張 麗 韓 笑 于華偉 賈文寶 耿學森

1（山東科技大學資源學院 泰安 271019）

2（中國石油大學（華東）地球科學與技術學院 青島 266580）

3（南京航空航天大學材料科學與技術學院 南京 211106）

中子孔隙度測井是石油勘探開發(fā)中重要的測井方法之一，在早期應用中主要采用同位素化學源，主要以241Am-Be源為主，但是由于其對環(huán)境和人體存在放射性風險，工程應用受到了很大限制［1-4］?？煽刂凶釉匆蚱湟子诓僮?，相對安全，在中子孔隙度測井中得到了一定的應用和發(fā)展，其中應用較多的是DT源［5-7］。但是考慮到氚的放射性隱患、中子源使用壽命和測井施工成本等因素，D-D中子源的使用被認為是工程測井進一步的選擇及研究重點［8-10］。針對D-D中子孔隙度測井，國內外學者和科研院所等都進行了一定的研究。于華偉等［11］、張鋒等［12］研究認為，D-D中子孔隙度靈敏度相對較高，能夠用于孔隙度測井。Chen等［13］通過蒙特卡羅方法，對D-T、DD中子源替代241Am-Be源進行孔隙度測井的可行性進行研究，發(fā)現使用D-D中子源測量地層孔隙度的靈敏度高于其他中子源。于華偉等［14］研究影響D-D和D-T中子孔隙度測井靈敏度的因素，并且得出中子能量和巖石密度是影響靈敏度變化的主要因素。Badruzzaman等［15］分析了241Am-Be、D-D、D-T、D-Li與DPF（Dense Plasma Focus）等幾種源的中子孔隙度響應差異，并對不同因素下的靈敏度差異進行分析，其中指出巖性影響不容忽視，特別是泥頁巖的影響，不同中子源的影響程度不同。

為了得到D-D中子孔隙度測井中泥頁巖影響效應，本文采用蒙特卡羅方法，對比研究D-D源、D-T源和241Am-Be源的中子孔隙度響應，重點分析不同源距組合下D-D源中子孔隙度測井中的泥頁巖影響，為下一步分析泥頁巖地層中的孔隙度測量精度提供基礎。

1 D-D中子源孔隙度測井原理

D-D源中子孔隙度測井采用D-D中子發(fā)生器釋放2.45 MeV的快中子和距離中子源不同位置的兩個熱中子計數探測器，源釋放出快中子經過地層減速慢化作用，變?yōu)闊嶂凶硬⑸⑸浠鼐郏S后被探測器接收［16］。地層中氫元素對快中子存在極強的減速作用，通過近、遠兩個探測器測得計數率的比值確定地層含氫指數。由于氫通常含于地層孔隙內的流體中，因此氫的含量與地層孔隙度有關，從而獲取地層孔隙度。

與傳統(tǒng)中子孔隙度測井中241Am-Be源不同，DD中子發(fā)生器所釋放出的中子能量大小與能量形式方面，兩者存在差別。241Am-Be源以連續(xù)能譜形式釋放出平均能量為4.5 MeV的快中子，而D-D中子源以單能形式釋放出2.45 MeV的快中子，遠低于同樣以單能形式釋放出14 MeV快中子的D-T中子源，對應的中子輸出能譜如圖1所示。相比于241Am-Be源和D-T中子源，D-D源的能量較低，但是無放射性危害，同時作為可控中子源使用壽命較長，更適用于工程測井長時間的測量。

圖1 三種源的中子能譜Fig.1 Neutron spectra of three sources

將使用D-D源、241Am-Be源和D-T源三種源的響應在孔隙含水30%的砂巖地層中做歸一化處理，其不同源距位置處的探測器接收計數情況如圖2所示（此處僅考慮使用三種源的響應特性，忽略包括探測器使用在內的其他特性影響）。由于D-D源的能量及中子釋放量低于241Am-Be源和D-T源，中子在地層中運移時受到更強的吸收作用，所以探測器計數較低。所以，當近、遠源距位置發(fā)生變化時，其粒子接收計數隨之發(fā)生變化，進而影響孔隙度的變化。

