PNST测井响应数值模拟平台的设计与实现

郑华,孙亮,邓茜珊,张静,周玉婷,徐翠

(1.中国石油大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司,黑龙江大庆163453;2.中国石油大庆油田有限责任公司勘探开发研究院,黑龙江大庆163712)

0 引 言

脉冲中子测井技术是在套管井中评价储层剩余油气的一种重要技术,大庆油田测试分公司研发的脉冲中子全谱测井仪(Pulsed Neutron Spectral Tool,PNST)已在实际生产中得到广泛应用[1-2]。通过采集不同源距伽马探测器的非弹总谱(混有一定俘获成分的中子爆发时段能谱)、俘获能谱、时间谱和中子探测器的时间谱,PNST集地层元素、碳氧比、氯能谱、中子寿命等多种测井功能于一体,可用于地层岩性、物性、含油气性和脆性的研究。PNST分多种型号,常用的型号有:传统PNST(外径89 mm,2个BGO伽马探测器和1个3He热中子探测器)[3]、PNST-L(外径89 mm,2个LaBr3伽马探测器)、PNST-3D(外径54 mm,3个BGO伽马探测器)[4]、PNST-E(带硼套,外径98 mm,2个BGO伽马探测器)[5]等。

为了使各种型号的PNST在不同井眼条件、地层条件下都能获得良好的应用效果,需要通过蒙特卡罗模拟[6],表征其主要测井曲线对元素与矿物含量、孔隙度、饱和度等地层参数的响应,以及测井响应受完井和地层条件变化的影响,建立相应的解释模型和图版,并获得准确的模型参数。通用蒙特卡罗模拟软件包处理三维复杂几何结构中的中子-光子-电子耦合输运问题的能力较强。前人研究表明,利用通用软件包开展PNST测井响应模拟,能够保证研究结果的准确性,获得的测井解释模型和模型参数具有良好的实用效果[4-5,7-9]。由于蒙特卡罗模拟实现复杂,非专业人员应用困难,为了方便、快速、准确地表征PNST的测井响应,有必要设计一套PNST测井响应数值模拟平台,针对设定的井眼和地层条件,通过人机交互,实现自动建模、快速运算和解释图版的便捷制作。

1 总体设计思路

PNST数值模拟平台的设计思路:反复调用通用软件包进行模拟计算,着重解决人工编制输入文件和从输出文件中提取测井信息的工作繁杂易错、通用软件包模拟伽马探测器能谱的时效较低等问题。输入文件主要定义系统中各栅元的几何形状和填充材料,以及问题类型、源描述、材料描述、计数描述、问题截断条件等。通过对栅元几何形状和填充材料的批处理修改,可实现对不同井眼或地层条件的定义,生成一系列必需的输入文件。按需模拟计算后,从系列输出文件中分别读取能谱或时间谱,并开展后续处理。利用通用蒙特卡罗模拟软件包直接模拟伽马探测器能谱时,会对每个进入探测器晶体的光子都分别跟踪电子能量沉积分布,做大量的重复工作,效率较低。改进的方案是采用接续计算方法:先计算一次256种不同单能入射光子的探测器能谱(称为探测器响应矩阵),再采用把256道探测器表面流量能谱与探测器响应矩阵做卷积的方法模拟探测器能谱[10-11],从而节省大量时间,提高计算时效。

PNST数值模拟平台设计5种功能(见图1):①选定PNST型号、按井眼与地层条件的变化范围批处理生成输入文件;②按标准流程模拟PNST能谱和时间谱;③批处理输出文件集,提取能谱、时间谱以及相关测井参数;④提供便于比对模拟谱与实测谱的工具;⑤提供制作测井解释图版、研究与干重有关的元素标准谱库和提取元素相对灵敏度参数[5]、处理探测器响应矩阵[11]和研究几何因子(纵向分辨率和径向探测深度)[12]的工具等。

