欠平衡条件补偿中子测井校正的蒙特卡罗研究

张海花,于华伟,朱 頔,孙建孟

(1.胜利油田钻井工艺研究院,山东东营257000;2.中国石油大学地球资源与信息学院,山东青岛266555)

欠平衡条件补偿中子测井校正的蒙特卡罗研究

张海花1,于华伟1,朱 頔2,孙建孟2

(1.胜利油田钻井工艺研究院,山东东营257000;2.中国石油大学地球资源与信息学院,山东青岛266555)

利用蒙特卡罗方法,通过分别改变井眼中的含气量、地层矿化度和孔隙度,研究了井眼中含气量从0～100%变化及地层水矿化度(0～250 000 mg/L)对补偿中子测井的影响。将模拟结果与前人实验数据进行了基准检测。研究表明,随着井眼中含气量增加,探测器计数率增加,但是利用近远计数率比求得的视中子孔隙度反而迅速降低,而地层水矿化度的变化会使气体井眼时的孔隙度灵敏度降低。针对CN-241补偿中子测井仪,给出了在欠平衡条件下使用井眼泥浆含气量和地层矿化度校正图版,为今后进行欠平衡条件下测井解释和地层评价打下了基础。

补偿中子测井;欠平衡条件;气体钻井;矿化度;蒙特卡罗模拟

0 引 言

随着人们对低孔隙度低渗透率含气砂岩储层保护意识的增强,欠平衡钻井技术越来越广泛地采用于钻井过程中[1]。由于补偿中子测井仪器是在充满淡水的井眼中刻度的,所以欠平衡条件下井眼中气体的存在会对补偿中子测井的结果有很大的影响。司马立强[2-3]通过对比空气井和常规情况的测井曲线,发现补偿中子测井受井中空气的影响,视中子孔隙度基本为负值且变化率很小。赵平等人[4]分析了气体钻井液和泡沫钻井液下,补偿中子测井值受井内流体中含氢量的影响。为了研究欠平衡条件下的不同钻井液类型对补偿中子孔隙度测井的影响,吴文圣[5]利用蒙特卡罗模拟研究发现井眼直径较小时,欠平衡测井资料可以正常应用。王新光[6]利用蒙特卡罗模拟,研究了钻井液的密度变化对中子孔隙度测井的影响。但是前人的工作仅使用较简单的理想模型分析了欠平衡条件的影响,没有考虑仪器的实际结构,也没有考察由地层热中子吸收截面引起的补偿中子测井响应变化,因此,所得研究结果不能真正用于测井解释的校正过程中。

本文针对CN-241增强型补偿中子测井仪,建立详细的蒙特卡罗计算模型,利用MCNP程序对建立的三维模型进行模拟,在对模拟结果与仪器实测结果基准检测之后,研究了各种井眼流体类型、泥浆含气量、地层热中子吸收性质对补偿中子孔隙度测井的影响,给出可用于实际工程应用的校正图版。

1 欠平衡条件和补偿中子测井原理

1.1 欠平衡钻井条件

欠平衡钻井又称负压钻井,是指在钻井过程中井底压力低于地层压力,地层流体有控制地进入井筒并循环至地面的钻井技术。现今广泛采用欠平衡钻井技术来发现和保护气层、避免储层受钻井液污染、提高单井产能和勘探开发成功率。目前常见的欠平衡钻井液有气体钻井液、充气钻井液、泡沫钻井液以及乳化钻井液等[7]。

1.2 补偿中子测井原理

补偿中子测井是用同位素中子源在井眼中向地层发射快中子,在离源距离不同的2个观测点上,用热中子探测器测量经地层慢化并散射回井眼来的热中子,并使用近远2个探测器计数率的比值来确定地层孔隙度[8]。用 φt(r)表示均匀无限介质中热中子距源r处的通量为

式中,φt(r)为热中子在 r处通量;r为观察点离点源的距离;Lf、Lt分别为快中子减速长度和热中子扩散长度;Dt为热中子扩散系数。从式(1)看到,热中子通量的分布不仅决定于地层的快中子减速性质Lf,而且还与地层的吸收性质(Dt,Lt)有关。因此,用热中子求孔隙度必须解决2个问题:减低地层的热中子吸收性质对测量值的影响;克服井眼影响。

