王紅濤 （長江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院，湖北 荊州434023）

張占松 （長江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院 油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點實驗室 （長江大學(xué)），湖北 荊州434023）

陳子善 （長江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院，湖北 荊州434023）

空氣鉆井補償中子測井響應(yīng)的蒙特卡羅模擬及應(yīng)用

王紅濤 （長江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院，湖北 荊州434023）

張占松 （長江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院 油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點實驗室 （長江大學(xué)），湖北 荊州434023）

陳子善 （長江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院，湖北 荊州434023）

由于介質(zhì)井眼的改變，空氣井中補償中子測井儀器的響應(yīng)與液體井中有很大不同，利用液體介質(zhì)井眼下刻度的補償中子測井儀不能滿足氣體介質(zhì)井眼測井的要求。利用蒙特卡羅方法，模擬了空氣井中補償中子測井響應(yīng)以及井徑變化對測井響應(yīng)的影響。通過儀器刻度的方法對模擬結(jié)果進(jìn)行處理，得到空氣鉆井補償中子測井刻度后的儀器響應(yīng)與孔隙度的關(guān)系曲線以及擴(kuò)徑校正方法，并應(yīng)用于實際井中求取中子孔隙度，取得了一定的效果。

空氣鉆井；補償中子測井；蒙特卡羅數(shù)值模擬

氣體介質(zhì)條件下欠平衡鉆井技術(shù)具有提高機械鉆速、節(jié)約泥漿費用、縮短鉆井周期、保護(hù)油氣產(chǎn)層等優(yōu)點，已在四川油田、長慶油田得到廣泛應(yīng)用［1，2］。但是氣體介質(zhì)條件下的測井和解釋工作還沒有得到較好發(fā)展。補償中子測井在液體泥漿井眼條件下是一種有效的常規(guī)測井方法，然而由于常規(guī)儀器都是在液體介質(zhì)井眼環(huán)境下設(shè)計與刻度的，當(dāng)介質(zhì)井眼為氣體時，其測井響應(yīng)與泥漿介質(zhì)下有很大不同，原來的刻度標(biāo)準(zhǔn)在此不能適用，從而使中子孔隙度測井值不能反映地層真實性質(zhì)［3］。利用蒙特卡羅方法，模擬中子在不同介質(zhì)井眼下的輸運過程及其測井響應(yīng)的差別，為氣體介質(zhì)井眼條件下確定中子孔隙度提供理論基礎(chǔ)。

1 模型的建立

利用MCNP－4C程序［4］進(jìn)行數(shù)值模擬，模型如圖1所示，井眼直徑20cm，里面充滿淡水或者空氣。井內(nèi)壓力為5MPa，溫度100℃，空氣密度為0.04732g/cm3。地層內(nèi)外半徑分別為10cm和100cm，高為400cm的圓筒狀幾何模型，地層骨架為灰?guī)r或砂巖，孔隙里充滿水。補償中子測井儀模型由儀器壁、中子源、長短源距探測器、屏蔽體組成。中子源為5MeV的各向同性源，長短源距探測器為圓柱狀3He計數(shù)管，尺寸分別為3cm×20cm和3cm×10cm，里面填充3He氣體，中子源與短源距探測器之間用理想屏蔽體進(jìn)行屏蔽。儀器外殼為圓筒狀，探測器和中子源位于儀器中心，長短源距分別為55cm和35cm，儀器貼井壁測量。

2 模擬結(jié)果及刻度

利用上述模型，孔隙度變化依次為1%、5%、10%、20%、30%、35%、40%，模擬井眼中分別充滿水和空氣的情況，得到短源距探測器與長源距探測器計數(shù)率之比 （LS/SS）與孔隙度的關(guān)系 （圖2，圖中W、G分別表示井眼中充滿水和空氣）。補償中子測井儀長短源距探測器計數(shù)率比值與地層孔隙度有對應(yīng)的關(guān)系。上述地層模型與各油田用的標(biāo)準(zhǔn)刻度井是一致的，但由于儀器模型與理想儀器之間存在一定的差別，使得模擬結(jié)果與理想儀器在標(biāo)準(zhǔn)刻度井中的測量結(jié)果不同。在實際測井過程中，由于不同儀器之間測井響應(yīng)值存在離散性，儀器下井之前要進(jìn)行刻度［5，6］，使相同條件下不同的儀器都能測得與理想儀器同樣的結(jié)果。

雖然數(shù)值模擬結(jié)果可以定性地反映一定條件變化對測井響應(yīng)的影響，但不能用于實際測井資料的定量對比分析。參照實際測井儀器的刻度過程，把井眼為液體時的模擬結(jié)果轉(zhuǎn)換為理想儀器在標(biāo)準(zhǔn)刻度井中的測量結(jié)果，使模擬結(jié)果便于同實際資料比較和對實際資料的處理。圖3是刻度后地層為灰?guī)r和砂巖時液體介質(zhì)井眼的長短源距計數(shù)比 （LS/SS）與孔隙度的關(guān)系曲線。由于條件限制，目前氣體介質(zhì)井眼條件下的標(biāo)準(zhǔn)刻度井還沒有建造，通過液體介質(zhì)井眼條件下的刻度方法，對氣體介質(zhì)井眼條件下的模擬結(jié)果進(jìn)行換算，得到的長短源距計數(shù)比與孔隙度關(guān)系 （圖3）。

