随钻中子孔隙度测井响应特性数值模拟

第39卷第12期
地球科学
中国地质大学学报V o l .39 N o .12
2014年12月
E a r t hS c i e n c e J o u r n a l o fC h i n aU n i v e r s i t y o
fG e o s c i e n c e s D e c. 2014
d o i :10.3799/d q
k x .2014.174基金项目:国家重大油气专项(N o s .2011Z X 0520-008,2011Z X 05020-002);国家自然科学基金项目(N o .41374125).
作者简介:袁超(1987-),男,博士在读,主要从事核测井方法基础研究㊁核测井数据处理及应用.E -m a i l :v i p y
u a n c h a o @163.c o m 随钻中子孔隙度测井响应特性数值模拟
袁 超1,李潮流1,周灿灿1,张 锋2
1.中国石油勘探开发研究院测井与遥感技术研究所,北京100083
2.中国石油大学地球科学与技术学院,山东青岛266555
摘要:随钻中子孔隙度测井在随钻地层评价中发挥重要作用,对其响应特性研究具有重要意义.利用蒙特卡罗方法建立随钻条件下地层模型,模拟研究随钻中子孔隙度测井响应特性.模拟结果表明:随钻和电缆测井相同条件下中子孔隙度响应变化趋势相同,随钻中子孔隙度曲线反映孔隙度灵敏程度高于电缆测井,但其测井响应受钻铤影响较大;探测深度与地层孔隙度有关,文中条件下探测深度和纵向分辨率分别为28c m 和19c m ;在水平井和大斜度井中,测量方位对中子孔隙度曲线影响较大;相对倾角α越小,中子孔隙度曲线过渡区域中点越接近地层界面;α小于60ʎ时,中子孔隙度曲线受围岩影响可忽略.关键词:随钻测井;中子孔隙度;响应特性;数值模拟.
中图分类号:T E 132 文章编号:1000-2383(2014)12-1896-07 收稿日期:2014-03-04
N u m e r i c a l S i m u l a t i o no fR e s p
o n s eC h a r a c t e r i s t i c o f N e u t r o nP o r o s i t y L o g g i n g W h i l eD r i l l i n g
Y u a nC h a o 1,L i C h a o l i u 1,Z h o uC a n c a n 1,Z h a n g F e n g
2
1.R e s e a r c hD e p a r t m e n t o f W e l l -L o g g i n g a n dR e m o t eS e n s i n g T e c h n o l o g y ,R I P E D ,P e t r o C h i n a ,B e i j i n g 100083,C h i n a
2.S c h o o l o f G e o s c i e n c e s ,C h i n aU n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m ,Q i n g
d a o 266580,C h i n a A b s t r a c t :N
e u t r o n p o r o s i t y l o g g i n g w h i l e d r i l l i n g (L WD )p l a y s a n i m p o r t a n t r o l e i n
f o r m a t i o n e v a l u a t i o nu n d e rL WDe n v i r o n -m e n t ,s o i t h a s a
g r e a t s i g n i f i c a n c e t o s t u d y t
h e l o g g
i n g r e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c .M o n t eC a r l om e t h o d i s e m p l o y e d t ob u i l d f o r -m a t i o nm o d e l i n g u n d e r L WDc o n d i t i o n s ,a n d t h e r e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c i s s i m u l a t e d .T h e r e s u l t s r e v e a l t h a t t h e c h a n g i n g
t r e n d o f p o r o s i t y r e s p o n s e o f n e u t r o n l o g g i n g w h i l e d r i l l i n g i s s i m i l a r t o t h a t o fw i r e l i n e u n d e r t h e s a m e c o n d i t i o n s ,t h e s e n s i t i v i t y o f p o r o s i t y c u r v e i nL WD t o p o r o s i t y i s h i g h e r t h a nw i r e l i n e ,b u t t h e n e u t r o n p o r o s i t y l o g g i n g r e s p
