随钻脉冲中子测井识别天然气的数值模拟

张 锋 袁 超 侯 爽 王新光

1.中国石油大学(华东)地球资源与信息学院 2.中石油测井重点实验室中国石油大学(华东)研究室

随钻脉冲中子测井识别天然气的数值模拟

张 锋1,2袁 超1,2侯 爽1,2王新光1,2

1.中国石油大学(华东)地球资源与信息学院 2.中石油测井重点实验室中国石油大学(华东)研究室

由于天然气具有密度低、黏度小等特点,利用3种孔隙度资料可以定性识别天然气层,但定量评价存在困难。为此,在随钻过程中依据天然气与油、水的含氢指数不同,利用脉冲中子测井技术记录的近、远探测器热中子或俘获伽马计数率比的相对变化量来定量确定含气饱和度;在此基础上,利用蒙特卡罗方法建立计算模型,模拟不同井眼和地层条件下脉冲中子测井远近探测器记录的热中子或伽马计数,研究其比值与含气饱和度的测井响应。结果表明:油水层和气层的计数相对变化量能反映地层的含气饱和度,孔隙度越大,相对比值越大,对气层的定量评价越准确;岩性、泥质含量、地层水的矿化度、井眼流体和尺寸以及钻井液侵入等因素都会对天然气地层的脉冲中子测井响应产生影响。总之,利用脉冲中子测井技术可以定量评价天然气层,对提高天然气识别能力和气田高效勘探开发具有重要意义。

天然气 地层 脉冲中子测井 含气饱和度 影响 因素 蒙特卡罗法

中国天然气工业经历了近10年的快速发展,天然气储量进入新的增长高峰期。但是天然气勘探具有埋深大、物性差、圈闭条件复杂的特点,其发现难度逐渐增大。目前在常规天然气层的识别和评价方法很多,主要包括声波时差与中子伽马曲线重叠、双孔隙度重叠、三孔隙度重叠、差值或者比值法、纵波时差差比法、核磁共振测井、成像测井、补偿中子时间推移测井、岩性密度测井、热中子衰减时间测井、碳氧比测井等[1-4]。近年来脉冲中子测井技术在气层的识别和评价过程中发挥了重要作用,Trcka D等[5]利用储层动态监测仪(RPM)不同探测器的非弹伽马计数比值建立了与含气饱和度的响应关系,Hamada G M[6]等利用中子寿命和过套管电阻率测井进行砂岩气层含烃物质监测。

随钻条件下利用电阻率来判断油气层,但由于电阻率相差不大,很难定量确定含气饱和度。斯伦贝谢公司在新一代随钻测井仪器增加了地层宏观俘获截面测量,Gauthier P J等[7]结合随钻电阻率和地层宏观俘获截面来确定含油饱和度,取得了较好的效果。由于天然气含氢指数低且具有挖掘效应,其对中子的作用与油和水存在较大差别,通过脉冲中子测井技术得到的远近探测器的热中子或俘获伽马计数率比,建立其相对变化量与孔隙度的响应关系,可以定量确定含气饱和度。利用蒙特卡罗方法模拟不同孔隙度、岩性等地层和井眼条件下的中子分布,研究热中子或俘获伽马计数率比值和含气饱和度的响应及井眼和地层因素对确定含气饱和度的影响,为随钻条件下天然气储层含气饱和度的定量评价提供技术支持。

1 确定含气饱和度的方法

新型集成随钻测井仪器包括方位自然伽马测量、伽马—伽马密度测量和脉冲中子测量等3部分,而脉冲中子测量不仅能确定孔隙度,还可确定地层宏观俘获截面、元素含量以及中子伽马密度等多种地层参数。

天然气和原油的元素成分比较接近,但其密度比原油和水小得多,含氢指数远小于油和水,天然气地层的热中子通量分布会因氢的含量降低而有所变化,利用不同源距探测器的热中子计数可以反映地层的含气特性。

根据脉冲中子测井技术得到的近、远探测器的热中子或俘获伽马计数比值为:

式中 N1、N2分别为近探测器和远探测器的热中子或俘获伽马计数率;r1、r2分别为短源距和长源距;Lf为地层的快中子减速长度。

显然饱含气层的计数比值分别为:

式中Lfg为气层的快中子减速长度。

参照Trcka D[5]提出反映含气饱和度的非弹性散射伽马计数比值,定义热中子或俘获伽马计数比值的相对变化量参数(D)为:

不同孔隙度和含气饱和度地层的快中子减速长度(Lf)不同,其D也不同;利用孔隙度资料和 D的响应关系可定量确定含气饱和度。

2 蒙特卡罗模拟方法

MCNP[8]是一种能够模拟连续能量的中子、光子、电子、中子/光子和光子/电子粒子在任意几何形状介质中的输运过程,在核测井方法基础和应用研究中发挥了巨大作用。

利用蒙特卡罗方法建立随钻条件下的计算模型,井眼直径为20 cm;地层径向半径分别为10～70 cm、长为120 cm的柱体,把整个地层划分成环距为7.5 cm、厚度5 cm的相邻栅元,地层分别填充不同岩性、孔隙度和流体的物质;测井仪器外径为45 mm,脉冲中子源处于仪器左端15 cm处,脉冲宽度为3μs,长、短源距分别为72.5 cm和42.5 cm。为了简化模拟过程,没有考虑热中子探测器 He-3管的响应,中子源和探测器间放置理想屏蔽体(图1)。模拟时选取的截面数据库为ENDF/B-V I.0,采用F4栅元计数方式,记录热中子的时间谱道宽为30μs,记录时间间隔为30～1 800μs,得到长短源距处的热中子时间谱,研究利用远近探测器热中子计数比值相对变化量的方法来定量评价气层。

