付勇路,李鵬舉,2,李勇勇,韓文勝

(1.東北石油大學地球科學學院,黑龍江 大慶 163318;2.東北石油大學非常規(guī)油氣成藏與開發(fā)省部共建國家重點實驗室培育基地,黑龍江 大慶 163318)

0 引 言

在油氣田勘探開發(fā)過程中,補償中子孔隙度測井是儲層識別和評價的有效技術(shù)手段,基于放射源在核測井中應用的穩(wěn)定性,目前中子孔隙度測井普遍采用中子源仍是241Am-Be放射性中子源[1-2],其原理是利用近遠探測器計數(shù)比值測定地層的孔隙度[3-4]。歷經(jīng)幾十年發(fā)展,中子孔隙度測井日漸成熟,但其受測井環(huán)境的影響仍在不斷完善。對于中子孔隙度測井的蒙特卡羅數(shù)值模擬研究,往往不考慮地層溫度的影響,但實際中地層溫度隨深度的變化而變化,且溫度對中子孔隙度測井評價的影響不可忽視,隨著地層溫度升高,達到熱平衡的中子平均動能增大,地層和井眼元素俘獲熱中子的能力下降,測井儀計數(shù)率增大。對于孔隙度為20 p.u.的含水純砂巖巖層,在100 ℃環(huán)境下測得的孔隙度值同在常溫條件下測得的孔隙度值相差約3 p.u.[5]。模型井實驗中,地層溫度的變化難以模擬,然而應用數(shù)值模擬卻可以實現(xiàn)[6]。本文采用蒙特卡羅數(shù)值模擬程序MCNP5[7-8]對高溫地層對中子孔隙度測井的影響進行模擬研究。

1 蒙特卡羅數(shù)值模擬方法及模型的建立

1.1 蒙特卡羅數(shù)值模擬方法

蒙特卡羅方法又稱隨機抽樣技巧或統(tǒng)計實驗方法,通過逐一模擬和記錄單個粒子的輸運及碰撞過程統(tǒng)計規(guī)律特征,該方法已廣泛用于模擬研究伽馬測井、中子測井等核測井方面[9-10]。MCNP程序是Ros Aramos國家實驗室開發(fā)的大型多功能蒙特卡羅程序,可用于計算中子、光子、電子的輸運及聯(lián)合輸運問題及臨界問題。

1.2 蒙特卡羅數(shù)值模擬模型建立

為確保模擬結(jié)果與實測結(jié)果的一致性,中子孔隙度測井進行研究時需建立與實際測井條件符合的物理模型[11]。模型高150 cm,井眼直徑為20 cm,井眼流體為淡水,地層為內(nèi)徑10 cm,外徑100 cm的筒狀含水純砂巖地層。地層水平切割線和徑向切割線間距分別為3和2 cm,共分2 500個柵元。測井儀器內(nèi)徑為8.9 cm,壁厚0.5 cm,且良好推靠井壁。采用241Am-Be中子源,置于坐標(50,0,9 cm)處,2個3He計數(shù)管探測器之間及源與探測器之間填充理想屏蔽體,模型如圖1所示。

圖1 補償中子孔隙度測井蒙特卡羅數(shù)值模擬計算模型

2 高溫地層下中子孔隙度測井響應模擬結(jié)果

2.1 不同溫度下熱中子計數(shù)與源距的關系

在上述計算模型的基礎上,分別模擬計算孔隙度φ=0、10%、20%、30%、40%含水純砂巖,地層溫度分別為20 ℃、160 ℃條件下,熱中子計數(shù)與源距的關系。模擬中子數(shù)為50 000 000,計算相對誤差小于1.2%,結(jié)果見圖2。圖2中N為探測器歸一化后的熱中子計數(shù)率,記錄中子能量小于0.1 eV,r為源距。

由圖2可知,中子孔隙度測井的零源距在20 cm附近,且溫度對零源距無影響;對數(shù)坐標下,熱中子計數(shù)隨源距的增大而呈線性減小。從加強儀器的分辨能力方面考慮,源距大一些比較好,但源距增大,計數(shù)率以指數(shù)規(guī)律減小,統(tǒng)計誤差增大[12]。當r>70 cm時,計數(shù)率較低,統(tǒng)計誤差大,所以長短源距應在20～70 cm內(nèi)選擇。結(jié)合圖2可以看出,高溫地層環(huán)境下,熱中子計數(shù)較高,但熱中子計數(shù)隨源距的指數(shù)衰減規(guī)律與常溫條件下相同。

2.2 地層溫度對熱中子計數(shù)率與孔隙度關系的影響

取近、遠探測器的源距分別為30、60 cm,尺寸分別為Φ70 mm×50 mm、Φ70 mm×100 mm。模擬計算不同地層溫度條件下,探測器計數(shù)N與孔隙度φ的關系,計算結(jié)果見圖3。