o n s e o f L WD i s a f f e c t e d s e v e r e -l y b y t h e d r i l l i n g c o l l a r .T h e d e p t ho f i n v e s t i g a t i o n i s r e l a t e d t o f o r m a t i o n p o r o s i t y ,a n d t h e d e p t ho f i n v e s t i g a t i o na n dv e r t i c a l r e s o l u t i o nu n d e r t h e c o n d i t i o n s i n t h i s p a p e r i s 28c ma n d19c m ,r e s p e c t i v e l y .I nh i g ha n g l e a n dh o r i z o n t a lw e l l s ,t h e e f f e c t o f m e a s u r e m e n t a z i m u t ho nn e u t r o n p o r o s i t y c u r v e i s s l i g h t .W h e n t h e r e l a t i v e d i p αi s l o w ,t h em i d p o i n t o f t r a n s i t i o n a r e a o f n e u -t r o n p o r o s i t y c u r v e i s c l o s e t o t h e b o u n d a r y s u r f a c e .I f αi s l e s s t h a n 60ʎ,t h e e f f e c t o f t h e a d j a c e n t f o r m a t i o no n p o r o s i t y c u r v e c a nb e i g
n o r e d .K e y w
o r d s :l o g g i n g w h i l e d r i l l i n g ;n e u t r o n p o r o s i t y ;r e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c ;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n . 近年来,
大斜度井和水平井不断增加,随钻测井技术发展迅速(秦旭英等,2003;邹德江等,2005;张辛耘等,2006),中子孔隙度测井是随钻过程中的必测项目,在地层评价中发挥至关重要的作用(洪有密,2007).T i t t m a n e t a l .(1966)在19世纪60年代提出利用基于贴井壁测量的超热中子测井仪确定地层孔隙度;由于利用单个探测器记录超热中子确定
地层孔隙度受井眼条件影响很大,D a v i s e ta l .
(1981
)利用2个热中子探测器,通过不同位置处热中子计数比值获取地层孔隙度;W r a i g h t e ta l .(1989)利用斯伦贝谢的C D N 测井仪器实现联合中子孔隙度和地层密度进行地层评价;随后,H o l e n k a
e t a l .(1995
)将中子孔隙度测井应用到随钻环境中,安装在钻铤上的测井仪器在转动过程中实现中子孔
第12期袁超等:随钻中子孔隙度测井响应特性数值模拟隙度的方位测量.但是,传统的中子孔隙度测井仪器
都是采用化学中子源,对工作人员和环境都存在潜
在危害(R e i c h e l e t a l.,1995),近年来国内外专家开
展了脉冲中子发生器的中子孔隙度测井方法及应用
的研究(F r i c k e e ta l.,2008;彭琥,2008;张锋等,
2010a;A n t o n e ta l.,2011).随着技术的发展,脉冲
中子孔隙度测井实现了随钻测量(W e l l e r e ta l.,
2005;R o b e r t s a n dK o p a l,2010),在随钻地层评价中
发挥重要作用.
国内外学者曾利用蒙特卡罗方法开展对随钻中
子孔隙度测井的模拟研究,X u e ta l.(2007)研究了
在层状介质中密度测井和中子孔隙度测井响应特
性;X u e t a l.(2009)研究了利用A m-B e㊁C f-252及
D-T三种不同中子源进行随钻中子孔隙度测井响应
的差异;M e n d o z a e t a l.(2005)研究了泥浆滤液侵入
对随钻补偿中子孔隙度测量的影响;A f o n s od eA n-
d r
e e t a l.(2004)研究了在泥岩中随钻和电缆中子孔
隙度测井值差异的原因,并用巴西6口井实际资料
验证.国内随钻中子孔隙度测井模拟研究与国外尚
有一定差距,张锋等(2010a)㊁张锋和袁超(2010)分
别研究了利用D-D和D-T中子发生器进行补偿中
子孔隙度测井响应,并与利用A m-B e中子源响应对
比;王新光和张锋(2009)㊁张锋等(2010b)研究了在
空气钻井和欠平衡钻井条件下中子孔隙度测井响
应;于华伟等(2008)研究了水平井中岩屑对补偿中
子孔隙度测井的影响,并针对C N241型仪器初步给
出校正图版.但是在前人模拟研究中未全面考虑随
钻㊁实际水平或大斜度地层模型㊁脉冲中子发生器等
条件,本文将建立随钻条件下的地层模型,模拟研究
利用脉冲中子源的随钻中子孔隙度测井响应及探测
特性,并研究在大斜度井中不同相对倾角条件下的
测井响应特性,为随钻脉冲中子孔隙度测井解释提
供理论基础.
