不同井眼條件下的隨鉆中子和密度測井響應(yīng)特性研究

付亞平，吳文圣 （油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （中國石油大學(xué) （北京）），北京102249）

尚修盛，龐希順

陳紅喜，袁偉（ 中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)研究院，河北 三河101149）

隨著勘探開發(fā)的深入，我國大斜度井、水平井和分支井?dāng)?shù)量不斷增多，對隨鉆測井的需求量越來越大。隨鉆測井由于其實(shí)效性和巨大的經(jīng)濟(jì)效益，正越來越多地取代電纜測井而成為常規(guī)服務(wù)項(xiàng)目。與電纜測井相比較，隨鉆測井資料是在泥漿侵入地層之前或侵入很淺時(shí)測得，能更真實(shí)地反映原狀地層特征，提高了評價(jià)地層的準(zhǔn)確性。但是，隨鉆測井也面臨不利的測量環(huán)境，直接影響測量結(jié)果的精度，其中井眼條件是影響隨鉆測井測量精度的主要原因之一。井眼條件的影響主要表現(xiàn)在兩方面：一是由鉆桿運(yùn)動(dòng)形成的不規(guī)則井眼形狀，儀器與井壁之間的間隙直接影響測量結(jié)果的精度；二是當(dāng)?shù)貙优c井軸存在明顯的角度，如大斜度井，特別是水平井，往往得不到地層的真值[1～6]。筆者針對隨鉆中子和密度測井，應(yīng)用Monte Carlo通用程序MCNP[7]，研究井眼形狀、井眼尺寸和井內(nèi)介質(zhì)對測量結(jié)果的影響，為隨鉆中子和密度測井?dāng)?shù)據(jù)處理提供理論基礎(chǔ)。該次研究中的中子測井值是長、短源距探測器計(jì)數(shù)之比得到的，沒有考慮實(shí)際儀器常數(shù)。

1 計(jì)算模型設(shè)計(jì)

設(shè)有3種井眼形狀，即圓形井眼、水平井圓形井眼和垂直井橢圓形井眼。其中圓形井眼是指井眼半徑與儀器半徑相同，儀器與井壁之間沒有間隙，把儀器測量值看成是地層真值。對每種類型的井眼，將井眼一周平分為16個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)為22.5°，其中0°方位如圖1所示[8～10]。隨鉆密度測井儀器隨鉆頭一起旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，從0°方位開始計(jì)數(shù)，在每個(gè)扇區(qū)采樣一個(gè)點(diǎn)；隨鉆中子測井儀器通常在井眼一側(cè)180°范圍內(nèi)由6～8個(gè)探測器記錄地層熱中子，但為了便于研究，在這里也讓隨鉆中子測井儀器從0°方位開始，在每個(gè)扇區(qū)記錄一個(gè)熱中子計(jì)數(shù)。隨鉆密度測井儀器的長、短源距分別為38cm和18cm，隨鉆中子測井儀器的長、短源距分別為60cm和35cm。

圖1 井眼形狀及方位

2 隨鉆密度測井

2.1 不同井眼形狀隨鉆密度測井響應(yīng)

計(jì)算時(shí)，設(shè)垂直井橢圓形井眼尺寸為18cm×24cm，水平井圓形井眼直徑為24cm，地層為純砂巖，井眼間隙中為泥漿，密度為1.2g/cm3。計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同井眼形狀隨鉆密度測井響應(yīng)

從圖2中可以看出，在垂直井橢圓形井眼0°到360°的范圍內(nèi)，探測器的γ計(jì)數(shù)大小發(fā)生振蕩起伏；井眼間隙越大，探測器計(jì)數(shù)越大，測量值與地層真值偏差越大。在90°和270°方位上達(dá)到極大值，該值接近于在圓形井眼中得到的數(shù)值，說明在這兩個(gè)方位上，儀器與井壁接觸最好；在0°和180°方位上γ計(jì)數(shù)達(dá)到極小值，與在圓形井眼中獲得的數(shù)值有較大的偏離，說明在這個(gè)方位上，儀器與井壁之間的間隙最大，測量值偏離地層真值最大。在水平井圓形井眼0°到360°的范圍內(nèi)，隨鉆密度測井響應(yīng)在180°方位上達(dá)到極大值，此時(shí)井眼間隙最大，在0°或360°方位上達(dá)到極小值，此時(shí)井眼間隙為0，曲線呈單峰顯示。短源距探測器的響應(yīng)特征與長源距相同，但其計(jì)數(shù)變化幅度要大于長源距，這是因?yàn)槎淘淳嗍芫鄣挠绊懜蟆?/p>

隨鉆密度測井通常采用井周1/4象限計(jì)數(shù)率的平均值作為探測器的計(jì)數(shù)率來求取地層的密度，這里以儀器與井壁之間間隙較小的－45°～45°之間的計(jì)數(shù)平均值作為長源距的計(jì)數(shù)，如圖3所示?？梢钥闯觯怪本畽E圓形井眼和水平井圓形井眼計(jì)數(shù)平均值均大于地層計(jì)數(shù)真值，其中垂直井橢圓形井眼計(jì)數(shù)均值偏離地層真值的程度大于水平井圓形井眼，亦即這兩種井眼中求取的地層密度值均小于地層真值，垂直井圓形井眼中求取的地層密度值較水平井圓形井眼中求取的密度值更小。

