楊寧寧

（中石化勝利石油工程有限公司 隨鉆測(cè)控技術(shù)中心 東營(yíng) 257078）

中子孔隙度測(cè)井是石油勘探中最常規(guī)的測(cè)井方法之一，用于確定地層孔隙度、評(píng)價(jià)地層產(chǎn)油能力以及判斷是否存在氣層等。傳統(tǒng)的中子孔隙度測(cè)井儀器使用放射性同位素中子源241Am-Be，但在隨鉆測(cè)井過程中存在著卡鉆等工程風(fēng)險(xiǎn)，一旦放射源無(wú)法回收就會(huì)造成非常嚴(yán)重的放射性事故。因此，利用D-T脈沖源替代同位素中子源進(jìn)行地層中子孔隙度測(cè)量的測(cè)井方法被提出并加以研究。但由于常規(guī)的中子孔隙度測(cè)井的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和解釋模型均基于241Am-Be化學(xué)源，當(dāng)D-T源與241Am-Be化學(xué)源中子孔隙度的測(cè)量結(jié)果相近時(shí)才能將過去地區(qū)資料進(jìn)行有效利用，于是需要采取一些方法對(duì)使用D-T源時(shí)的測(cè)量結(jié)果加以校正。Ellis等［1］對(duì)隨鉆D-T中子孔隙度測(cè)井的結(jié)果加以分析，認(rèn)為D-T源能量較高，提高了探測(cè)器粒子計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)精度，但是其地層孔隙度靈敏度較化學(xué)源低。于華偉等［2-3］、張鋒等［4］分析認(rèn)為：D-T源對(duì)應(yīng)的較低孔隙度靈敏度使其應(yīng)用范圍局限于較低孔隙度地層。于華偉等［5］、Liu等［6］使用蒙特卡羅模擬對(duì)隨鉆D-T中子孔隙度測(cè)井的中子減速過程、測(cè)量結(jié)果加以分析，提出了密度校正方法，用于改善地層孔隙度靈敏度和孔隙度測(cè)量精度。隨著脈沖源測(cè)井儀器的不斷成熟，改善處理方法使其測(cè)量結(jié)果與化學(xué)源結(jié)果更加兼容是脈沖源測(cè)井發(fā)展的必然趨勢(shì)。

為了提高使用D-T可控源的隨鉆中子孔隙度測(cè)井的測(cè)量精度及與化學(xué)源的兼容性，本文基于研制的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，在刻度井中建立孔隙度響應(yīng)關(guān)系，然后通過蒙特卡羅模擬研究化學(xué)源和D-T源測(cè)井儀器在不同孔隙、巖性地層中的測(cè)井響應(yīng)差異。并使用于華偉等提出的密度校正方法，建立隨鉆D-T可控源中子孔隙度校正方法，最后在實(shí)際井中進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。從而證實(shí)了基于D-T可控源的隨鉆中子孔隙度測(cè)井的測(cè)量精度和兼容性。

1 D-T與化學(xué)源中子孔隙度測(cè)井原理及校正方法

1.1 中子孔隙度測(cè)井原理及兩種源的差異

早期的放射性中子孔隙度測(cè)井采用同位素中子源241Am-Be和兩個(gè)3He管熱中子探測(cè)器（分別為近探測(cè)器和遠(yuǎn)探測(cè)器）測(cè)量經(jīng)地層慢化并散射回井眼的熱中子，由于中子的能量主要集中于5 MeV以下，因此在地層運(yùn)移過程中受到了氫的極強(qiáng)的減速作用，通過近、遠(yuǎn)探測(cè)器計(jì)數(shù)率的比值R能夠確定地層含氫指數(shù)［7］。因?yàn)闅湓诙鄶?shù)情況下存在于地層孔隙內(nèi)的流體中，所以含氫量與地層孔隙度密切相關(guān)，由此可進(jìn)行地層孔隙度的測(cè)量。

利用D-T中子發(fā)生器替代同位素中子源241Am-Be進(jìn)行中子孔隙度測(cè)量時(shí)，其所釋放的為單能的14 MeV快中子，在中子能量和中子產(chǎn)額兩方面皆高于同位素中子源241Am-Be，如圖1所示。對(duì)應(yīng)的，DT源中子孔隙度測(cè)井具有熱中子分布范圍大、熱中子計(jì)數(shù)率高、統(tǒng)計(jì)精度高等優(yōu)點(diǎn)，但241Am-Be化學(xué)源對(duì)于地層孔隙度的變化響應(yīng)更加靈敏一些［8-10］。