1测井原理及计算模型
1.1测井原理
设中子孔隙度测井中近㊁远探测器源距分别为
r1和r2,由中子在空间分布规律可得近㊁远探测器
处热中子的通量Φt(r1)和Φt(r2)分别为(黄隆基,
1985):
Φt(r1)=L2t
4πD t(L2e-L2t)e-r1/L e-e-r1/L t
r1
,
Φt(r2)=L2t
4πD t(L2e-L2t)
e-r2/L e-e-r2/L t
r2
,(1)
式中:D t为热中子扩散系数;L e和L t分别为快中
子和热中子的减速长度.
则近㊁远探测器热中子计数比值为:
R t=Φt(r1)
Φt(r2)=
r2
r1
e-r1/L e-e-r1/L t
e-r2/L e-e-r2/L t.(2)
一般情况下,L e>L t(常见地层,L e=2L t),
e-r/L e>e-r/L t,又因为在测井中采用正源距,当r很
大时,e-r/L e>>e-r/L t,因此可忽略e-r/L t,则:
R tʈr2r
1
e-r1/L e
e-r2/L e=
r2
r1e-
(r1-r2)/L e.(3)
从上式可看出,热中子计数比值与中子减速长
度有关,
而中子减速长度取决于中子所经过路径的
图1单个中子与物质的随机作用过程
F i g.1R a n d o ma c t i o n p r o c e s s o f o n en e u t r o nw i t hm a t e r i a l s
作用过程:1.非弹性散射;2.裂变;3.种子俘获;4.中子逃逸;5.光子
散射;6.光子逃逸;7.光子俘获
物质;在随钻测井过程中,由于其地层模型不同,中
子减速经过路径不同,与直井条件下的电缆测井响
应存在很大差异.
1.2蒙特卡罗数值模拟方法
本文蒙特卡罗数值模拟是基于通用的㊁模拟三
维空间中连续能量的中子㊁光子和电子联合输运的
程序M C N P(B r i e s m e i s t e r,2000).该模拟方法建立
一个概率模型或随机过程,根据粒子已知的分布函
数,对粒子与原子核发生碰撞时的位置㊁能量㊁运动
方向㊁反应类型㊁源分布等方面进行抽样.M C N P通
过模拟追踪大量粒子与原子核微观作用的平均结
果,来反映粒子在物质中的输送过程.
以一个中子射入物质后与元素原子核的随机作
用过程来说明蒙特卡罗模拟的过程,如图1所示.中
子在1号点发生碰撞,根据中子与物质的作用分布
函数,抽取随机数确定反应类型,在本例中抽取非弹
性散射反应,放出非弹性散射伽马及中子;在2号点
与原子核发生(n,2n)反应,其中一个出射中子射出
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地球科学
中国地质大学学报第39
卷
图2 蒙特卡罗计算模型示意图
F i g .2S c h e m a t i c d i a g
r a mo fM o n t eC a r l o s i m u l a t i o nm o d e l 物质,另一个中子在3号点被吸收,并产生一个光子在5号点与物质发生散射作用离开物质,单粒子作用历史结束.M C N P 通过跟踪大量粒子的作用历程,
最终确定测井过程中发射中子与仪器㊁井眼㊁地层等物质元素原子核发生作用的宏观效果.
1.3 计算模型
利用蒙特卡罗方法建立三维地层模型,模拟不同条件下利用脉冲中子源发射的快中子经过地层减速到达近㊁远热中子探测器的计数,研究随钻中子孔隙度测井响应特性.
