空气钻井补偿中子测井响应的蒙特卡罗模拟及应用

王红涛 （长江大学地球物理与石油资源学院，湖北 荆州434023）

张占松 （长江大学地球物理与石油资源学院 油气资源与勘探技术教育部重点实验室 （长江大学），湖北 荆州434023）

陈子善 （长江大学地球物理与石油资源学院，湖北 荆州434023）

空气钻井补偿中子测井响应的蒙特卡罗模拟及应用

王红涛 （长江大学地球物理与石油资源学院，湖北 荆州434023）

张占松 （长江大学地球物理与石油资源学院 油气资源与勘探技术教育部重点实验室 （长江大学），湖北 荆州434023）

陈子善 （长江大学地球物理与石油资源学院，湖北 荆州434023）

由于介质井眼的改变，空气井中补偿中子测井仪器的响应与液体井中有很大不同，利用液体介质井眼下刻度的补偿中子测井仪不能满足气体介质井眼测井的要求。利用蒙特卡罗方法，模拟了空气井中补偿中子测井响应以及井径变化对测井响应的影响。通过仪器刻度的方法对模拟结果进行处理，得到空气钻井补偿中子测井刻度后的仪器响应与孔隙度的关系曲线以及扩径校正方法，并应用于实际井中求取中子孔隙度，取得了一定的效果。

空气钻井；补偿中子测井；蒙特卡罗数值模拟

气体介质条件下欠平衡钻井技术具有提高机械钻速、节约泥浆费用、缩短钻井周期、保护油气产层等优点，已在四川油田、长庆油田得到广泛应用［1，2］。但是气体介质条件下的测井和解释工作还没有得到较好发展。补偿中子测井在液体泥浆井眼条件下是一种有效的常规测井方法，然而由于常规仪器都是在液体介质井眼环境下设计与刻度的，当介质井眼为气体时，其测井响应与泥浆介质下有很大不同，原来的刻度标准在此不能适用，从而使中子孔隙度测井值不能反映地层真实性质［3］。利用蒙特卡罗方法，模拟中子在不同介质井眼下的输运过程及其测井响应的差别，为气体介质井眼条件下确定中子孔隙度提供理论基础。

1 模型的建立

利用MCNP－4C程序［4］进行数值模拟，模型如图1所示，井眼直径20cm，里面充满淡水或者空气。井内压力为5MPa，温度100℃，空气密度为0.04732g/cm3。地层内外半径分别为10cm和100cm，高为400cm的圆筒状几何模型，地层骨架为灰岩或砂岩，孔隙里充满水。补偿中子测井仪模型由仪器壁、中子源、长短源距探测器、屏蔽体组成。中子源为5MeV的各向同性源，长短源距探测器为圆柱状3He计数管，尺寸分别为3cm×20cm和3cm×10cm，里面填充3He气体，中子源与短源距探测器之间用理想屏蔽体进行屏蔽。仪器外壳为圆筒状，探测器和中子源位于仪器中心，长短源距分别为55cm和35cm，仪器贴井壁测量。

2 模拟结果及刻度

利用上述模型，孔隙度变化依次为1%、5%、10%、20%、30%、35%、40%，模拟井眼中分别充满水和空气的情况，得到短源距探测器与长源距探测器计数率之比 （LS/SS）与孔隙度的关系 （图2，图中W、G分别表示井眼中充满水和空气）。补偿中子测井仪长短源距探测器计数率比值与地层孔隙度有对应的关系。上述地层模型与各油田用的标准刻度井是一致的，但由于仪器模型与理想仪器之间存在一定的差别，使得模拟结果与理想仪器在标准刻度井中的测量结果不同。在实际测井过程中，由于不同仪器之间测井响应值存在离散性，仪器下井之前要进行刻度［5，6］，使相同条件下不同的仪器都能测得与理想仪器同样的结果。

虽然数值模拟结果可以定性地反映一定条件变化对测井响应的影响，但不能用于实际测井资料的定量对比分析。参照实际测井仪器的刻度过程，把井眼为液体时的模拟结果转换为理想仪器在标准刻度井中的测量结果，使模拟结果便于同实际资料比较和对实际资料的处理。图3是刻度后地层为灰岩和砂岩时液体介质井眼的长短源距计数比 （LS/SS）与孔隙度的关系曲线。由于条件限制，目前气体介质井眼条件下的标准刻度井还没有建造，通过液体介质井眼条件下的刻度方法，对气体介质井眼条件下的模拟结果进行换算，得到的长短源距计数比与孔隙度关系 （图3）。