圖1 輸出響應(yīng)對(duì)應(yīng)于能量的變化Fig.1 Output response vs.the change of energy

1.2 D-T源與化學(xué)源孔隙度差異校正

對(duì)于使用D-T源的中子孔隙度測(cè)井，D-T中子管向地層中釋放14 MeV的快中子，由于該能量遠(yuǎn)高于組成地層常見元素（C、O、Si、Ca、H等）的非彈性散射閾能，因此快中子首先發(fā)生非彈性散射過程降低一部分能量，然后才以H元素的彈性散射過程為主，而這兩個(gè)中子衰減過程分別與地層的密度和含氫指數(shù)兩個(gè)參數(shù)相關(guān)［11-12］。而為了使D-T源孔隙度響應(yīng)與Am-Be源接近，需要進(jìn)行密度校正。

在忽略地層熱中子吸收影響情況下，地層密度和含氫指數(shù)是熱中子探測(cè)器響應(yīng)的兩個(gè)決定因素。則熱中子探測(cè)器響應(yīng)可以表示為［5］：

其中：CR對(duì)應(yīng)熱中子探測(cè)器響應(yīng)；HI對(duì)應(yīng)地層的含氫指數(shù)；ρ對(duì)應(yīng)地層密度；α、β分別對(duì)應(yīng)探測(cè)器關(guān)于含氫指數(shù)、密度的靈敏度指數(shù)。

經(jīng)過密度校正后的近（NCRcor）、遠(yuǎn)（FCRcor）探測(cè)器響應(yīng)則為［5］：

式中：NCR、FCR對(duì)應(yīng)近、遠(yuǎn)熱中子探測(cè)器的計(jì)數(shù)率；αnear、βnear、αfar和βfar對(duì)應(yīng)經(jīng)過多組近遠(yuǎn)探測(cè)器的模擬數(shù)據(jù)擬合得到的校正因子。校正后的探測(cè)器響應(yīng)基本不再受到密度影響，而只與地層含氫指數(shù)有關(guān)。

利用密度校正后的近、遠(yuǎn)計(jì)數(shù)率，可以確定新的近遠(yuǎn)比R′為：

2 實(shí)驗(yàn)及蒙特卡羅數(shù)值模擬

2.1 儀器及計(jì)算模型

為了研究D-T中子孔隙度響應(yīng)是否與化學(xué)源儀器結(jié)果相近，研制了使用D-T中子管的隨鉆測(cè)井儀器原理樣機(jī)。儀器主要包括一個(gè)D-T中子發(fā)生器、兩個(gè)3He中子探測(cè)器以及探測(cè)器之間的屏蔽體。近、遠(yuǎn)探測(cè)器選用兩個(gè)大小和內(nèi)部氣壓均不相同的3He中子計(jì)數(shù)管，其氣壓分別對(duì)應(yīng)4.053×105Pa和10.132×105Pa，兩個(gè)探測(cè)器的源距分別為35 cm和65 cm。另外，為了研究?jī)x器在各種地層中的響應(yīng)，本文還通過蒙特卡羅模擬軟件（Monte Carlo NParticle Transport Code）建立了儀器的數(shù)值模型。儀器在刻度井中的刻度過程及MCNP模型如圖2所示［13］。計(jì)算模型主要由地層、井眼、隨鉆中子測(cè)井儀器三部分構(gòu)成，儀器裝有探測(cè)器的一側(cè)貼近井壁放置，井眼、地層中均充填淡水。模擬時(shí)使用MCNP中的通用源，抽樣1×108個(gè)粒子，以保證模擬結(jié)果的統(tǒng)計(jì)精度。

圖2 儀器和實(shí)驗(yàn)環(huán)境(a)及計(jì)算模型(b)Fig.2 Diagram of D-T instrument(a)and calculation model(b)

2.2 模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基準(zhǔn)檢測(cè)

為了研究?jī)x器的響應(yīng)規(guī)律，在已知孔隙度的石灰?guī)r標(biāo)準(zhǔn)刻度井中，完成了隨鉆D-T中子孔隙度測(cè)井儀器的刻度實(shí)驗(yàn)工作。另外，本文還將隨鉆中子孔隙度測(cè)井儀的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與蒙特卡羅模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見圖3。

