脈沖中子孔隙度測(cè)井密度校正研究

王虎,岳愛(ài)忠,張曉蕾,劉楠,何緒新,葛云龍

(1.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司測(cè)井技術(shù)研究院,陜西西安710077;2.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司大慶分公司,黑龍江大慶163412)

0 引 言

在現(xiàn)代石油勘探測(cè)井中,需要測(cè)量井眼和地層參數(shù)等信息。其中,常用帶有Am-Be同位素中子源的補(bǔ)償中子測(cè)井儀測(cè)量地層孔隙度[1-3]。但隨著國(guó)家和石油行業(yè)對(duì)綠色環(huán)保測(cè)井的要求,同位素中子源的使用受到越來(lái)越多的限制。尤其是在熱中子孔隙度測(cè)井方面,很多年前相關(guān)單位就已經(jīng)提出使用脈沖中子源取代Am-Be同位素中子源的方案[4-8]。相對(duì)Am-Be同位素中子源,脈沖中子源發(fā)射的單能快中子是人工可控的,其發(fā)射能量為14 MeV。這將導(dǎo)致巖性或地層密度對(duì)地層含氫指數(shù)測(cè)量的影響增強(qiáng),使兩者的中子孔隙度存在顯著的區(qū)別[9-11],這已成為脈沖中子源取代同位素中子源進(jìn)行孔隙度測(cè)井面臨的挑戰(zhàn)之一。

1994年,SCOTT和WRAIGHT等[5,12]研制多探頭陣列脈沖中子孔隙度測(cè)井儀器時(shí),在儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,在對(duì)地層密度不敏感的源距處設(shè)置近中子探測(cè)器降低地層密度的影響。2005年,斯倫貝謝公司[7]推出一款脈沖中子源隨鉆測(cè)井儀器。該儀器使用了近、遠(yuǎn)計(jì)數(shù)率比值密度校正的方法計(jì)算地層孔隙度,但對(duì)校正方法的細(xì)節(jié)沒(méi)有具體描述。該公司的ELLIS等[13-14]隨后在2006年提出,中子探測(cè)器計(jì)數(shù)率響應(yīng)與地層含氫指數(shù)和體積密度相關(guān),并直接給出了計(jì)數(shù)率與這2個(gè)參數(shù)的關(guān)系表達(dá)式。2007年,斯倫貝謝公司的FRICKE等[15]指出也可以將脈沖中子儀器的近、遠(yuǎn)中子比轉(zhuǎn)換為同位素中子源的熱中子孔隙度,并給出了具體方法。2014年,于華偉等[16]和楊寧寧[17]分別對(duì)ELLIS提出的方法進(jìn)行了仿真模擬和儀器試驗(yàn)驗(yàn)證,證明了該方法的有效性。2016年,劉軍濤等[18]通過(guò)使用蒙特卡羅數(shù)值方法,將含氫指數(shù)和體積密度對(duì)近、遠(yuǎn)中子計(jì)數(shù)率比值的影響分別進(jìn)行了模擬研究,擬合得到一個(gè)與地層體積密度無(wú)關(guān)的地層孔隙度計(jì)算方法。2018年,王虎等[19]對(duì)快中子減速過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)描述,并使用理論推導(dǎo)的方法得到近、遠(yuǎn)中子計(jì)數(shù)率比值與地層密度和含氫指數(shù)的關(guān)系,提出了脈沖中子孔隙度的密度校正計(jì)算方法。

為了降低脈沖中子孔隙度測(cè)井中密度對(duì)中子孔隙度測(cè)量的影響,提高脈沖中子源與同位素中子源的兼容性,首先分析對(duì)比了2種中子源在中子孔隙度測(cè)量上的差異,并給出了密度校正后脈沖中子孔隙度計(jì)算方法。隨后在計(jì)量站刻度井群中,對(duì)研制的可控源元素和孔隙度測(cè)井儀樣機(jī)和同位素中子源孔隙度測(cè)井儀進(jìn)行刻度實(shí)驗(yàn)。最后將現(xiàn)場(chǎng)井試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,對(duì)該密度校正方法的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了脈沖中子孔隙度測(cè)井取代同位素中子源孔隙度測(cè)井的可行性。

1 中子孔隙度密度校正方法

在裸眼井測(cè)井中,使用同位素中子源的補(bǔ)償中子孔隙度測(cè)井儀器一直被廣泛應(yīng)用于地層孔隙度測(cè)量。在地層中,氫元素與中子的原子量相近,是最為有效的中子減速元素,并且大多數(shù)氫元素以水、氣或者碳?xì)浠衔镄问酱嬖谟诘貙拥目紫吨?。因?中子的減速過(guò)程主要取決于地層的含氫量,地層孔隙度可以用中子的減速長(zhǎng)度來(lái)進(jìn)行表征,即可以通過(guò)測(cè)量熱中子的響應(yīng)計(jì)算地層孔隙度。

