Petrophysics 2023年第5期论文摘要翻译

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本期摘要【译者：范雪洁、王佳莹、李亚峰、齐禹宣、张佳慧（研究生），校稿：董旭（副教授），审核：柳波（教授），单位：东北石油大学】

碳储项目综合地层评价——选址、优化与许可

Robert Laronga; Enk Borchardt; Barbara Hill; Edgar Velez; Denis Kemin; Sammy Haddad; Elia Haddad; Casey Chadwick; Elham Mahmoodaghdam; Farid Hamichi

本文基于25年逾80个CCS（碳捕获封存）项目经验，推荐一套咸水层CO2封存测井评价流程。CCS适配解释方法解析储层关键参数、约束井场尺度模型、提供许可流程所需答案、降低特殊CCS项目评估风险（i.e.储集性、可注入性、可控性）。骨架-盐水-非纯CO2三相耦合作用是上述所有问题都面临的挑战。

多数测井、取样和实验技术都是从现有领域改编而来（如提高采收率、地下储气库、非常规储层评估），此外我们也需要一些针对CCS的创新技术。储集性评估首先是用常规方法确定岩性、孔隙度、渗透率和压力，再用特殊岩心分析（SCAL）方法确定CO2储存效率和相对渗透率。可控性评价需要多学科和多方法融合，岩石物理学家依重室内分析量化封存能力，而地质学家则利用井下成像工具来验证盖层结构/构造完整性。地质力学工程师通过MEMs模型（mechanical earth models）计算安全注入压力，需要用经过岩心地质力学、井筒坍塌观测和原状地层应力刻度的先进声波测井数据建立该模型。在严格遵循化学和热力学原理的基础上，通过常见SCAL实验和/或孔隙尺度数字岩心模拟技术研究了水-岩-CO2相互作用。电缆地层测试为SCAL实验提供地层水资料。水样资料既方便作业人员证明其注入的合规性，同时为日后监测建立了测试基线。本文介绍了北美近期CCS项目应用实例。需要把上述所有数据整合到一个CCS模型中，以预测探区内纵向和横向覆盖域的CO2羽流特征。

科钻深井地应力测量——仪器与方法

Jean Desroches, Emilie Peyret, Adriaan Gisolf, Ailsa Wilco Mauro Di Giovanni; Aernout Schram de Jong Siavash Sepehri; Rodney Garrard, Silvio Giger

瑞士北部有三个潜在的“深层地质数据库”选址区，目前正在通过重点地质勘探计划做筛选，该项目是“Sectoral Plan”的一部分。计划钻探8口直井和1口深层斜井，要求每个选址区至少钻探2口直井。使用电缆地层测试器测试每口井地应力（大概20次/井）。分步讲解了地层测试仪器串改进方案，目的是提高地应力测试精度、100%覆盖目标岩性柱。这是业界首次使用带有三个封隔器的单一仪器串，实现套管压裂（SF）、水力压裂（HF）和套管重启（SR）综合测试。本文制定了一份地应力专用测试协议，以确保多种地层地应力测试均有最高的稳定性。同时制定一份详细的实验计划整合所有可用信息，实现测试成功率和站点覆盖率最大化。以低渗透地层为重点，回顾了新仪器串在应用地压力估算闭合应力方面的相关技术，并提供了细致地应力测试示例。本文初步比较并展示了深井科学钻探计划前两个钻孔的应力值。

