欠平衡條件補(bǔ)償中子測井校正的蒙特卡羅研究

張海花,于華偉,朱 頔,孫建孟

(1.勝利油田鉆井工藝研究院,山東東營257000;2.中國石油大學(xué)地球資源與信息學(xué)院,山東青島266555)

欠平衡條件補(bǔ)償中子測井校正的蒙特卡羅研究

張?；?,于華偉1,朱 頔2,孫建孟2

(1.勝利油田鉆井工藝研究院,山東東營257000;2.中國石油大學(xué)地球資源與信息學(xué)院,山東青島266555)

利用蒙特卡羅方法,通過分別改變井眼中的含氣量、地層礦化度和孔隙度,研究了井眼中含氣量從0～100%變化及地層水礦化度(0～250 000 mg/L)對補(bǔ)償中子測井的影響。將模擬結(jié)果與前人實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了基準(zhǔn)檢測。研究表明,隨著井眼中含氣量增加,探測器計數(shù)率增加,但是利用近遠(yuǎn)計數(shù)率比求得的視中子孔隙度反而迅速降低,而地層水礦化度的變化會使氣體井眼時的孔隙度靈敏度降低。針對CN-241補(bǔ)償中子測井儀,給出了在欠平衡條件下使用井眼泥漿含氣量和地層礦化度校正圖版,為今后進(jìn)行欠平衡條件下測井解釋和地層評價打下了基礎(chǔ)。

補(bǔ)償中子測井;欠平衡條件;氣體鉆井;礦化度;蒙特卡羅模擬

0 引 言

隨著人們對低孔隙度低滲透率含氣砂巖儲層保護(hù)意識的增強(qiáng),欠平衡鉆井技術(shù)越來越廣泛地采用于鉆井過程中[1]。由于補(bǔ)償中子測井儀器是在充滿淡水的井眼中刻度的,所以欠平衡條件下井眼中氣體的存在會對補(bǔ)償中子測井的結(jié)果有很大的影響。司馬立強(qiáng)[2-3]通過對比空氣井和常規(guī)情況的測井曲線,發(fā)現(xiàn)補(bǔ)償中子測井受井中空氣的影響,視中子孔隙度基本為負(fù)值且變化率很小。趙平等人[4]分析了氣體鉆井液和泡沫鉆井液下,補(bǔ)償中子測井值受井內(nèi)流體中含氫量的影響。為了研究欠平衡條件下的不同鉆井液類型對補(bǔ)償中子孔隙度測井的影響,吳文圣[5]利用蒙特卡羅模擬研究發(fā)現(xiàn)井眼直徑較小時,欠平衡測井資料可以正常應(yīng)用。王新光[6]利用蒙特卡羅模擬,研究了鉆井液的密度變化對中子孔隙度測井的影響。但是前人的工作僅使用較簡單的理想模型分析了欠平衡條件的影響,沒有考慮儀器的實際結(jié)構(gòu),也沒有考察由地層熱中子吸收截面引起的補(bǔ)償中子測井響應(yīng)變化,因此,所得研究結(jié)果不能真正用于測井解釋的校正過程中。

本文針對CN-241增強(qiáng)型補(bǔ)償中子測井儀,建立詳細(xì)的蒙特卡羅計算模型,利用MCNP程序?qū)⒌娜S模型進(jìn)行模擬,在對模擬結(jié)果與儀器實測結(jié)果基準(zhǔn)檢測之后,研究了各種井眼流體類型、泥漿含氣量、地層熱中子吸收性質(zhì)對補(bǔ)償中子孔隙度測井的影響,給出可用于實際工程應(yīng)用的校正圖版。