如圖3所示，使用D-T源的中子孔隙度測(cè)井的近遠(yuǎn)熱中子探測(cè)器計(jì)數(shù)比值隨著孔隙度的增大而增大，并且蒙特卡羅模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。另外從圖3可以看出：當(dāng)孔隙度小于20%時(shí)，近遠(yuǎn)比隨孔隙度變化幅度較大，而當(dāng)孔隙度大于20%之后，近遠(yuǎn)比變化幅度降低，這表明當(dāng)孔隙度較大時(shí)，D-T源中子孔隙度的近遠(yuǎn)比響應(yīng)對(duì)孔隙度相對(duì)靈敏度降低。

圖3 近遠(yuǎn)探測(cè)器計(jì)數(shù)比與孔隙度的響應(yīng)關(guān)系Fig.3 Near-far detector count ratio changes with porosity

3 D-T孔隙度測(cè)井密度校正效果分析

根據(jù)第1部分的分析，D-T源中子孔隙度響應(yīng)與241Am-Be源還有一定的差異。為了研究D-T源孔隙度響應(yīng)與241Am-Be源的兼容性，需要模擬得到241Am-Be源在不同孔隙灰?guī)r含水地層、泥巖中的近遠(yuǎn)比響應(yīng)關(guān)系，與D-T源孔隙度響應(yīng)校正前后的結(jié)果相比較，進(jìn)而驗(yàn)證密度校正方法的有效性。

3.1 兩種源中子孔隙度測(cè)井響應(yīng)對(duì)比

根據(jù)校正前后隨鉆D-T源中子儀以及241Am-Be放射源通過蒙特卡羅方法建立儀器模型所得到的三個(gè)系列的數(shù)據(jù)，對(duì)比研究了三者在孔隙度0%～100%的灰?guī)r含水地層和孔隙度為45%的鋁土含水地層（代表高密度的泥巖）等不同情況下的近遠(yuǎn)比響應(yīng)關(guān)系，此時(shí)為了便于對(duì)比三者響應(yīng)之間的差異性，將其對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)系列下孔隙度5%處的響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，最終結(jié)果見圖4。

圖4 校正前后的近遠(yuǎn)比與孔隙度的響應(yīng)關(guān)系Fig.4 Near to far ratios before and after correction changes with porosity

如圖4所示，在不同孔隙灰?guī)r含水地層情況下，相比于241Am-Be源的近遠(yuǎn)比響應(yīng)曲線，未經(jīng)過密度校正的D-T源的近遠(yuǎn)比響應(yīng)結(jié)果與其存在較大差異，而將D-T源對(duì)應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)過校正處理后，可以發(fā)現(xiàn)兩者在近遠(yuǎn)比響應(yīng)關(guān)系上存在極好的相似性。而對(duì)于用孔隙度45%含水鋁土地層代表的高密度泥巖，241Am-Be源、D-T源校正前后三種情況下所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)均位于各自的近遠(yuǎn)比響應(yīng)曲線之外。將鋁土地層的數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)到其各自情況的近遠(yuǎn)比響應(yīng)曲線上，獲得視石灰?guī)r孔隙度大小，241Am-Be放射源對(duì)應(yīng)的視石灰?guī)r孔隙度為53%，未校正的DT源對(duì)應(yīng)的視石灰?guī)r孔隙度大于100%，已校正的DT源對(duì)應(yīng)的視石灰?guī)r孔隙度55%。已知地層實(shí)際孔隙度大小為45%，因此經(jīng)過密度校正處理的D-T源儀器對(duì)應(yīng)的中子孔隙度結(jié)果與241Am-Be所受鋁土即泥巖影響均表現(xiàn)為低值，且兩者響應(yīng)相當(dāng)接近；而D-T源儀器對(duì)應(yīng)的原始測(cè)量結(jié)果已經(jīng)失真，無(wú)法精確用于地層評(píng)價(jià)。通過對(duì)純灰?guī)r含水地層以及鋁土含水地層這兩種情況下近遠(yuǎn)比響應(yīng)結(jié)果的分析研究，可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過校正處理后D-T源與241Am-Be放射源的響應(yīng)基本一致，即該密度校正方法的使用在改善D-T源測(cè)量數(shù)據(jù)方面具有一定意義。

