張占松，張超謨（油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點實驗室（長江大學），湖北 荊州434023）

氣體介質(zhì)鉆井條件下測井資料分析與數(shù)值模擬

張占松，張超謨（油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點實驗室（長江大學），湖北 荊州434023）

由于現(xiàn)有儀器都是相對于傳統(tǒng)的液體泥漿環(huán)境條件設計和刻度的，當井孔介質(zhì)為氣體時，現(xiàn)有儀器不能直接適用。采用不同井眼介質(zhì)測井資料的對比分析方法，分析了氣體井眼介質(zhì)條件下自然伽馬、密度和補償中子測井資料的響應特征，提出了氣體鉆井測井資料的密度和中子測井校正方法。采用Monte Carlo數(shù)值模擬方法對液體和氣體介質(zhì)補償中子測井進行了數(shù)值模擬，分析了井眼介質(zhì)不同時的探測器熱中子通量同源距乘積與源距的關系、熱中子計數(shù)率隨孔隙度變化規(guī)律、長短源距熱中子計數(shù)率關系以及長短源距熱中子計數(shù)率比值關系，驗證了氣體井眼介質(zhì)條件下實際測井響應特征。

氣體介質(zhì)鉆井測井；自然伽馬測井；補償中子測井；密度測井；數(shù)值模擬

氣體介質(zhì)鉆井是指鉆進過程中井筒內(nèi)循環(huán)介質(zhì)為氮氣、天然氣、霧、泡沫或空氣的輕質(zhì)低密度鉆井介質(zhì)的欠平衡鉆井技術(shù)，目的是更有效地保護油氣層，節(jié)約泥漿費用，縮短鉆井周期，降低鉆井綜合成本［1］。氣體介質(zhì)條件下測井是在氣體鉆井條件下不將氣體替換為泥漿（或原油）而直接進行測井作業(yè)，獲取測井資料并用于儲層評價［2］。

由于現(xiàn)有儀器都是相對于傳統(tǒng)的液體泥漿環(huán)境條件設計和刻度的，當井筒環(huán)境為氣體介質(zhì)時，儀器的參數(shù)（如源距和刻度環(huán)境參數(shù)等）已經(jīng)不能直接適應，從而使測井值不能反映地層特性。電阻率和聲波等測井方法不能直接使用；補償中子測井資料與常規(guī)泥漿條件下的資料差別極大；密度測井、自然伽馬測井等也不同程度的受測量環(huán)境的影響。導致了儲層孔隙度參數(shù)計算的可靠性受到嚴重影響，無法滿足油氣儲層評價的基本要求。

1 自然伽馬測井對比分析

圖1是包淺1井在油和氣兩種介質(zhì)條件下測井測量結(jié)果的對比圖。從圖1中可以看出，兩種介質(zhì)條件下的自然伽馬曲線基本重合，但在高值部分，氣體介質(zhì)條件下的自然伽馬值比油介質(zhì)條件下的值大，且隨著伽馬值的增大，差別也越大。原因是在其他井眼條件相同的條件下，油的吸收系數(shù)比氣要大［3］。

圖1 包淺1井測井曲線圖

圖2是包淺1井在兩種介質(zhì)條件下自然伽馬測井的對比分析圖，它們的相關性非常好。兩種介質(zhì)條件下伽馬值的差值隨著伽馬值的增加也逐漸增加。

2 密度測井對比分析與校正

測井測出的密度值受到多種因素的影響，井眼擴大或井壁不規(guī)則對密度測井曲線有嚴重影響，往往使密度測井曲線陡然下降，測出的密度值明顯偏低［4］。一般采用逐點檢驗和校正方法來近似地消除這種影響。

圖2 油與氣井眼介質(zhì)自然伽馬測井結(jié)果對比

圖3 油與氣井眼介質(zhì)密度測井對比

圖1說明兩種介質(zhì)條件下的補償密度測井值在擴徑井段或井壁不規(guī)則處不一致，一般表現(xiàn)為兩種密度值都會降低，氣體介質(zhì)條件下的密度測井值比油介質(zhì)條件下的密度值降低的更多，且這種減小量一般不與擴徑大小成比例。說明在這些井段，儀器極板貼井壁不好，導致理論值與實際值之間存在差異。圖3是包淺1井兩種介質(zhì)條件下的密度測井交會圖，在高值部分兩種情況具有很好的一致性，而在低值部分兩者存在一定的差別。

采用以下方法對密度測井曲線進行編輯校正：

1）計算解釋層段地層密度的下限值ρmin：

式中，ρsh為泥質(zhì)密度，kg/m3；Vsh為地層的泥質(zhì)含量，%；ρP為解釋層段中孔隙度最大的純地層密度值，kg/m3。

2）進行逐點檢驗和校正。當測得的實測密度值ρb＜ρmin時，說明井眼擴大或井壁不規(guī)則，儀器極板貼井壁不好，導致實測值ρb比地層下限值ρmin還低，此時令ρb＝ρmin，作為該地層密度的近似值；當實測密度值ρb＞ρmin時，仍取原ρb值。