数值计算建模条件为:地层为层状模型,尺寸为150c mˑ150c mˑ150c m ,
地层中心在原点处,地层由地层1和地层2两部分组成,地层界面在Z =0处;井眼直径为20c m ,井眼内充满淡水,井眼轴线经过原点;测井仪器直径为5.2c m ,中子源采用D -T 脉冲中子发生器,发射脉冲为40μs ;近㊁远热中子探测器都利用长度为10c m 的H e -3管,
源距分别为30c m 和60c m ;测井仪器偏心置于钻铤中,钻铤直径为17.145c m ;钻铤上偏心开两个泥浆通道,直径都为3.536c m ,
且泥浆通道内充满淡水;井眼与Z 轴的夹角为相对倾角α,仪器相对Z 轴转动的角度为测量方位角β,计算模型横截面和纵截面示意图如图2所示.
2 随钻与电缆测井响应差异
利用图2所示的计算模型,地层1和地层2都
采用同样的饱含水砂岩地层,即地层为各项同性介质,改变地层孔隙度为0%㊁5%㊁10%㊁15%㊁20%㊁
25%㊁30%㊁35%和40%;
模拟计算随钻和电缆测井条件下近㊁远探测器热中子计数(模拟电缆测井条件下测井响应时计算模型中不存在钻铤),得到热中子计数比值随孔隙度变化关系如图3所示.
从图3中可以看出,随钻和电缆测井相同条件下,中子孔隙度响应变化趋势相同,
热中子计数比值
图3 随钻与电缆测井中子孔隙度响应关系对比
F i g .3C o m p a r i s o no fn e u t r o n p o r o s i t y r e s p
o n s eb e t w e e n L WDa n dw i r e l i n
e
图4 随钻和电缆测井中子孔隙度绝对灵敏度(a )和相对灵敏度(b
)随孔隙度变化曲线F i g .4R e l a t i o n s h i p o fa b s o l u t ea n dr e l a t i v es e n s i t i v i t y t
o n e u t r o n p o r o s i t y i nL WDa n d W L l o g g i n g 都随孔隙度增加而增加;但地层孔隙度小于10%时,电缆测井计数比值大于随钻测井,地层孔隙度大
于10%时,
随钻测井计数比值大于电缆测井.8
981
第12期袁超等:随钻中子孔隙度测井响应特性数值模拟
中子孔隙度绝对灵敏度反映利用热中子计数比值确定地层孔隙度的敏感程度,灵敏度越高,对孔隙度越敏感;相对灵敏度取决于仪器结构参数,相对灵敏度越大,孔隙度测量受本因素的影响越大.中子孔隙度绝对灵敏度S A和相对灵敏度S R分别定义为:
S A=∂R∂φ,S R=1R∂R∂φ.(4)式中:R为热中子计数比值;φ为中子孔隙度值.
根据式(4)及图3中的响应关系数据,可计算得出随钻测井和电缆测井中子孔隙度的绝对灵敏度和相对灵敏度随孔隙度的变化曲线,如图4所示.
从图4可以看出,随钻测井和电缆测井中子孔隙度绝对灵敏都随着孔隙度增加而减小,说明随着中子孔隙度的增加热中子计数比值反映中子孔隙度的灵敏度下降;随钻测井中子孔隙度的绝对灵敏度大于电缆测井,表明随钻测井确定孔隙度敏感程度大于电缆测井;随钻测井中子孔隙度的相对灵敏度大于电缆测井,这是由于随钻测井中存在钻铤,测井响应受其影响较大.
3探测特性研究
3.1探测深度
随钻中子孔隙度测井响应曲线受目的层㊁围岩层㊁相对倾角及测量方位等因素的综合影响,为反映单因素影响变化及研究简便起见,研究探测深度时相对倾角α取0,即井眼与地层界面垂直.
利用同样的计算模型,地层1中子孔隙度为10%的饱含淡水砂岩的目的层,地层2等效中子孔隙度为40%的泥质围岩层,模型中泥质围岩层是由骨架㊁泥质和孔隙3部分组成,体积百分比分别为15%㊁80%和5%,孔隙内饱含淡水,泥质组分包括高岭石㊁伊利石㊁蒙脱石㊁绿泥石和石英,且每种组分的体积百分比为20%;定义仪器测量参考点为近㊁远热中子探测器中点处,测量参考点从Z=-50c m 移动到50c m,移动间隔为3c m;模拟钻井过程中从泥质围岩层钻向砂岩目的层的过程,在每个测量参考点处记录近㊁远热中子探测器计数,将模拟计算的热中子计数比值利用图2中的响应关系转换为视中子孔隙度,得到视中子孔隙度模拟计算值随测量参考点位置变化曲线,如图5所示.
