葛云龍,駱慶鋒,趙鵬飛,陳輝,賀柳瓊,王虎

(1.中國石油集團(tuán)測井有限公司測井技術(shù)研究院,陜西西安710077;2.中國石油天然氣集團(tuán)有限公司測井技術(shù)試驗基地,陜西西安710077;3.中國石油集團(tuán)測井有限公司長慶分公司,陜西西安710054)

0 引 言

目前,中國大部分油田已進(jìn)入開發(fā)中后期,低產(chǎn)層、超薄油層等儲層的勘探開發(fā)對增儲上產(chǎn)具有重要意義[1-4]。西南油氣田、塔里木油田等低孔隙度碳酸鹽巖儲層需精確評價地層孔隙度,長慶頁巖氣油田、渤海灣油田需定量評價地層孔隙度,從而準(zhǔn)確計算儲集層油氣含量、可動油氣等地質(zhì)參數(shù)。目前,電纜測井工藝(濕接頭、泵送、泵出)在復(fù)雜水平井施工中存在較高安全風(fēng)險,經(jīng)常發(fā)生儀器遇阻、遇卡,大部分油田已放棄利用傳統(tǒng)方法對地層孔隙度進(jìn)行測量[5-6]。隨鉆鉆后通井測量作為較安全的測井方式已經(jīng)在各個油田區(qū)塊小規(guī)模應(yīng)用。中子孔隙度測井是評價地層孔隙度的主要方法之一,早期的隨鉆核測井技術(shù)(補償密度中子測井儀與方位中子密度測井儀)都采取銫137放射性源和Am-Be中子源進(jìn)行測井[7]。由于放射性源存在環(huán)境污染等潛在問題,利用相關(guān)的工具或技術(shù)替換放射性源,一直是放射性測井的研究重點[8]。30多年來,石油工業(yè)一直在研究放射性源的非核替代品。目前,應(yīng)用最廣泛的非核替代品為氘氚(D -T)中子發(fā)生器,該發(fā)生器在非工作時間不具有放射性,其源強高于Am-Be源10倍,但氘氚中子發(fā)生器中源的造價較高,工作時間較短,使測井成本增加[9]。斯倫貝謝公司推出的Ecoscope與Neoscope這兩代隨鉆孔隙度測井儀均利用D -T源進(jìn)行測井[10-11],由于D -T源能量較高、孔隙度靈敏度低,D -T源中子孔隙度測井響應(yīng)受巖性與泥質(zhì)的影響較大,且測量的D -T源中子孔隙度一般高于Am-Be源中子孔隙度,因此,需結(jié)合其他測量參數(shù)對D -T源中子孔隙度進(jìn)行校正。早在1934年就有學(xué)者發(fā)現(xiàn)氘氘反應(yīng)可產(chǎn)生中子[12]。氘氘(D -D)中子發(fā)生器產(chǎn)生能量為2.45 MeV的快中子,相比于氘氚中子發(fā)生器,其成本更低、壽命更長。氘氘中子發(fā)生器一直是中子管研發(fā)的主要方向,早期基于潘寧離子源的氘氘中子管的中子產(chǎn)額為1×106n/s,而Am-Be源的中子產(chǎn)額為2×107～4×107n/s,D -T源的中子產(chǎn)額為1×108n/s[13]。雖然早期D -D源的中子強度很低,不適合動態(tài)測井,但有關(guān)學(xué)者認(rèn)為隨著中子發(fā)生器離子源技術(shù)的發(fā)展,D -D中子源補償中子測井可以得到廣泛應(yīng)用[14]。近些年射頻離子源代替潘寧離子源是中子發(fā)生器改進(jìn)的主要方式,基于射頻源中子發(fā)生器的中子產(chǎn)額可提高10倍,并且功耗更低[15]。

1 隨鉆D -D源中子孔隙度測井仿真模型

蒙特卡羅程序(Monte Carlo N Particle Transport Code,MCNP)是一種模擬中子、光子和電子在三維模型中輸運過程的程序[16]。本文基于蒙特卡羅方法建立隨鉆D -D源中子孔隙度測井仿真模型并開展研究。仿真模型中儀器直徑為19.000 cm,采用D -D中子源,中子源能量為2.45 MeV;近探測器的源距為35 cm,靈敏區(qū)長度為16.7 cm,探測器半徑為1.215 cm,內(nèi)充10個大氣壓的3He氣體,密度為1 345×10-6g/cm3;遠(yuǎn)探測器的源距70 cm,由2個3He管組成,其尺寸與材料和近探測器一致;儀器貼井壁偏心測量,井眼內(nèi)為淡水,淡水密度為1 g/cm3;環(huán)境溫度為25 ℃,環(huán)境壓力為0.1 MPa。

