随钻D -D源中子孔隙度测井数值模拟

葛云龙,骆庆锋,赵鹏飞,陈辉,贺柳琼,王虎

(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.中国石油天然气集团有限公司测井技术试验基地,陕西西安710077;3.中国石油集团测井有限公司长庆分公司,陕西西安710054)

0 引 言

目前,中国大部分油田已进入开发中后期,低产层、超薄油层等储层的勘探开发对增储上产具有重要意义[1-4]。西南油气田、塔里木油田等低孔隙度碳酸盐岩储层需精确评价地层孔隙度,长庆页岩气油田、渤海湾油田需定量评价地层孔隙度,从而准确计算储集层油气含量、可动油气等地质参数。目前,电缆测井工艺(湿接头、泵送、泵出)在复杂水平井施工中存在较高安全风险,经常发生仪器遇阻、遇卡,大部分油田已放弃利用传统方法对地层孔隙度进行测量[5-6]。随钻钻后通井测量作为较安全的测井方式已经在各个油田区块小规模应用。中子孔隙度测井是评价地层孔隙度的主要方法之一,早期的随钻核测井技术(补偿密度中子测井仪与方位中子密度测井仪)都采取铯137放射性源和Am-Be中子源进行测井[7]。由于放射性源存在环境污染等潜在问题,利用相关的工具或技术替换放射性源,一直是放射性测井的研究重点[8]。30多年来,石油工业一直在研究放射性源的非核替代品。目前,应用最广泛的非核替代品为氘氚(D -T)中子发生器,该发生器在非工作时间不具有放射性,其源强高于Am-Be源10倍,但氘氚中子发生器中源的造价较高,工作时间较短,使测井成本增加[9]。斯伦贝谢公司推出的Ecoscope与Neoscope这两代随钻孔隙度测井仪均利用D -T源进行测井[10-11],由于D -T源能量较高、孔隙度灵敏度低,D -T源中子孔隙度测井响应受岩性与泥质的影响较大,且测量的D -T源中子孔隙度一般高于Am-Be源中子孔隙度,因此,需结合其他测量参数对D -T源中子孔隙度进行校正。早在1934年就有学者发现氘氘反应可产生中子[12]。氘氘(D -D)中子发生器产生能量为2.45 MeV的快中子,相比于氘氚中子发生器,其成本更低、寿命更长。氘氘中子发生器一直是中子管研发的主要方向,早期基于潘宁离子源的氘氘中子管的中子产额为1×106n/s,而Am-Be源的中子产额为2×107～4×107n/s,D -T源的中子产额为1×108n/s[13]。虽然早期D -D源的中子强度很低,不适合动态测井,但有关学者认为随着中子发生器离子源技术的发展,D -D中子源补偿中子测井可以得到广泛应用[14]。近些年射频离子源代替潘宁离子源是中子发生器改进的主要方式,基于射频源中子发生器的中子产额可提高10倍,并且功耗更低[15]。

1 随钻D -D源中子孔隙度测井仿真模型

蒙特卡罗程序(Monte Carlo N Particle Transport Code,MCNP)是一种模拟中子、光子和电子在三维模型中输运过程的程序[16]。本文基于蒙特卡罗方法建立随钻D -D源中子孔隙度测井仿真模型并开展研究。仿真模型中仪器直径为19.000 cm,采用D -D中子源,中子源能量为2.45 MeV;近探测器的源距为35 cm,灵敏区长度为16.7 cm,探测器半径为1.215 cm,内充10个大气压的3He气体,密度为1 345×10-6g/cm3;远探测器的源距70 cm,由2个3He管组成,其尺寸与材料和近探测器一致;仪器贴井壁偏心测量,井眼内为淡水,淡水密度为1 g/cm3;环境温度为25 ℃,环境压力为0.1 MPa。

2 孔隙度灵敏度

2.1 不同中子源孔隙度灵敏度对比

中子源的能量是影响中子孔隙度测井灵敏度的主要因素之一,一般中子源能量越高,测井灵敏度越低。灵敏度是指当地层孔隙度改变单位孔隙度时中子比改变的相对幅度[见式(1)]。

(1)

式中,S为中子比对孔隙度的灵敏度,%;φ为地层孔隙度,p.u.;R为中子比。

测井灵敏度越高,测井响应变化幅度越大。但在实际应用中,测井响应变化小一直是制约致密地层测井解释准确性的主要因素。灵敏度的高低直接影响致密地层孔隙度的计算精度。基于仿真模型,对随钻D -D源中子孔隙度测井的灵敏度进行研究。