快速、高分辨率岩心分析探针筛选技术及其在能量传递应用中的潜在用途

Emmanuel Okwoli and David K. Potter

一直以来岩心分析技术主要用在油气储层方面，其实这些技术同样适用于储层能量传递领域（如地热普查、碳封存、氢储）。使用柱塞样是以往大量岩心测试成功的关键，但使用柱塞也有诸多弊端：（1）取心无法有效覆盖所有岩性；（2）遗漏关键特征（e.g. 薄天然胶结带、裂缝带）；（3）丢失层级高分辨率细节；（4）校正深度与测井曲线偏差大；（5）对岩样缺失问题更敏感。本文重点介绍基于块样和碎样的岩心分析探针技术。对于许多与能量传递相关的储层来说，拥有连续高分辨率岩石物性记录是至关重要的，这样关键特征才不会遗漏。探针测试的破坏性小，无需切割规则柱塞，同时能提供诸多信息：（1）层级高分辨率数据，以便识别关键特征和小尺度非均质性；（2）改善测井深度匹配性；（3）数据测试效率高成本低。本文举了一些例子展现不同探针技术的差异性。其中有一些众所周知的技术，像渗透率探针；也有其他一些在岩心分析中比较小众，但适合开展能量传递和储层评价的技术，像声学探针、亮度探针（来自线性X光测量）、磁性探针。例如，地热普查涉及的火成岩、变质岩（主要放射性成因热源所在地）以及沉积岩的磁化率有显著差异，应用小型便携式磁性探针即可快速区分岩石类型。声学探针应用场景：（1）调整声波探头方位开展方向各向异性快速分析；（2）通过长声波时差识别开放微裂缝；（3）利用典型柱塞或测井孔隙度数据校正声波时差，生成高分辨率孔隙度剖面。与密度相关的亮度探针与线性X射线图像结合，用以探测可能影响渗透率变化和各向异性的小尺度非均质性特征，这些是岩心手标本观察实现不了的。

孔隙介质稳态两相流相渗量化方法：基于微流动网络的室内验证

Nikolaos Karadimitriou; Marios S.Valavanides; Konstantines Mouravas; Holger Steeb

一般形式上，多孔介质中两相非混相流体相对渗透率表达式是饱和度的函数。然而，该方程式在人造孔隙网络模型和真实多孔介质流动理论、数模和实验研究中的效果都不理想。这些工作已证实相渗对流速有显著地依赖性，特别是面对流动主体为毛细-毛细粘性主导、不连续非润湿相保持流动性的情况。这些研究强调相渗模型应该包含与流动强度有关的依赖函数。然而，给出这种依赖函数的准确形式任重道远。就在最近，基于孔隙网络稳态两相流DeProF模型的大量模拟结果推导出了该依赖函数的一般形式，证实了相渗整体对局部流动强度的依赖性。这种依赖关系可以用过程实际自变量的通用量化函数形式来描述，即毛细管数Ca和流量比r。该量化函数包含了一个核函数，即内在动态毛细管压力(IDCP)函数，它描述了毛细管和粘度主导的流动转变关系。在一项平行实验研究中，SCAL测试初步从概念上证实了该模型的适用性。

    本文通过在人造微流动网络中同步稳态注射两相非混相流体（涵盖多个Ca和r范围），开展了广泛的岩心前期相渗测试，检验了该量化模型的适用性。

    本文基于上述实验计算了流动性系数，并与相应的流量系数做了对比。本文还提取了对能量利用研究更加高效的IDCP曲线（即临界流动轨迹），该曲线由提供给该过程的单位总功率的非湿相流速以及对等相渗的流动状态轨迹计算得到。本文表明，流速系数和流度系数、IDCP曲线、临界流动轨迹、对等相渗轨迹之间的一致性程度，以及一些相关的不变特征值，可用于评估末端效应、表征毛管流或黏性流。

    本文所述量化方法为强化SCAL标准及相关应用带来了新的思路。这些应用包括：系统和流动条件表征、动态储层分类、毛细末端效应评估，以及高效井场尺度模拟器的发展。此外，它还为设计更节能的EOR方案铺平道路。

CCS延时脉冲中子测井技术：实践学习和关键见解

Robert Laronga; Lee Swager; Ulises Bustos

脉冲中子测井是咸水层CCS（碳捕获与封存）延时监测项目的主要内容，毫无疑问也是注入井和监测井最常用的电缆测井方法。当前政府和运营商重点还是储存点选址和密封性检测，但可预见的是“深度解析大批量独立数据”是大幅释放CCS价值的关键。新仪器推出的功能插件和环境补偿插件，应进一步提高测井技术的重复性、解释性以及它们的价值。

    我们回顾了30条跨度超过15年的延时脉冲中子测井曲线（包括地层sigma、氢指数和快中子截面），它们来自在三个成熟CCS项目中使用过的新老脉冲中子仪器。尽管新仪器自带的新型环境补偿包可以减轻过程量影响，但当两次测试的井眼环境发生变化时过程处理仍需保持警惕。我们基于单物理量时移测试独立计算了CO2饱和度，同时解释了多个独立时移测量的结果，并将结果与裸眼井测井解释、岩心分析和评价阶段试井结果进行了对比研究。发现饱和度的显著变化受注入历史和井周期重要事件综合影响。