3.2 實(shí)際測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)處理對(duì)比和分析

除此之外，還利用某實(shí)驗(yàn)井進(jìn)行了實(shí)際測(cè)井試驗(yàn)。由于在該井中進(jìn)行過其它測(cè)井儀器的測(cè)量，資料齊全，其中就包括使用241Am-Be放射源的中子孔隙度及密度等測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)。利用現(xiàn)有的某井的D-T源、241Am-Be放射源中子孔隙度測(cè)井儀器測(cè)量得到的近探測(cè)器和遠(yuǎn)探測(cè)器的計(jì)數(shù)率數(shù)值，然后根據(jù)近遠(yuǎn)比值與地層孔隙度的關(guān)系得到中子孔隙度測(cè)量結(jié)果。另外通過密度校正公式對(duì)D-T源儀器相應(yīng)的探測(cè)器接收數(shù)據(jù)加以處理進(jìn)而得到新的近遠(yuǎn)比值和中子孔隙度，最終利用Forward平臺(tái)將上述數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)井曲線繪制。輸出結(jié)果如圖5所示，由于曲線過長(zhǎng)無(wú)法進(jìn)行全部展示，本文僅針對(duì)井段1 835.0～2 139.0 m的數(shù)據(jù)加以截取。

通過觀察可得，圖5所示輸出結(jié)果共包括三類測(cè)井曲線，分別為自然γ曲線、密度曲線以及中子孔隙度曲線。其中自然γ曲線數(shù)值低處表示砂巖地層，數(shù)值高處表示泥巖。密度測(cè)井得到的是地層的視密度，近似為地層的真實(shí)密度值，可用于對(duì)D-T孔隙度進(jìn)行密度校正。

圖5 測(cè)井曲線對(duì)比Fig.5 Comparison of logging curves

由于本文僅針對(duì)密度校正是否能夠有效改善D-T源儀器的中子孔隙度測(cè)量結(jié)果這一問題進(jìn)行研究，因此分析重點(diǎn)會(huì)放在中子孔隙度曲線部分。其中第三和第四道中的實(shí)線是241Am-Be放射源對(duì)應(yīng)的近遠(yuǎn)比所求的孔隙度值所繪制的測(cè)井曲線，第三道中的虛線是密度校正前D-T源對(duì)應(yīng)的近遠(yuǎn)比值所繪制的測(cè)井曲線，第四道的虛線是密度校正后D-T源對(duì)應(yīng)的近遠(yuǎn)比值所繪制的測(cè)井曲線。對(duì)比三條曲線可以發(fā)現(xiàn)，校正前的D-T孔隙度與化學(xué)源中子孔隙度結(jié)果之間存在一定的偏差，而密度校正后的結(jié)果與化學(xué)源測(cè)井曲線更加吻合。

以上結(jié)果在一定程度上驗(yàn)證了現(xiàn)有校正方法的有效性，數(shù)據(jù)改善效果比較直觀、明顯。

4 結(jié)果分析

本文通過儀器模型的數(shù)值模擬和利用現(xiàn)有儀器進(jìn)行井下實(shí)際測(cè)量?jī)煞N方式，得到D-T源和241Am-Be化學(xué)源的中子孔隙度測(cè)量數(shù)據(jù)，然后根據(jù)現(xiàn)有的密度校正方法對(duì)D-T源所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在計(jì)算模型對(duì)應(yīng)的模擬數(shù)據(jù)方面，D-T源原始數(shù)據(jù)的近遠(yuǎn)比響應(yīng)結(jié)果和241Am-Be化學(xué)源之間存在較大差異，但是經(jīng)過密度校正后，兩者對(duì)應(yīng)的響應(yīng)關(guān)系吻合度較高；另外在基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量得到的實(shí)際測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)方面，同樣能夠觀察到類似現(xiàn)象，D-T源經(jīng)密度校正處理形成的測(cè)井曲線與241Am-Be化學(xué)源契合度較高，改善了原始數(shù)據(jù)的可應(yīng)用度。綜上所述，現(xiàn)有的密度校正方法對(duì)于校正D-T源中子孔隙度測(cè)量結(jié)果使其與241Am-Be化學(xué)源相似，進(jìn)而兼容241Am-Be源已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和解釋模型等方面具有積極作用。

5 結(jié)語(yǔ)

1）D-T源儀器對(duì)應(yīng)的近遠(yuǎn)比模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果基本一致，當(dāng)孔隙度小于20%時(shí)，近遠(yuǎn)比隨孔隙度變化幅度較大；而當(dāng)孔隙度大于20%之后，近遠(yuǎn)比變化幅度降低，D-T源的相對(duì)靈敏度降低，并且在高密度的泥巖地層存在較大偏差，需要進(jìn)行密度校正。

2）經(jīng)過密度校正的D-T源測(cè)量結(jié)果與241Am-Be化學(xué)源存在較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，相比校正前的測(cè)量精度有了大幅提高。

3）現(xiàn)有的密度校正方法在改善D-T源中子孔隙度測(cè)量結(jié)果上存在積極作用，為其應(yīng)用241Am-Be化學(xué)源已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和解釋模型提供了依據(jù)。