TNIS熱中子成像測井資料解釋系統

李家駿,郭海敏,郭常偉,劉珈辰

(1.長江大學油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室, 湖北 武漢 430100;2.長江大學地球物理與石油資源學院, 湖北 武漢 430100;3.中國石油集團測井有限公司華北分公司, 河北 任丘 062550)

0 引 言

TNIS熱中子成像測井系統(Thermal Neutron Imaging System),簡稱熱中子成像系統,是加拿大GPN公司開發的一種用于油田新老井油氣飽和度的測井系統[1]。其測量原理是中子發生器向地層發射高能的中子脈沖,并由近、遠熱中子探頭探測快中子經過井眼及地層減速以后還沒有被俘獲的熱中子。在熱中子俘獲能力較低的地層仍可以保持相對高的熱中子計數率,在一定程度上改進了傳統中子壽命測井的局限性[2]。在衰減過程中形成的熱中子衰減譜和熱中子成像譜可直觀快速地定性判定油水性質。TNIS不但在中高孔隙度和礦化度地層有很好的適應性,在低孔隙度、低礦化度地層(目前大多數油田生產的難點)相對其他測井方式也具有更高的分辨率[3]。

TNIS在中國油田中應用廣泛,在吐哈油田多地區多井次的測試,證實其在孔隙度大于10%,氯離子濃度大于2.4×104mg/L的低滲透率油藏也可分辨油水層;在吐哈油田雁木西油田,平均孔隙度為22%,總礦化度11.2×104mg/L,Cl-離子濃度(7～9)×104mg/L的地層中,應用效果顯著[4]。大慶油田利用該技術在水驅層系井網調整試驗區進行了9口井的剩余油監測,并成功指導了8項配套措施調整,取得較好的開發效果[5]。

然而,中國油田缺乏與之配套的TNIS測井資料處理解釋軟件。室內的數據處理解釋主要依靠國內GPN的服務公司進行解釋處理,制約了油田解釋人員對資料的利用和解釋精度。在分析TNIS熱中子成像測井的原理和處理方法后,在LEAD3.5測井解釋平臺上開發了一套TNIS熱中子成像測井的數據處理與解釋系統。

該系統的算法采用C++語言編寫,基于LEAD測井系統底層平臺,能夠在主流的Windows平臺上運行。具有操作方便,處理數據快速等優點,與GPN公司所提供的解釋成果和實際采油資料相對比表明,其處理效果已經達到國外公司軟件的同等水平。

1 TNIS熱中子測井數據處理方法

1.1 TNI格式數據解編

GPN公司的TNIS測井儀記錄了一段特定時間內未被俘獲的熱中子數,并由此提取出地層俘獲截面進而計算得到地層含油飽和度。其記錄的數據為*.TNI格式,它是一種二進制文件,為了更好地應用TNIS測井數據,需要對其數據進行數據解編和格式轉換。

TNIS測井儀器記錄從中子發生器發射15 μs后的700 μm時間內的熱中子記數率,并將熱中子衰減譜記錄分成180道[4],其數據的邏輯結構見圖1。

圖1 TNIS測井數據邏輯結構圖

經過數據解編驗證,其數據的字節信息見表1。長、短源距計數率、自然伽馬曲線、比率曲線等信息分別以不同字節寬度共計256 B存放于一個數據記錄中。

表1 TNIS數據格式整體信息

為了準確求取地層宏觀俘獲截面(Σ)需要準確提取地層信息,確定地層區對熱中子計數衰減的貢獻。將得到的熱中子成像譜采取了多次滑動計算Σ,最后取滑動計算的Σ平均值作為最終提取的Σ。

圖2 宏觀俘獲截面求取方法

由于熱中子衰減譜是采用各自相應的時間間隔的計數方式,根據計算點在譜線上滑動求平均的方法得到宏觀俘獲截面。一般選取36個計數點,時間間隔為540 μs,把數據分成6組,每組6個點的計數分別表示為N0,N1,N2,N3,N4,N5,計算地層熱中子壽命為

τ=(τ2-t1)/(lnN1-lnN2)

(1)

實際計算取作

(2)

每組求得的宏觀俘獲截面為

Σj=4550/τj

(3)

(4)

數據解編軟件,可以自動提取自然伽馬曲線、熱中子俘獲譜和熱中子衰減譜等信息,且對求取的Σ曲線采用并高斯12點濾波進行去噪。根據操作人員的需要選取合適的曲線導出,并將其轉化為LEAD和中國軟件均可以識別的WIS格式數據。

1.2 TNIS數據解釋

原始數據解編后得到的地層俘獲截面曲線將進行解釋處理,處理流程如圖3所示。

圖3 TNIS數據解釋處理流程

該解釋系統編寫的解釋方法共5種:簡單圖版法、增強圖版法、Hingle圖版法[6]、體積模型以及雙因子校正模型。解釋方法的選擇需要根據實際的井況進行選取。簡單圖版法主要適用于非均質性弱、孔隙度較高的地層,未考慮泥質含量影響;增強圖版法是基于簡單圖版法的改進;Hingle圖版法需要用地層的電阻率Rt和地層俘獲截面值Σlog作交會圖,但裸眼井電阻率曲線不能反映當前的地層含油飽和度情況,一般只能在檢查井中應用。

圖4為儲層的體積模型。組成地層的介質泥質、骨架和地層的流體分別都有不同的地層俘獲截面[7]。

圖4 儲層體積模型

這些地層介質的綜合俘獲截面曲線測井響應就是整個儲層的俘獲截面曲線即實際所測地層的俘獲截面值,計算公式為

Σlog=Σma(1-φ-Vsh)+ΣwφSw+

Σhφ(1-Sw)+ΣshVsh

(5)