從圖3中可以看出,近、遠探測器計數(shù)率均隨溫度的升高而增加,但溫度對兩者的影響規(guī)律不同。高溫地層環(huán)境條件下,近探測器計數(shù)由于溫度改變發(fā)生改變,關系曲線呈拋物線型,在孔隙度為10%處達到極大值,且在孔隙度0～40%范圍內(nèi),孔隙度越大,計數(shù)率受溫度影響越大;遠探測器計數(shù)率在中、低孔隙度范圍內(nèi)受溫度影響大,高孔隙度影響小,但近、遠探測器熱中子計數(shù)均隨溫度的升高而增大,這是由于熱中子能量值增大及元素的宏觀俘獲截面下降所致。因此,地層溫度會對熱中子計數(shù)率產(chǎn)生影響,從而影響孔隙度的計算。

圖2 熱中子計數(shù)率與源距的關系曲線

圖3 熱中子計數(shù)率與孔隙度的關系曲線

2.3 地層溫度對近遠探測器計數(shù)比與孔隙度關系的影響

近、遠探測器計數(shù)比R是補償中子孔隙度測井求取地層孔隙度的直接參數(shù),前人認為當近遠探測器源距r1、r2選定后,擴散長度的影響可以忽略,則計數(shù)比只與快中子減速長度有關[13],R可用式(1)表示

(1)

式中,r1、r2為近遠探測器源距,cm;Le為快中子減速長度,cm。

圖4 近遠探測器計數(shù)比與孔隙度的關系

對于地層溫度對計數(shù)比與孔隙度關系的影響模擬結(jié)果見圖4。從圖4可見,隨著地層溫度的升高,計數(shù)比逐漸變小,因計數(shù)比只與快中子減速長度有關,所以減速長度隨溫度的升高而增大。當孔隙度為0時,比值基本不受溫度的影響,隨著孔隙度的增大,比值受溫度影響越大,因此在高溫地層測井條件下,仍按常溫下計數(shù)比與孔隙度關系式計算孔隙度時,結(jié)果較真實孔隙度小,誤差較大,不能準確反應地層的真實孔隙度,必須重新刻度或作后續(xù)校正。計數(shù)比與孔隙度均呈現(xiàn)良好的二次線性關系及規(guī)律性的遞減,這為重新刻度和后續(xù)校正提供了可能,地層溫度為20、40、80、120、160、200 ℃條件下擬合的計數(shù)比與孔隙度之間的關系為

R=31.236φ2+28.722φ+2.9226

(2)

R=28.922φ2+23.780φ+2.8063

(3)

R=28.224φ2+17.928φ+2.8056

(4)

R=25.395φ2+15.638φ+2.8138

(5)

R=24.152φ2+13.952φ+2.8259

(6)

R=17.660φ2+14.125φ+2.7755

(7)

式中,R為近、遠探測器計數(shù)比;φ為地層孔隙度,%。

3 地層溫度對中子孔隙度測井地層靈敏度的影響

中子孔隙度測井的響應函數(shù)反映的是近、遠探測器計數(shù)比R與孔隙度φ之間關系,基于以上研究,在不同溫度下關系式均為一元二次函數(shù),通式為

R=Aφ2+Bφ+C

(8)

(9)

式中,A、B、C均為R與φ的擬合關系曲線系數(shù)。

根據(jù)以式(9),計算不同溫度條件下,中子孔隙度測井的地層靈敏度,結(jié)果見表1。

從表1可見,溫度一定情況下,地層靈敏度隨孔隙度的增大而減小;在相同孔隙度條件下,高溫地層條件下的地層靈敏度低于常溫地層條件下的地層靈敏度,且孔隙度越低,溫度對地層靈敏度的影響越大,這給埋藏深、溫度高的中、低孔隙度滲透率儲層評價造成困難,不利于目前油氣田中后期階段的勘探開發(fā)。

表1 溫度對地層靈敏度影響

4 結(jié)論

(1)高溫地層環(huán)境下,遠、近探測器熱中子計數(shù)均高于常溫條件下的熱中子計數(shù)率,但比值較小。溫度對中子孔隙度測井的影響不可忽視,必須重新刻度或作后續(xù)校正。

(2)高溫地層環(huán)境下,給埋藏深、溫度高的中、低孔隙度滲透率儲層評價造成困難,不利于目前油氣田中后期階段的勘探開發(fā)。

(3)高溫地層環(huán)境影響中子孔隙度測井的準確測量,但計數(shù)率與源距的關系、計數(shù)率與孔隙度的關系、近遠探測器計數(shù)比與孔隙度的關系等的變化規(guī)律基本不變,且計數(shù)率、計數(shù)比隨溫度的改變呈單一趨勢規(guī)律性變化,這為重新刻度或后續(xù)校正提供了可能。

(4)研究為高溫地層條件下中子孔隙度測井的重新刻度或后續(xù)校正提供理論依據(jù),從而為準確評價儲層孔隙度奠定基礎。