圖1 蒙特卡羅計算模型

圖2 不同介質(zhì)井眼近遠(yuǎn)探測器計數(shù)比與孔隙度關(guān)系

圖3 刻度后不同介質(zhì)井眼近遠(yuǎn)探測器計數(shù)比與孔隙度關(guān)系

由圖3可以看出，隨著孔隙度增加，地層快中子減速能力增強，長探測器周圍的熱中子通量密度比短探測器下降的快，因而LS/SS與孔隙度關(guān)系曲線呈上升趨勢。但很明顯，當(dāng)介質(zhì)井眼為氣體時，曲線上升的趨勢要弱，即測井值對孔隙度和巖性的敏感性降低，不利于孔隙度的確定。這是由于在液體介質(zhì)井眼條件下，水的快中子減速能力很強，能有效阻止中子通過井眼直接到達(dá)探測器，因此儀器記錄到的熱中子主要來自地層。而在氣體介質(zhì)井眼條件下，空氣對快中子的減速能力和對熱中子的吸收能力都很差，致使長短探測器周圍均充滿大量的快中子，這些快中子進(jìn)入地層慢化為熱中子后與直接從地層中輸運過來的熱中子一起進(jìn)入探測器，從而導(dǎo)致隨著孔隙度升高，長探測器周圍的熱中子通量密度相對于液體介質(zhì)井眼時下降的要慢，因此曲線變得平緩。

3 井徑變化對中子孔隙度的影響

當(dāng)井徑分別為10cm和12cm時，井眼分別充滿水和空氣時模擬并經(jīng)過刻度后的結(jié)果如圖4所示。由于空氣的快中子減速能力很低，導(dǎo)致氣體介質(zhì)井眼與液體介質(zhì)井眼的測井響應(yīng)有很大差別，當(dāng)井徑變大時自然會有更多的快中子從井眼到達(dá)探測器，因此氣體介質(zhì)井眼井徑變化對測量結(jié)果的影響比液體時大得多。當(dāng)介質(zhì)井眼為水時，LS/SS會有所降低，而當(dāng)介質(zhì)井眼為空氣時，LS/SS則會明顯升高。

灰?guī)r地層氣體介質(zhì)井眼不同井徑模擬并經(jīng)過刻度后結(jié)果示于圖5。從圖5中可以看出：

1）不同井徑時長短源距計數(shù)比LS/SS與孔隙度的對數(shù)在一定孔隙度范圍內(nèi)都近似呈直線關(guān)系。通過擬合，得出不同井徑下LS/SS與孔隙度的關(guān)系式為：

2）在氣體介質(zhì)井眼中，LS/SS一般大于1；而在液體介質(zhì)井眼中，LS/SS一般小于1。如前面分析，氣體介質(zhì)井眼條件下長源距處的中子通量密度比液體介質(zhì)井眼時下降的慢，并且長探測器設(shè)置的比短探測器大，以減小實際儀器在長源距處的測量誤差，從而導(dǎo)致氣體介質(zhì)井眼中LS/SS大于1結(jié)果。

3）氣體介質(zhì)井眼中，井徑越大，LS/SS比值越大，說明井眼影響也越大。在氣體介質(zhì)井眼實際測井中，如果遇到擴(kuò)徑層段，由于井徑影響大和測井響應(yīng)對孔隙度分辨率低的緣故，得到的中子孔隙度可能會比地層真實孔隙度大得多。

圖4 灰?guī)r地層不同介質(zhì)井眼下井徑變化對比值的影響

圖5 灰?guī)r地層氣體介質(zhì)井眼下不同井徑比值與孔隙度的關(guān)系

4 實際應(yīng)用

四川測井公司在某井氣體鉆井結(jié)束后，先后進(jìn)行了氣體介質(zhì)和油介質(zhì)下的補償中子測井，兩次測量結(jié)果儀器響應(yīng)差別很大，而且利用氣體測量結(jié)果所求出的中子孔隙度一般小于5%，甚至出現(xiàn)負(fù)的孔隙度，說明儀器在液體模型井中的響應(yīng)曲線和刻度標(biāo)準(zhǔn)不能適應(yīng)氣體介質(zhì)井眼測井的要求。

