隨鉆D-T中子孔隙度測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.中國石油大學地球科學與技術學院,山東青島266580;2.勝利油田鉆井工藝研究院,山東東營257000; 3.中石化隨鉆測控重點實驗室,山東東營257000)

隨鉆D-T中子孔隙度測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.中國石油大學地球科學與技術學院,山東青島266580;2.勝利油田鉆井工藝研究院,山東東營257000; 3.中石化隨鉆測控重點實驗室,山東東營257000)

為了提高隨鉆氘-氚(D-T)中子孔隙度測井的測量精度,通過研究其在多種巖性、孔隙度地層中的響應,對比與化學源的響應差異,分析所測孔隙度靈敏度及精度偏低的原因,并提出對應的校正方法。結果表明:由于D-T源能量較化學源高,地層密度對含氫指數測量影響增強,使得隨鉆D-T中子孔隙度測井地層孔隙度靈敏度偏低,且受到泥頁巖效應的影響較大;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,尤其是泥頁巖效應幾乎被完全消除。因此,通過對隨鉆D-T中子孔隙度測井結果的校正,測量靈敏度和精度都得到大幅提高,可以較好地替代化學源測量地層中子孔隙度。

隨鉆中子孔隙度測井;氘-氚中子發生器;孔隙靈敏度;泥頁巖效應;密度校正;蒙特卡羅模擬

中子孔隙度測井是石油勘探過程中使用的最常規的測井方法之一,用來確定地層的孔隙度、計算地層的產油能力以及識別氣層等。中子孔隙度測井儀器最初使用Am-Be化學中子源,但這對工作人員和周圍環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)中子發生器進行補償熱中子孔隙度測井,雖然可以消除化學源的危害,但儀器在高孔隙地層中響應動態范圍較Am-Be化學源小[2]。Ellis等[3](2007)研究了高能D-T源對隨鉆中子孔隙度測量的影響,認為雖然使用D-T源受環境影響較小,但其對地層的孔隙度靈敏性稍低,且泥頁巖效應比化學源大。于華偉(2009)[4]、張鋒(2010)[5]研究認為D-T孔隙度靈敏度較低,不易于識別高孔隙度地層。Xu等[6](2009)認為D-T隨鉆測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量精度會下降。目前,國內學者也正在積極研制使用中子發生器的隨鉆中子孔隙度測井儀器,但若要完全替代測井儀器中的Am-Be化學源,則需要對其影響因素進行分析,從而提高地層孔隙度靈敏度和測量精度。筆者針對使用D-T中子發生器的隨鉆中子孔隙度測井,采用蒙特卡羅數值模擬方法研究其在不同孔隙度的砂巖、灰巖、白云巖及多種類型泥頁巖地層中的響應;通過分析地層密度對高能中子輸運以及隨鉆D-T中子孔隙度測量的影響,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井

傳統的補償中子孔隙度測井使用Am-Be中子源和兩個3He管熱中子探測器(分別為近探測器和遠探測器)測量經過地層慢化并散射回井眼的熱中子;由于氫是最強的中子減速劑,因此用近、遠探測器計數率的比值測定地層含氫指數。由于氫通常含于地層孔隙內的流體中,所以含氫量與地層孔隙度有關,由此可測量地層孔隙度[7]。

目前常用于替代Am-Be化學源進行孔隙度測量的可控源為D-T中子發生器,它們的主要特征參數見表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,進入地層的減速長度大,熱中子在地層中的分布范圍更寬;另外D-T發生器的中子產額比Am-Be源高一個數量級,可以有效提高隨鉆中子孔隙度測井的熱中子計數率和統計精度。

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

2 計算模型

本文中使用在核探測領域廣泛使用的蒙特卡羅模擬程序(MCNP),構建了儀器、井眼和地層的三維模型[8]。隨鉆D-T中子孔隙度測井儀器主要包括一個中子發生器、兩個3He中子計數管以及相應的電路和機械部件。近、遠兩個探測器的源距分別為26、64 cm,中子發生器與近探測器之間及近、遠探測器之間都放置屏蔽體。近、遠探測器選用兩個大小和內部氣壓都不相同的3He中子計數管,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構建的數值計算模型,儀器各部件都偏心放置于鉆鋌內,鉆鋌中間的通道為鉆井液通道。

圖1 儀器的計算模型Fig.1 Numerical computation model of logging tool

模擬時使用MCNP中的通用源(SDEF),D-T中子發生器的能量為14 MeV的單能快中子,Am-Be中子源能量選用國際標準化組織ISO-8529推薦的能譜分布。選擇使用體通量探測器分別記錄兩個探測器柵元的熱中子通量,每次模擬時抽樣2×108個源中子,使每次模擬結果的統計誤差小于2%。

3 D-T中子孔隙度響應

3.1 D-T和Am-Be源中子孔隙度響應對比

為了對比兩種源的隨鉆中子孔隙度測井儀器的響應差別,本文中分別研究儀器基于D-T發生器和Am-Be兩種中子源在飽含淡水石灰巖(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。為了便于比較,將使用Am-Be源的響應與D-T源響應在孔隙度為10%時做歸一化處理,其近遠計數比值與地層孔隙度的關系如圖2所示。本文中僅考慮使用兩種源的響應特性,沒有考慮探測器的放大倍數及其他特性。

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

如圖2所示,兩種源對應的近遠比值都隨著孔隙度的增加而增加,但在高孔隙處,使用D-T中子發生器得到的近遠比要明顯低于Am-Be化學源,且動態變化趨勢較小,即對地層孔隙度的靈敏度較小。