2.2 不同井眼尺寸隨鉆密度測井響應(yīng)

計(jì)算時(shí)設(shè)垂直井橢圓形井眼尺寸短軸為18cm，長軸分別為19、20、21、22、23、24cm，水平井圓形井眼直徑分別為19、20、21、22、23、24cm。井眼中泥漿密度為1.2g/cm3，地層為純砂巖。計(jì)算結(jié)果如圖4和圖5所示。

由圖4看出，在0°到360°的橢圓形井眼范圍內(nèi)，由于井壁與儀器之間的井眼間隙變化，不同尺寸垂

圖3 不同井眼的計(jì)數(shù)平均值

圖4 井眼尺寸變化時(shí)橢圓形井眼隨鉆密度測井響應(yīng)

圖5 井眼尺寸變化時(shí)水平井圓形井眼隨鉆密度測井響應(yīng)

直井橢圓形井眼的隨鉆密度測井的響應(yīng)曲線均呈振蕩起伏變化。橢圓形井眼的長軸與短軸差別越大，曲線振蕩起伏越劇烈，在相同方位上，探測器計(jì)數(shù)值越大。這樣，橢圓形井眼的長軸與短軸差別越大，1/4象限的計(jì)數(shù)平均值越大，測量得到的地層密度偏離地層真值越大。

圖5顯示，在水平井圓形井眼中，隨著井眼直徑的增大，由于儀器直徑不變，在0°到360°不同方位處相應(yīng)的井眼間隙增大，探測器計(jì)數(shù)增加，1/4象限計(jì)數(shù)平均值增大，測量得到的地層密度偏離地層真值的程度增加。

2.3 不同井內(nèi)介質(zhì)性質(zhì)隨鉆密度測井響應(yīng)

計(jì)算時(shí)，設(shè)垂直橢圓形井眼尺寸為18cm×24cm，水平井圓形井眼直徑為24cm，地層為純砂巖地層，改變井內(nèi)泥漿密度，使地層與泥漿的密度之差Δρ分別為0.3、0.6、0.9、1.2、1.5g/cm3。計(jì)算結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6和圖7均顯示，地層與井內(nèi)泥漿的密度差值越大，即泥漿密度越小，在井眼間隙不變時(shí)，探測器計(jì)數(shù)越大，在0°～360°范圍內(nèi)，響應(yīng)曲線的變化幅度越大，儀器測量結(jié)果偏離真值越大。

3 隨鉆中子測井

3.1 不同井眼形狀隨鉆中子測井響應(yīng)

計(jì)算時(shí)，設(shè)垂直橢圓形井眼尺寸為18cm×24cm，水平井圓形井眼直徑為24cm，地層為孔隙度30%的含水砂巖，井眼間隙中為水，計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖6 井內(nèi)介質(zhì)改變時(shí)橢圓形井眼隨鉆密度測井響應(yīng)特征

圖7 井內(nèi)介質(zhì)改變時(shí)水平井圓形井眼隨鉆密度測井響應(yīng)特征

圖8 不同井眼形狀隨鉆中子測井探測器計(jì)數(shù)響應(yīng)特征

從圖8中可以看出，井眼間隙大的方位，相當(dāng)于探測器范圍內(nèi)地層孔隙度增加，探測器熱中子計(jì)數(shù)低；在井眼間隙小的方位，相當(dāng)于探測范圍內(nèi)地層孔隙度減小，熱中子計(jì)數(shù)高；這樣在垂直井橢圓形井眼中，計(jì)數(shù)曲線呈正弦狀變化；在水平井圓形井眼中，由于儀器貼靠在井眼的下側(cè)，得到鐘形計(jì)數(shù)分布曲線。長源距探測器的響應(yīng)與短源距相同，但短源距受井眼流體的影響更大，計(jì)數(shù)曲線變化幅度更大。

在隨鉆中子測井中，通常用6或8個(gè)探測器的計(jì)數(shù)率之和來求取地層的中子測井值[10]。按此原理，圖8中3種井眼中求取的中子測井值如圖9所示。從圖9可以明顯看出，水平井圓形井眼和垂直井橢圓形井眼的中子測井值均偏離地層真值，其中水平井圓形井眼偏離程度更大。

3.2 不同井眼尺寸的隨鉆中子測井響應(yīng)

計(jì)算時(shí)，垂直井橢圓形井眼的短軸為18cm，長軸分別為：20、21、22、23、24cm，水平井圓形井眼的直徑為20、21、22、23、24cm。地層為孔隙度30%的含水砂巖，井眼間隙中為水。計(jì)算結(jié)果如圖10和圖11所示。

