基于蒙特卡羅方法的密度測(cè)井薄層影響分析

劉偉男，鄧 瑞*，汪 鵬，錢(qián)博文，秦承運(yùn)1油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長(zhǎng)江大學(xué))，湖北 武漢長(zhǎng)江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院，湖北 武漢中國(guó)石油大學(xué)(北京)地球物理與信息工程學(xué)院，北京

基于蒙特卡羅方法的密度測(cè)井薄層影響分析

劉偉男1,2，鄧 瑞1,2*，汪 鵬3，錢(qián)博文1,2，秦承運(yùn)1,21油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長(zhǎng)江大學(xué))，湖北 武漢2長(zhǎng)江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院，湖北 武漢3中國(guó)石油大學(xué)(北京)地球物理與信息工程學(xué)院，北京

薄層是影響密度測(cè)井的重要因素，利用蒙特卡羅方法對(duì)密度測(cè)井進(jìn)行數(shù)值模擬，獲取密度測(cè)井對(duì)薄層的響應(yīng)資料，用于研究薄層對(duì)密度測(cè)井的影響，確定密度測(cè)井記錄點(diǎn)及計(jì)數(shù)率曲線變化規(guī)律。研究表明，對(duì)于低密度薄層，隨著薄層縱向位置的移動(dòng)，計(jì)數(shù)率先增大后減少，曲線形態(tài)對(duì)稱，極大值點(diǎn)為記錄點(diǎn)；對(duì)于高密度薄層，隨著薄層縱向位置的移動(dòng)，計(jì)數(shù)率先減少后增大，曲線形態(tài)近似對(duì)稱，極小值點(diǎn)為記錄點(diǎn)。同時(shí)針對(duì)密度測(cè)井最小縱向分辨率進(jìn)行了討論。

密度測(cè)井，蒙特卡羅方法，薄層，對(duì)稱，最小縱向分辨率

1.引言

隨著石油勘探開(kāi)發(fā)中面對(duì)的地層越來(lái)越復(fù)雜，薄層在油氣資源的勘探開(kāi)發(fā)中變得越來(lái)越重要。在對(duì)薄層滾動(dòng)勘探開(kāi)發(fā)逐漸深入的過(guò)程中[1]，薄層密度測(cè)井解釋評(píng)價(jià)所遇到的難點(diǎn)越來(lái)越突出，主要表現(xiàn)為受環(huán)境和圍巖影響，難以反映地層的真實(shí)情況，造成了評(píng)價(jià)工作難度加大，參數(shù)求取不準(zhǔn)，測(cè)井符合率不高，對(duì)油藏后續(xù)勘探開(kāi)發(fā)影響較大[2]。

筆者運(yùn)用蒙特卡羅方法對(duì)密度測(cè)井進(jìn)行數(shù)值模擬，獲取對(duì)薄層的響應(yīng)資料，并對(duì)其影響因素進(jìn)行綜合分析，以提高校正準(zhǔn)確度，為油藏綜合評(píng)價(jià)以及測(cè)井綜合解釋提供準(zhǔn)確的密度測(cè)井資料。

2.模擬物理模型

密度測(cè)井也稱為伽馬–伽馬測(cè)井，是利用同位素伽馬放射源向地層中輻射伽馬射線，然后用與放射源相距一定距離的探測(cè)器測(cè)量從地層來(lái)的經(jīng)過(guò)散射和吸收的伽馬射線。中能伽馬射線輻射在地下巖石中主要發(fā)生康普頓效應(yīng)，它的散射截面與地層的體積密度密切相關(guān)，因此可用來(lái)測(cè)量地層巖石密度。密度測(cè)井儀器主要由伽馬源、屏蔽材料、探測(cè)器和儀器骨架組成[3]。

利用蒙特卡羅程序MCNP建立密度測(cè)井地層模型。根據(jù)密度測(cè)井的實(shí)際工作條件(密度測(cè)井儀器貼井壁測(cè)量)，建立半圓柱地層模型(圖1)，井眼也為半圓柱。模型高277 cm，地層半徑10～43 cm，被劃分成高6 cm、環(huán)距3 cm的相鄰柵元。密度測(cè)井儀器緊貼井壁，儀器外殼厚5 mm，源倉(cāng)材料是鋼，伽馬射線探測(cè)器外殼為鈹(Be，密度為1.98 g/cm3)。銫-137(137Cs)伽馬源點(diǎn)放在點(diǎn)(9,0,54)上，距下屏蔽體1 cm，距上屏蔽體1 cm，距井壁1 cm [4]。