另外,圖2中兩種源響應曲線中代表鋁土地層的數據點都偏離飽含水灰巖的關系曲線。將鋁土地層得到的近遠探測器比值轉換為視石灰巖孔隙度后,得到的Am-Be和D-T源的視中子孔隙度分別為57%和大于100%。由于地層實際的孔隙度為45%,因此使用Am-Be源時受到的影響相對較小,而使用D-T源時測量得到的孔隙度結果超過了100%,結果已經完全失真。

3.2 D-T源巖性影響

使用Am-Be源的隨鉆中子孔隙度測井要受到地層巖性的影響,測量后須進行相應的巖性校正,但是在泥頁巖地層的影響仍然難以消除[7]。為了詳細考察使用D-T中發生器的隨鉆中子孔隙度儀器在各種地層的響應,分別選擇飽含淡水的砂巖、石灰巖和白云巖地層,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,性質見表2),模擬研究儀器在這些地層的中子孔隙度響應,近遠探測器計數率比值與地層含氫指數(IH,即地層相對于純水的含氫濃度)之間的關系如圖3所示。

由圖3看出,儀器在砂巖、白云巖和石灰巖地層的響應曲線并不重合,這是由于地層巖性的差異造成的,此規律與傳統的Am-Be源響應是一致的。但是5個泥頁巖數據點都與這三條曲線偏離較遠,且并無較好規律,特別是在地層含氫指數較大的時候。這進一步說明泥頁巖或泥質的存在對使用D-T發生器的隨鉆中子孔隙度測井影響非常大,不能忽視,必須進行適當的校正。

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隨鉆中子孔隙度測井響應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]研究認為:盡管氫在中子減速過程中起到極其重要的作用,但補償中子孔隙度測井測量的并不僅是地層的含氫指數。Am-Be源釋放的平均能量為4.5 MeV的中子,以與地層原子核發生彈性散射為主,由于地層中發生彈性散射能力最強的是氫元素,因此其響應主要反映地層的含氫指數或孔隙度,受其他因素影響較小。D-T發生器釋放的14 MeV的高能中子,首先是發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[10],因此在不考慮地層熱中子吸收影響的情況下,熱中子探測器響應主要取決于地層的含氫指數和地層密度兩個因素[3,6]。如要測量與地層孔隙度相關的含氫指數,則須消除密度對其影響。

4.2 校正方法

由于熱中子探測器響應主要是地層含氫指數和密度的貢獻,可以表示為

式中,ρb為地層體積密度;α、β分別表示探測器對于含氫指數和密度的靈敏度指數。

中子孔隙度測量需要校正地層密度影響,假設近、遠探測器響應經密度校正之后為NCRcor和FCRcor,則校正后的探測器響應只與地層的含氫指數相關,幾乎不再受地層密度的影響。NCRcor和FCRcor計算公式如下:

式中,NCR、FCR為近、遠探測器的計數率。本文中校正因子αn、βn和αf、βf用多組近遠探測器的模擬數據擬合得到,實際工程應用中利用測量數據獲得。

用校正之后的近、遠計數率可以得到新的近遠比R′,則R′只與地層的含氫指數相關,而與地層密度無關:

4.3 校正結果

使用圖3中得到的各種巖性飽含淡水地層的模擬數據,利用公式(2)～(4)對其近、遠計數率進行密度校正,校正之后得到的近遠比與地層含氫指數之間的關系如圖4所示。

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

圖4中,對于砂巖、白云巖和石灰巖地層,密度校正后近遠比值與含氫指數的關系受巖性影響明顯減小,數據點基本落在同一條趨勢線上,其中白云巖和灰巖有相同的響應、數據點重合在一起,只是砂巖會稍有些偏離。因此,校正之后響應結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據點也全部落在了趨勢線上,因此密度校正之后的中子孔隙度的泥頁巖效應也基本被消除,可以測量比原來更加準確的含氫指數。所以,密度校正可以基本消除D-T中子孔隙度測井的各類巖性影響,此結果甚至優于使用化學源時的中子孔隙度測井。

另外,D-T中子孔隙度測井還存在孔隙度靈敏度低的問題。對比分別使用密度校正前、后的D-T源及Am-Be化學源時,隨鉆中子孔隙度測井儀對飽含淡水石灰巖地層孔隙度的靈敏度,靈敏度計算過程見文獻[11],結果如圖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%時降低最快。經過密度校正之后的隨鉆D-T中子孔隙度測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Am-Be化學中子源的響應。這是由于校正之后的儀器響應基本不再受地層密度影響,而只對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地層含氫指數靈敏度偏低的問題。

5 結 論

(1)隨鉆D-T中子孔隙度測井與使用Am-Be化學源相比,存在地層孔隙度靈敏度偏低、泥頁巖效應更大的問題,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隨鉆D-T中子孔隙度測井響應的影響,而且基本可以消除泥頁巖效應,這對隨鉆中子孔隙度測井在頁巖油氣儲層的測井解釋有著重要作用。

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

(4)隨鉆D-T中子孔隙度測井可以達到甚至超過Am-Be源的測量精度。

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(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

國家自然科學基金(41304095);中央高校基本科研業務費專項(11CX04003A);中國石油大學教學改革項目(SY-A201204);山東省自然科學基金(ZR2012DM002);中國石油科技創新基金(2012D50060302)

于華偉(1981-),男,高級實驗師,博士,主要研究方向為核測井蒙特卡羅模擬、測井解釋及實驗方法。E-mail:yhwlog@163.com。