1 欠平衡條件和補(bǔ)償中子測井原理

1.1 欠平衡鉆井條件

欠平衡鉆井又稱負(fù)壓鉆井,是指在鉆井過程中井底壓力低于地層壓力,地層流體有控制地進(jìn)入井筒并循環(huán)至地面的鉆井技術(shù)。現(xiàn)今廣泛采用欠平衡鉆井技術(shù)來發(fā)現(xiàn)和保護(hù)氣層、避免儲層受鉆井液污染、提高單井產(chǎn)能和勘探開發(fā)成功率。目前常見的欠平衡鉆井液有氣體鉆井液、充氣鉆井液、泡沫鉆井液以及乳化鉆井液等[7]。

1.2 補(bǔ)償中子測井原理

補(bǔ)償中子測井是用同位素中子源在井眼中向地層發(fā)射快中子,在離源距離不同的2個觀測點(diǎn)上,用熱中子探測器測量經(jīng)地層慢化并散射回井眼來的熱中子,并使用近遠(yuǎn)2個探測器計數(shù)率的比值來確定地層孔隙度[8]。用 φt(r)表示均勻無限介質(zhì)中熱中子距源r處的通量為

式中,φt(r)為熱中子在 r處通量;r為觀察點(diǎn)離點(diǎn)源的距離;Lf、Lt分別為快中子減速長度和熱中子擴(kuò)散長度;Dt為熱中子擴(kuò)散系數(shù)。從式(1)看到,熱中子通量的分布不僅決定于地層的快中子減速性質(zhì)Lf,而且還與地層的吸收性質(zhì)(Dt,Lt)有關(guān)。因此,用熱中子求孔隙度必須解決2個問題:減低地層的熱中子吸收性質(zhì)對測量值的影響;克服井眼影響。

在常規(guī)測井條件下,井眼中充滿流體,由于流體中含有大量能對快中子起減速作用的氫元素,所以快中子在井眼中衰減很快,探測器探測到的熱中子大部分是地層的貢獻(xiàn)、井眼的影響較小。因此,采用足夠大的源距,并取2個探測器計數(shù)率的比值求取孔隙度,在很大程度上補(bǔ)償了地層吸收性質(zhì)和井眼環(huán)境對孔隙度的影響,同時提高了儀器靈敏度;而在氣體井眼中,井眼中能讓快中子衰減的物質(zhì)很少,探測器得到的計數(shù)率主要由通過井眼傳播并在探頭附近熱化的中子所控制,地層傳來的熱中子只占其中很小部分,此時即便用比值的方法也無法補(bǔ)償?shù)艟酆偷貙訜嶂凶游招再|(zhì)的影響[9-10]。這樣,2個探頭的孔隙度靈敏度更為接近,當(dāng)取近遠(yuǎn)計數(shù)率比值時,如按原標(biāo)準(zhǔn)處理其孔隙度靈敏度大大降低。

2 蒙特卡羅計算模型與基準(zhǔn)檢測

2.1 計算模型

利用MCNP程序進(jìn)行模擬時,參照邱益香等建造的CN-241補(bǔ)償中子測井模擬模型,構(gòu)建了詳細(xì)的儀器、井眼和地層的三維模型[11-12](見圖1)。井眼直徑為20 cm,地層為飽含淡水的石灰?guī)r地層,測量時儀器緊靠井壁。儀器模型中,中子源選用源強(qiáng)為20 Ci的各向同性241Am-Be柱狀體源,其能譜選用國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO-8529推薦的241Am-Be源能譜。近遠(yuǎn)探測器選用2個構(gòu)造相同但內(nèi)部氣壓、大小不同的3He熱中子探測器,其氣壓分別為10 atm和4 atm(非法定計量單位,1 atm=0.1 M Pa,下同),每個探測器均有一定的靈敏響應(yīng)區(qū),長度分別為10 cm和30 cm,長短探測器的源距分別取32 cm和64.3 cm。使用體通量計數(shù)器分別記錄2個探測器柵元中的熱中子通量,進(jìn)而計算出與熱中子通量成正比的探測器計數(shù)率。每次模擬時抽樣1×108個源中子,通過合理使用蒙特卡羅技巧,使每次模擬結(jié)果的統(tǒng)計誤差小于2%。