圖2 不同源距處探測器粒子計數響應Fig.2 Response of detector particle count at different source distances

2 計算模型

為了研究儀器在各種地層中的響應，本文通過采用蒙特卡羅模擬程序MCNP（Monte Carlo Nparticle Transport Code）構建儀器、井眼和地層的三維模型，計算模型如圖3所示。地層設置為圓柱狀，井眼內充填淡水。偏心貼井壁放置，模擬時填充不同巖性和流體物質。近、遠探測器的源距為30 cm、53 cm［17］，探測器之間填充理想屏蔽體。探測器均采用內部氣壓為1.010×106Pa的He-3中子計數管。中子源采用D-D源、D-T源和241Am-Be源，分別采用圖1所示的能量大小和形式。為了減小系統(tǒng)方差，將地層進行網格劃分，即徑向上分為19個同心圓柱，在垂向上細化為37段，模擬時使用MCNP中通用源（Source Definition，SDEF），D-D源、D-T源和241Am-Be源分別采用圖1所示的能量大小和形式，采用F4計數方式，記錄的能量為0.025～0.400 eV，每次模擬時抽樣1×107個粒子，使每次模擬結果的統(tǒng)計誤差小于2%。

圖3 中子孔隙度測井的計算模型Fig.3 Computation model for neutron porosity logging

3 D-D源、D-T源、241Am-Be源中子孔隙度響應對比

設置三種源的參考源距相同，即近、遠源距為30 cm和53 cm，分別研究地層為飽含淡水灰?guī)r和砂巖，通過改變地層孔隙度，分別為10%、20%、30%和40%，模擬得到D-D源、D-T源、241Am-Be源三種中子源的近、遠探測器熱中子計數率比值與地層孔隙度的關系，如圖4所示。

圖4 砂巖(a)和灰?guī)r(b)在不同中子源的中子孔隙度響應圖Fig.4 Neutron porosity response of sandstone(a)and limestone(b)to different neutron sources

由圖4可知，使用三種中子源得到的響應規(guī)律大致相同，三種源對應的近遠比都隨著孔隙度而增加。在相同地層條件下，由于不同中子源的差異，使得測量得到的近、遠探測器熱中子計數率比值不同，說明不同中子源的選擇會對地層孔隙度測量產生一定的影響。D-D源、D-T源、241Am-Be源三種中子源中，使用D-D源的近遠比變化率最大，特別是在孔隙度較大時，這表明三種中子源在高孔隙度中，使用D-D源測量時對地層孔隙度的變化反應最靈敏，241Am-Be源次之，D-T源對地層孔隙度的靈敏度最低。

4 D-D源、D-T源、241Am-Be源中子孔隙度測井泥質響應分析

4.1 泥質類型的影響

為了詳細考察D-D源、D-T源、241Am-Be源中子孔隙度在各種地層的響應，分別選擇飽含淡水的石灰?guī)r以及飽含淡水的各種類型泥頁巖［18］，如表1所示。

表1 各種泥頁巖類型Table 1 Various shale types

模擬研究儀器在不同孔隙度地層的響應，得到近、遠探測器計數率比值與地層孔隙度之間的關系如圖5所示。

由圖5可以看出，使用D-D源、241Am-Be源、D-T源三種源對應的高嶺石、綠泥石、鋁土和蒙脫石4種泥頁巖類型及密度以不同程度偏離其對應的含水灰?guī)r響應趨勢線，為了便于比較，下面將4種地層得到的近遠比轉換為視石灰?guī)r孔隙度進行比較分析，其結果如圖6所示。

圖5 三種源的中子孔隙度在高嶺石(a)、綠泥石(b)、鋁土(c)和蒙脫石(d)地層中的響應Fig.5 Response of neutron porosity of three sources in kaolinite(a),chlorite(b),bauxite(c)and montmorillonite(d)formations

圖6 三種源在高嶺石(a)、綠泥石(b)、鋁土(c)和蒙脫石(d)地層的視孔隙度與地層真孔隙度的比較Fig.6 Comparison of apparent porosity and true porosity of three sources in kaolinite(a),chlorite(b),bauxite(c)and montmorillonite(d)

