隨鉆D-T中子孔隙度測(cè)井低靈敏度和巖性影響校正方法研究

于華偉,楊錦州,張 鋒

(1.中國(guó)石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東青島266580;2.勝利油田鉆井工藝研究院,山東東營(yíng)257000; 3.中石化隨鉆測(cè)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東東營(yíng)257000)

隨鉆D-T中子孔隙度測(cè)井低靈敏度和巖性影響校正方法研究

于華偉1,楊錦州2,3,張 鋒1

(1.中國(guó)石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東青島266580;2.勝利油田鉆井工藝研究院,山東東營(yíng)257000; 3.中石化隨鉆測(cè)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東東營(yíng)257000)

為了提高隨鉆氘-氚(D-T)中子孔隙度測(cè)井的測(cè)量精度,通過研究其在多種巖性、孔隙度地層中的響應(yīng),對(duì)比與化學(xué)源的響應(yīng)差異,分析所測(cè)孔隙度靈敏度及精度偏低的原因,并提出對(duì)應(yīng)的校正方法。結(jié)果表明:由于D-T源能量較化學(xué)源高,地層密度對(duì)含氫指數(shù)測(cè)量影響增強(qiáng),使得隨鉆D-T中子孔隙度測(cè)井地層孔隙度靈敏度偏低,且受到泥頁巖效應(yīng)的影響較大;密度校正后,地層孔隙度靈敏度顯著提高,且受到巖性的影響降低,尤其是泥頁巖效應(yīng)幾乎被完全消除。因此,通過對(duì)隨鉆D-T中子孔隙度測(cè)井結(jié)果的校正,測(cè)量靈敏度和精度都得到大幅提高,可以較好地替代化學(xué)源測(cè)量地層中子孔隙度。

隨鉆中子孔隙度測(cè)井;氘-氚中子發(fā)生器;孔隙靈敏度;泥頁巖效應(yīng);密度校正;蒙特卡羅模擬

中子孔隙度測(cè)井是石油勘探過程中使用的最常規(guī)的測(cè)井方法之一,用來確定地層的孔隙度、計(jì)算地層的產(chǎn)油能力以及識(shí)別氣層等。中子孔隙度測(cè)井儀器最初使用Am-Be化學(xué)中子源,但這對(duì)工作人員和周圍環(huán)境都存在著潛在的危害[1]。2005年Schlumberger公司開始在隨鉆過程利用氘-氚(D-T)中子發(fā)生器進(jìn)行補(bǔ)償熱中子孔隙度測(cè)井,雖然可以消除化學(xué)源的危害,但儀器在高孔隙地層中響應(yīng)動(dòng)態(tài)范圍較Am-Be化學(xué)源小[2]。Ellis等[3](2007)研究了高能D-T源對(duì)隨鉆中子孔隙度測(cè)量的影響,認(rèn)為雖然使用D-T源受環(huán)境影響較小,但其對(duì)地層的孔隙度靈敏性稍低,且泥頁巖效應(yīng)比化學(xué)源大。于華偉(2009)[4]、張鋒(2010)[5]研究認(rèn)為D-T孔隙度靈敏度較低,不易于識(shí)別高孔隙度地層。Xu等[6](2009)認(rèn)為D-T隨鉆測(cè)量中子孔隙度靈敏度偏低問題是受到了地層密度的影響,尤其是在泥頁巖地層測(cè)量精度會(huì)下降。目前,國(guó)內(nèi)學(xué)者也正在積極研制使用中子發(fā)生器的隨鉆中子孔隙度測(cè)井儀器,但若要完全替代測(cè)井儀器中的Am-Be化學(xué)源,則需要對(duì)其影響因素進(jìn)行分析,從而提高地層孔隙度靈敏度和測(cè)量精度。筆者針對(duì)使用D-T中子發(fā)生器的隨鉆中子孔隙度測(cè)井,采用蒙特卡羅數(shù)值模擬方法研究其在不同孔隙度的砂巖、灰?guī)r、白云巖及多種類型泥頁巖地層中的響應(yīng);通過分析地層密度對(duì)高能中子輸運(yùn)以及隨鉆D-T中子孔隙度測(cè)量的影響,提出中子孔隙度的密度校正方法。

1 中子源及中子孔隙度測(cè)井

傳統(tǒng)的補(bǔ)償中子孔隙度測(cè)井使用Am-Be中子源和兩個(gè)3He管熱中子探測(cè)器(分別為近探測(cè)器和遠(yuǎn)探測(cè)器)測(cè)量經(jīng)過地層慢化并散射回井眼的熱中子;由于氫是最強(qiáng)的中子減速劑,因此用近、遠(yuǎn)探測(cè)器計(jì)數(shù)率的比值測(cè)定地層含氫指數(shù)。由于氫通常含于地層孔隙內(nèi)的流體中,所以含氫量與地層孔隙度有關(guān),由此可測(cè)量地層孔隙度[7]。