    首先发现脉冲中子仪器多种独立物理量测得的表观CO2饱和度通常是一致的，并且它们可能携带有关这口井或储层的额外信息。至于与井配置有关的密封性测试结果，则可能用于区分地层CO2和环空CO2。CO2解译饱和度本身有多种含义，这与采集时间和井类型的差异性有关。测量时机恰当时，它能直接反映地层CO2存储效率。解释结果有时还能反映出注入井近井带地层已经干化，这种情况的发生可能预示着地层失去了可注入性。需要达成的关键共识是，运营商不能死守监管条例不动，应根据需求设计脉冲中子运行时间和频率。

    在一个CCS项目中，延时脉冲中子测井不应被简单视为反映CO2存在和迁移的指示灯。它们能够提供有关迁移路径的重要信息，还可以帮助量化评估时难以定位的储层动态原发不确定性因素。例如，封存效率很难用裸眼井测井量化，因为地层最初的CO2饱和度为零；但它却是确定任一储层终极库容量的关键参数。当与准确历史记录吻合时，时移脉冲中子测井能提供大量地层信息，用于大幅改进CCS储层模型，以更好地对冲经济和运营风险。

钾矿识别图版（PID）：一种商业钾矿快速筛选交汇图

Donald G.Hill;E.Ross Crain; Lawrence WTeutel

钾盐矿物是钾元素（K）的主要来源，可用于制造火药、化肥，还可用于替代钠质调味剂。商业级钾矿都属于蒸发岩类，而且通常是在油气井中发现的。原理在于钾同位素40K具有放射性（衰变为氩-40(40Ar)同时释放伽马射线GR)，油田GR测井钻遇这些蒸发岩层时会显示“异常高值”。

然而，并不是所有的钾矿都可以通过地下开采技术成为商业矿源，钾也不是唯一的放射性元素。例如，新墨西哥州东南部Salado地层McNutt“钾矿”组矿物学极其复杂，它由包含6种低放射度钾矿的多个薄层组成（i.e. 厚度<10 ft），其中只有两种满足商业开采条件。它还包含4种GR值与前述低品位钾矿非常接近的非放射性蒸发盐，其中1种还可能干扰钾盐研磨化学性质、影响诸多粘土岩和标志层（页岩和/或火山岩）识别。

受这种复杂性影响，传统的裸眼井电缆测井(WL)和随钻测井(LWD)钾盐测试技术（如GR测井-岩心分析转换），可能难以识别新墨西哥州南部潜在的商业钾矿（Teufel, 2008）。Crain和Anderson(1966)、Hill(2019)分别开发了线性规划和多矿物分析方法，以从多个钻孔地球物理测量中估计钾盐矿物学和品位。然而，这两种方法都需要大批量的测试多种测井曲线。

在新墨西哥州东南部，钻井工程师用空气钻头钻穿Salado地层蒸发岩(包括McNutt “potash”组)，在不进行裸眼井电缆测井WL情况下完成了原位套管和固井工作。然后，使用水基泥浆将这些井继续钻至下层沉积物设计总深（TD）处。从TD到套管底测了完整的测井序列，在通过套管蒸发盐层时仅记录GR和中子测井，用于地层和构造对比。

因此，基本上新墨西哥州东南部所有近期开发的油井和气井都有通过“Salado”蒸发盐层的套管井伽马测井和中子测井数据。本文作者在2020年（Hill and Crain, 2020）开发了一个简单的仅涉及GR和中子测井的交汇图，可以区分无水和水化钾矿。如果使用得当，这些井的测井数据能够提供快速的钾矿筛析数据库。该技术可用于裸眼井和套筒井测井，以及筒WL测井，并区分商业钾矿和非商业（包括钾盐和非钾盐）放射性矿物。

本文介绍了PID图版在多个蒸发盐盆地的应用史，包括Michigan, Nova Scotia, Saskatchewan和SE New Mexico。该技术或许也可用于全球范围内潜在的钾矿沉积层识别。