在常规测井条件下,井眼中充满流体,由于流体中含有大量能对快中子起减速作用的氢元素,所以快中子在井眼中衰减很快,探测器探测到的热中子大部分是地层的贡献、井眼的影响较小。因此,采用足够大的源距,并取2个探测器计数率的比值求取孔隙度,在很大程度上补偿了地层吸收性质和井眼环境对孔隙度的影响,同时提高了仪器灵敏度;而在气体井眼中,井眼中能让快中子衰减的物质很少,探测器得到的计数率主要由通过井眼传播并在探头附近热化的中子所控制,地层传来的热中子只占其中很小部分,此时即便用比值的方法也无法补偿掉井眼和地层热中子吸收性质的影响[9-10]。这样,2个探头的孔隙度灵敏度更为接近,当取近远计数率比值时,如按原标准处理其孔隙度灵敏度大大降低。

2 蒙特卡罗计算模型与基准检测

2.1 计算模型

利用MCNP程序进行模拟时,参照邱益香等建造的CN-241补偿中子测井模拟模型,构建了详细的仪器、井眼和地层的三维模型[11-12](见图1)。井眼直径为20 cm,地层为饱含淡水的石灰岩地层,测量时仪器紧靠井壁。仪器模型中,中子源选用源强为20 Ci的各向同性241Am-Be柱状体源,其能谱选用国际标准化组织ISO-8529推荐的241Am-Be源能谱。近远探测器选用2个构造相同但内部气压、大小不同的3He热中子探测器,其气压分别为10 atm和4 atm(非法定计量单位,1 atm=0.1 M Pa,下同),每个探测器均有一定的灵敏响应区,长度分别为10 cm和30 cm,长短探测器的源距分别取32 cm和64.3 cm。使用体通量计数器分别记录2个探测器栅元中的热中子通量,进而计算出与热中子通量成正比的探测器计数率。每次模拟时抽样1×108个源中子,通过合理使用蒙特卡罗技巧,使每次模拟结果的统计误差小于2%。

图1 补偿中子测井的蒙特卡罗计算模型

2.2 基准检测

使用MCNP程序虽然克服了对空间-时间-能量-方向多维问题的系统复杂性的限制,但一些核测井研究工作的仪器、井眼、地层的建模处理往往理想化和简单化,缺少基准校正,计算结果的统计性和准确性就存在问题。这样的工作可给出一般的趋势性结果,但不能反映仪器、井眼、地层的特殊性,不适用于对定量精确度要求较高的实际应用。

基准检测研究是以实验测量结果为准,分析MCNP模拟结果与实验测量结果间存在的差异及其原因,并设法合理调整MCNP模型及相应参数,尽量减小误差,从而在合理可接受的误差范围内确认MCNP计算模型。经基准校正后的MCNP模型方可在所达到的误差水平上用于特定型号仪器输出的、具有实际应用性的定量计算工作[13]。

在标准的裸眼井条件下,用蒙特卡罗模拟计算出不同孔隙度时的近远探测器计数率,且每次模拟时抽样1×108个源中子。为了验证研究结果的可靠性,将蒙特卡罗模拟结果与CN-241补偿中子测井仪的实测实验数据进行了比对(见图2)。

利用蒙特卡罗模拟得到的近、远探测器的计数率与实验测量的结果数值上非常接近、规律吻合得非常好,由此得到的近远计数率比值与实验结果基本重合、精度相对较高。这说明模拟计算结果基本可靠,可用来定量考察各种影响因素对实际仪器测量的影响。

3 欠平衡条件对补偿中子测井影响

3.1 井眼内物质组成的影响

图2 模拟结果与实测数据的基准检测

补偿中子测井仪在标准裸眼井条件下刻度。标准裸眼井条件是指常温、常压、井眼直径为20 cm且充满淡水、仪器偏心贴壁放置、地层为饱和淡水的纯灰岩的情况。在欠平衡测井时,井眼内不再充填淡水,此时整个的标准条件被改变,为了校正欠平衡条件对补偿中子测井的影响,分别用蒙特卡罗模拟了井眼物质组成以及地层热中子吸收性质等因素的影响。

由于补偿中子测井仪是在淡水井眼中刻度的,而欠平衡条件时井眼内填充的不再是淡水,有可能是空气、天然气、氮气或含气泥浆等物质。这种井内物质组成的变化,使得测井条件不再符合刻度时的标准条件,这会对补偿中子测井结果产生较大的影响。

为考察不同井眼填充物质对补偿中子测井响应的影响,使用蒙特卡罗模拟分别研究了井眼中充填淡水、氮气以及含气量不同的多种含气泥浆的情况。模拟时选取井眼直径为20 cm,地层为饱含淡水的灰岩,仪器贴壁测量,井眼填充物质分别选取纯淡水和含氮气20%、40%、60%、80%的淡水以及纯氮气等物质进行考察,每一种井眼填充物质,模拟地层孔隙度从0～50%变化的情况,模拟结果见图3。图3中0表示的是不含气的纯淡水,100%表示的是完全为氮气的情况。