2 孔隙度靈敏度

2.1 不同中子源孔隙度靈敏度對比

中子源的能量是影響中子孔隙度測井靈敏度的主要因素之一,一般中子源能量越高,測井靈敏度越低。靈敏度是指當(dāng)?shù)貙涌紫抖雀淖儐挝豢紫抖葧r中子比改變的相對幅度[見式(1)]。

(1)

式中,S為中子比對孔隙度的靈敏度,%;φ為地層孔隙度,p.u.;R為中子比。

測井靈敏度越高,測井響應(yīng)變化幅度越大。但在實際應(yīng)用中,測井響應(yīng)變化小一直是制約致密地層測井解釋準(zhǔn)確性的主要因素。靈敏度的高低直接影響致密地層孔隙度的計算精度。基于仿真模型,對隨鉆D -D源中子孔隙度測井的靈敏度進(jìn)行研究。

將地層骨架設(shè)為石灰?guī)r,地層孔隙內(nèi)流體為淡水,模擬不同孔隙度下D -D源的測井響應(yīng)曲線,并與其他中子源的測井響應(yīng)曲線作對比(見圖1)。圖1中D -D源、Am-Be源與D -T源測井響應(yīng)均采用相同的仿真模型,僅改變中子源能量條件,進(jìn)行測井響應(yīng)特征對比。由圖1可知,利用D -D源測量的中子比的變化幅度更大。這是由于D -D源能量較低,近探測器源距較短,中子源能量較高的D -T源與Am-Be源發(fā)射的快中子未充分減速,D -D源近探測器計數(shù)略高于D -T源與Am-Be源;遠(yuǎn)探測器源距較長,快中子可充分減速,當(dāng)?shù)貙訙p速能力較高時,遠(yuǎn)探測器計數(shù)與中子源能量成正比關(guān)系,D -D源遠(yuǎn)探測器在中高孔隙度地層的計數(shù)小于D -T源與Am-Be源計數(shù)。

圖1 不同中子源測井響應(yīng)對比

利用式(1)計算不同中子源的孔隙度靈敏度。由計算結(jié)果可知,D -D源孔隙度靈敏度高于D -T源與Am-Be源;在低孔隙度地層,D -D源孔隙度靈敏度是D -T源的1.3倍,是Am-Be源的1.1倍;在高孔隙度地層,D -D源孔隙度靈敏度是D -T源的5倍,是Am-Be源的1.7倍。隨鉆D -D源中子孔隙度測井相比于其他中子源孔隙度測井具有更高的孔隙度靈敏度。

2.2 D -D源與改進(jìn)的D -T源孔隙度靈敏度對比

斯倫貝謝公司的兩代隨鉆D -T源中子孔隙度測井儀Ecoscope和Neoscope均采用與其他測井參數(shù)結(jié)合的方式校正可控源中子孔隙度,使其與化學(xué)源中子孔隙度一致。Ecoscope組合了化學(xué)源隨鉆密度測井儀與隨鉆D -T源中子孔隙度測井儀,利用密度測井測量的參數(shù)對遠(yuǎn)探測器計數(shù)率進(jìn)行校正,使D -T源中子孔隙度與化學(xué)源中子孔隙度一致。Neoscope為可控源一體化隨鉆測井儀,可同時測量密度、中子孔隙度、中子壽命與地層元素,除利用密度測井對中子比進(jìn)行校正,還可直接結(jié)合脈沖期間伽馬計數(shù)比等參數(shù)校正D -T源中子孔隙度,使其與化學(xué)源中子孔隙度一致。同一含氫指數(shù)條件下,不同密度與中子比的關(guān)系可用二次多項式表示

(2)

式中,k1、k2、k3為系數(shù);ρ為地層密度,g/cm3;Rc為基于地層密度修正后的中子比。

將隨鉆D -D源中子孔隙度測井與改進(jìn)的隨鉆D -T源中子孔隙度測井的孔隙度靈敏度進(jìn)行對比。如表1所示,在低孔隙度地層,改進(jìn)的D -T源的孔隙度靈敏度略高于D -D源;在高孔隙度地層,D -D源的孔隙度靈敏度略高于改進(jìn)的D -T源。整體而言,D -D源的孔隙度靈敏度與改進(jìn)的D -T源的孔隙度靈敏度相近。