目前常用于替代Am-Be化學(xué)源進(jìn)行孔隙度測(cè)量的可控源為D-T中子發(fā)生器,它們的主要特征參數(shù)見表1。由于D-T源所釋放的為單能的14 MeV快中子,中子能量比Am-Be源更高,進(jìn)入地層的減速長(zhǎng)度大,熱中子在地層中的分布范圍更寬;另外D-T發(fā)生器的中子產(chǎn)額比Am-Be源高一個(gè)數(shù)量級(jí),可以有效提高隨鉆中子孔隙度測(cè)井的熱中子計(jì)數(shù)率和統(tǒng)計(jì)精度。

表1 D-T和Am-Be中子源特征Table 1 Properties of D-T and Am-Be neutron sources

2 計(jì)算模型

本文中使用在核探測(cè)領(lǐng)域廣泛使用的蒙特卡羅模擬程序(MCNP),構(gòu)建了儀器、井眼和地層的三維模型[8]。隨鉆D-T中子孔隙度測(cè)井儀器主要包括一個(gè)中子發(fā)生器、兩個(gè)3He中子計(jì)數(shù)管以及相應(yīng)的電路和機(jī)械部件。近、遠(yuǎn)兩個(gè)探測(cè)器的源距分別為26、64 cm,中子發(fā)生器與近探測(cè)器之間及近、遠(yuǎn)探測(cè)器之間都放置屏蔽體。近、遠(yuǎn)探測(cè)器選用兩個(gè)大小和內(nèi)部氣壓都不相同的3He中子計(jì)數(shù)管,其氣壓分別為4.04×105和10.10×105Pa。井眼直徑為21.59 cm,儀器直徑為17.145 cm、居中放置,井眼和地層孔隙中都充填淡水。圖1為MCNP構(gòu)建的數(shù)值計(jì)算模型,儀器各部件都偏心放置于鉆鋌內(nèi),鉆鋌中間的通道為鉆井液通道。

圖1 儀器的計(jì)算模型Fig.1 Numerical computation model of logging tool

模擬時(shí)使用MCNP中的通用源(SDEF),D-T中子發(fā)生器的能量為14 MeV的單能快中子,Am-Be中子源能量選用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO-8529推薦的能譜分布。選擇使用體通量探測(cè)器分別記錄兩個(gè)探測(cè)器柵元的熱中子通量,每次模擬時(shí)抽樣2×108個(gè)源中子,使每次模擬結(jié)果的統(tǒng)計(jì)誤差小于2%。

3 D-T中子孔隙度響應(yīng)

3.1 D-T和Am-Be源中子孔隙度響應(yīng)對(duì)比

為了對(duì)比兩種源的隨鉆中子孔隙度測(cè)井儀器的響應(yīng)差別,本文中分別研究?jī)x器基于D-T發(fā)生器和Am-Be兩種中子源在飽含淡水石灰?guī)r(孔隙度0%～100%)和鋁土(泥頁巖的一種主要成分,骨架密度3.8 g/cm3,取孔隙度為45%飽含淡水的情況)地層中的響應(yīng)。為了便于比較,將使用Am-Be源的響應(yīng)與D-T源響應(yīng)在孔隙度為10%時(shí)做歸一化處理,其近遠(yuǎn)計(jì)數(shù)比值與地層孔隙度的關(guān)系如圖2所示。本文中僅考慮使用兩種源的響應(yīng)特性,沒有考慮探測(cè)器的放大倍數(shù)及其他特性。

圖2 兩種源中子孔隙度測(cè)井響應(yīng)Fig.2 Responses of neutron porosity logging using two type sources

如圖2所示,兩種源對(duì)應(yīng)的近遠(yuǎn)比值都隨著孔隙度的增加而增加,但在高孔隙處,使用D-T中子發(fā)生器得到的近遠(yuǎn)比要明顯低于Am-Be化學(xué)源,且動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)較小,即對(duì)地層孔隙度的靈敏度較小。