图1 PNST测井响应数值模拟平台主要功能

图2 PNST测井响应数值模拟平台的开发阶段流程图

PNST数值模拟平台的开发经历了2个阶段(见图2)。①基准模型的建立和校验:根据PNST系列测井仪的实际结构参数(按照实际测井仪1∶1尺寸模拟)和工作模式(中子爆发时序以及各探测器采集能谱和时间谱的测量方式),建立测井仪模型,设定与实体实验相同的一系列井眼条件和地层参数,计算探测器表面流量能谱和时间谱;根据实际结构建立探测器模拟模型,计算探测器响应矩阵;把探测器表面流量能谱与探测器响应矩阵做卷积,模拟探测器能谱;前人研究分别对PNST系列测井仪的能谱和时间谱的模拟模型进行过基准校验[5,7,9],本研究通过对比各型号仪器的实测与模拟时间谱和能谱,再次对模型进行基准校验,确保了建模的准确性。②模型的应用:将模型分解成模型构件、几何尺寸、材料填充等部分,固化校验过的时间谱和能谱基准模型的测井仪部分,根据待表征井眼和地层条件调参,组合拼装成新模型,机器编写相应数值模拟输入文件;利用新建的模型,研究PNST系列测井仪时间谱和能谱响应规律,涉及数值模拟、数据处理和测井参数提取、解释图版建立等过程。

2 关键问题解决措施与效果

2.1 准确性

经刻度井实测数据校验,建立PNST测井时间谱和能谱的标准模拟流程。时间谱的标准模拟流程:①根据测井时序,充分顾及前几次中子爆发后快中子慢化和热中子扩散的影响,反复累加重复时序下时间谱计数(累加时长应大于地层中子寿命的5倍,平台默认对碳氧比和中子寿命测井时序分别累加15个100 μs周期和2个1 000 μs周期),形成模拟时间谱;②按参考文献[13]的方法预处理实测时间谱,对实测时间谱进行死时间校正;③针对具有实测条件的情况,对比归一化后的实测谱与模拟谱,确保二者的一致性;④模拟其他条件的时间谱。

能谱的标准模拟流程[14]:①根据测井时序,反复累加重复时序下能谱计数(默认累加15个100 μs周期),形成非弹和俘获探测器表面流量能谱;②将探测器表面流量能谱与探测器响应矩阵做卷积,形成带有探测器效应的非弹和俘获能谱;③针对具有实测条件的情况,对比归一化后的实测谱与模拟谱;④对模拟谱进行展宽和效率校正,确保实测谱与模拟谱的一致性;⑤模拟其他条件的能谱。

为了提高模拟能谱与实测能谱的相似程度(决定系数),采取了3种措施。①采用点源和平行源这2套探测器响应矩阵[11]。由于伽马射线入射角度影响探测器能谱形态(主要是影响峰康比和全能峰效率),因此,采用这2种极端角度入射的探测器响应矩阵,分别对探测器表面流量能谱做卷积,获得2幅能谱;用这2幅能谱对实测能谱解谱,确定混谱系数,后续对中子慢化长度和扩散长度大致相同的井眼和地层采用相同的混谱系数。通过处理刻度井实测数据得知,在油或水饱和孔隙度为16%～34%的石英砂岩的各种地层情况下,混谱系数均接近,且PNST远、近伽马探测器的响应分别更偏向平行源和点源。②对应于高分辨率实测能谱,采用2套系数展宽模拟能谱并混谱[14],模拟实测能谱中存在的闪烁晶体本征量子效应和谱分析电路基线抖动、弹道亏损等效应所致的两类能谱展宽。③效率刻度[14]:通过对比实测与模拟能谱,对每种探测器制作效率刻度曲线,用以反映探测器效率随伽马能量升高而降低的规律,对模拟能谱逐道进行效率校正。

模拟与实测能谱和时间谱的对比示例见图3,实验条件是:井筒内清水,壁厚7.72 mm、外径139.70 mm的J55钢级石油套管,厚30.00 mm、密度1.95 g/cm3的G级固井水泥环,淡水饱和孔隙度为20.4%的石英砂岩地层。除了非弹净谱(由非弹总谱减一定比例俘获能谱获得)高能段实测计数率偏高(由谱分析电路脉冲堆积导致、目前测井资料处理中暂不利用这段能谱数据)之外,总体上模拟与实测非弹净谱、俘获能谱、时间谱都符合较好。利用刻度井实测数据对模拟模型做基准校验,模拟与实测能谱和时间谱的决定系数R2均大于0.995(见表1),并且在油或水饱和孔隙度为16%～34%的石英砂岩的10种地层情况下,实测与模拟C/O值的相对标准偏差均小于1.5%,实测与模拟RCAP(近远俘获计数比)、RIN(近远非弹计数比)值的相对标准偏差均小于3.0%,说明数值模拟基本能反映真实测井情况[7,9]。当现场遇到新的井眼和地层条件时,可按实际条件修改模拟模型,通过数值模拟,制作实用的新解释图版,获得相应解释软件模块中的解释参数,用于实测资料的处理解释。