如图3,当井眼中含有一定比例的气体之后,近远计数率比值与淡水钻井液相比会下降,并且含气比例越大近远计数率比越小,这使得所计算出的视地层孔隙度也降低。这是由于井内气体的含氢指数小于淡水,其对快中子的减速能力较差。此时,探测器探测到的大部分热中子是直接从井筒而不是地层传过来的,因此近、远探测器计数率都会明显增大,并且远探测器计数率会比近计数率增大幅度更明显,从而得其近远计数率比反而下降。

图3 井眼不同含气量近远计数率比与孔隙度关系

特别是当井眼中完全充填氮气时,所求得的视地层孔隙度完全为负值。此时,测量结果已经完全失真,要进行准确的测井解释和地层评价,就必须要对测量数据进行校正。

3.2 地层热中子吸收性质的影响

在补偿中子测井中,热中子通量同时受快中子减速、热中子吸收及井眼的影响。在充满流体的井眼中,流体中含有大量的氢元素,由于氢对快中子的减速能力最强,所以快中子在井眼中快速衰减,探测器测到的热中子绝大部分来自地层。此时井眼的影响降至最低,使用近远计数率比值的方法可以补偿掉热中子吸收对孔隙度计算的影响。而在气体井眼中,井眼中能让快中子衰减的物质很少,探测器得到的计数率主要由通过井眼传播并在探头附近热化的中子所控制,地层传来的热中子只占其中较小部分,此时即便用比值的方法也无法同时补偿掉井眼和地层热中子吸收性质的影响。

由于地层中常见的热中子俘获截面最高的物质是氯元素,而氯主要存在于地层中的矿化水中。所以,为了分析欠平衡条件下地层热中子吸收性质对补偿中子测井的影响,使用蒙特卡罗模拟,针对地层水矿化度为100 000 mg/L和250 000 mg/L的情况,研究了井眼中分别充填淡水和充气钻井液(30%氮气+70%淡水)时的补偿中子测井响应,模拟的井眼和地层参数见表1,计算结果见图4。

表1 模拟各种井眼和地层参数

图4 淡水或气体井眼时近、远探测器对不同矿化度地层响应

如图4所示,当使用充气泥浆时,由于井眼中氢元素的减少,近和远探测器的计数率都比充满淡水时要高,并且远探测器的计数率要大于近探测器。另外,使用充气泥浆时,随着矿化度的增加近、远探测器计数率降低都非常快,但当井眼中填充淡水时,即使地层矿化度增加,其计数率变化并不是太大。这说明欠平衡条件下探测器的响应比常规条件受到地层矿化度的影响更大。此时,若再使用以前的矿化度校正图版必然会对实际定量解释工作带来偏差,必须重新进行矿化度的校正研究。

4 欠平衡条件的校正

图5 井眼泥浆含气量校正图版

通过上面的分析可知,欠平衡条件与常规条件相比,补偿中子测井主要受到了井眼内物质含氢量和地层热中子吸收性质的影响。研究使用蒙特卡罗模拟,通过定量研究不同含气饱和度泥浆和地层矿化度对孔隙度的影响,然后与实际地层孔隙度进行对比,分别得到了井眼泥浆含气量和地层矿化度对补偿中子测井影响的校正图版(见图5和图6)。在进行地层矿化度研究时,以地层孔隙中饱含淡水、使用充气钻井液(30%氮气+70%淡水)的条件作为标准。

图6 欠平衡条件地层水矿化度影响校正图版

如图5所示,随着井眼中含气量的增加所求视中子孔隙度反而会降低,并且地层的孔隙度越大其视中子孔隙度误差越大,甚至在井眼中完全充满气体时中子孔隙度会出现负值。而从图6中可知,随着地层孔隙度的增大,其视中子孔隙度增大,且孔隙度越大受地层水矿化度的影响越强,需要校正的量也越大。

5 结束语

针对CN-241补偿中子测井仪,使用蒙特卡罗模拟,先把各种地层模拟结果与前人实验数据进行基准检测,然后在结果可靠的基础上,研究了欠平衡测井条件下,不同井眼物质组成和地层矿化度对补偿中子孔隙度测井的影响。研究发现,虽然随着井眼中含气量的增加探测器计数率增加,但是利用近远计数率求得的视中子孔隙度反而会迅速降低,而矿化度的变化会使气体井眼时的孔隙度灵敏度降低。通过研究,得到了CN-241补偿中子测井仪在欠平衡条件下使用井眼泥浆含气量和地层矿化度校正图版,解决了实际生产中的校正问题,为今后进行欠平衡条件下测井解释和地层评价打下了基础。

[1] 朱 弘.欠平衡钻井技术的进展与发展趋势[J].石油地质与工程,2009,23(2):80-82.