复杂岩石泥浆侵入监测——原位X射线高分辨率延时成像技术

Pierre Aerens; D. Nicolas Espinoza, and Carlos Torres-Verdin

裸眼井测井（如电阻率、中子孔隙度或核磁共振）对地下岩石原位物理性质研究意义重大。然而，裸眼井解释结果的不确定性通常会受泥浆滤液、原生流体和岩石孔隙结构影响。这种不确定性即使在均质地层中也存在。井壁沉积泥饼会引入额外的复杂度，影响钻井施工和地层评价。因此，在测井解释时需要考虑后续影响并做合理校正。最近，引入了新的实验流程定量描述实际岩石和流体条件下的泥浆侵入过程，这里以气层为研究对象且不考虑原始饱和流体对侵入过程的影响。研究明白泥浆滤液侵入和滤饼沉积并将其纳入数值和分析模型，才能保障解释测井结果的可靠性和价值最大化。这个目标只能通过实验来实现。

利用x射线微聚焦成像技术实时检测了薄矩形岩样中泥滤液侵入和内外泥饼沉积过程。采用高分辨率实验流程(10-30 μm)模拟井壁和近井带，以便于实现空间复杂岩石中原生流体运移过程的延时可视化测试。将水基和油基泥浆注入最初饱和了一系列不同原生流体(包括黏性液体)的岩石样品中，同时用X射线连续扫描。由于在所有实验中注入的钻井泥浆都是相同的，因此观察到的实验之间的差异源于岩石性质、非均质性和各向异性、或者是初始流体饱和度。

实验结果强调了岩石非均质性和初始原生流体对泥浆滤液侵入引起的流体和泥饼形成的空间分布的影响。对于给定的钻井泥浆，泥浆滤液侵入率和最终平均泥饼厚度在所有情况下都是相似的，这表明控制因素是泥饼性质而不是岩石性质。相比之下，每种岩石样品中流体的空间分布在不同情况下差异显著，突出了岩石非均质性/各向异性对入侵过程的影响。室内实验还强调了粘性和/或毛细力对泥浆滤失行为的影响。该实验方法高效可靠，可以更好地解释泥浆滤液侵入对钻中或钻后地球物理测量结果影响的不确定性。

自然电位和电阻率测井曲线联合反演低渗砂岩饱和度和Qv

Peiqiang Zhao; Yuetian Wang; Gaoren Li; Cong Hu; Jiarui Xie; Wei Duan; Zhiqiang Mao

含油饱和度是一个重要的地层参数，是储层定量评价的基础。然而，泥质砂岩饱和度模型包含的参数要比纯砂岩的多，因此计算这些参数工作量会很大。本研究基于自然电位(SP)测井响应，推导了泥质砂岩在水饱和及油水混合状态下的薄膜电位方程，得到了泥质砂岩自然电位异常幅度的解析方程。在此基础上，分析了SP异常的影响因素。此外，还用SP和电阻率联合反演计算了含油饱和度和单位体积阳离子交换量（Qv）。使用该模型解释SP测井曲线，使用Waxman-Smits模型处理电阻率测井曲线，采用粒子群算法求解目标函数。最后将该方法应用于鄂尔多斯盆地西缘延长油田的长8油层。利用反演参数合成的电阻率和SP测井曲线与现场测井曲线吻合度高。饱和度和Qv反演结果与岩心资料和含油量一致，表明联合反演方法稳定、可靠、准确。

基于岩心实验的测井曲线数值模拟:数据质量控制和改进岩石物理解释的有效方法

Mohamed Bennis, Carlos Tomes-Verdin

对于固相成分复杂、层薄和分布不均的地层来说，测井和实验室测量数据的质量对岩石物理解释的准确性至关重要。本文介绍了一种新方法来校准和验证在空间复杂岩石中获取的岩心数据和测井数据的可靠性。该方法以测井数值模拟为基础，再现了井眼环境条件和仪器性能对测量结果的影响。此外，高分辨率(HR)岩心数据结合岩石类型和多井测量分析技术，共同构建了多层式地层模型。