从图5中可以看出:(1)当前3个与后3个点仪器测量点均值的差值相对变化量小于5%时,认为仪器全部响应于该地层,因此仪器在Z=-20.2c
m 图5α=0时视中子孔隙度模拟计算值与测量参考点关系曲线
F i g.5R e l a t i o no f s i m u l a t e dv a l u eo f a p p a r e n t p o r o s i t y a n d
r e f e r e n c e p o i n t f o rm e a s u r e m e n tw h e nα=0
处全部响应于砂岩目的层,在Z=27.9c m处全部响应于泥质围岩层;探测深度与地层孔隙度有关,地层孔隙度越大,探测深度越浅;(2)仪器在全部响应于砂岩目的层或泥质围岩层时,其测量中子孔隙度的浮动值分别为1.1%和2.3%,这是由于在泥质围岩层对中子减速能力强,到达探测器热中子计数减少,计数统计性下降;(3)根据中子孔隙度响应曲线由砂岩目的层变化到泥质围岩层的过渡区域,并扣除井眼尺寸,得出在文中条件下探测深度约为28c m.
3.2纵向分辨率
利用与图2相似的计算模型,模型中有两个垂直于Z轴且沿Z轴方向厚度为10c m的中子孔隙度为10%的砂岩目的层,其余地层等效中子孔隙度为40%的泥质围岩层;相对倾角α=0,移动测量参考点从Z=-40c m到Z=60c m,移动间隔为2c m;固定下部砂岩目的层中心位置在Z=0处,移动上部砂岩目的层,改变其间隔为13㊁16㊁19㊁22和25c m,在每个测量参考点处记录近㊁远热中子探测器计数,将模拟计算的热中子计数比值利用图2中的响应关系转换为视中子孔隙度,得到不同砂岩目的层间隔条件下视中子孔隙度模拟计算值随测量参考点位置变化的关系曲线,如图6所示.
仪器纵向分辨率即最小可分辨厚度,指仪器能识别出夹在两个厚地层之间夹层的最小厚度,或能在测井曲线上划分开的两个地层最小距离(黄隆基等,1996).图6中黑线为模拟计算的中子孔隙度曲线,红线为模型中设定的砂岩目的层模型.从图中可以看出,当两个砂岩目的层间距小于19c m时,仪器
9981
地球科学 中国地质大学学报第39
卷
图6仪器穿过不同距离砂岩目的层时中子孔隙度响应曲线
F i g.6P o r o s i t y r e s p o n s e c u r v ew h e n t o o l t r a v e l s t h r o u g h t a r g e t s a n d f o r m a t i o nw i t hd i f f e r e n t i n t e r v a l s
穿过两个薄层时在模拟计算的中子孔隙度曲线仅显示为一个层,不能区分两个砂岩目的薄层;当两个砂岩目的层的间距大于19c m时,模拟计算的中子孔隙度曲线可明显地显示出两个层,因此本文研究条件下随钻脉冲中子孔隙度测井的纵向分辨率为19c m.
4不同地层相对倾角条件下测井响应
利用图2中的计算模型,地层1和地层2分别为中子孔隙度为10%的砂岩目的层和等效中子孔隙度为40%的泥质围岩层,改变相对倾角α为0㊁10ʎ㊁20ʎ㊁30ʎ㊁40ʎ㊁50ʎ㊁60ʎ㊁70ʎ㊁80ʎ㊁85ʎ,在不同相对倾角条件下使测井仪器由砂岩目的层穿过地层界面到泥质围岩层,在每个测量参考点上记录不同测量方位β=0㊁45ʎ㊁90ʎ㊁135ʎ和180ʎ方位上的近㊁远探测器热中子计数,将模拟计算的热中子计数比值利用图2中的响应关系转换为视中子孔隙度,得到相对倾角为10ʎ和85ʎ时中子孔隙度模拟计算值随测量参考点在井轴上不同位置的变化曲线,如图7所示,并得到测量方位β=0时不同相对倾角条件下中子孔隙度模拟计算值随测量参考点在井轴上不同位置的变化曲线,如图8所示.