參數(shù)ρsh和ρP可以在處理井段附近井徑規(guī)則處的密度測井曲線上選取，而Vsh則可以用自然伽馬曲線求取。圖4是包淺1井密度曲線編輯結(jié)果，編輯后的曲線更加合理。

3 中子測井的對比分析

3.1 實測資料分析

分別在3口井進行了氣體介質(zhì)為天然氣、氮氣和空氣的補償中子測井，同時還在這3口井中進行了油和淡水介質(zhì)條件下的補償中子測井。比較同一井中不同井眼介質(zhì)的測井結(jié)果（圖5），發(fā)現(xiàn)有以下幾個方面的特點：①兩種介質(zhì)條件下補償中子測井值存在較大差別，大部分井段測井曲線形態(tài)相似，在擴徑井段出現(xiàn)鏡像現(xiàn)象。②在油介質(zhì)條件下，長源距計數(shù)率一般在0～4000范圍，短源距計數(shù)率一般在0～5000范圍，長短源距計數(shù)率比小于1；在氣體介質(zhì)條件下，補償中子測井儀短、長源距探測器計數(shù)率普遍增大。長源距計數(shù)率一般在4000～15000范圍，短源距計數(shù)率一般在4000～9000范圍，長短源距計數(shù)率比大于或等于1，且在擴徑井段長短源距計數(shù)率之比急劇增加。

圖4 包淺1井密度曲線編輯結(jié)果

圖6是油和氣介質(zhì)條件下測得的長源距和短源距計數(shù)率的交會圖，相關系數(shù)分別為0.744和0.771，總體上有一定的相關關系。圖7是油介質(zhì)下測得的中子孔隙度與油或氣介質(zhì)長短源距計數(shù)率比之間的關系。從圖7中可以看出，中子孔隙度與油介質(zhì)下的計數(shù)率比有很好的相關性，而與氣介質(zhì)下的計數(shù)率比的相關性則較差。

3.2 曲線校正

考慮到各參數(shù)之間存在相關性，但擴徑會嚴重影響這種關系，因此在井徑不規(guī)則處采用內(nèi)插的方法或利用自然伽馬曲線的統(tǒng)計法對原始測井數(shù)據(jù)進行編輯校正。圖8是氣體介質(zhì)井校正后的比值與油基泥漿比值的對比圖，大部分散點呈45度線分布。用油基泥漿井的回歸方程計算氣體介質(zhì)井的中子孔隙度，并與油井測量中子孔隙度對比發(fā)現(xiàn)擴徑段空氣井預測段的中子孔隙度相對油基泥漿結(jié)果差別較大。

4 補償中子測井的Monte Carlo數(shù)值模擬

為了分析氣體與液體井眼介質(zhì)中子測井結(jié)果的差異，依據(jù)井眼充填介質(zhì)和地層孔隙充填介質(zhì)分成了4種情況：①井內(nèi)充滿淡水，地層孔隙中充滿淡水（水－水）；②井內(nèi)充滿淡水，地層孔隙中充滿天然氣（水－氣）；③井內(nèi)充滿空氣，地層孔隙中充滿水（氣－水）；④井內(nèi)充滿空氣，地層孔隙中充滿天然氣（氣－氣）。采用 Monte Carlo數(shù)值模擬方法進行了數(shù)值模擬［5～7］。

1）探測器熱中子通量同源距乘積與源距關系 圖9為探測器熱中子通量乘以源距與源距的關系。從圖9中可以看出液體與氣體井眼介質(zhì)之間的差異，隨著源距的增加，液體介質(zhì)熱中子通量同源距的乘積迅速減小，而氣體介質(zhì)則變化緩慢。

2）熱中子計數(shù)率隨孔隙度變化規(guī)律 圖10為4種情況下，近、遠探測器熱中子計數(shù)率與孔隙度變化的規(guī)律。在短源距處，當井眼充滿淡水時，無論地層是飽含水還是飽含天然氣，熱中子計數(shù)率都隨著孔隙度的增加而減少，但飽含氣地層熱中子計數(shù)率隨孔隙度變化緩慢。當井眼充滿空氣時，熱中子計數(shù)率在開始時都隨著孔隙度的增加而增加，而飽含水層增加得快；熱中子計數(shù)率增加到一定值后隨孔隙度增大而緩慢減少。當?shù)貙涌紫抖仍龃蟮揭欢ㄖ禃r，飽含氣地層的熱中子計數(shù)率大于飽含水地層的熱中子計數(shù)率。遠探測器熱中子計數(shù)變化規(guī)律和近探測器幾乎相同，空氣井眼比充滿水的井眼熱中子計數(shù)高。

