隨鉆脈沖中子測(cè)井識(shí)別天然氣的數(shù)值模擬

張 鋒 袁 超 侯 爽 王新光

1.中國石油大學(xué)(華東)地球資源與信息學(xué)院 2.中石油測(cè)井重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國石油大學(xué)(華東)研究室

隨鉆脈沖中子測(cè)井識(shí)別天然氣的數(shù)值模擬

張 鋒1,2袁 超1,2侯 爽1,2王新光1,2

1.中國石油大學(xué)(華東)地球資源與信息學(xué)院 2.中石油測(cè)井重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國石油大學(xué)(華東)研究室

由于天然氣具有密度低、黏度小等特點(diǎn),利用3種孔隙度資料可以定性識(shí)別天然氣層,但定量評(píng)價(jià)存在困難。為此,在隨鉆過程中依據(jù)天然氣與油、水的含氫指數(shù)不同,利用脈沖中子測(cè)井技術(shù)記錄的近、遠(yuǎn)探測(cè)器熱中子或俘獲伽馬計(jì)數(shù)率比的相對(duì)變化量來定量確定含氣飽和度;在此基礎(chǔ)上,利用蒙特卡羅方法建立計(jì)算模型,模擬不同井眼和地層條件下脈沖中子測(cè)井遠(yuǎn)近探測(cè)器記錄的熱中子或伽馬計(jì)數(shù),研究其比值與含氣飽和度的測(cè)井響應(yīng)。結(jié)果表明:油水層和氣層的計(jì)數(shù)相對(duì)變化量能反映地層的含氣飽和度,孔隙度越大,相對(duì)比值越大,對(duì)氣層的定量評(píng)價(jià)越準(zhǔn)確;巖性、泥質(zhì)含量、地層水的礦化度、井眼流體和尺寸以及鉆井液侵入等因素都會(huì)對(duì)天然氣地層的脈沖中子測(cè)井響應(yīng)產(chǎn)生影響?？傊?利用脈沖中子測(cè)井技術(shù)可以定量評(píng)價(jià)天然氣層,對(duì)提高天然氣識(shí)別能力和氣田高效勘探開發(fā)具有重要意義。

天然氣 地層 脈沖中子測(cè)井 含氣飽和度 影響 因素 蒙特卡羅法

中國天然氣工業(yè)經(jīng)歷了近10年的快速發(fā)展,天然氣儲(chǔ)量進(jìn)入新的增長高峰期。但是天然氣勘探具有埋深大、物性差、圈閉條件復(fù)雜的特點(diǎn),其發(fā)現(xiàn)難度逐漸增大。目前在常規(guī)天然氣層的識(shí)別和評(píng)價(jià)方法很多,主要包括聲波時(shí)差與中子伽馬曲線重疊、雙孔隙度重疊、三孔隙度重疊、差值或者比值法、縱波時(shí)差差比法、核磁共振測(cè)井、成像測(cè)井、補(bǔ)償中子時(shí)間推移測(cè)井、巖性密度測(cè)井、熱中子衰減時(shí)間測(cè)井、碳氧比測(cè)井等[1-4]。近年來脈沖中子測(cè)井技術(shù)在氣層的識(shí)別和評(píng)價(jià)過程中發(fā)揮了重要作用,Trcka D等[5]利用儲(chǔ)層動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)儀(RPM)不同探測(cè)器的非彈伽馬計(jì)數(shù)比值建立了與含氣飽和度的響應(yīng)關(guān)系,Hamada G M[6]等利用中子壽命和過套管電阻率測(cè)井進(jìn)行砂巖氣層含烴物質(zhì)監(jiān)測(cè)。