图3 模拟谱与实测谱对比示例

表1 3种型号PNST的模拟谱与实测谱的决定系数R2

2.2 时效性

蒙特卡罗模拟通过跟踪大量粒子的运动状态获得总体统计规律,为使模拟结果具有较高的精度(即较小的统计方差),需花费较长的模拟时间。采取接续计算、蒙特卡罗方差减小技术、并行处理等措施,能有效提高数值模拟的时效性。基准模型的模拟结果显示,探测器表面流量能谱的平均计算时效是探测器能谱的4.7倍。由于用于卷积的探测器响应矩阵是事先制作好的,因而接续计算可以大幅度提高时效。此外,直接模拟探测器能谱时,通用软件包并不支持某些有效的方差减小技术(如栅元重要性技巧),难以提高模拟效率;而只计算探测器表面流量能谱时,能方便地运用通用软件包提供的各种蒙特卡罗方差减小技术,从而提高模拟效率。

建模时,采用模型栅元剖分(遵循栅元尺寸不超粒子平均径迹长度的原则,以利于栅元界面处的粒子数分裂和俄罗斯轮盘赌)、控制更多粒子朝探测器的方向输运(以栅元重要性、与位置和能量相关的权窗这2种蒙特卡罗技术实现)和点探测器技术(一种部分确定性蒙特卡罗技术)等方差减小技术。算例对比表明,为使0.52～8.89 MeV、242道能谱的每道统计方差均小于0.07%,运用和不运用上述技术时,分别需要400 min和3 500 min的总CPU时间,运用上述技术后模拟效率可再提高7.7倍;对比结果还表明,运用上述技术后的模拟结果是无偏的。

为进一步提高计算时效,在多核服务器上开展了蒙特卡罗模拟并行计算。目前使用的服务器有90个虚拟CPU,与新型商用8核微机并行计算相比,计算时效提高15倍以上。

目前,应用PNST测井响应数值模拟平台收集新井眼与地层条件参数后,8 h内可完成包含1种岩性储层、5种孔隙度、2种流体饱和度的碳氧比测井采集的曲线(C/O和Ca/Si)解释图版,18 h内可完成包含3种岩性、5种孔隙度、3种流体饱和度的孔隙度和气层[RCAP、RIN、FCI(远俘获非弹计数比)和NCI(近俘获非弹计数比)]解释图版,在同等精度条件下,较应用该平台前,这2种图版的完成时效分别提高了180倍和13倍。

图4 平台界面及功能示例

2.3 便捷性

该平台实现的主要功能:通过人机互交,对实测能谱作峰位漂移等校正,对实测时间谱作死时间校正;批量编制、模拟、提取单能入射探测器响应,获得响应矩阵;经与刻度井实测能谱和时间谱对比校验数值模拟模型,按真实结构和工作模式优选固化PNST系列测井仪模型参数,使模拟结果准确反映测井规律;批量编制数值模拟输入文件,改变井筒介质、油套管规范、水泥环等井眼参数和岩性、泥质含量、孔隙度等地层参数,自动算出混合材料元素成分,模型可视化;组合应用接续计算、几何分裂、栅元重要性、权窗、点探测器等技术,大幅提高模拟效率;建立重复周期累加的模拟时间谱处理标准流程,以及探测器表面流量能谱与探测器响应矩阵卷积、展宽与混谱、效率校正等模拟能谱处理标准流程;批量提取模拟非弹净谱、俘获能谱、时间谱和各种测井曲线,制作地层元素标准谱库和测井解释图版。

为了实现准确、快速程序化数据处理,根据蒙特卡罗模拟的模型建立、数据处理等操作步骤设计软件平台,实现便捷操作的目标。基于平台设计思路、数据处理流程以及用户的不同需求,将平台交互方式设计成“实测谱预处理”“成分配比”“模型建立”“非弹净谱处理”“俘获能谱处理”“时间谱处理”“干重”“几何因子”“响应矩阵处理”等9个选项界面(见图4),包括了从建模至模拟结果数据处理的全部功能,所有操作实现了自动化,方便快捷。

在“成分配比”界面下[见图4(a)],可利用常见地层矿物成分(石英石、钾长石、钠长石等,对黏土矿物成分考虑了结晶水和硼、钆等微量元素)、水泥成分和井眼与地层流体成分数据库,计算并输出地层和井眼的材料成分。

