脉冲中子孔隙度测井密度校正研究

王虎,岳爱忠,张晓蕾,刘楠,何绪新,葛云龙

(1.中国石油集团测井有限公司测井技术研究院,陕西西安710077;2.中国石油集团测井有限公司大庆分公司,黑龙江大庆163412)

0 引 言

在现代石油勘探测井中,需要测量井眼和地层参数等信息。其中,常用带有Am-Be同位素中子源的补偿中子测井仪测量地层孔隙度[1-3]。但随着国家和石油行业对绿色环保测井的要求,同位素中子源的使用受到越来越多的限制。尤其是在热中子孔隙度测井方面,很多年前相关单位就已经提出使用脉冲中子源取代Am-Be同位素中子源的方案[4-8]。相对Am-Be同位素中子源,脉冲中子源发射的单能快中子是人工可控的,其发射能量为14 MeV。这将导致岩性或地层密度对地层含氢指数测量的影响增强,使两者的中子孔隙度存在显著的区别[9-11],这已成为脉冲中子源取代同位素中子源进行孔隙度测井面临的挑战之一。

1994年,SCOTT和WRAIGHT等[5,12]研制多探头阵列脉冲中子孔隙度测井仪器时,在仪器结构设计中,在对地层密度不敏感的源距处设置近中子探测器降低地层密度的影响。2005年,斯伦贝谢公司[7]推出一款脉冲中子源随钻测井仪器。该仪器使用了近、远计数率比值密度校正的方法计算地层孔隙度,但对校正方法的细节没有具体描述。该公司的ELLIS等[13-14]随后在2006年提出,中子探测器计数率响应与地层含氢指数和体积密度相关,并直接给出了计数率与这2个参数的关系表达式。2007年,斯伦贝谢公司的FRICKE等[15]指出也可以将脉冲中子仪器的近、远中子比转换为同位素中子源的热中子孔隙度,并给出了具体方法。2014年,于华伟等[16]和杨宁宁[17]分别对ELLIS提出的方法进行了仿真模拟和仪器试验验证,证明了该方法的有效性。2016年,刘军涛等[18]通过使用蒙特卡罗数值方法,将含氢指数和体积密度对近、远中子计数率比值的影响分别进行了模拟研究,拟合得到一个与地层体积密度无关的地层孔隙度计算方法。2018年,王虎等[19]对快中子减速过程进行了详细描述,并使用理论推导的方法得到近、远中子计数率比值与地层密度和含氢指数的关系,提出了脉冲中子孔隙度的密度校正计算方法。

为了降低脉冲中子孔隙度测井中密度对中子孔隙度测量的影响,提高脉冲中子源与同位素中子源的兼容性,首先分析对比了2种中子源在中子孔隙度测量上的差异,并给出了密度校正后脉冲中子孔隙度计算方法。随后在计量站刻度井群中,对研制的可控源元素和孔隙度测井仪样机和同位素中子源孔隙度测井仪进行刻度实验。最后将现场井试验数据进行对比,对该密度校正方法的有效性进行验证。试验结果证实了脉冲中子孔隙度测井取代同位素中子源孔隙度测井的可行性。

1 中子孔隙度密度校正方法

在裸眼井测井中,使用同位素中子源的补偿中子孔隙度测井仪器一直被广泛应用于地层孔隙度测量。在地层中,氢元素与中子的原子量相近,是最为有效的中子减速元素,并且大多数氢元素以水、气或者碳氢化合物形式存在于地层的孔隙中。因此,中子的减速过程主要取决于地层的含氢量,地层孔隙度可以用中子的减速长度来进行表征,即可以通过测量热中子的响应计算地层孔隙度。

常规中子孔隙度测井使用的是Am-Be同位素中子源,其发射的快中子是离散分布的,平均能量为4.2 MeV。脉冲中子源是利用氘-氚核反应发射14 MeV的单能快中子。对于快中子,在最初减速阶段氢原子核与组成地层的其他元素的减速能力比较接近,这时中子的减速长度主要取决于地层原子密度和原子核种类。经过最初的非弹性散射后,快中子损失了足够多的能量。随后,其主要通过弹性散射继续损失能量,在低能中子减速过程中,主要以氢原子的弹性散射为主,氢原子核决定了中子减速长度[19]。因此,采用脉冲中子源产生的高能快中子测量地层孔隙度与同位素中子源在原理上有区别[7]。

根据王虎等[19]的研究,地层含氢指数IH与仪器的近、远计数率比值可以表示为

(1)

式中,A、B、C为常数;R为近、远探测器计数率比值;ρb为地层密度,g/cm3。

由式(1)可见,地层含氢指数不仅与仪器的中子计数率比值相关,还与密度有关。地层密度一定时,中子计数率比值随地层含氢指数增加而增加。地层含氢指数一定时,中子计数率比值也随地层密度增加而增加。

2 脉冲中子孔隙度仪器的刻度

中子孔隙度测井仪在测井之前,需在标准井群中进行实验,对仪器的孔隙度响应进行刻度。位于西安的中国石油集团测井有限公司测井计量站标准刻度井群为中国中子孔隙度测井最高计量标准装置,其标准井径为200 mm,标准岩性为灰岩,井眼和孔隙中流体为淡水。

根据常规孔隙度计算方法,将脉冲中子源和Am-Be同位素中子源仪器在刻度井群中的刻度数据对比研究。为了便于2支仪器的数据对比,将孔隙度13.2%处的近、远计数率比值数据进行了归一化,实验结果见图1。