图1 计算模型图

3 模拟结果及讨论

3.1 含气饱和度和孔隙度不同时的测井响应

利用上述计算模型,井眼内流体为淡水,地层为分别饱含油和气的砂岩,其中油的密度为0.87 g/cm3,天然气(CH4)的密度为0.2 g/cm3,在地层孔隙度为30%,改变含气饱和度依次为 0、20%、40%、60%、80%和 100%,含气饱和度分别为 0、20%、50%和80%,改变孔隙度依次为 10%、15%、20%、25%、30%、35%和40%时,模拟记录远近探测器处的热中子计数,得到不同含气饱和度时D与孔隙度的关系曲线(图2)。

图2 D与含气饱和度、孔隙度的关系图

由图2可以得到:远近探测器热中子计数率比的相对变化量与孔隙度和含气饱和度都有关;在孔隙度一定时,D随地层含气饱和度的增加呈线性减小,D能够反映含气饱和度的大小;含气饱和度一定时,D随孔隙度的增加而增加,且含气饱和度越小这种变化越剧烈;孔隙度越大时不同含气饱和度引起的D的差异越大。故利用脉冲中子测井技术得到的远近探测器热中子计数率比的相对变化量和孔隙度资料可以确定含气饱和度,且孔隙度越大的地层越有利于评价气层。

3.2 岩性和泥质含量的影响

其他条件不变时,地层孔隙中分别饱含油和气,骨架分别为砂岩和石灰岩,改变地层的孔隙度,模拟得到的热中子计数比相对变化量与孔隙度的变化关系见图3-a。在考虑泥质时,泥质由细砂、黏土和水组成,体积百分比分别为8%、72%和20%,黏土矿物包括20%的蒙脱石、21%的伊利石、24%的绿泥石、20%的高岭石和5%黑云母,密度为2.215 68 g/cm3,泥质含量分别为0、20%和40%的砂岩地层时D与孔隙度的关系如图3-b所示。

图3 不同岩性和泥质含量地层的D与孔隙度的关系图

由图3可以看出:砂岩地层和石灰岩地层的相对比值(D)随孔隙度的变化趋势相同,在孔隙度较小时变化较大,当孔隙度增加到一定程度时开始变缓;孔隙度较小时不同岩性引起D的差异较小,随着孔隙度的增加地层岩性不同D的差异越大;孔隙度相同时下砂岩地层的D要比石灰岩地层的大,原因是石灰岩对中子的减速能力比砂岩大;泥质含量引起的D的差异随孔隙度的增加而增加,且孔隙度相同时泥质含量越大D越小。因此利用热中子计数率比相对变化量确定含气饱和度时受岩性和泥质含量的影响,砂岩地层对气反应灵敏,泥质含量越大对确定地层含气饱和度越不利。

3.3 地层水矿化度的影响

利用同样的计算模型,分别饱含不同矿化度地层水和气的砂岩地层,其中地层水矿化度分别为0、30 000、50 000和100 000μg/g,改变地层孔隙度,模拟得到热中子计数相对比值与孔隙度的关系(图4)。

图4 地层水矿化度不同时砂岩地层的D与孔隙度的关系图

由图4可以看出:不同矿化度地层水时热中子计数率相对变化量(D)仍随孔隙度的增加而增加,地层水矿化度越高变化越快;同一孔隙度条件下,地层水矿化度越大时,D越大,主要由于地层水矿化度越大,对远近探测器处热中子俘获的能力差异越大。因此地层水矿化度越高越有利于含气评价,但需对地层水矿化度的影响进行校正。

3.4 井眼尺寸和流体的影响

其他计算条件不变,井眼内流体分别为气(CH4,密度为0.19 g/cm3)、淡水和30 000μg/g的矿化水,地层为饱含油和气的砂岩,依次改变地层的孔隙度,模拟得到热中子计数比的相对变化量与孔隙度的关系(图5-a);同样其他条件不变,井眼内充满气,井眼直径为分别为20、22.827、27.907 cm和30.447 cm时的关系如图5-b所示。

由图5可以看出:低孔隙度地层井眼流体不同引起的相对比值差异较小,高孔隙度地层差异较大,且井眼内充满气时相对变化量(D)越小,对确定含气饱和度越不利;井眼内流体为水时,矿化度的高低对D的影响很小。在孔隙度一定的地层,井眼尺寸越大时D越小,这是主要是因为井眼流体为气,井眼直径越大挖掘效应影响越大,故井眼尺寸越大越不利于含气饱和度的评价。