从图7和图8中可以看出,当相对倾角α较小时测量方位对中子孔隙度曲线影响较小,当α较大时不同测量方位中子孔隙度曲线差别很大;α越小,中子孔隙度曲线从泥质围岩层向砂岩目的层的过渡区域中点越接近地层界面,如:α=0时,过渡区域为30c m,响应曲线中点基本上能反映界面位置;α
=
图7相对倾角为10ʎ(a)和85ʎ(b)时仪器穿过地层界面不同测量方位中子孔隙度响应曲线
F i g.7P o r o s i t y r e s p o n s e c u r v e o f d i f f e r e n tm e a s u r e m e n t a z-
i m u t h w h e nt o o lt r a v e l st h r o u g h b o u n d a r y s u r f a c e
w i t h r e l a t i v e a n g l e o f10ʎa n d85ʎ
85ʎ时,过渡区域为370c m,响应曲线中点偏离地层界面170c m;相对倾角α大于60ʎ时,对中子孔隙度
0091
第12期 袁 超等:
随钻中子孔隙度测井响应特性数值模拟图8 不同相对倾角条件下仪器穿过地层界面时中子孔隙
度响应曲线
F i g .8P o r o s i t y r e s p o n s ec u r v e w h e nt o o lt r a v e l st h r o u g
h b o u n d a r y s u r f a c e sw i t hd i f f e r e n t r e l a t i v e d i p
s 响应曲线影响很大;α小于60ʎ
时可以忽略影响.5 结论与讨论
(1
)随钻和电缆测井相同条件下中子孔隙度响应变化趋势相同,但随钻中子孔隙度测井响应受钻铤影响较大;通过中子孔隙度灵敏研究表明,随钻中子孔隙度测井曲线反映孔隙度灵敏程度高于电缆测井,这主要是由于随钻过程中存在钻铤,使中子源发生出的中子经过钻铤后能量降低的缘故.
(2)随钻中子孔隙度测井探测深度与孔隙度有关,孔隙度越大,地层含氢指数越大,中子穿过地层的距离越小,探测深度越浅;文中条件下,探测器深度为28c m ,纵向分辨率为19c m.
(3
)在大斜度井和水平井中,测量方位对中子孔隙度曲线影响较大;相对倾角α越小,中子孔隙度曲线过渡区域中点越接近地层界面;α大于60ʎ时,中子孔隙度测井曲线受围岩影响较大;α小于60ʎ时影响可忽略.
(4
)随钻中子孔隙度测井环境比较复杂,钻铤和钻井速度会影响计数统计性,钻铤对热中子的减速及吸收作用会使探测器计数大大降低,钻井速度会影响探测器计数的累加;而且中子孔隙度测井响应还受井眼和地层环境的影响,后续研究中注重钻铤㊁钻井速度及井眼和地层环境等因素的影响.R e f e r e n c e s
A f o n s od eA n d r e ,C .,M a i n i e r iV i e i r ad aC u n h a ,A.,
B o o n e n
,P .,e t a l .,2004.AC o m p a r i s o n o f L o g g i n g -W h i l e -D r i l l i n g
a n d W i r e l i n e N u c l e a r P o r o s i t y L o g si n S h a l e sf r o m W e l l s i nB r a z i l .S o c i e t y o fP e t r o p h y s i c i s t s a n d W e l l -L o g
A n a l y
s t s ,N e t h e r l a n d s .A n t o n ,N.,R o b e r t s ,L .P .,I n a n c ,F .,e t a l .,2011.N e u t r o nP o -r o s i t y M e a s u r e m e n t sU s i n g aP
u l s e dN e u t r o nG e n e r a t o r a n dL i -6G l a s sN e u t r o nD e t e c t o r s .S o c i e t y o f P e t r o p h y
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