隨鉆條件下利用電阻率來判斷油氣層,但由于電阻率相差不大,很難定量確定含氣飽和度。斯倫貝謝公司在新一代隨鉆測(cè)井儀器增加了地層宏觀俘獲截面測(cè)量,Gauthier P J等[7]結(jié)合隨鉆電阻率和地層宏觀俘獲截面來確定含油飽和度,取得了較好的效果。由于天然氣含氫指數(shù)低且具有挖掘效應(yīng),其對(duì)中子的作用與油和水存在較大差別,通過脈沖中子測(cè)井技術(shù)得到的遠(yuǎn)近探測(cè)器的熱中子或俘獲伽馬計(jì)數(shù)率比,建立其相對(duì)變化量與孔隙度的響應(yīng)關(guān)系,可以定量確定含氣飽和度。利用蒙特卡羅方法模擬不同孔隙度、巖性等地層和井眼條件下的中子分布,研究熱中子或俘獲伽馬計(jì)數(shù)率比值和含氣飽和度的響應(yīng)及井眼和地層因素對(duì)確定含氣飽和度的影響,為隨鉆條件下天然氣儲(chǔ)層含氣飽和度的定量評(píng)價(jià)提供技術(shù)支持。

1 確定含氣飽和度的方法

新型集成隨鉆測(cè)井儀器包括方位自然伽馬測(cè)量、伽馬—伽馬密度測(cè)量和脈沖中子測(cè)量等3部分,而脈沖中子測(cè)量不僅能確定孔隙度,還可確定地層宏觀俘獲截面、元素含量以及中子伽馬密度等多種地層參數(shù)。

天然氣和原油的元素成分比較接近,但其密度比原油和水小得多,含氫指數(shù)遠(yuǎn)小于油和水,天然氣地層的熱中子通量分布會(huì)因氫的含量降低而有所變化,利用不同源距探測(cè)器的熱中子計(jì)數(shù)可以反映地層的含氣特性。

根據(jù)脈沖中子測(cè)井技術(shù)得到的近、遠(yuǎn)探測(cè)器的熱中子或俘獲伽馬計(jì)數(shù)比值為:

式中 N1、N2分別為近探測(cè)器和遠(yuǎn)探測(cè)器的熱中子或俘獲伽馬計(jì)數(shù)率;r1、r2分別為短源距和長源距;Lf為地層的快中子減速長度。

顯然飽含氣層的計(jì)數(shù)比值分別為:

式中Lfg為氣層的快中子減速長度。

參照Trcka D[5]提出反映含氣飽和度的非彈性散射伽馬計(jì)數(shù)比值,定義熱中子或俘獲伽馬計(jì)數(shù)比值的相對(duì)變化量參數(shù)(D)為:

不同孔隙度和含氣飽和度地層的快中子減速長度(Lf)不同,其D也不同;利用孔隙度資料和 D的響應(yīng)關(guān)系可定量確定含氣飽和度。

2 蒙特卡羅模擬方法

MCNP[8]是一種能夠模擬連續(xù)能量的中子、光子、電子、中子/光子和光子/電子粒子在任意幾何形狀介質(zhì)中的輸運(yùn)過程,在核測(cè)井方法基礎(chǔ)和應(yīng)用研究中發(fā)揮了巨大作用。

利用蒙特卡羅方法建立隨鉆條件下的計(jì)算模型,井眼直徑為20 cm;地層徑向半徑分別為10～70 cm、長為120 cm的柱體,把整個(gè)地層劃分成環(huán)距為7.5 cm、厚度5 cm的相鄰柵元,地層分別填充不同巖性、孔隙度和流體的物質(zhì);測(cè)井儀器外徑為45 mm,脈沖中子源處于儀器左端15 cm處,脈沖寬度為3μs,長、短源距分別為72.5 cm和42.5 cm。為了簡化模擬過程,沒有考慮熱中子探測(cè)器 He-3管的響應(yīng),中子源和探測(cè)器間放置理想屏蔽體(圖1)。模擬時(shí)選取的截面數(shù)據(jù)庫為ENDF/B-V I.0,采用F4柵元計(jì)數(shù)方式,記錄熱中子的時(shí)間譜道寬為30μs,記錄時(shí)間間隔為30～1 800μs,得到長短源距處的熱中子時(shí)間譜,研究利用遠(yuǎn)近探測(cè)器熱中子計(jì)數(shù)比值相對(duì)變化量的方法來定量評(píng)價(jià)氣層。