圖1 補(bǔ)償中子測井的蒙特卡羅計算模型

2.2 基準(zhǔn)檢測

使用MCNP程序雖然克服了對空間-時間-能量-方向多維問題的系統(tǒng)復(fù)雜性的限制,但一些核測井研究工作的儀器、井眼、地層的建模處理往往理想化和簡單化,缺少基準(zhǔn)校正,計算結(jié)果的統(tǒng)計性和準(zhǔn)確性就存在問題。這樣的工作可給出一般的趨勢性結(jié)果,但不能反映儀器、井眼、地層的特殊性,不適用于對定量精確度要求較高的實際應(yīng)用。

基準(zhǔn)檢測研究是以實驗測量結(jié)果為準(zhǔn),分析MCNP模擬結(jié)果與實驗測量結(jié)果間存在的差異及其原因,并設(shè)法合理調(diào)整MCNP模型及相應(yīng)參數(shù),盡量減小誤差,從而在合理可接受的誤差范圍內(nèi)確認(rèn)MCNP計算模型。經(jīng)基準(zhǔn)校正后的MCNP模型方可在所達(dá)到的誤差水平上用于特定型號儀器輸出的、具有實際應(yīng)用性的定量計算工作[13]。

在標(biāo)準(zhǔn)的裸眼井條件下,用蒙特卡羅模擬計算出不同孔隙度時的近遠(yuǎn)探測器計數(shù)率,且每次模擬時抽樣1×108個源中子。為了驗證研究結(jié)果的可靠性,將蒙特卡羅模擬結(jié)果與CN-241補(bǔ)償中子測井儀的實測實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對(見圖2)。

利用蒙特卡羅模擬得到的近、遠(yuǎn)探測器的計數(shù)率與實驗測量的結(jié)果數(shù)值上非常接近、規(guī)律吻合得非常好,由此得到的近遠(yuǎn)計數(shù)率比值與實驗結(jié)果基本重合、精度相對較高。這說明模擬計算結(jié)果基本可靠,可用來定量考察各種影響因素對實際儀器測量的影響。

3 欠平衡條件對補(bǔ)償中子測井影響

3.1 井眼內(nèi)物質(zhì)組成的影響

圖2 模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的基準(zhǔn)檢測

補(bǔ)償中子測井儀在標(biāo)準(zhǔn)裸眼井條件下刻度。標(biāo)準(zhǔn)裸眼井條件是指常溫、常壓、井眼直徑為20 cm且充滿淡水、儀器偏心貼壁放置、地層為飽和淡水的純灰?guī)r的情況。在欠平衡測井時,井眼內(nèi)不再充填淡水,此時整個的標(biāo)準(zhǔn)條件被改變,為了校正欠平衡條件對補(bǔ)償中子測井的影響,分別用蒙特卡羅模擬了井眼物質(zhì)組成以及地層熱中子吸收性質(zhì)等因素的影響。

由于補(bǔ)償中子測井儀是在淡水井眼中刻度的,而欠平衡條件時井眼內(nèi)填充的不再是淡水,有可能是空氣、天然氣、氮?dú)饣蚝瑲饽酀{等物質(zhì)。這種井內(nèi)物質(zhì)組成的變化,使得測井條件不再符合刻度時的標(biāo)準(zhǔn)條件,這會對補(bǔ)償中子測井結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。

為考察不同井眼填充物質(zhì)對補(bǔ)償中子測井響應(yīng)的影響,使用蒙特卡羅模擬分別研究了井眼中充填淡水、氮?dú)庖约昂瑲饬坎煌亩喾N含氣泥漿的情況。模擬時選取井眼直徑為20 cm,地層為飽含淡水的灰?guī)r,儀器貼壁測量,井眼填充物質(zhì)分別選取純淡水和含氮?dú)?0%、40%、60%、80%的淡水以及純氮?dú)獾任镔|(zhì)進(jìn)行考察,每一種井眼填充物質(zhì),模擬地層孔隙度從0～50%變化的情況,模擬結(jié)果見圖3。圖3中0表示的是不含氣的純淡水,100%表示的是完全為氮?dú)獾那闆r。