将地层骨架设为石灰岩,地层孔隙内流体为淡水,模拟不同孔隙度下D -D源的测井响应曲线,并与其他中子源的测井响应曲线作对比(见图1)。图1中D -D源、Am-Be源与D -T源测井响应均采用相同的仿真模型,仅改变中子源能量条件,进行测井响应特征对比。由图1可知,利用D -D源测量的中子比的变化幅度更大。这是由于D -D源能量较低,近探测器源距较短,中子源能量较高的D -T源与Am-Be源发射的快中子未充分减速,D -D源近探测器计数略高于D -T源与Am-Be源;远探测器源距较长,快中子可充分减速,当地层减速能力较高时,远探测器计数与中子源能量成正比关系,D -D源远探测器在中高孔隙度地层的计数小于D -T源与Am-Be源计数。

图1 不同中子源测井响应对比

利用式(1)计算不同中子源的孔隙度灵敏度。由计算结果可知,D -D源孔隙度灵敏度高于D -T源与Am-Be源;在低孔隙度地层,D -D源孔隙度灵敏度是D -T源的1.3倍,是Am-Be源的1.1倍;在高孔隙度地层,D -D源孔隙度灵敏度是D -T源的5倍,是Am-Be源的1.7倍。随钻D -D源中子孔隙度测井相比于其他中子源孔隙度测井具有更高的孔隙度灵敏度。

2.2 D -D源与改进的D -T源孔隙度灵敏度对比

斯伦贝谢公司的两代随钻D -T源中子孔隙度测井仪Ecoscope和Neoscope均采用与其他测井参数结合的方式校正可控源中子孔隙度,使其与化学源中子孔隙度一致。Ecoscope组合了化学源随钻密度测井仪与随钻D -T源中子孔隙度测井仪,利用密度测井测量的参数对远探测器计数率进行校正,使D -T源中子孔隙度与化学源中子孔隙度一致。Neoscope为可控源一体化随钻测井仪,可同时测量密度、中子孔隙度、中子寿命与地层元素,除利用密度测井对中子比进行校正,还可直接结合脉冲期间伽马计数比等参数校正D -T源中子孔隙度,使其与化学源中子孔隙度一致。同一含氢指数条件下,不同密度与中子比的关系可用二次多项式表示

(2)

式中,k1、k2、k3为系数;ρ为地层密度,g/cm3;Rc为基于地层密度修正后的中子比。

将随钻D -D源中子孔隙度测井与改进的随钻D -T源中子孔隙度测井的孔隙度灵敏度进行对比。如表1所示,在低孔隙度地层,改进的D -T源的孔隙度灵敏度略高于D -D源;在高孔隙度地层,D -D源的孔隙度灵敏度略高于改进的D -T源。整体而言,D -D源的孔隙度灵敏度与改进的D -T源的孔隙度灵敏度相近。

表1 D -D源与改进D -T源中子孔隙度测井的孔隙度灵敏度

3 探测特性

3.1 径向探测特性

基于蒙特卡罗方法,研究在D -D源、Am-Be源与D -T源条件下随钻中子孔隙度测井仪器的径向探测深度。选取孔隙度为0和40 p.u.的石灰岩地层,改变地层径向距离,得到径向几何因子(见图2),图2中横坐标为0的位置代表井壁位置。

图2 不同中子源径向探测深度对比

径向探测深度通常定义为地层贡献率占探测器总计数的90%时的径向距离。由图2可知,不同中子源的径向探测深度相近,受中子源影响较小。中子孔隙度测井的径向探测深度受源距与地层减速能力的影响。源距越大径向探测深度越高,以纯石灰岩地层为例,远探测器的径向探测深度为26 cm,近探测器的径向探测深度为21 cm;地层减速能力越强径向探测深度越低,以远探测器为例,在纯石灰岩地层中径向探测深度为26 cm,在孔隙度为40 p.u.的饱含水石灰岩地层中径向探测深度为16 cm。

3.2 纵向探测特性

基于蒙特卡罗方法,研究在D -D源、Am-Be源与D -T源条件下随钻中子孔隙度测井仪器的纵向分辨率。选取孔隙度为0和40 p.u.的石灰岩地层,改变轴向距离,得到纵向微分几何因子(见图3),图3中横坐标为0的位置代表中子源位置。

图3 不同中子源纵向分辨率对比

纵向分辨率定义为纵向微分几何因子的半幅点轴向距离。从图3中可以看出,不同中子源的纵向分辨率相近,受中子源影响较小。对于纯石灰岩地层,远探测器的纵向分辨率为72 cm,近探测器的纵向分辨率为47 cm。对于孔隙度为40 p.u.的饱含水石灰岩地层,远探测器的纵向分辨率为70 cm,近探测器的纵向分辨率为45 cm。相比于径向探测深度,中子孔隙度测井的纵向分辨率仅与源距有关,与地层减速能力无关。

