減除VCa造成的C/O增量，直觀且易調參，實用性更強。

4 鈣質校正方法的應用

FXX-J+XX井位于大慶油田長垣南部，開采層是碳氧比測井資料易受地層中含鈣質影響的葡萄花層。對該井中1號至4號層進行密閉取心，取心分析鈣質占巖心質量的0.2%～25.2%，平均占2.0%。完井后隨即進行了PNST測井，因此將PNST碳氧比測井資料解釋So與取心分析So對比，驗證測井解釋結果是否準確。

鈣質校正前、后的PNST碳氧比測井資料解釋結果示于圖4。GR和SP分別是反映巖性與層位的自然伽瑪和自然電位曲線；SICA、COR和CA分別是PNST測井反映砂泥質含量的Si/Ca曲線、反映地層含碳量的C/O曲線和反映鈣質含量的Ca產額曲線，為了簡化圖幅，圖中只顯示了遠探測器相應曲線；SOCORE是取心分析So數據，SWCO和SWI是碳氧比測井解釋含水飽和度Sw和束縛水飽和度Swi，其中Sw=100%-So。由圖4結果可知，在這4個層的取心處，2號層的C/O測井值因儲層中存在鈣質而偏高，經鈣質校正后C/O值和解釋So明顯降低；1號層和3號層不含鈣質，使用與其他層相同的C/O基線，鈣質校正后解釋So略有升高。

不同層取心分析So與鈣質校正前、后的測井解釋So對比結果列于表2。由表2結果可以看出，鈣質校正后的測井解釋結果與取心分析結果取得了更好的符合，說明該鈣質校正方法能夠有效提高碳氧比測井的解釋精度，得到更為準確的解釋結果。

圖4 鈣質校正前后解釋結果對比Fig.4 Comparison of the results before and after calcium correction

層位深度/m取心So鈣質校正前鈣質校正后測井So相對標準偏差測井So相對標準偏差11 446.8561.2%55.29%-5.91%59.17%-2.03%1 446.9847.8%44.66%-3.14%46.63%-1.17%21 454.3842.9%52.07%9.17%45.71%2.81%1 454.6936%40.15%4.15%37.18%1.18%31 474.8138.1%44.53%6.43%48.18%10.08%1 475.0749%41.94%-7.06%49.41%0.41%1 475.6948.4%42.62%-5.78%47.99%-0.41%1 475.9854.6%45.84%-8.76%52.69%-1.91%1 476.1360.6%51.76%-8.84%55.71%-4.89%1 476.9654%45.4%-8.6%51.64%-2.36%1 477.1366.7%45.77%-20.93%63.38%-3.32%1 477.2567.6%48.923%-18.677%70.994%3.394%1 477.7328.6%39.59%10.99%38.91%10.31%41 491.0739%33.59%-5.41%33.79%-5.21%1 491.1733.8%34.22%0.42%33.48%-0.32%

5 小結

(1) 按大慶油田常規套管井條件建立了PNST測井的數值模擬模型，以測井儀在砂巖刻度井的實測數據校驗了模型：模擬能譜與實測能譜的相關系數R2>0.995；模擬與實測C/O和俘獲Ca產額的相對相對標準偏差均小于1.5%。

(2) 數值模擬研究結果表明，孔隙度與含油飽和度相同地層的C/O與俘獲Ca產額均隨地層鈣質含量增大而線性增大。

(3) 利用俘獲Ca產額曲線，建立了C/O曲線受鈣質影響的校正方法。對比結果顯示，鈣質校正后的測井解釋結果與取心分析的含油飽和度數據符合度更高，說明針對在大慶油田應用的PNST碳氧比測井，本研究提出的鈣質校正方法能夠有效提高含鈣地層的含油飽和度解釋精度。

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