從圖10和圖11看出，隨著橢圓形井眼長軸尺寸或水平圓形井眼直徑的增大，在0°到360°不同方位上，原有的井眼間隙尺寸增加，探測器計(jì)數(shù)降低；橢圓形井眼長軸或圓形井眼直徑越大，在相同方位 （有間隙），探測器計(jì)數(shù)越小，曲線變化幅度越大。在橢圓形井眼中，當(dāng)長軸增加到一定數(shù)值后，在0°和180°沒有間隙的方位，儀器與井壁的接觸面減小，受井眼流體影響增大，探測器計(jì)數(shù)將小于地層真值。但在圓形井眼中，井眼直徑增加帶來的這種影響較小。因此，在0°或360°方位，探測器計(jì)數(shù)仍然接近地層真值。

圖9 不同井眼形狀隨鉆中子孔隙度測井值

圖10 不同橢圓形井眼尺寸隨鉆中子測井探測器計(jì)數(shù)響應(yīng)

圖11 不同水平井圓形井眼尺寸隨鉆中子測井探測器計(jì)數(shù)響應(yīng)

由圖10和圖11計(jì)算得到的垂直井橢圓形井眼和水平井圓形井眼的中子孔隙度測井值如圖12所示。由圖12可知，隨著垂直井橢圓形井眼長軸或水平井圓形井眼直徑的增加，儀器與井眼之間間隙增加，中子孔隙度測井值逐漸增大，使得求取的地層孔隙度比地層真實(shí)孔隙度偏大。

3.3 不同井內(nèi)介質(zhì)性質(zhì)隨鉆中子測井響應(yīng)

3.3.1 井內(nèi)介質(zhì)成分變化時(shí)

計(jì)算時(shí)，井眼為18cm×24cm的垂直井橢圓形井眼，井內(nèi)介質(zhì)分別為淡水和泥漿，地層孔隙度為30%，孔隙中為淡水。計(jì)算結(jié)果如圖13所示。

由圖13可見，在同一方位，井內(nèi)介質(zhì)為淡水時(shí)的熱中子計(jì)數(shù)大于井內(nèi)介質(zhì)為泥漿時(shí)的熱中子計(jì)數(shù)，這是因?yàn)榈暮瑲渲笖?shù)高于泥漿。也就是說，井內(nèi)介質(zhì)的含氫指數(shù)越高或井內(nèi)介質(zhì)中子減速能力越強(qiáng)，相同方位探測器熱中子計(jì)數(shù)越小，中子孔隙度測井值越大。圖14顯示，井內(nèi)介質(zhì)為淡水時(shí)的中子孔隙度測井值偏離地層真值較大，這說明，井內(nèi)介質(zhì)含氫指數(shù)越高，測量的中子孔隙度將越大于地層真孔隙度。

3.3.2 井內(nèi)流體礦化度變化時(shí)

計(jì)算時(shí)，井眼為18cm×24cm的垂直井橢圓形井眼，井內(nèi)介質(zhì)為水，礦化度分別為10000、20000、30000、40000、50000mg/L，地層為純砂巖，計(jì)算結(jié)果如圖15所示。

圖12 不同井眼尺寸時(shí)計(jì)算的中子孔隙度測井值

圖13 井內(nèi)介質(zhì)變化時(shí)的隨鉆中子測井響應(yīng)

圖14 井內(nèi)介質(zhì)變化時(shí)計(jì)算的中子孔隙度測井值

圖15 井內(nèi)流體礦化度變化時(shí)中子測井響應(yīng)特征

從圖15可以看出，無論是長源距還是短源距，井內(nèi)介質(zhì)礦化度不同，同一方位，探測器的熱中子計(jì)數(shù)不同，這是因?yàn)榈V化度不同，井內(nèi)介質(zhì)對熱中子的吸收作用不同。由圖16可知，井內(nèi)流體礦化度不同，得到的中子測井值變化很小，可以忽略。因此，井內(nèi)流體礦化度對中子測量的結(jié)果幾乎沒有影響，這是因?yàn)殡p源距的補(bǔ)償作用，把井眼流體礦化度對熱中子的俘獲作用補(bǔ)償?shù)袅恕?/p>

4 結(jié) 論

1）當(dāng)井眼不規(guī)則或測井儀器偏向井眼一側(cè)時(shí)，隨鉆中子和密度測井儀器的測量值與地層真值之間出現(xiàn)偏差；垂直井橢圓形井眼長軸與短軸差別越大或水平井圓形井眼的直徑越大，測量值偏離地層真值越遠(yuǎn)。

2）井內(nèi)介質(zhì)密度與地層密度差別越大，隨鉆密度測量值偏離真值越大。井內(nèi)介質(zhì)含氫指數(shù)越大，隨鉆中子測井值與地層真值的偏差越大。

3）井內(nèi)介質(zhì)的礦化度對隨鉆中子測井值幾乎沒有影響。

圖16 井內(nèi)介質(zhì)礦化度變化時(shí)計(jì)算的中子孔隙度測井值

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