隨鉆密度測井在大斜度井水平井中的誤差分析

安旅行, 王俊超,2, 朱軍, 陳緒濤, 衛(wèi)一多, 吳天心

(1.中國石油集團(tuán)測井有限公司隨鉆測井中心, 陜西 西安 710054;2.西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院, 陜西 西安 710065)

0 引 言

隨鉆密度測井不同于傳統(tǒng)的電纜密度測井,電纜儀器的探頭裝在極板上并推靠井壁以消除偏離間隙的影響;隨鉆作業(yè)期間鉆井液對(duì)井壁的沖刷使得井眼形變以及垮塌,鉆進(jìn)中因旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生泥漿間隙變化,這幾種因素導(dǎo)致測得的數(shù)據(jù)受到干擾[1-2]。

當(dāng)泥漿間隙在鉆桿旋轉(zhuǎn)過程中發(fā)生變化,泥漿間隙對(duì)隨鉆密度測量值產(chǎn)生一定影響。特別是在大斜度井水平井中,鉆鋌在重力作用下使儀器趨于滑向井眼下側(cè),在旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)過程中泥漿間隙變化將更為明顯[3]。本文基于蒙特卡羅程序[4]對(duì)隨鉆密度測井儀器在6 in*非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同大斜度井水平井情況下進(jìn)行了研究。

1 密度儀器特性研究

基于蒙特卡羅方法對(duì)CSCD2432補(bǔ)償密度隨鉆測井儀進(jìn)行建模。圖1中,紅色為儀器骨架(不銹鋼P(yáng)550),橙色為泥漿通道,黃色為探測器NaI晶體。儀器由137Cs伽馬源、短源距和長源距探測器、儀器骨架以及屏蔽材料等組成。使用F8卡分別記錄近、遠(yuǎn)探測器的脈沖幅度和計(jì)數(shù)率,根據(jù)儀器選取0.04～0.661 MeV能區(qū)的光子計(jì)數(shù),每次抽樣1×109個(gè)光子,使得每次模擬結(jié)果的統(tǒng)計(jì)誤差小于1%。

利用蒙特卡羅方法模擬水驅(qū)地層過程[5]。地層為孔隙度為40%的完全飽含氣的石灰?guī)r地層,沿地層方向每2.5 cm依次用水驅(qū)替后含水飽和度為100%;對(duì)得到的相對(duì)計(jì)數(shù)率進(jìn)行歸一化處理。由此得到縱向積分幾何因子隨不同地層厚度的變化(見圖2)。若縱向積分幾何因子達(dá)到90%的地層厚度視為縱向探測深度。圖2中,近、遠(yuǎn)探測器的探測深度為7.6 cm和13 cm左右。

為更清楚了解該儀器的特性,使用Fmesh卡研究了儀器在工作狀態(tài)時(shí)伽馬的空間分布。

圖1 補(bǔ)償密度隨鉆測井儀器建模

圖2 近、遠(yuǎn)探測器積分幾何因子

圖3中,z軸為儀器的軸向,x和y軸為儀器的徑向。儀器在扶正器處半徑為7.3 cm,儀器軸處在x、y分別為0 cm位置。圖3(a)中儀器背部和源倉對(duì)伽馬射線的屏蔽較好,伽馬相對(duì)計(jì)數(shù)率小于1×10-7;短、長源距探測器由于開窗導(dǎo)致探測器部分伽馬射線分布較多。圖3(b)和圖3(c)中,隨著源距的增加同一區(qū)域的伽馬空間計(jì)數(shù)率不斷減小,短、長源距探測器相對(duì)計(jì)數(shù)率相差2個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖3 伽馬在地層和儀器中的空間分布圖

2 鉆遇地層界面

圖4 隨鉆密度測井儀在地層交界面的示意圖

當(dāng)儀器進(jìn)入2個(gè)不同密度地層時(shí),儀器與地層的相對(duì)夾角為α,儀器在工作過程中的工具方位角為β(見圖4)。圖5為儀器鉆過地層交界面時(shí)近、遠(yuǎn)探測器的相對(duì)計(jì)數(shù)率轉(zhuǎn)換為地層密度值(ρs,ρl)的變化,近探測器比遠(yuǎn)探測器對(duì)相對(duì)傾角α更為敏感。這是由于近探測器的探測深度要小于遠(yuǎn)探測器。當(dāng)α在50°～90°時(shí),近探測器的密度值會(huì)出現(xiàn)很大程度的跳變,失真現(xiàn)象較為嚴(yán)重,而遠(yuǎn)探測器并未出現(xiàn)這種情況。圖6為儀器處于地層交界面中心[見圖4(b)]旋轉(zhuǎn)過程中(不同工具方位角)近、遠(yuǎn)探測器相對(duì)計(jì)數(shù)率轉(zhuǎn)換為地層密度值(ρs,ρl)的變化。

圖5 探測器密度值

圖6 近、遠(yuǎn)探測器相對(duì)計(jì)數(shù)率轉(zhuǎn)換為地層密度值的變化

3 偏心誤差分析

當(dāng)儀器處于大斜度井或水平井中時(shí)會(huì)出現(xiàn)鉆鋌直接接觸井壁的情況。圖7中,泥漿填充為淡水,θ為旋轉(zhuǎn)角度,l為當(dāng)θ為180°時(shí)泥漿間隙的最大值。考察儀器在旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)過程中2個(gè)單源距視密度值隨θ的變化(見圖8)。

圖7 大斜度井水平井中儀器偏心示意圖

圖8 旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)過程中旋轉(zhuǎn)角度對(duì)單源距視密度值的影響