表1 D -D源與改進(jìn)D -T源中子孔隙度測井的孔隙度靈敏度

3 探測特性

3.1 徑向探測特性

基于蒙特卡羅方法,研究在D -D源、Am-Be源與D -T源條件下隨鉆中子孔隙度測井儀器的徑向探測深度。選取孔隙度為0和40 p.u.的石灰?guī)r地層,改變地層徑向距離,得到徑向幾何因子(見圖2),圖2中橫坐標(biāo)為0的位置代表井壁位置。

圖2 不同中子源徑向探測深度對比

徑向探測深度通常定義為地層貢獻(xiàn)率占探測器總計數(shù)的90%時的徑向距離。由圖2可知,不同中子源的徑向探測深度相近,受中子源影響較小。中子孔隙度測井的徑向探測深度受源距與地層減速能力的影響。源距越大徑向探測深度越高,以純石灰?guī)r地層為例,遠(yuǎn)探測器的徑向探測深度為26 cm,近探測器的徑向探測深度為21 cm;地層減速能力越強徑向探測深度越低,以遠(yuǎn)探測器為例,在純石灰?guī)r地層中徑向探測深度為26 cm,在孔隙度為40 p.u.的飽含水石灰?guī)r地層中徑向探測深度為16 cm。

3.2 縱向探測特性

基于蒙特卡羅方法,研究在D -D源、Am-Be源與D -T源條件下隨鉆中子孔隙度測井儀器的縱向分辨率。選取孔隙度為0和40 p.u.的石灰?guī)r地層,改變軸向距離,得到縱向微分幾何因子(見圖3),圖3中橫坐標(biāo)為0的位置代表中子源位置。

圖3 不同中子源縱向分辨率對比

縱向分辨率定義為縱向微分幾何因子的半幅點軸向距離。從圖3中可以看出,不同中子源的縱向分辨率相近,受中子源影響較小。對于純石灰?guī)r地層,遠(yuǎn)探測器的縱向分辨率為72 cm,近探測器的縱向分辨率為47 cm。對于孔隙度為40 p.u.的飽含水石灰?guī)r地層,遠(yuǎn)探測器的縱向分辨率為70 cm,近探測器的縱向分辨率為45 cm。相比于徑向探測深度,中子孔隙度測井的縱向分辨率僅與源距有關(guān),與地層減速能力無關(guān)。

4 測井速度

測井速度(簡稱測速)是制約D -D源廣泛應(yīng)用的主要原因。早期的D -D中子發(fā)生器產(chǎn)額低,只適用于靜態(tài)測井,不適合動態(tài)測井。一般為了降低統(tǒng)計誤差的影響,中子產(chǎn)額越低,測速越慢。測井時靶壓一般為9 kV,D -D源中子產(chǎn)額1.7×106n/s。隨著中子發(fā)生器技術(shù)發(fā)展,在相同靶壓下,射頻源中子發(fā)生器可將中子產(chǎn)額提高10倍左右,增加了D -D中子發(fā)生器進(jìn)行動態(tài)測井的可能性。基于蒙特卡羅方法得到中子源發(fā)射一個快中子最終被探測器記錄的概率,結(jié)合中子產(chǎn)額,得到不同中子源條件下的探測器計數(shù)率。測速一般根據(jù)遠(yuǎn)探測器計數(shù)率設(shè)置,計數(shù)率越小,測速越慢,模擬純石灰?guī)r地層在不同孔隙度下不同中子源的遠(yuǎn)探測器計數(shù)率,如圖4所示。

圖4 不同中子源條件下的遠(yuǎn)探測器計數(shù)率

測速需滿足中子統(tǒng)計誤差的要求,統(tǒng)計誤差與計數(shù)率有關(guān),計數(shù)率越大,統(tǒng)計誤差越小。在相同的儀器結(jié)構(gòu)下,將基于射頻源的D -D中子發(fā)生器測量的計數(shù)率與其他中子源條件下測量的計數(shù)率作對比,地層孔隙度為4 p.u.時Am-Be源的計數(shù)率為0.6 cps,是基于射頻源的D -D源計數(shù)率的3倍。為滿足統(tǒng)計誤差要求,基于射頻源的隨鉆D -D源中子孔隙度測井速度需約為Am-Be源中子孔隙度測井速度的三分之一。

