饱和度测井方法对比研究

·基础科学·饱和度测井方法对比研究申本科吕彦平李军吴洁中国石化石油勘探开发研究院0引言饱和度是储集层定量属性的重要参数之一[1-2]，在油气储量计算中也是重要参数之一[3-4]，因此饱和度评价是储集层定量评价的核心之一[5]。尽管油基泥浆、岩心密闭取心资料能够准确提供精确的储集层饱和度信息，但其价格比较昂贵，因此测井技术提供储集层饱和度是地质家主要使用的方法，搞清不同饱和度测井方法及使用条件有着现实的意义[6]。自从1927年法国斯伦贝谢兄弟开创电测井以来，电阻率测井和自然电位测井始终是十分重要的测井方法，我国从1939年也开展了电测井工作，它从初期的普通电阻率测井（也即横向测井）发展为阵列电测井[7]。1941年Archie先生在美国达拉斯石油工程与矿业学会上宣读了关于利用电阻率测井确定储集层参数的著名论文，1942年Archie正式发表了对电测井具有划时代意义的公式，奠定了电阻率测井油气水层饱和度的理论基础[8]。过套管电阻率测井一直是测井作业的一个理想，通过测定套管泄漏到临近地层中的电流理论上获得地层电阻率，1972年，一项法国专利颁给了一种使用六个电极和两步测量法的测井方法，使得过套管电阻率测井进行商业应用成为可能，1994年，美国科罗拉多州RifleMWX-2气井上实现了首次成功，为老油田井电阻率监测打下了良好的基础[9]。介电测井是用来测量井下地层的介电常数，由于地层水的介电常数为71～81，原油的介电常数为2～2.4，天然气介电常数为1，岩石骨架介电常数为4～9，当储层的孔隙度达到一定数值时，含油气层的介电常数与水层的介电常数有明显的差别，据此可以划分油、气、水层，并给出储层的油气水饱和度[10]。脉冲中子饱和度测井有热中子寿命测井和碳氧比能谱测井，热中子寿命测井是测量地层中中子寿命（π）的测井方法，碳氧比能谱测井是测量碳、氧等多种元素含量，实际测量时，采用比值法，测量上述两个数的比值，这样做，一方面由于油层中多碳、水层中主要含氧，取C/O，能更灵敏的反映油水层；另一方面，取比值，可以消除仪器中子产额不稳定带来的影响。目前，这两种方法是确定剩余油饱和度的测井方法中比较成熟的方法[11]。1解释模型的比较1.1电阻率测井解释模型－经典的Archie公式根据岩电实验研究成果，Archie最早提出了油摘要：通过对比电阻率测井、介电常数测井、中子寿命测井与碳氧比能谱测井求取储层的饱和度测井方法，发现电阻率测井应用范围较广，储层孔隙度大于3％，充填孔隙的地层水的矿化度范围在20000～100000mg/l(NaCl)之间较好；介电常数测井对于低矿化度的水层识别有独到之处，特别是对于淡水水淹引起的高阻水淹层，对于矿化度较高的低阻油层介电常数测井也是较好的解决方法，储层孔隙度大于6％；中子寿命测井对地层水矿化度较高的储层更为使用；碳氧比能谱测井的使用范围是孔隙度大于15％，对于地层水矿化度较低（小于5000PPM）和未知矿化度水层或矿化度变化很大的储层较为使用，也可以用来识别低阻油层。关键词：电阻率测井；介电常数测井；中子寿命测井；碳氧比能谱测井；矿化度；饱和度；低阻油层；高阻水淹层作者简介：申本科（1966-），高级工程师，现为中国石化石油勘探开发研究院工作，主要从事油气田勘探开发评价工作。􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍􀤍2011年第4期总第184期Aug.2011Total184国外测井技术WORLDWELLLOGGINGTECHNOLOGY292011年8月国外测井技术气层电阻率与含水饱和度之间满足的关系式[12]：由于R0在储集层条件下无法直接进行测量，于是Archie通过实验研究建立了饱含地层水时岩石电阻率同岩石孔隙度之间的关系，根据这一关系能够通过岩石孔隙度计算100％饱含水时岩石的电阻率。