常規(guī)中子孔隙度測(cè)井使用的是Am-Be同位素中子源,其發(fā)射的快中子是離散分布的,平均能量為4.2 MeV。脈沖中子源是利用氘-氚核反應(yīng)發(fā)射14 MeV的單能快中子。對(duì)于快中子,在最初減速階段氫原子核與組成地層的其他元素的減速能力比較接近,這時(shí)中子的減速長(zhǎng)度主要取決于地層原子密度和原子核種類。經(jīng)過(guò)最初的非彈性散射后,快中子損失了足夠多的能量。隨后,其主要通過(guò)彈性散射繼續(xù)損失能量,在低能中子減速過(guò)程中,主要以氫原子的彈性散射為主,氫原子核決定了中子減速長(zhǎng)度[19]。因此,采用脈沖中子源產(chǎn)生的高能快中子測(cè)量地層孔隙度與同位素中子源在原理上有區(qū)別[7]。

根據(jù)王虎等[19]的研究,地層含氫指數(shù)IH與儀器的近、遠(yuǎn)計(jì)數(shù)率比值可以表示為

(1)

式中,A、B、C為常數(shù);R為近、遠(yuǎn)探測(cè)器計(jì)數(shù)率比值;ρb為地層密度,g/cm3。

由式(1)可見(jiàn),地層含氫指數(shù)不僅與儀器的中子計(jì)數(shù)率比值相關(guān),還與密度有關(guān)。地層密度一定時(shí),中子計(jì)數(shù)率比值隨地層含氫指數(shù)增加而增加。地層含氫指數(shù)一定時(shí),中子計(jì)數(shù)率比值也隨地層密度增加而增加。

2 脈沖中子孔隙度儀器的刻度

中子孔隙度測(cè)井儀在測(cè)井之前,需在標(biāo)準(zhǔn)井群中進(jìn)行實(shí)驗(yàn),對(duì)儀器的孔隙度響應(yīng)進(jìn)行刻度。位于西安的中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司測(cè)井計(jì)量站標(biāo)準(zhǔn)刻度井群為中國(guó)中子孔隙度測(cè)井最高計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置,其標(biāo)準(zhǔn)井徑為200 mm,標(biāo)準(zhǔn)巖性為灰?guī)r,井眼和孔隙中流體為淡水。

根據(jù)常規(guī)孔隙度計(jì)算方法,將脈沖中子源和Am-Be同位素中子源儀器在刻度井群中的刻度數(shù)據(jù)對(duì)比研究。為了便于2支儀器的數(shù)據(jù)對(duì)比,將孔隙度13.2%處的近、遠(yuǎn)計(jì)數(shù)率比值數(shù)據(jù)進(jìn)行了歸一化,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 2種中子源儀器近、遠(yuǎn)計(jì)數(shù)率比值響應(yīng)對(duì)比

從圖1可見(jiàn),在中子孔隙度測(cè)井中,近、遠(yuǎn)中子探測(cè)器計(jì)數(shù)率比值隨孔隙度的增加而增加。在孔隙度小于25%時(shí),2支儀器的孔隙度響應(yīng)很接近,但隨著孔隙度的增加,脈沖中子孔隙度靈敏度顯著降低,兩者的差異也越來(lái)越大。通過(guò)前面的分析可知,這主要是因?yàn)槊}沖中子源發(fā)射的快中子能量高,近、遠(yuǎn)中子計(jì)數(shù)率比值受地層密度的影響增強(qiáng)。

在中子孔隙度測(cè)井儀密度校正算法刻度中,不管是實(shí)驗(yàn)還是仿真模擬,通過(guò)固定一個(gè)參數(shù)來(lái)得到響應(yīng)公式的相關(guān)系數(shù)是十分困難的。在本文中,通過(guò)儀器在不同地層參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)井群中刻度,使用L-M擬合來(lái)確定式(1)中的參數(shù)。

3 應(yīng)用實(shí)例

脈沖中子孔隙度測(cè)量中,地層密度對(duì)中子減速過(guò)程的影響增加,并且隨探測(cè)器源距的增加而增強(qiáng)。尤其是在泥含質(zhì)地層,這個(gè)影響將進(jìn)一步增強(qiáng)[5]。為了驗(yàn)證脈沖中子孔隙度測(cè)井密度校正方法在實(shí)際測(cè)井中的適用性,在吉林油田進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)井測(cè)井試驗(yàn)。首先,使用Am-Be同位素中子源孔隙度儀器進(jìn)行測(cè)井試驗(yàn)得到熱中子孔隙度曲線。其次,再用新研制的可控源元素及孔隙度測(cè)井儀器試驗(yàn),得到中子伽馬密度和脈沖中子孔隙度曲線,其中,脈沖中子孔隙度分別采用常規(guī)方法和密度校正方法計(jì)算。中子伽馬密度用于脈沖中子孔隙度的密度校正。

吉×××井位于吉林省,井深為1 333.21 m,鉆頭尺寸為215.9 mm,鉆井液密度為1.6 g/cm3。地層元素測(cè)井資料顯示,該井1 150～1 237 m井段以泥巖夾泥質(zhì)粉砂巖為主,泥質(zhì)平均含量為40%,石英平均含量為28%。