    该新型岩心测井校准方法成功应用在北海两口贯穿碎屑岩地层井中。数值模拟测井曲线与第一口井的现有测量结果吻合，但第二口井存在较大偏差。基于岩心和数值模拟测井数据对第二口井的核测井曲线做了归一化处理，体积密度和中子孔隙度的评价结果分别改善了5%和20%；不做归一化处理的核测井曲线则会高估储层孔隙度。多井测井曲线对比证实了测量精度的确受到了影响。尽管测井标头没有显示任何明显的问题，但数据质量问题可能还是仪器校准不充分。此外，核磁共振(NMR)孔隙度测井的数值模拟表明各测井曲线的深度存在明显不匹配性。

    基于HR岩心数据的测井数值模拟能够检测出不一致、噪声较大和不准确的测量数据，包括异常井眼环境校正引起岩石物理解释偏差的情况。

基于区域数据集成和流体力学的储层描述强化技术：以墨西哥湾深水层为例

Tarek S. Mohamed；Carlos Torres-Verdin；Oliver C Mullins

正确的储层表征对于油田整个生命周期（包括管理和开发）制定有效决策至关重要。在储层描述的所有组成部分中，水力连通性不确定性最大且常导致产能不佳。传统的连通性评估方法存在不足。地震勘测不具备100%评估横向连通性的能力，因为检测到的可能是透射断层也可能是部分透射断层，还有一些断层低于地震振幅测量的极限值。垂向连通性代表了另一种不确定性，其中压力测量和测井通常无法检测到挡油板，或者无法评估检测到的挡板是否为相关密封件或分流器。尽管已证实传统井下流体分析（DFA）流程能有效表征储层连通性，但需要海量DFA数据，否则额外复杂度会引入额外的不确定性。此外，虽然通过DFA探针测量的稳定沥青梯度能够反映连通性，但正在进行的储层流体地球动力学（RFG）过程（如当前的碳氢化合物充注）可能会阻碍连通性储层的平衡性。因此，需要一种利用所有可用数据的综合评估方法，来克服与中度和重度断陷储层相关的空间复杂性。

    本文介绍了我们团队开展的“墨西哥湾深水区重度断陷油藏连通性评价”项目的最新解释流程。该油田分为5个调查区共有12口井。通过区域井下流体分析（ADFA）技术分析局部连通性，明确了储层尺度连通性。通过集成流体/动态和岩石/静态数据（将每种数据类型的认识综合到一起）增强了结果的一致性减少了不确定性。分析数据包括PVT（压力-体积-温度）报告、压力监测值、测井曲线和地球化学参数。该研究给出了一个可验证的连通性描述结果，例如哪里有断层（之前被视为封闭层，这里重新归为封闭断层或部分透射性断层）、哪里是之前未检测到的断层。本研究检测了断层迁移，估算了断层落差，利用沥青质性质推测了断陷前的原始地层结构。还检测了RFG过程用于探究生物降解作用，在RFG过程中观察到沥青聚集趋向性导致砂岩底面油品粘度更高。本文建立了拟合关系式并成功应用于原油粘度评价。

砂岩酸化过程中螯合剂对致密砂岩地层矿物的影响

Mian Umer Shafig; Hisham Ben Mahmud; Momna Khan; Sophia Nawaz Gishkori; Lei Wang; Maryam Jamil

    化解井眼损伤是砂岩酸化的主要目标。粘土、长石、沸石和铝硅酸盐等矿物的存在增加了酸化工程的挑战性，因为它们与泥浆酸液反应可能会形成无关产物（沉淀物)，这些产物的形成源于二级和三级反应。本文使用了螯合剂，用以避免因使用常规酸剂与矿物反应而形成沉淀物。螯合剂具有高渗透和低反应率的优点。使用3种螯合剂HEDTA (ydroxyethylethylenediaminetriacetic acid)、GLDA（tetrasodium glutamate diacetate）和EDTA (ethylethylenediaminetriacetic acid）在围压1000 psi和温度180°F下与Colton砂岩地层发生反应。对反应后的岩心样品分别进行不同类型的测试，分析了螯合剂对岩心性质的影响。这些分析包括元素、矿物、粒度、孔隙度、颗粒和密度。由于Colton砂岩本身非常致密，螯合剂在元素分析中的作用效果并不理想。从矿物分析来看，HEDTA溶解石英、针铁矿、正长石和方解石的效果优于GLDA和EDTA。孔隙度分析报告显示，HEDTA与Colton砂岩发生反应产生的次生孔隙最多。