3）長短源距熱中子計數(shù)率比較 圖11為井眼充滿空氣，地層孔隙介質(zhì)為淡水或天然氣時，孔隙度與遠探測器計數(shù)率或近探測器計數(shù)率的關系圖。從圖11中可以看出，當井眼中充滿空氣時，無論地層是飽含水還是天然氣，遠探測器熱中子計數(shù)率都是在最開始（孔隙度小）時大于近探測器熱中子計數(shù)率；當孔隙度增大到一定值后，遠探測器熱中子計數(shù)率開始小于近探測器熱中子計數(shù)率。當?shù)貙咏橘|(zhì)為水時，遠探測器計數(shù)率大于近探測器計數(shù)率發(fā)生在孔隙度小于10%；而地層介質(zhì)為天然氣時，遠探測器計數(shù)率大于近探測器計數(shù)率發(fā)生在孔隙度小于25%。由此可知，在井內(nèi)為氣體介質(zhì)時，在一定地層條件下，遠探測器的計數(shù)率可以大于近探測器的計數(shù)率。

圖5 包淺1井測井曲線圖

圖6 油與氣井眼介質(zhì)條件下長、短源距計數(shù)率結(jié)果對比（包淺1井）

圖7 油、氣介質(zhì)長短源距計數(shù)率比與油介質(zhì)中子孔隙度關系

4）井眼介質(zhì)不同時的長短源距熱中子計數(shù)率比值 圖12為不同情況下（水－水、氣－水），遠、近探測器計數(shù)率比與地層孔隙度的關系。從圖12中可以看出，井眼內(nèi)充滿空氣時的遠、近探測器熱中子計數(shù)率比大于井眼充滿淡水時的遠、近探測器熱中子計數(shù)率比，且在井內(nèi)介質(zhì)為淡水時，遠、近探測計數(shù)率比值小于1；井內(nèi)介質(zhì)為氣體時，遠、近探測器計數(shù)率比值在一定地層條件下大于1。氣體介質(zhì)條件下，遠、近探測器計數(shù)率比隨孔隙度的增大而變化緩慢；而在淡水條件下，遠、近探測器計數(shù)率比隨孔隙度的增大而變化較快，這說明井內(nèi)為淡水時分辨率高，而在氣體介質(zhì)條件下，測井響應不能很好地反映地層特性。

圖8 氣體介質(zhì)井校正后的比值與油基泥漿比值散點圖

圖9 近探測器熱中子通量乘以源距與源距關系

5 結(jié) 論

1）氣體介質(zhì)井眼條件下，由于氣體不具有吸收特性，因此比其他液體介質(zhì)更能準確測定地層真實的自然伽馬值。

2）貼井壁長、短源距密度測井儀器的讀數(shù)受井徑大小影響較小，但井壁不規(guī)則對密度測井曲線有嚴重影響，往往使密度測井曲線陡然下降，測出的ρb值明顯偏低。

3）在氣體介質(zhì)條件下，中子源產(chǎn)生的快中子由于不能迅速減速為熱中子，使得短源距計數(shù)率低而長源距計數(shù)率高，長、短源距記錄的熱中子信息主要來自井眼，來自地層的熱中子信息十分有限，長、短源距探測器不能起到互相補償?shù)淖饔茫@得的井眼信息遠遠大于地層信息。

圖10 近、遠探測器熱中子計數(shù)率與孔隙度的關系

圖11 孔隙度與遠近探測器計數(shù)率關系

圖12 遠、近探測器計數(shù)率比值與孔隙度的關系

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Analysis of Well Logging Data and Numerical Simulation in Gas Medium Drilling

ZHANG Zhan－song，ZHANG Chao－mo（Key Laboratory of Exploitation Technologies for Oil and Gas Resources（Yangtze University），Ministry of Education，Jingzhou434023，Hubei，China）

Because of the existing well logging tools were designed and calibrated to the traditional hole environment of liquid mud，when gas was used as a hole medium these well logging tools could not be directly deployed to the hole environment.Based on the comparative analysis of different well logging data，the well logging response characteristics of natural gamma，density and compensated neutron in the gas medium were analyzed，the method for correcting the density and compensated neutron logging data in the condition of gas drilling logging was proposed.The method of Monte Carlo numerical simulation is used to compensate neutron logging under the hole environment of liquid and gas hole medium.Through the numerical simulation，the relation between source spacing and the product of the thermal neutron flux and source spacing are，the relation between thermal neutron count rates and porosity，the relation between far and near source spacing count rates，and the relation of far and near source spacing count rates ratio between liquid and gas hole medium are also analyzed.The well logging response characteristics are proved under the condition of gas drilling logging.

logging of gas medium drilling；natural gamma logging；density logging；compensated neutron logging；numerical simulation

P631.84

A

1000－9752（2010）05－0084－06

2010－09－03

中國石油科技創(chuàng)新基金項目（2008D－5006－03－02）。

張占松（1965－），男，1987年江漢石油學院畢業(yè)，博士，教授，現(xiàn)主要從事解釋與測井地質(zhì)研究與教學工作。

［編輯］ 龔 丹