圖2為1 152～1 207 m井段的測(cè)井曲線對(duì)比圖。其中,第1道為自然伽馬曲線,第2道為深度,第3道為井徑,第4道為中子伽馬密度,用于脈沖中子孔隙度密度校正,第5道為Am-Be同位素中子源和脈沖中子源儀器按常規(guī)方法計(jì)算的孔隙度曲線,第6道為Am-Be同位素中子源中子孔隙度曲線和脈沖中子源儀器按密度校正方法計(jì)算的孔隙度曲線?？梢钥吹?由于該井段以泥巖夾泥質(zhì)粉砂巖為主,按常規(guī)方法計(jì)算的2個(gè)孔隙度曲線之間存在明顯的差異,脈沖中子孔隙度高于Am-Be同位素中子源孔隙度。而密度校正后的脈沖中子孔隙度與Am-Be同位素中子源孔隙度具有較好的一致性。兩者的一致性也可以從該測(cè)井段的孔隙度交會(huì)圖中得到驗(yàn)證(見(jiàn)圖3)。

圖2 吉×××井試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比*非法定計(jì)量單位,1 in=2.54 cm,下同

圖3 吉×××井孔隙度交會(huì)圖

讓×××井試驗(yàn)位于吉林省,井深為2 490 m,鉆頭尺寸為215.9 mm,鉆井液密度為1.33 g/cm3。地層元素測(cè)井資料顯示,該井2 359～2 492 m井段以厚層砂巖為主,夾泥巖、泥質(zhì)粉砂巖次之。主要砂巖儲(chǔ)層段泥質(zhì)含量5%～15%,礦物以石英為主,鉀長(zhǎng)石次之,含少量斜長(zhǎng)石。

圖4為該井2 431～2 486 m井段的測(cè)井曲線對(duì)比圖,其中,第1道為自然伽馬曲線,第2道為深度,第3道為井徑,第4道為中子伽馬密度,用于脈沖中子孔隙度密度校正,第5道為Am-Be同位素中子源和脈沖中子源儀器按常規(guī)方法計(jì)算的孔隙度曲線,第6道為Am-Be同位素中子源中子孔隙度曲線和脈沖中子源儀器按密度校正方法計(jì)算的孔隙度曲線?？梢钥吹?由于該井段以厚層砂巖為主,按常規(guī)孔隙度方法計(jì)算的2個(gè)孔隙度曲線之間差異很小,只有在含泥質(zhì)層段脈沖中子孔隙度高于Am-Be同位素中子源孔隙度。脈沖中子孔隙度密度校正后和Am-Be同位素中子源孔隙度具有較好的一致性。兩者的一致性也可以從該測(cè)井段的孔隙度交會(huì)圖中得到驗(yàn)證(見(jiàn)圖5)。

圖4 讓×××井試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

圖5 讓×××井孔隙度交會(huì)圖

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)井試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比,對(duì)脈沖中子孔隙度的密度校正方法有效性進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明在泥質(zhì)含量低的地層,兩者差異很小。在含泥質(zhì)地層,按傳統(tǒng)計(jì)算方法的脈沖中子孔隙度明顯高于Am-Be同位素中子源孔隙度,泥巖效應(yīng)影響明顯。經(jīng)過(guò)密度校正后,脈沖中子孔隙度和Am-Be同位素中子源孔隙度吻合度較高。巖性或地層密度對(duì)含氫指數(shù)測(cè)量的影響得到很好的校正,這為脈沖中子源取代Am-Be同位素中子源測(cè)量地層孔隙度提供了重要支持。同時(shí),因?yàn)槊芏刃Ｕ褂玫拿芏仁切卵兄频目煽卦丛丶翱紫抖葴y(cè)井儀器測(cè)量得到的中子伽馬密度,其具有較差的垂直分辨率。因此,密度校正后的中子孔隙度分層能力明顯低于Am-Be同位素中子源孔隙度,這是造成上述孔隙度交會(huì)圖中2種孔隙度存在差異的部分原因之一。

4 結(jié) 論

(1)在脈沖中子孔隙度測(cè)井中,近、遠(yuǎn)中子計(jì)數(shù)率比值不僅僅與地層含氫指數(shù)相關(guān),還與地層的密度有關(guān)。

(2)在孔隙度小于25%時(shí),Am-Be同位素中子源和脈沖中子源儀器孔隙度響應(yīng)很接近,但隨著孔隙度的增加,脈沖中子源儀器的孔隙度靈敏度顯著降低,兩者的差異也越來(lái)越大。

(3)對(duì)脈沖中子源計(jì)數(shù)率比值進(jìn)行地層密度校正,可以顯著降低地層密度的影響,使得到的孔隙度與Am-Be同位素中子源孔隙度一致。在脈沖中子孔隙度測(cè)井中,該結(jié)果驗(yàn)證了孔隙度校正方法的適用性,這為核測(cè)井中脈沖中子源替代同位素中子源進(jìn)行地層孔隙度測(cè)井提供了指導(dǎo)意義。