由公式(1)推導得到含水飽和度計算的公式

(6)

式中,Σlog、Σma、Σsh、Σw、Σh分別為地層、巖石骨架、泥質、地層水及烴的熱中子宏觀俘獲截面,c.u.[注]非法定計量單位,1 c.u.=10-3 cm-1,下同;φ為地層孔隙度,小數;Vsh為地層泥質體積含量,小數;Sw為地層含水飽和度,小數。

3種圖版法是采用實際的井數據進行數據交會,得到Σma、Σw、Σh這3個基本的解釋參數,為后續的解釋作準備。圖5為增強圖版法獲取參數的界面,其中,x軸為地層俘獲截面值,y軸為地層的孔隙度,數據點為不同深度點的數據,顏色代表含水飽和度的大小,如圖5中的色標所示。紅色線表示為油線(即含水飽和度為0),藍色線為水線(即含水飽和度為100%),黑色線為含水飽和度為50%的線,通過點擊界面下方水、烴類或骨架后,在交會圖中用鼠標拖動油線或水線使不同含水飽和度的數據點落在相應的區域,以確定水、烴類和骨架的俘獲截面值。

圖5 增強圖版法參數獲取界面

該模型只適用于地層水礦化度較高的地層,只有地層水和油氣的俘獲截面值有區分度,才可以保證所計算的含水飽和度的精度。根據劉珈辰等[7]TNIS測井資料中參數敏感性的研究和大量的油井處理表明,在礦化度較低和泥質含量較高的區域,用體積模型法所計算的含水飽和度偏高。為此,胡冰恒等[2]引入了具有區域特征的雙因子校正體積模型[見式(7)和式(8)]

Σlog=Σma(1-φ-Vsh)+K1ΣshVsh+

K2ΣwφSw+Σh(1-Sw)φ

(7)

Sw=

(8)

如式(8)所示,為了求取含水飽和度,除了體積模型中提到的6個參數外,還需確定K1和K2這2個區域特征參數。其需要針對目標井段,結合裸眼井解釋和實際地質資料,選取至少2段純水層數據代入,通過最優化解出適合解釋井段的特征參數。

針對于參數泥質俘獲截面參數的獲取,可以根據井所在層位的實際情況而定,從其所測的純厚層泥巖段來讀其測量曲線值。還可以距離該層位較近或者該研究層位的別的區塊的分布相對穩定的泥巖段進行讀值,并進行俘獲截面統計分析,得出該段的泥巖俘獲截面。

在實際應用中還可以利用泥巖段油水線相等的方法確定較為準確的泥質俘獲截面值[8],定義油線為孔隙內100%含油,則純油線為

Σo,l=Σma(1-φ-Vsh)+Σhφ+ΣshVsh

(9)

定義水線為孔隙100%含水,則水線為

Σw,l=Σma(1-φ-Vsh)+Σwφ+ΣshVsh

(10)

調整Σsh,在泥巖段使油線Σo,l、水線Σw,l和測井曲線Σlog基本重合,從而得到泥質的俘獲截面值。

2 解釋與應用效果

A井所處區塊的均礦化度為1×104mg/L,平均孔隙度為16%,因此,采用傳統體積模型計算含水飽和度。TNIS解釋系統處理得到的熱中子俘獲譜、熱中子衰減譜和含水飽和度與GPN公司解釋軟件提供的基本一致。

圖6為2種解釋系統獲得的HB油田X區塊A井的解釋成果圖。圖6(a)第1道是巖性剖面;第2道是巖性指示曲線;第3道是俘獲截面曲線;第4道是為飽和度曲線;第5道為熱中子俘獲譜;第6道為熱中子衰減譜;第7道為熱中子俘獲成像;第8道為熱中子衰減成像;第9道為井周成像;第10道為俘獲截面曲線,其中紫色為TNIS解釋系統處理所得曲線,紅色為GPN公司處理得到的曲線。

圖6(b)為GPN公司軟件解釋成果圖。第1道是巖性剖面;第2道是校深曲線;第3道是為飽和度曲線;第4道是為孔隙度曲線;第5道為熱中子俘獲譜;第6道為熱中子衰減譜;第7道為熱中子俘獲成像;第8道為井周成像。

2個系統所計算的含油飽和度誤差均小于4%(見表2)。

圖6 TNIS解釋系統與GPN公司軟件獲得的解釋成果圖對比

層號頂界/m底界/mGPN含油飽和度/%TNIS含油飽和度/%絕對誤差/%7-12436.02436.83.763.840.087-22436.82441.65.26.10.98-12444.52445.616.9614.832.138-22445.62446.80.10.130.038-32446.82448.419.5717.781.798-42448.42457.10.241.331.0992482.12484.65.24.750.45102489.72491.00.051.31.2511-12495.32499.02.311.870.4412-32531.12532.700012-42532.72534.34.365.941.58142559.82563.610.211.080.8815-22567.62568.600017-12581.62582.600017-22582.62584.415.3213.361.96182586.82591.335.4131.93.51192592.32595.917.1816.460.72202601.72603.435.8539.563.71

3 結 論

(1)基于LEAD測井解釋平臺底層開發的TNIS熱中子成像測井資料系統,可以從TNIS測井的原始TNI數據解編處理到含油飽和度計算劃分油水層,功能齊全,流程簡單、操作方便,可以滿足油田現場的應用需求。

(2)處理效果與國外處理軟件水平一致,在低礦化度高泥質含量地層采用雙因子校正模型處理,與試油結論吻合,達到了油田實際生產解釋處理的需要。