5 優(yōu)化設(shè)計

由于D -D源的中子產(chǎn)額低,對于孔隙度為4 p.u.的地層,在相同源距下Am-Be源的計數(shù)率約為D -D源計數(shù)率的3倍。探測器計數(shù)率除了受中子產(chǎn)額的影響,還與源距、探測器參數(shù)有關(guān)。一般計數(shù)率與探測器尺寸和探測器氣壓成正比,與源距成反比。為提高遠(yuǎn)探測器計數(shù)率,研究不同源距、不同探測器尺寸、不同探測器氣壓對探測器計數(shù)率的優(yōu)化效果,實現(xiàn)隨鉆D -D源中子孔隙度測井儀關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計。

圖5為不同源距下D -D源的遠(yuǎn)探測器計數(shù)率,以源距為70 cm的Am-Be源中子孔隙度測井儀器為參考。圖5中當(dāng)遠(yuǎn)探測器源距縮短至61 cm時,D -D源的遠(yuǎn)探測器計數(shù)率與Am-Be源的計數(shù)率相近。但縮短源距會導(dǎo)致中子比對孔隙度的靈敏度下降。由圖6可知,當(dāng)遠(yuǎn)探測器源距為67 cm時,D -D源的孔隙度靈敏度與Am-Be源的相近。因此,為提高計數(shù)率同時保證孔隙度靈敏度,探測器源距最好為65～67 cm,對應(yīng)的計數(shù)率可提高1.4～1.9倍。

圖5 不同源距下遠(yuǎn)探測器計數(shù)率

圖6 不同源距下中子比

可通過增大探測器橫截面積與探測器氣壓,進(jìn)一步提高計數(shù)率。以探測器氣壓1 atm(1)非法定計量單位,1 atm=101 325 Pa;1 in=2.54 cm,下同為標(biāo)準(zhǔn),將不同探測器氣壓下的計數(shù)率與其作對比,探測效果如表2所示,隨著探測器氣壓的升高,探測器計數(shù)率增大。由于鉆鋌壁厚的限制,探測器直徑分別設(shè)為1.0、1.1、1.2 in*,以1.0 in探測器計數(shù)率為標(biāo)準(zhǔn),1.1 in與1.2 in探測器計數(shù)率分別提高了9%與20%,計數(shù)率隨探測器尺寸增大而增大。

表2 探測器氣壓對探測效果影響

以Am-Be源中子孔隙度測井儀器為參考進(jìn)行源距與探測器參數(shù)優(yōu)化,該儀器的遠(yuǎn)探器氣壓為10 atm,探測器直徑為1.0 in。由表2可知,當(dāng)儀器探測器氣壓為20 atm時,其計數(shù)率比氣壓為10 atm時的計數(shù)率提高1.2倍。探測器尺寸與探測器計數(shù)率成正比,當(dāng)探測器尺寸為1.2 in,計數(shù)率提高1.2倍。通過優(yōu)化源距、探測器氣壓與尺寸可提高計數(shù)率,從而提高測速。對于隨鉆D -D源中子孔隙度測井儀器,當(dāng)探測器氣壓為20 atm,探測器直徑為1.2 in,源距為65～67 cm時,探測器計數(shù)率可提高2.0～2.8倍,與Am-Be源計數(shù)率相近。

6 結(jié) 論

(1)隨鉆D -D源中子孔隙度測井具有更高的孔隙度靈敏度,與結(jié)合其他參數(shù)改進(jìn)后的隨鉆D -T源中子孔隙度測井靈敏度相近。

(2)隨鉆中子孔隙度測井的徑向探測深度與中子源能量無關(guān),主要與源距和地層減速性質(zhì)有關(guān)。在不同中子源和不同地層孔隙度條件下,隨鉆中子孔隙度測井的縱向分辨率相近,隨鉆中子孔隙度測井的縱向分辨率主要與源距有關(guān)。

(3)相同儀器結(jié)構(gòu)條件下,當(dāng)?shù)貙涌紫抖葹? p.u.時,镅鈹源的計數(shù)率是基于射頻源的D -D源計數(shù)率的3倍,可通過優(yōu)化源距、探測器氣壓與尺寸提高計數(shù)率,使其與镅鈹源計數(shù)率相近,提高測速。