4 测井速度

测井速度(简称测速)是制约D -D源广泛应用的主要原因。早期的D -D中子发生器产额低,只适用于静态测井,不适合动态测井。一般为了降低统计误差的影响,中子产额越低,测速越慢。测井时靶压一般为9 kV,D -D源中子产额1.7×106n/s。随着中子发生器技术发展,在相同靶压下,射频源中子发生器可将中子产额提高10倍左右,增加了D -D中子发生器进行动态测井的可能性。基于蒙特卡罗方法得到中子源发射一个快中子最终被探测器记录的概率,结合中子产额,得到不同中子源条件下的探测器计数率。测速一般根据远探测器计数率设置,计数率越小,测速越慢,模拟纯石灰岩地层在不同孔隙度下不同中子源的远探测器计数率,如图4所示。

图4 不同中子源条件下的远探测器计数率

测速需满足中子统计误差的要求,统计误差与计数率有关,计数率越大,统计误差越小。在相同的仪器结构下,将基于射频源的D -D中子发生器测量的计数率与其他中子源条件下测量的计数率作对比,地层孔隙度为4 p.u.时Am-Be源的计数率为0.6 cps,是基于射频源的D -D源计数率的3倍。为满足统计误差要求,基于射频源的随钻D -D源中子孔隙度测井速度需约为Am-Be源中子孔隙度测井速度的三分之一。

5 优化设计

由于D -D源的中子产额低,对于孔隙度为4 p.u.的地层,在相同源距下Am-Be源的计数率约为D -D源计数率的3倍。探测器计数率除了受中子产额的影响,还与源距、探测器参数有关。一般计数率与探测器尺寸和探测器气压成正比,与源距成反比。为提高远探测器计数率,研究不同源距、不同探测器尺寸、不同探测器气压对探测器计数率的优化效果,实现随钻D -D源中子孔隙度测井仪关键参数的设计。

图5为不同源距下D -D源的远探测器计数率,以源距为70 cm的Am-Be源中子孔隙度测井仪器为参考。图5中当远探测器源距缩短至61 cm时,D -D源的远探测器计数率与Am-Be源的计数率相近。但缩短源距会导致中子比对孔隙度的灵敏度下降。由图6可知,当远探测器源距为67 cm时,D -D源的孔隙度灵敏度与Am-Be源的相近。因此,为提高计数率同时保证孔隙度灵敏度,探测器源距最好为65～67 cm,对应的计数率可提高1.4～1.9倍。

图5 不同源距下远探测器计数率

图6 不同源距下中子比

可通过增大探测器横截面积与探测器气压,进一步提高计数率。以探测器气压1 atm(1)非法定计量单位,1 atm=101 325 Pa;1 in=2.54 cm,下同为标准,将不同探测器气压下的计数率与其作对比,探测效果如表2所示,随着探测器气压的升高,探测器计数率增大。由于钻铤壁厚的限制,探测器直径分别设为1.0、1.1、1.2 in*,以1.0 in探测器计数率为标准,1.1 in与1.2 in探测器计数率分别提高了9%与20%,计数率随探测器尺寸增大而增大。

表2 探测器气压对探测效果影响

以Am-Be源中子孔隙度测井仪器为参考进行源距与探测器参数优化,该仪器的远探器气压为10 atm,探测器直径为1.0 in。由表2可知,当仪器探测器气压为20 atm时,其计数率比气压为10 atm时的计数率提高1.2倍。探测器尺寸与探测器计数率成正比,当探测器尺寸为1.2 in,计数率提高1.2倍。通过优化源距、探测器气压与尺寸可提高计数率,从而提高测速。对于随钻D -D源中子孔隙度测井仪器,当探测器气压为20 atm,探测器直径为1.2 in,源距为65～67 cm时,探测器计数率可提高2.0～2.8倍,与Am-Be源计数率相近。

6 结 论

(1)随钻D -D源中子孔隙度测井具有更高的孔隙度灵敏度,与结合其他参数改进后的随钻D -T源中子孔隙度测井灵敏度相近。

(2)随钻中子孔隙度测井的径向探测深度与中子源能量无关,主要与源距和地层减速性质有关。在不同中子源和不同地层孔隙度条件下,随钻中子孔隙度测井的纵向分辨率相近,随钻中子孔隙度测井的纵向分辨率主要与源距有关。

(3)相同仪器结构条件下,当地层孔隙度为4 p.u.时,镅铍源的计数率是基于射频源的D -D源计数率的3倍,可通过优化源距、探测器气压与尺寸提高计数率,使其与镅铍源计数率相近,提高测速。