[2] 司马立强,赖未蓉,赵植平.气体介质钻井条件下测井响应特征与判别方法[J].天然气工业,2006,26(11): 56-58.

[3] 司马立强,甘秀娥,梁从军,等.空气井测井响应现象分析与探讨[J].测井技术,2003,27(6):499-501.

[4] 赵 平,侯春会.特殊钻井之测井对策[J].测井技术, 2006,30(1):16-18.

[5] 吴文圣,肖立志,张龙海.欠平衡和超平衡测井条件下气层的中子和密度测井响应特征[J].中国科学D辑:地球科学,2008,38(增刊1):180-185.

[6] 王新光,张 锋.欠平衡钻井条件下钻井液的密度对中子孔隙度测井的影响[J].测井技术,2009,33(3): 293-298.

[7] 屈 平,申瑞臣,李景翠,等.充气钻井液的影响因素分析[J].天然气工业,2008,28(1):82-84.

[8] 黄隆基.放射性测井原理[M].北京:石油工业出版社,1985.

[9] 樊世忠.欠平衡钻井完井液技术(Ⅱ)——气体型完井液技术[J].钻井液与完井液,2001,18(1):25-29.

[10]王树江,曹 强,陈彦彪.氮气钻井技术在普光202-1井的应用[J].石油钻采工艺,2007,29(5):23-25.

[11]朱丽华,黄晓川,刘 英.国外充气钻井液钻井技术[J].钻采工艺,2006,29(5):9-12.

[12]Flaum C.Dual Detecto r Neutron Logging in Air-filled Bo reholes[C]∥ The SPWLA 30th Annual Logging Symposium,June 27-30,1989.

[13]Galfo rd J E,Nelson R F,M c Keon D C.A Ratio-based Epithermal Neutron Porosity fo r Air-filled Bo reholes [C]∥SPE Eastern Regional Meeting,October 22-25, 1991.

[14]Briesmeister J F.MCNPTM A General Monte Carlo N-Particle Transpo rt Code,Version 4C[R].Report LA-13709-M.New Nexico:Los Alamos National Labo rato ry,2000.

[15]邱益香,夏凌志,彭 琥,等.补偿中子测井MCNP程序模型的基准检测研究[J].测井技术,2004,28(6): 174-774.

[16]于华伟,孙建孟,杨锦舟,等.水平井内岩屑层对补偿中子测井的影响[J].测井技术,2008,32(4):300-303.

Monte Carlo Applied to Correction of Compensated Neutron Logging in Under-balanced Condition

ZHANG Haihua1,YU Huawei1,ZHU Di2,SUN Jianmeng2
(1.Drilling Technology Research Institute,Shengli Oilfield Company,Dongying,Shandong 257000,China; 2.College of Geo-resources and Information,China University of Petroleum,Qingdao,Shandong 266555,China)

Monte Carlo simulation method w as used to study the effect of gas saturations in the hole(0～100%)and salinity(0～250 000 mg/L)by changing borehole gas saturations,formation salinities and po rosities to compensate neutron logging.In o rder to guarantee the reliability of simulation results,simulation resultswere compared to the experimental data.The detector’s counting rate increasesw ith the increasing of gas saturation in the hole,but apparent neutron porosity calculated by near-far counting rate ratio w ill sharp ly decrease and the porosity sensitivity in gas hole w ill reduce by changing fo rmation salinities.Bo rehole mud gas content and fo rmation salinity correction charts in under-balanced condition for CN-241 compensated neutron logging tool aremade p reliminarily,w hich laid a foundation for under-balanced logging interp retation and formation evaluation in future.

compensated neutron logging,under-balanced condition,air-filled drilling,salanity, Monte Carlo simulation

1004-1338(2010)05-0419-05

P631.84

A

国家高技术研究发展计划(863)项目“随钻测井核心探测器关键技术研究”(2006AA 060105)

张海花,高级工程师,从事随钻测量仪器研制工作。

2010-06-02 本文编辑 王小宁)