從圖6可以看出，當中子孔隙度測井采用D-D源和241Am-Be源時受到的影響相對較小，4種類型的泥頁巖對孔隙度測量的影響程度由強到弱依次為高嶺石、綠泥石、鋁土及蒙脫石。其中蒙脫石使用D-D源時對應的視孔隙度結果與地層真孔隙度接近，因此能夠認為含水蒙脫石地層的響應趨近于含水灰?guī)r地層的響應而沒有明顯的泥質影響，對不同泥頁巖地層的響應變化則認為與泥頁巖元素原子組成有關。另外，對于4種類型的泥頁巖含水地層，圖6中能夠觀察到D-D源和241Am-Be放射源的視孔隙度結果存在部分極為接近甚至重合的情況。

相對于D-D源和241Am-Be源，D-T源受到的影響最大，本文采用的源距為30～53 cm，因D-T源能量大，加大遠源距，當源距組合采用30～65 cm時，使用D-T源的鋁土地層，在孔隙度為30%和40%時，得到的視孔隙度結果超過了100%，數據已經失真，其原因與鋁土密度過高有關，如圖7所示。

圖7 源距組合30～65 cm下使用D-T源鋁土地層的視孔隙度與地層真孔隙度的對比Fig.7 Comparison between apparent porosity and true porosity of bauxite formation with D-T source under 30～65 cm source spacing combination

4.2 泥質含量的影響

為了研究泥質含量對D-D源、D-T源、241Am-Be源中子孔隙度測井響應的影響，設置地層為巖石骨架、泥質和孔隙流體三部分組成，其中巖石骨架為灰?guī)r，泥質主要成分及性質如表2所示。

表2 泥質的主要成分Table 2 Main components of argillaceous

通過改變灰?guī)r地層中泥質含量（0%、10%、20%、30%、40%）模擬得到近、遠探測器熱中子計數率。不同泥質條件下，D-D源、D-T源、241Am-Be源中子孔隙度儀器近遠計數率比值與地層孔隙度的變化規(guī)律見圖8。

圖8 灰?guī)r地層不同含量的泥質10%(a)、20%(b)、30%(c)和40%(d)隨孔隙度的變化Fig.8 The shale content of 10%(a),20%(b),30%(c)and 40%(d)varies with porosity in limestone formation

在灰?guī)r地層中，D-D源、D-T源、241Am-Be源三種中子源得到的響應規(guī)律大致相同，三種源對應的近遠比都隨著孔隙度的增加而增加，然而，在灰?guī)r地層中加入不同含量的泥質時，三種源對應的近遠比均呈現出隨孔隙度增加而增加的趨勢，但變化幅度不同。

同樣地，將4種不同含量的泥質地層得到的近遠比轉換為視石灰?guī)r孔隙度進行比較分析，其結果如圖9所示。

圖9 三種源在泥質含量10%(a)、20%(b)、30%(c)和量40%(d)的視孔隙度與地層真孔隙度的比較Fig.9 Comparison of apparent porosity and formation true porosity of the three sources with shale content of 10%(a),20%(b),30%(c)and 40%(d)

對于10%、20%、30%和40%4種不同含量的泥質地層，由圖9看出，D-D源和241Am-Be源的視孔隙度結果存在極為接近甚至重合的情況，而使用D-T源中子孔隙度測井在4種泥頁巖類型地層和在不同含量的泥質地層受到的影響較大。使用D-D源、DT源、241Am-Be源中子孔隙度測井中不管是在4種類型的泥頁巖地層中還是在不同含量泥質灰?guī)r地層中，D-D源和241Am-Be源的視孔隙度結果可以看出具有相似的泥頁巖響應，但D-D源中子孔隙度響應與241Am-Be源還有一定的差異，下面針對D-D源中子孔隙度測井受到的泥頁巖影響進行校正分析。