對模擬結(jié)果進(jìn)行刻度時所采用的刻度標(biāo)準(zhǔn)與這口井用的補償中子測井儀采用的刻度標(biāo)準(zhǔn)是一樣的，因此刻度后的模擬結(jié)果可以用于處理這口井的測井資料。利用氣體介質(zhì)井眼下刻度后的模擬結(jié)果，對該井在氣體介質(zhì)井眼下長短源距計數(shù)率測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，計算出氣體介質(zhì)井眼下的中子孔隙度，并與油介質(zhì)井眼下的中子孔隙度進(jìn)行比較 （圖6）。由于氣體介質(zhì)井眼測井響應(yīng)受井徑影響很大，為了便于比較，對氣體介質(zhì)井眼條件下求出的孔隙度利用式 （1）作了井徑校正。從圖6中可以看出：①在擴(kuò)徑層段，油介質(zhì)井眼下的長短源距計數(shù)比降低，氣介質(zhì)長短源距計數(shù)比升高，這與圖4的結(jié)果是一致的，與此對應(yīng)，油介質(zhì)井眼所測孔隙度比正常井徑時高，氣介質(zhì)井眼所測孔隙度則比正常井徑時低。在1611m深度擴(kuò)徑嚴(yán)重，這種現(xiàn)象尤為明顯。②泥質(zhì)對兩種介質(zhì)井眼所測孔隙度均有明顯的影響，需要對泥質(zhì)含量進(jìn)行校正。③從整體上看，兩種介質(zhì)井眼所測孔隙度具有一致的變化趨勢，達(dá)到了一定的符合程度，這與氣體介質(zhì)井眼下仍然采用液體介質(zhì)井眼下的標(biāo)準(zhǔn)刻度曲線所得出的孔隙度相比有了很大進(jìn)步，說明氣體介質(zhì)井眼測井時對儀器進(jìn)行重新刻度是必要的，而所模擬的氣體介質(zhì)井眼下LS/SS比值與孔隙度的關(guān)系為此提供了參考。

圖6 實際資料處理結(jié)果的對比

5 結(jié) 論

1）氣體介質(zhì)井眼條件下的補償中子測井響應(yīng)與液體介質(zhì)井眼下條件有很大不同，長短源距探測器的計數(shù)率都明顯升高，而且很多情況下長短源距計數(shù)率比值會大于1。

2）氣體介質(zhì)井眼下長短源距計數(shù)比與孔隙度在一定孔隙度范圍內(nèi)仍近似為線性關(guān)系，但比值對孔隙度的敏感性與液體介質(zhì)井眼下相比明顯降低，這不利于中子孔隙度反映地層真實性質(zhì)，給解釋工作造成困難。

3）氣體介質(zhì)井眼下井徑變化對LS/SS比值的影響也比液體介質(zhì)井眼下更大，需要進(jìn)行井徑校正。井徑增大時，視孔隙度升高，這與液體介質(zhì)井眼的情況相反。

4）刻度后的模擬結(jié)果用于四川某油井，取得了一定的效果。說明目前在缺乏氣體模型井的條件下，通過計算機模擬和儀器刻度相結(jié)合的方法求取氣體介質(zhì)井眼下的中子孔隙度是可行的。

［1］馬曉偉，張顯軍，趙德云，等.空氣/氮氣鉆井技術(shù)在徐深28井的成功實踐 ［J］.石油鉆采工藝，2008，30（3）：87～90.

［2］張鋒，郭建芳，王新光.空氣鉆井條件下中子孔隙度測井響應(yīng)的蒙特卡羅模擬 ［J］.吉林大學(xué)學(xué)報 （地球科學(xué)版），2010，40（1）：209～214.

［3］司馬立強，甘秀娥，梁從軍，等.空氣井測井響應(yīng)現(xiàn)象分析與探討 ［J］.測井技術(shù)，2003，27（6）：499～501.

［4］許淑艷.蒙特卡羅方法在實驗核物理中的應(yīng)用 ［M］.北京：原子能出版社，1985.

［5］黃隆基.核測井原理 ［M］.北京：石油大學(xué)出版社，2000.

［6］蔡元藩.補償中子測井刻度方法探討 ［J］.地球物理測井，2009，14（1）：24～28.

Monte Carlo Numerical Simulation of Compensated Neutron Log and Its Application in Air Drilling

WANG Hong－tao，ZHANG Zhan－song，CHEN Zi－shan（First Author's Address：College of Geophysics and Oil Resources，Yangtze University，Jingzhou434023，Hubei，China）

As a result of different medium in the well，the log responses of compensated neutron logging（CNL）tool in air wells differed from that in water well，and，therefore CNL calibrated in water well failed to meet the demands of air well logging.With Monte Carlo method，the CNL responses in air wells are simulated under the condition of different porosities.The relation curve of CNL response and porosity，and the method of hole size correction in air well are obtained by the calibration of simulated output，it is used to calculate the porosity of a well and certain effect is obtained.

air drilling；compensated neutron log；Monte Carlo numerical simulation

P631.84

A

1000－9752（2011）06－0228－04

2011－03－20

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

王紅濤 （1987－），男，2007年進(jìn)入長江大學(xué)學(xué)習(xí)，現(xiàn)主要從事測井研究和學(xué)習(xí)工作。

［編輯］ 龍 舟