因此，可直接用于储集层评价的饱和度解释模型为：Archie公式把储集层岩石的电阻率与含油气饱和度联系起来，从而奠定了电阻率测井解释油气层的地质基础，Archie公式中Rt和R0取比值，能够消除一部分孔隙及流体特性变化对结果的影响，突出了含水饱和度这一主要的影响因素。上述实验Archie是在岩样的孔隙度为10～40％，充填孔隙的电解质的矿化度为20000～100000mg/l(NaCl)溶液的条件下完成。1.2介电测井解释模型－Lichtnecker-Rother公式在含淡水的储层中，电阻率测井的解释遇到很大的困难。因此认为地层介电常数测井是确定含淡水储集层含水饱和度的好方法，尤其是淡水水淹的油层，特别是在油层遭受强的水淹后，其电阻率的升高要超过原始未开采的储层电阻率，见实验的R0－Sw的“U”形图版[13]，见图1。根据测出的介电常数和孔隙度值，用对混合物进行了修正的Lichtnecker-Rother（L-R）公式计算储层的含水饱和度Sw，用标准测井参数修改后的公式如下[14]：式中：Sw－含水饱和度；Φ－测量的孔隙度；εmea－测量的介电常数；εma－骨架的介电常数；εw－水的介电常数；εh－油的介电常数；c－介电胶结因子；p－极化因子。根据颗粒的尺寸、形状及骨架材料的排列方位确定c的值，对大多数的砂岩储集层用c＝0.5的值。按经验把极化因子p引入公式，目的是说明水的矿化度对介电测量的影响，当水的矿化度约为10000ppm或低于此值时，p的值近于1.0，而且对公式仅有微小的影响。1.3脉冲中子饱和度测井1.3.1中子寿命测井地层对热中子的俘获特性，是由组成地层的各种元素对热中子的俘获特性决定的，因此，地层的岩石骨架成分、胶结物成分、孔隙中所含流体的成分、体积百分数都影响着流体的成分和体积百分数都影响着地层对热中子的宏观俘获截面值。在含泥质的储集层中，其测井响应方程可以写成如下形式[11]：Σ＝Σma(1-Φ-Vsh)+ΦSwΣw+(1-Sw)ΦΣh+VshΣsh（4）式中，Σ、Σma、Σw、Σh、Σsh分别表示地层、岩石骨架、地层水、原油以及泥质的宏观俘获截面；Φ为地层孔隙度；Vsh为泥质相对体积；Sw为储层含水饱和度。经整理，由上式可以得出含水饱和度的计算公式：解此方程时除Σ由中子寿命测井测得外，还需要知道Φ、Vsh、Σma、Σw、Σh、Σsh等六个参数。其中泥质含量可由自然伽马测井求得，孔隙度由声波、密度或中子测井求得，而各个Σ值最好用交绘图技术求出。1.3.2碳氧比能谱测井碳氧比能谱测井利用14.1百万电子伏特的中子脉冲轰击地层，当中子与地层元素发生非弹性散射后，释放出伽马射线。元素不同，放出来的伽马射线的能谱也不一样，因此，分析所探测到的伽马射线能谱，就可以确定地层所含元素的种类和数量，对于储集层定量分析来讲，最关心的元素是碳和氧，这是由石油和水的化学成分决定的。碳原子非弹性散射伽马射线能谱最突出峰在4.43百万电子伏特处，而氧原子非弹性散射伽马射线能谱最突出峰在6.13百万电子伏特处。测量出两种能量附近的伽马射线强度，就可以计算出地层中碳和氧两种元素的含量，给==（1）()

¥¥=f（2）图1实验的R0－Sw的“U”形图版eefeefee--+-=◊（3）