如圖3,當(dāng)井眼中含有一定比例的氣體之后,近遠(yuǎn)計數(shù)率比值與淡水鉆井液相比會下降,并且含氣比例越大近遠(yuǎn)計數(shù)率比越小,這使得所計算出的視地層孔隙度也降低。這是由于井內(nèi)氣體的含氫指數(shù)小于淡水,其對快中子的減速能力較差。此時,探測器探測到的大部分熱中子是直接從井筒而不是地層傳過來的,因此近、遠(yuǎn)探測器計數(shù)率都會明顯增大,并且遠(yuǎn)探測器計數(shù)率會比近計數(shù)率增大幅度更明顯,從而得其近遠(yuǎn)計數(shù)率比反而下降。

圖3 井眼不同含氣量近遠(yuǎn)計數(shù)率比與孔隙度關(guān)系

特別是當(dāng)井眼中完全充填氮?dú)鈺r,所求得的視地層孔隙度完全為負(fù)值。此時,測量結(jié)果已經(jīng)完全失真,要進(jìn)行準(zhǔn)確的測井解釋和地層評價,就必須要對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。

3.2 地層熱中子吸收性質(zhì)的影響

在補(bǔ)償中子測井中,熱中子通量同時受快中子減速、熱中子吸收及井眼的影響。在充滿流體的井眼中,流體中含有大量的氫元素,由于氫對快中子的減速能力最強(qiáng),所以快中子在井眼中快速衰減,探測器測到的熱中子絕大部分來自地層。此時井眼的影響降至最低,使用近遠(yuǎn)計數(shù)率比值的方法可以補(bǔ)償?shù)魺嶂凶游諏紫抖扔嬎愕挠绊?。而在氣體井眼中,井眼中能讓快中子衰減的物質(zhì)很少,探測器得到的計數(shù)率主要由通過井眼傳播并在探頭附近熱化的中子所控制,地層傳來的熱中子只占其中較小部分,此時即便用比值的方法也無法同時補(bǔ)償?shù)艟酆偷貙訜嶂凶游招再|(zhì)的影響。

由于地層中常見的熱中子俘獲截面最高的物質(zhì)是氯元素,而氯主要存在于地層中的礦化水中。所以,為了分析欠平衡條件下地層熱中子吸收性質(zhì)對補(bǔ)償中子測井的影響,使用蒙特卡羅模擬,針對地層水礦化度為100 000 mg/L和250 000 mg/L的情況,研究了井眼中分別充填淡水和充氣鉆井液(30%氮?dú)?70%淡水)時的補(bǔ)償中子測井響應(yīng),模擬的井眼和地層參數(shù)見表1,計算結(jié)果見圖4。

表1 模擬各種井眼和地層參數(shù)

圖4 淡水或氣體井眼時近、遠(yuǎn)探測器對不同礦化度地層響應(yīng)

如圖4所示,當(dāng)使用充氣泥漿時,由于井眼中氫元素的減少,近和遠(yuǎn)探測器的計數(shù)率都比充滿淡水時要高,并且遠(yuǎn)探測器的計數(shù)率要大于近探測器。另外,使用充氣泥漿時,隨著礦化度的增加近、遠(yuǎn)探測器計數(shù)率降低都非常快,但當(dāng)井眼中填充淡水時,即使地層礦化度增加,其計數(shù)率變化并不是太大。這說明欠平衡條件下探測器的響應(yīng)比常規(guī)條件受到地層礦化度的影響更大。此時,若再使用以前的礦化度校正圖版必然會對實際定量解釋工作帶來偏差,必須重新進(jìn)行礦化度的校正研究。