該次研究采用的密度測(cè)井儀器是長(zhǎng)源距儀器，長(zhǎng)源距探測(cè)器(源距40 cm)放在點(diǎn)(9,0,94)。井眼中伽馬源下部、伽馬源與長(zhǎng)源距探測(cè)器之間以及長(zhǎng)源距探測(cè)器上部，均充滿屏蔽體[5]。半圓柱體外部是真空。模擬計(jì)算過(guò)程中，使用了光子重要性函數(shù)、權(quán)重窗口和能量截?cái)嗟葴p方差以及其他優(yōu)化算法[6][7]，大大縮短了MCNP的運(yùn)行時(shí)間。

3.蒙特卡羅模擬結(jié)果及分析

3.1.低密度薄層

低密度薄層，薄層為孔隙度40%、飽含水的石灰?guī)r(密度為2.026 g/cm3)，圍巖為純灰?guī)r(密度為2.71 g/cm3)。把薄層從模型的底部逐漸向頂部移動(dòng)，觀察探測(cè)器計(jì)數(shù)率(光子通量/粒子數(shù))的變化情況，計(jì)數(shù)率極大值的地方就是探測(cè)器最靈敏的探測(cè)區(qū)域。將厚度為54、45、36、18、9 cm的薄層從地層的底部逐漸向頂部移動(dòng)，每次移動(dòng)18 cm。探測(cè)器的能量箱只記錄能量位于0.15 MeV和0.7 MeV之間光子的通量。該次研究分別計(jì)算了不同厚度薄層在不同位置時(shí)探測(cè)器計(jì)數(shù)率的變化，通過(guò)數(shù)據(jù)分類(lèi)，可以得到探測(cè)器計(jì)數(shù)率隨薄層位置變化的關(guān)系曲線[8]。

Figure 1.The density logging model based on Monte Carlo method圖1.基于蒙特卡羅方法的密度測(cè)井模型

圖2顯示厚度分別為9、18、36、45、54 cm的低密度薄層在地層縱向上移動(dòng)時(shí)，長(zhǎng)源距探測(cè)器計(jì)數(shù)率的變化曲線，近似正態(tài)分布。從圖2中可以看出，擬合曲線極大值的位置在薄層縱向位置74 cm左右，探測(cè)器對(duì)薄層的響應(yīng)曲線是左右對(duì)稱的，對(duì)稱點(diǎn)也是極大值點(diǎn)；也就是說(shuō)，密度測(cè)井儀器對(duì)薄層的靈敏探測(cè)位置在74 cm左右的區(qū)域，而該位置恰好是長(zhǎng)源距探測(cè)器和伽馬源之間的中點(diǎn)。由于密度測(cè)井的數(shù)據(jù)處理是以長(zhǎng)源距探測(cè)器計(jì)數(shù)率為主，從而在理論上驗(yàn)證了密度測(cè)井的靈敏探測(cè)位置是伽馬源與探測(cè)器正中間的位置。從圖2中還可看出，探測(cè)器計(jì)數(shù)率隨著薄層厚度的增加，靈敏探測(cè)位置計(jì)數(shù)率數(shù)值變化越來(lái)越小，說(shuō)明隨著地層厚度的增加，計(jì)數(shù)率越來(lái)越接近原狀地層計(jì)數(shù)率，受薄層影響越來(lái)越小。當(dāng)薄層厚度增加到45 cm時(shí)，計(jì)數(shù)率最大值趨于穩(wěn)定，說(shuō)明該次研究模擬所用參數(shù)的密度測(cè)井儀器最小縱向分辨率約為45 cm [9]。

Figure 2.The response curve of long spaced detector counting rate changing with the position variation of low density thin layer with different thicknesses圖2.長(zhǎng)源距探測(cè)器計(jì)數(shù)率隨不同厚度低密度薄層位置變化的響應(yīng)曲線

Figure 3.The response curve of long spaced detector counting rate changing with the position variation of high density thin layer with different thicknesses圖3.長(zhǎng)源距探測(cè)器計(jì)數(shù)率隨不同厚度高密度薄層位置變化的響應(yīng)曲線

3.2.高密度薄層

將低密度薄層改為高密度薄層，即將地層模型中的圍巖換成孔隙度40%、飽含水的石灰?guī)r(密度2.026 g/cm3)，而薄層換成純灰?guī)r(密度2.71 g/cm3)。從圖3中可以看出，曲線近似對(duì)稱分布，曲線變化規(guī)律是先減小后增大，同時(shí)對(duì)稱點(diǎn)為極小值點(diǎn)，且極小值點(diǎn)在74 cm左右，為模型的伽馬源與長(zhǎng)源距探測(cè)器之間的中點(diǎn)，即靈敏探測(cè)位置在74 cm左右探測(cè)區(qū)域；同時(shí)，隨著薄層厚度的增加，靈敏探測(cè)位置的計(jì)數(shù)率變化越來(lái)越小，當(dāng)薄層厚度為45 cm時(shí)，計(jì)數(shù)率最小值趨于穩(wěn)定，因此最小縱向分辨率約為45 cm。