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=ff（5）302011年第4期出储集层的C/O比值。在实验室模拟中，假定孔隙度和岩性不变化，则含油饱和度So和C/O的关系可由下式给出[15]：式中：(C/O)w－水层的碳/氧比；(C/O)o－油层的碳/氧比；(C/O)log－目的层中测出的的碳/氧比。一般用下面的通式进行：式中，α和b为待定常数，可由岩心分析和生产数据来确定，当采用上式求解储层的含油饱和度时，通常称为一般解释方法。2使用条件的比较由于电阻率测井还可以与岩性曲线组合用于地层对比等地质研究，因此，对于每口井的完井来讲，电阻率测井是必测项目之一，介电常数测井是选测项目，中子寿命测井和碳氧比能谱测井是开发中后期的动态监测项目测井，使用条件有很多不同之处。2.1地层水矿化度的不同利用Archie公式解释储层含水饱和度的方程是在充填孔隙的地层水的矿化度为20000～100000mg/l(NaCl)溶液的条件下完成的，因此对于比较淡和比较咸的地层水Archie公式适用性受到一定限制，即高阻水层和低阻油层的电阻率测井解释较为困难，这时，介电常数测井是一个较好的补充项目，在储集层含有很淡的地层水时，水和油都具有相当高的电阻率，因此无法用电阻率测井划分油水层。由于碳氧比能谱测井对地层水矿化度也不敏感，在完井下套管后进行碳氧比能谱测井也是一个较好的补充，特别是对淡水水淹层储集层的解释方面，图2中注水开发后的含油饱和度曲线就是利用RPM测井解释方法得到的，从图中可以看出，油层发生了不同程度的水淹，在3345.3m以下井段为中—强水淹，而在3338.4～3345.5m未被水淹，是剩余油富集的井段，电阻率在中—强水淹段由于淡水水淹造成的电阻率反而比未被水淹的层段电阻率高，在碳氧比测井解释中饱和度变化正确反映了地下油层的动态变化状况，而裸眼常规测井未能反映这种地层含水饱和度的变化。中国东部某油田TX-7井双频介电测井资料如图3所示，资料表明：该井段的介电常数ε47=13，ε200＝15，与水层数值ε47＝14，ε200＝16相比，无明显的油层特征，处理结果S。为35％，通过分析认为：介电资料是可靠的，常规资料中的电性特征可能是淡水水淹造成的，淡水使得储层的电阻率变大、自然电位幅度变小、计算的含油饱和度偏高。结合动态资料，双频介电资料综合解释该层为强水淹层。本井段随后投产测试，产油5t／d，产水38m3／d，含水88.4％为强水淹层，见图3。证明了用双频介电测井资料解释是正确的。对于地层水矿化度较高达到一定数值后，储层电阻率表现为低阻油层，用电阻率测井也很难区分油水层，这时，介电常数测井和中子寿命测井是两项较好的补充项目，其中中子寿命测井对地层水矿化度较高的储层更为适用。2.2使用储层孔隙度的大小不同利用上述不同方法进行储层饱和度计算时，都与储层孔隙度有直接的相关关系，孔隙度的大小对储层饱和度计算值有很大影响，尽管Archie公式是在岩样的孔隙度为10～40％的实验条件下获得的，但用Archie公式计算储层饱和度时，孔隙度可以小到3％，只是孔隙度越小，储层饱和度的精度要降低。应用介电常数测井计算储层含水饱和度时，孔--=（6）f-=（7）图2注水开发前后饱和度的变化图3中国东部某油田TX-7介电测井成果图申本科，等：饱和度测井方法对比研究312011年8月国外测井技术隙度可以小到6％，见图4，孔隙度小于10％时，计算的储层饱和度的精度降低。碳氧比能谱测井在低孔隙度（Φ＝10～15％）的地层中，只能够定性地区分油、水层；在孔隙度大于15％的储层中，可以定量地计算出储层的含油饱和度，中子寿命测井对孔隙度的要求不高，对低孔隙度储层也能使用。2.3横向探测深度差异电阻率测井已经被广泛地、定性地应用于对比油气开采所钻穿的地层并提供储集层所含流体性质的指示，因此电阻率测井应用于油藏监测的始终，检测油藏中含水饱和度随时间的变化的一个途径是应用直观的衰竭指数，这个指数是基于阿尔奇公式，对于靠天然能量边、底水驱动开发的油藏来说，在测井条件基本一致的情况下，根据阿尔奇公式，可以将衰竭指数通过套管井与