在“模型建立”界面下[见图4(b)],提供了多种可调参数的设定方法,用于描述完井和油藏条件,并对模型进行可视化操作,方便建模及校验;可以输入完井几何结构(钻孔半径、套管/筛管内外半径、油管内外半径等)、井眼(井内流体、套管、水泥环)和地层材料的代码及密度,形成包含井筒内流体、油套管、水泥环、地层成分数据的蒙特卡罗模拟输入文件集。

在“非弹净谱处理”“俘获能谱处理”“时间谱处理”和“干重”界面下,分别按照标准流程处理非弹净谱、俘获能谱、时间谱和元素标准谱,提取相应的测井参数,自动制作测井解释图版。

在“响应矩阵处理”界面下,按能量区间的要求自动生成256个不同入射伽马能量的蒙特卡罗模拟探测器响应的输入文件,并从数值模拟输出文件中自动提取探测器响应矩阵,把人工编辑时间由原来5 h以上缩短到2～3 min,降低了人工劳动强度,且可避免出错。

3 平台应用情况

3.1 应用的地区和解释模型

运用PNST测井响应数值模拟平台,建立了大庆、冀东、长庆等地区多种解释模型和图版,获得了地层元素标准谱及相对灵敏度因子(见表2);制作了复杂岩性条件下用碳氧比(C/O、Ca/Si、Ca产额、Si/Ca等曲线)、氯能谱(Cl/H等曲线)、俘获截面[SG_PNC(伽马探头测量的热中子俘获截面)和SG_PNN(中子探头测量的热中子俘获截面)]、计数比(RIN、RCAP、FCI和NCI)等测井资料解释岩性、孔隙度、含油气饱和度的图版,获得了相应解释模型参数,为PNST测井技术在大庆、冀东、长庆等油田的良好应用提供了有力支撑。

表2 针对不同地区的曲线图版和解释模型种类

图5 3种型号PNST远探测器俘获标准谱

3.2 灰质校正碳氧比含油饱和度解释模型

针对大庆、冀东、长庆油田常见井况(套管规范和钻孔尺寸不同),按不同岩性、孔隙度、饱和度模拟获得了能谱、时间谱和测井曲线变化规律。利用式(1)和式(2),形成了灰质校正的饱和度解释模型,获得了模型参数。

(1)

RΔC/O=RC/O-l(1-φ)-mRCa/Si-n

(2)

式中,SO为含油饱和度,小数;φ为孔隙度,小数;RC/O和RCa/Si为碳氧比和非弹钙硅比,无量纲;RΔC/O为经钙质校正后的碳氧比,无量纲;d、e、l、m、n为常数,无量纲。针对3种型号的PNST,应用该平台获得的常数推荐值见表3。

表3 碳氧比含油饱和度解释参数表

3.3 PNST地层元素测井的标准谱和相对灵敏度因子

如图5所示,在元素测井中,为了获得地层元素含量,需建立元素标准谱和计算相对灵敏度因子[2,5]。利用PNST数值模拟平台,获得了3种型号的PNST的Si、Ca、S、Fe、Ti、Gd、H、Cl、K等16种元素的俘获标准谱,以及Si、Ca、S、Fe、C、O、Al、Mg 8种元素的非弹标准谱。规定地层中Si元素的俘获相对灵敏度因子为1,获得了PNST系列测井仪元素产额至元素含量转换所需的目标元素相对于Si元素的相对灵敏度因子,俘获相对灵敏度因子见表4,同种元素不同型号的PNST相对灵敏度因子差异不大。

表4 3种型号PNST远探测器俘获元素相对灵敏度因子

4 结 论

(1)基于通用蒙特卡罗模拟软件包,建立了PNST系列测井仪在刻度井条件下的数值模拟模型以及测井能谱和时间谱的模拟标准流程。模拟结果再现了实测非弹净谱、俘获能谱和时间谱,与实测谱决定系数达0.995以上。

(2)编写形成了PNST数值模拟软件平台,实现了选定PNST型号、按井眼条件与地层参数的变化范围批量生成输入文件、按标准流程模拟脉冲中子测井能谱和时间谱、批量提取测井参数等功能;提供了对比模拟谱与实测谱、制作元素标准谱库和测井解释图版的便捷工具;解决了大幅提高模拟效率等关键问题。

(3)应用PNST数值模拟软件平台获得了PNST元素标准谱库,制作了复杂岩性条件下利用碳氧比、氯能谱、俘获截面等测井资料解释岩性、孔隙度、含油气饱和度的图版,为PNST测井技术在大庆、冀东、长庆等油田的良好应用提供了有力支撑。