图1 2种中子源仪器近、远计数率比值响应对比

从图1可见,在中子孔隙度测井中,近、远中子探测器计数率比值随孔隙度的增加而增加。在孔隙度小于25%时,2支仪器的孔隙度响应很接近,但随着孔隙度的增加,脉冲中子孔隙度灵敏度显著降低,两者的差异也越来越大。通过前面的分析可知,这主要是因为脉冲中子源发射的快中子能量高,近、远中子计数率比值受地层密度的影响增强。

在中子孔隙度测井仪密度校正算法刻度中,不管是实验还是仿真模拟,通过固定一个参数来得到响应公式的相关系数是十分困难的。在本文中,通过仪器在不同地层参数的标准井群中刻度,使用L-M拟合来确定式(1)中的参数。

3 应用实例

脉冲中子孔隙度测量中,地层密度对中子减速过程的影响增加,并且随探测器源距的增加而增强。尤其是在泥含质地层,这个影响将进一步增强[5]。为了验证脉冲中子孔隙度测井密度校正方法在实际测井中的适用性,在吉林油田进行了现场井测井试验。首先,使用Am-Be同位素中子源孔隙度仪器进行测井试验得到热中子孔隙度曲线。其次,再用新研制的可控源元素及孔隙度测井仪器试验,得到中子伽马密度和脉冲中子孔隙度曲线,其中,脉冲中子孔隙度分别采用常规方法和密度校正方法计算。中子伽马密度用于脉冲中子孔隙度的密度校正。

吉×××井位于吉林省,井深为1 333.21 m,钻头尺寸为215.9 mm,钻井液密度为1.6 g/cm3。地层元素测井资料显示,该井1 150～1 237 m井段以泥岩夹泥质粉砂岩为主,泥质平均含量为40%,石英平均含量为28%。

图2为1 152～1 207 m井段的测井曲线对比图。其中,第1道为自然伽马曲线,第2道为深度,第3道为井径,第4道为中子伽马密度,用于脉冲中子孔隙度密度校正,第5道为Am-Be同位素中子源和脉冲中子源仪器按常规方法计算的孔隙度曲线,第6道为Am-Be同位素中子源中子孔隙度曲线和脉冲中子源仪器按密度校正方法计算的孔隙度曲线。可以看到,由于该井段以泥岩夹泥质粉砂岩为主,按常规方法计算的2个孔隙度曲线之间存在明显的差异,脉冲中子孔隙度高于Am-Be同位素中子源孔隙度。而密度校正后的脉冲中子孔隙度与Am-Be同位素中子源孔隙度具有较好的一致性。两者的一致性也可以从该测井段的孔隙度交会图中得到验证(见图3)。

图2 吉×××井试验数据对比*非法定计量单位,1 in=2.54 cm,下同

图3 吉×××井孔隙度交会图

让×××井试验位于吉林省,井深为2 490 m,钻头尺寸为215.9 mm,钻井液密度为1.33 g/cm3。地层元素测井资料显示,该井2 359～2 492 m井段以厚层砂岩为主,夹泥岩、泥质粉砂岩次之。主要砂岩储层段泥质含量5%～15%,矿物以石英为主,钾长石次之,含少量斜长石。

图4为该井2 431～2 486 m井段的测井曲线对比图,其中,第1道为自然伽马曲线,第2道为深度,第3道为井径,第4道为中子伽马密度,用于脉冲中子孔隙度密度校正,第5道为Am-Be同位素中子源和脉冲中子源仪器按常规方法计算的孔隙度曲线,第6道为Am-Be同位素中子源中子孔隙度曲线和脉冲中子源仪器按密度校正方法计算的孔隙度曲线。可以看到,由于该井段以厚层砂岩为主,按常规孔隙度方法计算的2个孔隙度曲线之间差异很小,只有在含泥质层段脉冲中子孔隙度高于Am-Be同位素中子源孔隙度。脉冲中子孔隙度密度校正后和Am-Be同位素中子源孔隙度具有较好的一致性。两者的一致性也可以从该测井段的孔隙度交会图中得到验证(见图5)。

图4 让×××井试验数据对比

图5 让×××井孔隙度交会图

通过现场井试验数据对比,对脉冲中子孔隙度的密度校正方法有效性进行验证。试验结果表明在泥质含量低的地层,两者差异很小。在含泥质地层,按传统计算方法的脉冲中子孔隙度明显高于Am-Be同位素中子源孔隙度,泥岩效应影响明显。经过密度校正后,脉冲中子孔隙度和Am-Be同位素中子源孔隙度吻合度较高。岩性或地层密度对含氢指数测量的影响得到很好的校正,这为脉冲中子源取代Am-Be同位素中子源测量地层孔隙度提供了重要支持。同时,因为密度校正所使用的密度是新研制的可控源元素及孔隙度测井仪器测量得到的中子伽马密度,其具有较差的垂直分辨率。因此,密度校正后的中子孔隙度分层能力明显低于Am-Be同位素中子源孔隙度,这是造成上述孔隙度交会图中2种孔隙度存在差异的部分原因之一。

4 结 论

(1)在脉冲中子孔隙度测井中,近、远中子计数率比值不仅仅与地层含氢指数相关,还与地层的密度有关。

(2)在孔隙度小于25%时,Am-Be同位素中子源和脉冲中子源仪器孔隙度响应很接近,但随着孔隙度的增加,脉冲中子源仪器的孔隙度灵敏度显著降低,两者的差异也越来越大。

(3)对脉冲中子源计数率比值进行地层密度校正,可以显著降低地层密度的影响,使得到的孔隙度与Am-Be同位素中子源孔隙度一致。在脉冲中子孔隙度测井中,该结果验证了孔隙度校正方法的适用性,这为核测井中脉冲中子源替代同位素中子源进行地层孔隙度测井提供了指导意义。