5 D-D源中子孔隙度測井泥質影響校正分析

為了驗證可控源D-D中子孔隙度測井方法的有效性，如果通過改變D-D源近、遠源距位置的方式，能夠將D-D源和241Am-Be源所測量的熱中子數據在近遠比響應關系上存在較好的相似性，將對今后測井儀器中放射源的可兼容替代奠定基礎。以上述241Am-Be源孔隙度測井中的近遠源距位置30 cm和53 cm作為參照，改變D-D源中子孔隙度測井的近遠源距組合，優(yōu)選出D-D源的近遠源距位置，使其通過改變D-D源的源距以削弱巖性特別是泥頁巖的影響。

為了確定最優(yōu)源距位置，設置D-D源的源距組合設計，分別為25～45 cm、25～55 cm、30～60 cm等，得到的近遠探測器熱中子計數率比值轉換為視石灰?guī)r孔隙度進行比較。

由圖10可見，當D-D源采用不同源距組合時，在不同類型泥頁巖地層和在不同含量泥質灰?guī)r地層中的視孔隙度值均以不同程度偏離241Am-Be源（30～53 cm），如源距組合為30～65 cm和25～55 cm。但是也有非常接近或重合的情況，當源距組合為25～45 cm時，此時與241Am-Be源（30～53 cm）非常接近。在源距組合為25～45 cm時，蒙脫石受到泥頁巖影響最??；蒙脫石地層在孔隙含水10%和20%時的視孔隙度值基本上與地層真孔隙度相同，因此可以認為含水蒙脫石地層的響應沒有明顯的泥頁巖影響。當源距組合為25～55 cm時，在地層真孔隙度為40%的高嶺石地層的視孔隙度值超過100%，數據失真，這說明D-D源所受泥頁巖的影響與泥頁巖的類型有關，同時與采用的源距組合也有一定關系。因此通過優(yōu)化源距組合的方式可以減弱泥頁巖的影響。

圖10 D-D源在不同地層條件下不同源距的視孔隙度對比Fig.10 Comparison of apparent porosity of D-D source under different formation conditions and different source spacing

在D-D源 距 組 合 為25～45 cm下，可 以 發(fā) 現與241Am-Be源（30～53 cm）的響應關系最接近，但并不存在一組泥頁巖響應結果與241Am-Be源完全一致，其原因是在地層中存在常見元素Ca、C的非彈性散射閾能分別為3.75 MeV、4.43 MeV，此時相比于D-D源而言，241Am-Be源釋放的快中子存在與這些元素原子發(fā)生非彈性碰撞的可能性，基于快中子微觀作用的差異性導致了D-D源中子孔隙度測井受到的泥質影響與241Am-Be源不同。

因此，在D-D源釋放中子能量為2.45 MeV的背景下，盡管不能得到和241Am-Be源完全一致的泥頁巖響應結果，但是能夠通過合理的源距設計使D-D源孔隙度測量中的泥頁巖響應較高程度接近241Am-Be源，這也為D-D源中子孔隙度測井中泥頁巖校正提供了思路，并且為替代241Am-Be源的應用提供了基礎數據。

6 結語

1）D-D源、D-T源、241Am-Be源三種中子源在高孔隙度中，使用D-D源測量時對地層孔隙度的變化反應最靈敏。

2）使用D-D源、D-T源、241Am-Be源中子孔隙度測井中不管是在4種類型的泥頁巖地層中還是在不同含量泥質灰?guī)r地層中，D-D源和241Am-Be源的視孔隙度結果可以看出具有相似的泥頁巖響應。

3）通過源距優(yōu)化，D-D源和241Am-Be源的泥頁巖響應結果存在一定偏差，但是兩者對應的響應關系吻合度較高，特別是在源距為25～45 cm時，D-D源中子孔隙度測井中泥頁巖影響與241Am-Be源接近程度最高。雖然源距組合的改變，不能使得D-D源和241Am-Be源的泥頁巖響應達到完全一致或者徹底消除泥質影響，但是這也為下一步分析泥頁巖地層中的孔隙度測量精度提供基礎，促進了D-D源中子孔隙度測井的應用發(fā)展。

作者貢獻聲明張麗：負責文章的起草及最終版本修訂；韓笑：負責資料的收集及整理；于華偉：負責研究的提出、設計及文章的修改；賈文寶：負責資料的搜集及整理；耿學森：負責論文的修改。