圖1 計(jì)算模型圖

3 模擬結(jié)果及討論

3.1 含氣飽和度和孔隙度不同時(shí)的測(cè)井響應(yīng)

利用上述計(jì)算模型,井眼內(nèi)流體為淡水,地層為分別飽含油和氣的砂巖,其中油的密度為0.87 g/cm3,天然氣(CH4)的密度為0.2 g/cm3,在地層孔隙度為30%,改變含氣飽和度依次為 0、20%、40%、60%、80%和 100%,含氣飽和度分別為 0、20%、50%和80%,改變孔隙度依次為 10%、15%、20%、25%、30%、35%和40%時(shí),模擬記錄遠(yuǎn)近探測(cè)器處的熱中子計(jì)數(shù),得到不同含氣飽和度時(shí)D與孔隙度的關(guān)系曲線(圖2)。

圖2 D與含氣飽和度、孔隙度的關(guān)系圖

由圖2可以得到:遠(yuǎn)近探測(cè)器熱中子計(jì)數(shù)率比的相對(duì)變化量與孔隙度和含氣飽和度都有關(guān);在孔隙度一定時(shí),D隨地層含氣飽和度的增加呈線性減小,D能夠反映含氣飽和度的大小;含氣飽和度一定時(shí),D隨孔隙度的增加而增加,且含氣飽和度越小這種變化越劇烈;孔隙度越大時(shí)不同含氣飽和度引起的D的差異越大。故利用脈沖中子測(cè)井技術(shù)得到的遠(yuǎn)近探測(cè)器熱中子計(jì)數(shù)率比的相對(duì)變化量和孔隙度資料可以確定含氣飽和度,且孔隙度越大的地層越有利于評(píng)價(jià)氣層。

3.2 巖性和泥質(zhì)含量的影響

其他條件不變時(shí),地層孔隙中分別飽含油和氣,骨架分別為砂巖和石灰?guī)r,改變地層的孔隙度,模擬得到的熱中子計(jì)數(shù)比相對(duì)變化量與孔隙度的變化關(guān)系見圖3-a。在考慮泥質(zhì)時(shí),泥質(zhì)由細(xì)砂、黏土和水組成,體積百分比分別為8%、72%和20%,黏土礦物包括20%的蒙脫石、21%的伊利石、24%的綠泥石、20%的高嶺石和5%黑云母,密度為2.215 68 g/cm3,泥質(zhì)含量分別為0、20%和40%的砂巖地層時(shí)D與孔隙度的關(guān)系如圖3-b所示。

圖3 不同巖性和泥質(zhì)含量地層的D與孔隙度的關(guān)系圖

由圖3可以看出:砂巖地層和石灰?guī)r地層的相對(duì)比值(D)隨孔隙度的變化趨勢(shì)相同,在孔隙度較小時(shí)變化較大,當(dāng)孔隙度增加到一定程度時(shí)開始變緩;孔隙度較小時(shí)不同巖性引起D的差異較小,隨著孔隙度的增加地層巖性不同D的差異越大;孔隙度相同時(shí)下砂巖地層的D要比石灰?guī)r地層的大,原因是石灰?guī)r對(duì)中子的減速能力比砂巖大;泥質(zhì)含量引起的D的差異隨孔隙度的增加而增加,且孔隙度相同時(shí)泥質(zhì)含量越大D越小。因此利用熱中子計(jì)數(shù)率比相對(duì)變化量確定含氣飽和度時(shí)受巖性和泥質(zhì)含量的影響,砂巖地層對(duì)氣反應(yīng)靈敏,泥質(zhì)含量越大對(duì)確定地層含氣飽和度越不利。

3.3 地層水礦化度的影響

利用同樣的計(jì)算模型,分別飽含不同礦化度地層水和氣的砂巖地層,其中地層水礦化度分別為0、30 000、50 000和100 000μg/g,改變地層孔隙度,模擬得到熱中子計(jì)數(shù)相對(duì)比值與孔隙度的關(guān)系(圖4)。