另外,圖2中兩種源響應(yīng)曲線中代表鋁土地層的數(shù)據(jù)點(diǎn)都偏離飽含水灰?guī)r的關(guān)系曲線。將鋁土地層得到的近遠(yuǎn)探測(cè)器比值轉(zhuǎn)換為視石灰?guī)r孔隙度后,得到的Am-Be和D-T源的視中子孔隙度分別為57%和大于100%。由于地層實(shí)際的孔隙度為45%,因此使用Am-Be源時(shí)受到的影響相對(duì)較小,而使用D-T源時(shí)測(cè)量得到的孔隙度結(jié)果超過了100%,結(jié)果已經(jīng)完全失真。

3.2 D-T源巖性影響

使用Am-Be源的隨鉆中子孔隙度測(cè)井要受到地層巖性的影響,測(cè)量后須進(jìn)行相應(yīng)的巖性校正,但是在泥頁巖地層的影響仍然難以消除[7]。為了詳細(xì)考察使用D-T中發(fā)生器的隨鉆中子孔隙度儀器在各種地層的響應(yīng),分別選擇飽含淡水的砂巖、石灰?guī)r和白云巖地層,以及飽含淡水的各類泥頁巖(主要成分為鋁土、黑云母和伊利石、海綠石、綠泥石等黏土礦物,性質(zhì)見表2),模擬研究?jī)x器在這些地層的中子孔隙度響應(yīng),近遠(yuǎn)探測(cè)器計(jì)數(shù)率比值與地層含氫指數(shù)(IH,即地層相對(duì)于純水的含氫濃度)之間的關(guān)系如圖3所示。

由圖3看出,儀器在砂巖、白云巖和石灰?guī)r地層的響應(yīng)曲線并不重合,這是由于地層巖性的差異造成的,此規(guī)律與傳統(tǒng)的Am-Be源響應(yīng)是一致的。但是5個(gè)泥頁巖數(shù)據(jù)點(diǎn)都與這三條曲線偏離較遠(yuǎn),且并無較好規(guī)律,特別是在地層含氫指數(shù)較大的時(shí)候。這進(jìn)一步說明泥頁巖或泥質(zhì)的存在對(duì)使用D-T發(fā)生器的隨鉆中子孔隙度測(cè)井影響非常大,不能忽視,必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)男Ｕ?/p>

表2 各種泥頁巖類型Table 2 Various types of shale

圖3 各種巖性地層的D-T隨鉆中子孔隙度測(cè)井響應(yīng)Fig.3 Responses of D-T neutron porosity LWD in various rocks

4 影響因素分析及校正方法研究

4.1 影響因素分析

Gilchrist(2008)[9]研究認(rèn)為:盡管氫在中子減速過程中起到極其重要的作用,但補(bǔ)償中子孔隙度測(cè)井測(cè)量的并不僅是地層的含氫指數(shù)。Am-Be源釋放的平均能量為4.5 MeV的中子,以與地層原子核發(fā)生彈性散射為主,由于地層中發(fā)生彈性散射能力最強(qiáng)的是氫元素,因此其響應(yīng)主要反映地層的含氫指數(shù)或孔隙度,受其他因素影響較小。D-T發(fā)生器釋放的14 MeV的高能中子,首先是發(fā)生非彈性散射使中子能量降低,然后才以彈性散射為主,而快中子的非彈性散射主要與地層的密度相關(guān)[10],因此在不考慮地層熱中子吸收影響的情況下,熱中子探測(cè)器響應(yīng)主要取決于地層的含氫指數(shù)和地層密度兩個(gè)因素[3,6]。如要測(cè)量與地層孔隙度相關(guān)的含氫指數(shù),則須消除密度對(duì)其影響。

4.2 校正方法

由于熱中子探測(cè)器響應(yīng)主要是地層含氫指數(shù)和密度的貢獻(xiàn),可以表示為

式中,ρb為地層體積密度;α、β分別表示探測(cè)器對(duì)于含氫指數(shù)和密度的靈敏度指數(shù)。

中子孔隙度測(cè)量需要校正地層密度影響,假設(shè)近、遠(yuǎn)探測(cè)器響應(yīng)經(jīng)密度校正之后為NCRcor和FCRcor,則校正后的探測(cè)器響應(yīng)只與地層的含氫指數(shù)相關(guān),幾乎不再受地層密度的影響。NCRcor和FCRcor計(jì)算公式如下:

式中,NCR、FCR為近、遠(yuǎn)探測(cè)器的計(jì)數(shù)率。本文中校正因子αn、βn和αf、βf用多組近遠(yuǎn)探測(cè)器的模擬數(shù)據(jù)擬合得到,實(shí)際工程應(yīng)用中利用測(cè)量數(shù)據(jù)獲得。