4 欠平衡條件的校正

圖5 井眼泥漿含氣量校正圖版

通過上面的分析可知,欠平衡條件與常規(guī)條件相比,補(bǔ)償中子測井主要受到了井眼內(nèi)物質(zhì)含氫量和地層熱中子吸收性質(zhì)的影響。研究使用蒙特卡羅模擬,通過定量研究不同含氣飽和度泥漿和地層礦化度對孔隙度的影響,然后與實際地層孔隙度進(jìn)行對比,分別得到了井眼泥漿含氣量和地層礦化度對補(bǔ)償中子測井影響的校正圖版(見圖5和圖6)。在進(jìn)行地層礦化度研究時,以地層孔隙中飽含淡水、使用充氣鉆井液(30%氮?dú)?70%淡水)的條件作為標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 欠平衡條件地層水礦化度影響校正圖版

如圖5所示,隨著井眼中含氣量的增加所求視中子孔隙度反而會降低,并且地層的孔隙度越大其視中子孔隙度誤差越大,甚至在井眼中完全充滿氣體時中子孔隙度會出現(xiàn)負(fù)值。而從圖6中可知,隨著地層孔隙度的增大,其視中子孔隙度增大,且孔隙度越大受地層水礦化度的影響越強(qiáng),需要校正的量也越大。

5 結(jié)束語

針對CN-241補(bǔ)償中子測井儀,使用蒙特卡羅模擬,先把各種地層模擬結(jié)果與前人實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行基準(zhǔn)檢測,然后在結(jié)果可靠的基礎(chǔ)上,研究了欠平衡測井條件下,不同井眼物質(zhì)組成和地層礦化度對補(bǔ)償中子孔隙度測井的影響。研究發(fā)現(xiàn),雖然隨著井眼中含氣量的增加探測器計數(shù)率增加,但是利用近遠(yuǎn)計數(shù)率求得的視中子孔隙度反而會迅速降低,而礦化度的變化會使氣體井眼時的孔隙度靈敏度降低。通過研究,得到了CN-241補(bǔ)償中子測井儀在欠平衡條件下使用井眼泥漿含氣量和地層礦化度校正圖版,解決了實際生產(chǎn)中的校正問題,為今后進(jìn)行欠平衡條件下測井解釋和地層評價打下了基礎(chǔ)。

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Monte Carlo Applied to Correction of Compensated Neutron Logging in Under-balanced Condition

ZHANG Haihua1,YU Huawei1,ZHU Di2,SUN Jianmeng2
(1.Drilling Technology Research Institute,Shengli Oilfield Company,Dongying,Shandong 257000,China; 2.College of Geo-resources and Information,China University of Petroleum,Qingdao,Shandong 266555,China)

Monte Carlo simulation method w as used to study the effect of gas saturations in the hole(0～100%)and salinity(0～250 000 mg/L)by changing borehole gas saturations,formation salinities and po rosities to compensate neutron logging.In o rder to guarantee the reliability of simulation results,simulation resultswere compared to the experimental data.The detector’s counting rate increasesw ith the increasing of gas saturation in the hole,but apparent neutron porosity calculated by near-far counting rate ratio w ill sharp ly decrease and the porosity sensitivity in gas hole w ill reduce by changing fo rmation salinities.Bo rehole mud gas content and fo rmation salinity correction charts in under-balanced condition for CN-241 compensated neutron logging tool aremade p reliminarily,w hich laid a foundation for under-balanced logging interp retation and formation evaluation in future.

compensated neutron logging,under-balanced condition,air-filled drilling,salanity, Monte Carlo simulation

1004-1338(2010)05-0419-05

P631.84

A

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863)項目“隨鉆測井核心探測器關(guān)鍵技術(shù)研究”(2006AA 060105)

張?；?高級工程師,從事隨鉆測量儀器研制工作。

2010-06-02 本文編輯 王小寧)