圖4 地層水礦化度不同時(shí)砂巖地層的D與孔隙度的關(guān)系圖

由圖4可以看出:不同礦化度地層水時(shí)熱中子計(jì)數(shù)率相對(duì)變化量(D)仍隨孔隙度的增加而增加,地層水礦化度越高變化越快;同一孔隙度條件下,地層水礦化度越大時(shí),D越大,主要由于地層水礦化度越大,對(duì)遠(yuǎn)近探測(cè)器處熱中子俘獲的能力差異越大。因此地層水礦化度越高越有利于含氣評(píng)價(jià),但需對(duì)地層水礦化度的影響進(jìn)行校正。

3.4 井眼尺寸和流體的影響

其他計(jì)算條件不變,井眼內(nèi)流體分別為氣(CH4,密度為0.19 g/cm3)、淡水和30 000μg/g的礦化水,地層為飽含油和氣的砂巖,依次改變地層的孔隙度,模擬得到熱中子計(jì)數(shù)比的相對(duì)變化量與孔隙度的關(guān)系(圖5-a);同樣其他條件不變,井眼內(nèi)充滿氣,井眼直徑為分別為20、22.827、27.907 cm和30.447 cm時(shí)的關(guān)系如圖5-b所示。

由圖5可以看出:低孔隙度地層井眼流體不同引起的相對(duì)比值差異較小,高孔隙度地層差異較大,且井眼內(nèi)充滿氣時(shí)相對(duì)變化量(D)越小,對(duì)確定含氣飽和度越不利;井眼內(nèi)流體為水時(shí),礦化度的高低對(duì)D的影響很小。在孔隙度一定的地層,井眼尺寸越大時(shí)D越小,這是主要是因?yàn)榫哿黧w為氣,井眼直徑越大挖掘效應(yīng)影響越大,故井眼尺寸越大越不利于含氣飽和度的評(píng)價(jià)。

3.5 鉆井液侵入的影響

計(jì)算模型不變,建立孔隙度為15%和30%飽含天然氣的砂巖地層,井眼內(nèi)充滿淡水鉆井液,其礦化度為5 000μg/g,密度為1.334 02 g/cm3,向井軸周圍均勻侵入深度分別為0、3、6、9、12、15、18、21、24、27、30、33、36、39、42、45、48、51、54、57、60 cm,在不考慮泥餅的理想條件下,利用前面相同的方法得到響應(yīng)關(guān)系如圖6所示。

圖5 不同井眼條件下砂巖地層的D與孔隙度的關(guān)系圖

圖6 2種孔隙度砂巖地層的D與鉆井液侵入深度的關(guān)系圖

由于天然氣的含氫指數(shù)小于鉆井液,隨著侵入深度的增加,遠(yuǎn)近探測(cè)器熱中子計(jì)數(shù)率比的相對(duì)變化量也隨之增加,增加至30 cm左右時(shí)幾乎不再發(fā)生變化,且孔隙度不同的地層受鉆井液侵入深度的影響差別不大。因此在識(shí)別氣層時(shí)要考慮到鉆井液侵入的影響,但在隨鉆測(cè)井過程中鉆井液侵入深度很淺,脈沖中子測(cè)井受其影響很小,實(shí)際資料處理時(shí)可忽略鉆井液侵入的影響。

4 結(jié)論

1)由于天然氣和油水的含氫指數(shù)不同,利用脈沖中子測(cè)井技術(shù)記錄的近、遠(yuǎn)探測(cè)器熱中子或俘獲伽馬計(jì)數(shù)率比的相對(duì)變化量隨含氣飽和度的增加呈線性減小,可以定量確定含氣飽和度。