用校正之后的近、遠(yuǎn)計(jì)數(shù)率可以得到新的近遠(yuǎn)比R′,則R′只與地層的含氫指數(shù)相關(guān),而與地層密度無關(guān):

4.3 校正結(jié)果

使用圖3中得到的各種巖性飽含淡水地層的模擬數(shù)據(jù),利用公式(2)～(4)對(duì)其近、遠(yuǎn)計(jì)數(shù)率進(jìn)行密度校正,校正之后得到的近遠(yuǎn)比與地層含氫指數(shù)之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 密度校正之后的隨鉆中子孔隙度測(cè)井響應(yīng)Fig.4 Results of neutron porosity LWD after density correction

圖4中,對(duì)于砂巖、白云巖和石灰?guī)r地層,密度校正后近遠(yuǎn)比值與含氫指數(shù)的關(guān)系受巖性影響明顯減小,數(shù)據(jù)點(diǎn)基本落在同一條趨勢(shì)線上,其中白云巖和灰?guī)r有相同的響應(yīng)、數(shù)據(jù)點(diǎn)重合在一起,只是砂巖會(huì)稍有些偏離。因此,校正之后響應(yīng)結(jié)果受到巖性影響顯著降低。

與圖3相比,受到D-T源影響而偏離非常大的泥頁巖數(shù)據(jù)點(diǎn)也全部落在了趨勢(shì)線上,因此密度校正之后的中子孔隙度的泥頁巖效應(yīng)也基本被消除,可以測(cè)量比原來更加準(zhǔn)確的含氫指數(shù)。所以,密度校正可以基本消除D-T中子孔隙度測(cè)井的各類巖性影響,此結(jié)果甚至優(yōu)于使用化學(xué)源時(shí)的中子孔隙度測(cè)井。

另外,D-T中子孔隙度測(cè)井還存在孔隙度靈敏度低的問題。對(duì)比分別使用密度校正前、后的D-T源及Am-Be化學(xué)源時(shí),隨鉆中子孔隙度測(cè)井儀對(duì)飽含淡水石灰?guī)r地層孔隙度的靈敏度,靈敏度計(jì)算過程見文獻(xiàn)[11],結(jié)果如圖5所示。

圖5 密度校正前后的地層孔隙度靈敏度Fig.5 Porosity sensitivities before and after density correction

由圖5看出,孔隙度靈敏度都是隨著地層孔隙度的增加而降低,且都在孔隙度小于20%時(shí)降低最快。經(jīng)過密度校正之后的隨鉆D-T中子孔隙度測(cè)井的孔隙度靈敏度有了大幅提高,尤其是在高孔隙地層,其靈敏度甚至超過了傳統(tǒng)Am-Be化學(xué)中子源的響應(yīng)。這是由于校正之后的儀器響應(yīng)基本不再受地層密度影響,而只對(duì)地層孔隙中的氫元素靈敏,所以密度校正方法可以有效解決對(duì)地層含氫指數(shù)靈敏度偏低的問題。

5 結(jié) 論

(1)隨鉆D-T中子孔隙度測(cè)井與使用Am-Be化學(xué)源相比,存在地層孔隙度靈敏度偏低、泥頁巖效應(yīng)更大的問題,這是由于其中子能量較大,受到了地層密度影響較大引起的。

(2)使用密度校正方法之后,可以有效降低巖性變化對(duì)隨鉆D-T中子孔隙度測(cè)井響應(yīng)的影響,而且基本可以消除泥頁巖效應(yīng),這對(duì)隨鉆中子孔隙度測(cè)井在頁巖油氣儲(chǔ)層的測(cè)井解釋有著重要作用。

(3)密度校正之后結(jié)果對(duì)地層孔隙度的靈敏度大幅提高,并且要高于使用傳統(tǒng)化學(xué)Am-Be源的結(jié)果。

(4)隨鉆D-T中子孔隙度測(cè)井可以達(dá)到甚至超過Am-Be源的測(cè)量精度。

[1] Committee on Radiation Source and Replacement.Radiation source use and replacement[M].Abbreviated Version.Washington:National Academies Press,2008.

[2] WELLER G,GRIFFITHS R,STOLLER C,et al.A new integrated LWD platform brings next-generation formation evaluation services[C/CD]//Society of Petroleum Well Log Analysts.The SPWLA 46th Annual Logging Symposium,New Orleans,Louisiana,June 26-29,2005.

[3] ELLIS D V,SINGER J M.Well logging for earth scientists[M].2nd ed.New York:Springer-Verlag New York Inc,2007:383-413.