3.5 钻井液侵入的影响

计算模型不变,建立孔隙度为15%和30%饱含天然气的砂岩地层,井眼内充满淡水钻井液,其矿化度为5 000μg/g,密度为1.334 02 g/cm3,向井轴周围均匀侵入深度分别为0、3、6、9、12、15、18、21、24、27、30、33、36、39、42、45、48、51、54、57、60 cm,在不考虑泥饼的理想条件下,利用前面相同的方法得到响应关系如图6所示。

图5 不同井眼条件下砂岩地层的D与孔隙度的关系图

图6 2种孔隙度砂岩地层的D与钻井液侵入深度的关系图

由于天然气的含氢指数小于钻井液,随着侵入深度的增加,远近探测器热中子计数率比的相对变化量也随之增加,增加至30 cm左右时几乎不再发生变化,且孔隙度不同的地层受钻井液侵入深度的影响差别不大。因此在识别气层时要考虑到钻井液侵入的影响,但在随钻测井过程中钻井液侵入深度很浅,脉冲中子测井受其影响很小,实际资料处理时可忽略钻井液侵入的影响。

4 结论

1)由于天然气和油水的含氢指数不同,利用脉冲中子测井技术记录的近、远探测器热中子或俘获伽马计数率比的相对变化量随含气饱和度的增加呈线性减小,可以定量确定含气饱和度。

2)利用热中子或俘获伽马计数比相对变化量确定含气饱和度时受井眼和地层条件影响,通过利用蒙特卡罗模拟研究得到:相对变化量随孔隙度增加而增加,孔隙度越大越有利于评价含气饱和度;孔隙度相同时,砂岩地层的相对变化量比石灰岩地层的大,而泥质含量越小,地层水矿化度越高,相对变化量越大,对确定含气饱和度越有利。

3)井眼流体为水、井眼尺寸越小时,相对变化量越大,对确定含气饱和度越有利;在高孔隙度地层,井眼流体为气时的相对变化量越小,而井眼内水的矿化度对其影响很小;随着钻井液侵入深度的增加,相对变化量也随之增加,增加至一定深度不再发生变化。显然在利用脉冲中子测井技术确定含气饱和度时需对各种影响因素进行校正,在实际应用过程中还需进一步研究。

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Numer ical Simulation of gas detection through pulsed-neutron logging-while-drilling

Zhang Feng1,Yuan Chao1,2,Hou Shuang1,2,Wang Xinguang1,2
(1.School of Geo-resources and Inform ation,China University of Petroleum,Dongying,Shandong 257061, China;2.Key L aboratory of Well Logging,China University of Petroleum,Dongying,Shandong 257061,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 30,ISSUE 10,pp.18-21,10/25/2010.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

A lthough qualitative identification of gas reservoirs is possible by using neutron po rosity,density po rosity and acoustic porosity data,it is very difficult to perfo rm quantitative evaluation due to low density and low viscosity of natural gas.Therefo re,w hile drilling,according to different hydrogen indexesof gas,oil and water,gas saturation can be calculated quantitatively by using a parameter D,i.e.the relative variation of the ratio between thermal neutron/cap ture gamma ray count ratesof near detector and thatof far detector.On basis of this,a calculation model is built by using the Monte Carlo method to simulate the thermal neutron o r capture gamma ray counts reco rded by the near and far detectors in different bo reholes w ith different geologic conditions.The relationship between D and gas saturation is established.The simulation results show that the parameter D can reflect gas saturation of a reservoir.The higher the porosity is,the larger the D becomes,and themo re accurate the quantitative evaluation of gas layers w ill be.Various factors,such as lithology,shale content,formation water salinity,bo rehole size,fluid type,and drilling mud invasion, can affect the pulsed-neutron logging response of gas layers.In summary,this technology of gas detection through pulsed-neutron logging-w hile-drilling can be used to quantitatively evaluate gas layers,and thus it is of great significance fo r gas detection and highly efficient exp loration and development of gas fields.

natural gas,formation,pulsed-neutron logging,gas saturation,impact,facto r,Monte Carlo method

张锋等.随钻脉冲中子测井识别天然气的数值模拟.天然气工业,2010,30(10):18-21.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.10.004

国家自然科学基金(编号:40774058、40874065)、国家高技术研究发展计划(863计划)(编号:2006AA 060104)和山东省自然科学基金(编号:Y2007E02)。

张锋,1970年生,副教授,博士;从事核测井方法、应用及核测井仪器最优化设计和岩石放射性测量等研究工作。地址:(257061)山东省东营市北二路271号。电话:(0546)8390251。E-mail:zhfxy_cn@upc.edu.cn

(修改回稿日期 2010-08-02 编辑 韩晓渝)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.10.004

Zhang Feng,associate p rofesso r,born in 1970,is engaged in research of nuclear logging method and app lication,op timal design of nuclear logging tools,and rock radiometry.

Add:No.271,Bei’er Rd.,Dongying,Shandong 257061,P.R.China

Tel:+86-546-8390 251 E-mail:zhfxy_cn@upc.edu.cn