2)利用熱中子或俘獲伽馬計(jì)數(shù)比相對(duì)變化量確定含氣飽和度時(shí)受井眼和地層條件影響,通過利用蒙特卡羅模擬研究得到:相對(duì)變化量隨孔隙度增加而增加,孔隙度越大越有利于評(píng)價(jià)含氣飽和度;孔隙度相同時(shí),砂巖地層的相對(duì)變化量比石灰?guī)r地層的大,而泥質(zhì)含量越小,地層水礦化度越高,相對(duì)變化量越大,對(duì)確定含氣飽和度越有利。

3)井眼流體為水、井眼尺寸越小時(shí),相對(duì)變化量越大,對(duì)確定含氣飽和度越有利;在高孔隙度地層,井眼流體為氣時(shí)的相對(duì)變化量越小,而井眼內(nèi)水的礦化度對(duì)其影響很小;隨著鉆井液侵入深度的增加,相對(duì)變化量也隨之增加,增加至一定深度不再發(fā)生變化。顯然在利用脈沖中子測(cè)井技術(shù)確定含氣飽和度時(shí)需對(duì)各種影響因素進(jìn)行校正,在實(shí)際應(yīng)用過程中還需進(jìn)一步研究。

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Numer ical Simulation of gas detection through pulsed-neutron logging-while-drilling

Zhang Feng1,Yuan Chao1,2,Hou Shuang1,2,Wang Xinguang1,2
(1.School of Geo-resources and Inform ation,China University of Petroleum,Dongying,Shandong 257061, China;2.Key L aboratory of Well Logging,China University of Petroleum,Dongying,Shandong 257061,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 30,ISSUE 10,pp.18-21,10/25/2010.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

A lthough qualitative identification of gas reservoirs is possible by using neutron po rosity,density po rosity and acoustic porosity data,it is very difficult to perfo rm quantitative evaluation due to low density and low viscosity of natural gas.Therefo re,w hile drilling,according to different hydrogen indexesof gas,oil and water,gas saturation can be calculated quantitatively by using a parameter D,i.e.the relative variation of the ratio between thermal neutron/cap ture gamma ray count ratesof near detector and thatof far detector.On basis of this,a calculation model is built by using the Monte Carlo method to simulate the thermal neutron o r capture gamma ray counts reco rded by the near and far detectors in different bo reholes w ith different geologic conditions.The relationship between D and gas saturation is established.The simulation results show that the parameter D can reflect gas saturation of a reservoir.The higher the porosity is,the larger the D becomes,and themo re accurate the quantitative evaluation of gas layers w ill be.Various factors,such as lithology,shale content,formation water salinity,bo rehole size,fluid type,and drilling mud invasion, can affect the pulsed-neutron logging response of gas layers.In summary,this technology of gas detection through pulsed-neutron logging-w hile-drilling can be used to quantitatively evaluate gas layers,and thus it is of great significance fo r gas detection and highly efficient exp loration and development of gas fields.

natural gas,formation,pulsed-neutron logging,gas saturation,impact,facto r,Monte Carlo method

張鋒等.隨鉆脈沖中子測(cè)井識(shí)別天然氣的數(shù)值模擬.天然氣工業(yè),2010,30(10):18-21.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.10.004

國家自然科學(xué)基金(編號(hào):40774058、40874065)、國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(編號(hào):2006AA 060104)和山東省自然科學(xué)基金(編號(hào):Y2007E02)。

張鋒,1970年生,副教授,博士;從事核測(cè)井方法、應(yīng)用及核測(cè)井儀器最優(yōu)化設(shè)計(jì)和巖石放射性測(cè)量等研究工作。地址:(257061)山東省東營市北二路271號(hào)。電話:(0546)8390251。E-mail:zhfxy_cn@upc.edu.cn

(修改回稿日期 2010-08-02 編輯 韓曉渝)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.10.004

Zhang Feng,associate p rofesso r,born in 1970,is engaged in research of nuclear logging method and app lication,op timal design of nuclear logging tools,and rock radiometry.

Add:No.271,Bei’er Rd.,Dongying,Shandong 257061,P.R.China

Tel:+86-546-8390 251 E-mail:zhfxy_cn@upc.edu.cn