[4] 于華偉,孫建孟,楊錦舟.D-D和D-T隨鉆中子孔隙度測(cè)井探測(cè)特性對(duì)比分析[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,33(6):41-45. YU Hua-wei,SUN Jian-meng,YANG Jin-zhou.Comparison of D-T and D-D accelerator investigation characteristics in pulsed neutron porosity logging while drilling[J]. Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2009,33(6):41-45.

[5] 張鋒,靳秀云,侯爽.D-T脈沖中子發(fā)生器隨鉆中子孔隙度測(cè)井的蒙特卡羅模擬[J].同位素,2010,23(1): 15-21. ZHANG Feng,JIN Xiuyun,HOU Shuang.Monte Carlo simulation on compensated neutron porosity logging in LWD with D-T pulsed neutron generator[J].Journal of Isotopes,2010,23(1):15-21.

[6] XU L B,SCHULTZ W,HUISZOON C.A comprehensive investigation of source effects on neutron porosity response for logging-while-drilling measurements[C/CD]//Society of Petroleum Well Log Analysts.The SPWLA 46th Annual Logging Symposium,Woodlands,Texas,June 21-24,2009.

[7] 黃隆基.核測(cè)井原理[M].東營(yíng):石油大學(xué)出版社, 2000:102-119.

[8] BRIESMEISTER J F.MCNP—a general Monte Carlo nparticle transport code[R].Los Alamos:Los Alamos National Laboratory,2000.

[9] GILCHRIST W A.Compensated neutron log responses issues—a tutorial[C/CD]//Society of Petroleum Well Log Analysts.The SPWLA 49th Annual Logging Symposium, Edinburgh,Scotland,May 25-28,2008.

[10] 于華偉.隨鉆環(huán)境下脈沖中子測(cè)量地層密度的理論基礎(chǔ)研究[D].東營(yíng):中國(guó)石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,2011. YU Hua-wei.The fundamental research of the pulsedmeutron density logging while drilling[D].Dongying: School of Geosciences in China University of Petroleum, 2011.

[11] 張建民,夏凌志,邱益香.補(bǔ)償中子石油測(cè)井儀的靈敏度研究[J].原子能科學(xué)技術(shù),2006,40(1):125-128. ZHANG Jian-min,XIA Ling-zhi,QIU Yi-xiang.Sensitivity of compensated neutron oil logging tool[J].A-tomic Energy Science and Technology,2006,40(1): 125-128.

(編輯 修榮榮)

Correction method of low sensitivity and lithology effect of D-T neutron porosity logging-while-drilling

YU Hua-wei1,YANG Jin-zhou2,3,ZHANG Feng1
(1.School of Geosciences in China University of Petroleum,Qingdao 266580,China; 2.Drilling Technology Research Institute,Shengli Oilfield Company,Dongying 257000,China; 3.CPCC Key Laboratory of Measuring and Controlling While Drilling,China Petrolem Chemical Corporation, Dongying 257000,China)

In order to improve the measurement accuracy of Deuterium-Tritium(D-T)neutron porosity logging-while-drilling,different responses in several types of formations were measured using the Deuterium-Tritium(D-T)accelerator and the Am-Be source,and the differences in the measured responses were compared.In addition,the causes of the lower porosity sensitivity and accuracy were analyzed,and a correction method was proposed.The results show that the energy of neutron emitted by D-T neutron generator is higher than that by the chemical source,and the influence of formation density on hydrogen index is higher than the chemical source.So the porosity sensitivity of the D-T neutron logging-while-drilling is much lower than the chemical neutron source,and the effect of shale on the measurement is high.On the other hand,after applying density correction,the porosity sensitivity is significantly improved,and the lithology effects are reduced as well especially in the shale formation.It is concluded that the chemical sources can be replaced by more accurate and sensitive densitycorrected D-T neutron porosity logging-while-drilling technique.

neutron porosity logging-while-drilling;Deuterium-Tritium neutron generator;porosity sensitivity;shale effect; density correction;Monte Carlo simulation

P 631.817

:A

1673-5005(2014)03-0045-005

10.3969/j.issn.1673-5005.2014.03.007

2013-10-15

國(guó)家自然科學(xué)基金(41304095);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(11CX04003A);中國(guó)石油大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目(SY-A201204);山東省自然科學(xué)基金(ZR2012DM002);中國(guó)石油科技創(chuàng)新基金(2012D50060302)

于華偉(1981-),男,高級(jí)實(shí)驗(yàn)師,博士,主要研究方向?yàn)楹藴y(cè)井蒙特卡羅模擬、測(cè)井解釋及實(shí)驗(yàn)方法。E-mail:yhwlog@163.com。