4.結(jié)論

1) 低密度薄層在響應(yīng)曲線上出現(xiàn)極大值，薄層厚度越大，極值越大；高密度薄層在響應(yīng)曲線上出現(xiàn)極小值，薄層厚度越大，極值越小。對(duì)于長(zhǎng)源距(40 cm)，其極值在74 cm處，大致位于伽馬源與探測(cè)器之間的中點(diǎn)。

2) 對(duì)于最小縱向分辨率的研究表明：當(dāng)薄層越薄時(shí)，其受到周?chē)h(huán)境的影響較大，相對(duì)于地層真實(shí)值偏差較大；隨著薄層變厚，受到的影響減小，偏差值變小。該次研究條件下的最小縱向分辨率約為45 cm。

References)

[1]王鳳山, 霍廣君, 馮立.發(fā)展應(yīng)用薄差油層開(kāi)采技術(shù)有效利用大慶油田地下資源[J].資源?產(chǎn)業(yè), 1999, 4(10): 22-24.

[2]程昆, 程仲, 吳文彥.一種薄層密度測(cè)井校正方法[J].測(cè)井技術(shù), 2007, 31(6): 537-540.

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

[4]吳文圣, 肖立志.三探測(cè)器密度測(cè)井儀器的源距優(yōu)化[J].核技術(shù), 2010, 33(11): 849-853.

[5]吳文圣.三探測(cè)器密度測(cè)井的薄層影響及校正[J].天然氣工業(yè), 2003, 23(3): 38-40.

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[7]郭生良.γ能譜的蒙特卡羅計(jì)算方法探討與模擬軟件設(shè)計(jì)[D]: [碩士學(xué)位論文].成都: 成都理工大學(xué), 2008.

[8]Briesmeister, J.F.(1985) MCNP-A General Monte Carlo Code for Neutron and Photon Transport.Version 3B, Los Alamos Radiation Transport Group, 1-200.

[9]洪有密.測(cè)井原理與綜合解釋[M].東營(yíng): 中國(guó)石油大學(xué)出版社, 2007: 10-15.

The Effect of Density Logging on Thin Layer Based on Monte Carlo Method

Weinan Liu1,2, Rui Deng1,2*, Peng Wang3, Bowen Qian1,2, Chengyun Qin1,21Key Laboratory of Exploration Technologies for Oil and Gas Resources (Yangtze University), Ministry of Education,Wuhan Hubei2School of Geophysics and Oil Resources, Yangtze University, Wuhan Hubei3School of Geophysics and Information Engineering, China University of Petroleum (Beijing), Beijing

Oct.26th, 2016; accepted: Dec.20th, 2016; published: Dec.15th, 2017

Thin layer was an important factor influencing the density logging.Monte Carlo method was applied to simulate the density logging and get the data of density logging response of thin layer, by which the influence of thin layer on the density logging was studied to determine the density logging record point and the change rules of the counting rate curve.The research indicates that the counting rate of low density thin layer increases initially and then decreases with the longitudinal movement of the thin layer.The shape of the curve is approximately symmetrical and the maximum point is a recorded point, while for the high density thin layer, the counting rate decreases first and then increases with vertical movement of the thin layer, the shape of the curve is also approximately symmetrical and the minimum point is the recorded point.Meanwhile, the minimum vertical resolution of density logging is discussed in this paper.

Density Logging, Monte Carlo, Thin Layer, Symmetry, Minimum Vertical Resolution

*通信作者。

文章引用:劉偉男, 鄧瑞, 汪鵬, 錢(qián)博文, 秦承運(yùn).基于蒙特卡羅方法的密度測(cè)井薄層影響分析[J].石油天然氣學(xué)報(bào),2017, 39(6): 55-59.

10.12677/jogt.2017.396098

Copyright ? 2017 by authors, Yangtze University and Hans Publishers Inc.

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劉偉男(1995-)，男，主要從事核測(cè)井模擬工作。

2016年10月26日；錄用日期：2016年12月20日；發(fā)布日期：2017年12月15日

油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長(zhǎng)江大學(xué))開(kāi)放基金資助項(xiàng)目(K2016-14，K2016-15)；長(zhǎng)江青年基金資助項(xiàng)目(2015cqn31)。

[編輯]龔丹