通過模擬無間隙情況下9口標(biāo)準(zhǔn)井得到單源距相對(duì)計(jì)數(shù)率和地層視密度的關(guān)系

ρSS=-2.02754 lnNSS)-18.6778

(1)

ρLS=-0.50483 lnNLS)-4.6554

(2)

圖9為儀器居中時(shí)單源距視密度差隨泥漿間隙變化的校正圖版,泥漿間隙在0～30 mm時(shí)隨著泥漿間隙的增加,ρLS-ρSS與Δρ正向相關(guān);當(dāng)泥漿間隙大于30 mm時(shí),其呈現(xiàn)反向相關(guān),因此,很難將這2種情況同時(shí)考慮。若要實(shí)現(xiàn)這2種情況的同時(shí)考慮則必須通過井徑信息進(jìn)行劃分區(qū)域。對(duì)第1種情況進(jìn)行二次函數(shù)擬合得到(見圖9)

圖9 儀器居中時(shí)擬合的校正函數(shù)

Δρ=1.3003-(ρLS-ρSS)2-0.1129(ρLS-ρSS)-0.00197

(3)

圖10 儀器居中時(shí)補(bǔ)償密度的絕對(duì)誤差

通過式(3)得到儀器在井眼居中時(shí)補(bǔ)償密度的絕對(duì)誤差(見圖10),可以看到當(dāng)儀器在居中情況下,泥漿間隙在0～30 mm范圍內(nèi),其絕對(duì)誤差小于0.054 g/cm3(相對(duì)誤差小于2%)。在大斜度井水平井偏心的補(bǔ)償密度的絕對(duì)誤差見圖11。圖11是當(dāng)井壁距儀器的最大間隙值l分別為1、2、3 cm時(shí),即井徑不同情況下儀器在大斜度井水平井偏心時(shí)補(bǔ)償密度的絕對(duì)誤差?？梢钥吹窖a(bǔ)償后的絕對(duì)誤差較大,絕對(duì)誤差隨著旋轉(zhuǎn)角度θ和l的增加而增大。井壁距儀器最大間隙值l=1 cm時(shí),其絕對(duì)誤差不大于0.035 g/cm3;當(dāng)l>1 cm后,絕對(duì)誤差越來越大,儀器在井眼中偏心時(shí)測量的當(dāng)視密度誤差要遠(yuǎn)大于儀器居中情況的誤差。表11中NLS、NSS分別為短、長源距探測器的相對(duì)計(jì)數(shù)率;ρLS、ρSS為單源距的視密度;ρa(bǔ)pp為補(bǔ)償校正后的視密度;E為絕對(duì)誤差。

圖11 儀器在大斜度井水平井偏心時(shí)補(bǔ)償密度的絕對(duì)誤差

表1 儀器偏心(l=2 cm)旋轉(zhuǎn)角度θ對(duì)補(bǔ)償密度測井誤差分析計(jì)算參數(shù)

4 結(jié) 論

(1) 采用積分因子法得到短、長源距的探測深度大致為源距的一半,通過使用Fmesh卡,記錄補(bǔ)償密度隨鉆測井儀器在工作狀態(tài)的伽馬空間分布,整個(gè)儀器的屏蔽效果較好,尤其是儀器背面和源倉。

(2) 儀器在大斜度井水平井中偏心時(shí),泥漿為淡水,密度值遠(yuǎn)小于地層密度。當(dāng)井眼尺寸不斷增大時(shí),旋轉(zhuǎn)角度增大到一定程度以上會(huì)出現(xiàn)密度值增大的反?，F(xiàn)象,而儀器在井眼中居中時(shí),并沒有此現(xiàn)象,這是由于地層幾何結(jié)構(gòu)的不同所導(dǎo)致的。

(3)在儀器居中情況下,泥漿間隙在0～15 mm范圍內(nèi),絕對(duì)誤差小于0.025 g/cm3;在0～30 mm范圍內(nèi),絕對(duì)誤差小于0.054 g/cm3。而當(dāng)儀器處于緊貼井壁偏心時(shí),誤差較大。泥漿間隙小于10 mm時(shí)絕對(duì)誤差小于0.035 g/cm3基本滿足測量精度要求。該密度儀器主要用于6 in井眼,泥漿間隙在0～6.4 mm之間。因此,補(bǔ)償密度校正可以保證儀器的測量誤差在允許范圍內(nèi)。若要保證儀器在井眼形變、垮塌處測量精度,有必要用超聲井徑對(duì)密度儀器進(jìn)行分區(qū)補(bǔ)償。

參考文獻(xiàn):

[1] OlivierDesport. Standoff correction for LWD Density Measurement: US, 702/11, US7809508 B2 [P]. 2010-10-05.

[2] 朱由頁, 孫建孟, 楊錦舟. 隨鉆密度測井間隙對(duì)探測器晶體影響的蒙特卡羅模擬 [J]. 測井技術(shù), 2011, 35(4): 319-323.

[3] Radtke R J, Evans M, Rasmus J C, et al. LWD Density Response to Bed Laminations in Horizontal and Vertical Wells [C]∥The SPWLA 47th Annual Logging Symposium, Veracruz, Mexico, June 4-7, 2006.

[4] Briesmeister J F. MCNP-a General Monte Carlo N-particle Transport Code, Version 4C [R]. Report LA-13709-M. New Nexico: Los Alamos National Laboratory, 2000

[5] Lyle W D, Wilhams. Deconvolution of Well Log Data-An Innovations Approach [J]. The Log Analyst, 1987, 28(3): 321-327.