图1 蒙特卡罗计算模型

图2 不同介质井眼近远探测器计数比与孔隙度关系

图3 刻度后不同介质井眼近远探测器计数比与孔隙度关系

由图3可以看出，随着孔隙度增加，地层快中子减速能力增强，长探测器周围的热中子通量密度比短探测器下降的快，因而LS/SS与孔隙度关系曲线呈上升趋势。但很明显，当介质井眼为气体时，曲线上升的趋势要弱，即测井值对孔隙度和岩性的敏感性降低，不利于孔隙度的确定。这是由于在液体介质井眼条件下，水的快中子减速能力很强，能有效阻止中子通过井眼直接到达探测器，因此仪器记录到的热中子主要来自地层。而在气体介质井眼条件下，空气对快中子的减速能力和对热中子的吸收能力都很差，致使长短探测器周围均充满大量的快中子，这些快中子进入地层慢化为热中子后与直接从地层中输运过来的热中子一起进入探测器，从而导致随着孔隙度升高，长探测器周围的热中子通量密度相对于液体介质井眼时下降的要慢，因此曲线变得平缓。

3 井径变化对中子孔隙度的影响

当井径分别为10cm和12cm时，井眼分别充满水和空气时模拟并经过刻度后的结果如图4所示。由于空气的快中子减速能力很低，导致气体介质井眼与液体介质井眼的测井响应有很大差别，当井径变大时自然会有更多的快中子从井眼到达探测器，因此气体介质井眼井径变化对测量结果的影响比液体时大得多。当介质井眼为水时，LS/SS会有所降低，而当介质井眼为空气时，LS/SS则会明显升高。

灰岩地层气体介质井眼不同井径模拟并经过刻度后结果示于图5。从图5中可以看出：

1）不同井径时长短源距计数比LS/SS与孔隙度的对数在一定孔隙度范围内都近似呈直线关系。通过拟合，得出不同井径下LS/SS与孔隙度的关系式为：

2）在气体介质井眼中，LS/SS一般大于1；而在液体介质井眼中，LS/SS一般小于1。如前面分析，气体介质井眼条件下长源距处的中子通量密度比液体介质井眼时下降的慢，并且长探测器设置的比短探测器大，以减小实际仪器在长源距处的测量误差，从而导致气体介质井眼中LS/SS大于1结果。

3）气体介质井眼中，井径越大，LS/SS比值越大，说明井眼影响也越大。在气体介质井眼实际测井中，如果遇到扩径层段，由于井径影响大和测井响应对孔隙度分辨率低的缘故，得到的中子孔隙度可能会比地层真实孔隙度大得多。

图4 灰岩地层不同介质井眼下井径变化对比值的影响

图5 灰岩地层气体介质井眼下不同井径比值与孔隙度的关系

4 实际应用

四川测井公司在某井气体钻井结束后，先后进行了气体介质和油介质下的补偿中子测井，两次测量结果仪器响应差别很大，而且利用气体测量结果所求出的中子孔隙度一般小于5%，甚至出现负的孔隙度，说明仪器在液体模型井中的响应曲线和刻度标准不能适应气体介质井眼测井的要求。

对模拟结果进行刻度时所采用的刻度标准与这口井用的补偿中子测井仪采用的刻度标准是一样的，因此刻度后的模拟结果可以用于处理这口井的测井资料。利用气体介质井眼下刻度后的模拟结果，对该井在气体介质井眼下长短源距计数率测井数据进行处理，计算出气体介质井眼下的中子孔隙度，并与油介质井眼下的中子孔隙度进行比较 （图6）。由于气体介质井眼测井响应受井径影响很大，为了便于比较，对气体介质井眼条件下求出的孔隙度利用式 （1）作了井径校正。从图6中可以看出：①在扩径层段，油介质井眼下的长短源距计数比降低，气介质长短源距计数比升高，这与图4的结果是一致的，与此对应，油介质井眼所测孔隙度比正常井径时高，气介质井眼所测孔隙度则比正常井径时低。在1611m深度扩径严重，这种现象尤为明显。②泥质对两种介质井眼所测孔隙度均有明显的影响，需要对泥质含量进行校正。③从整体上看，两种介质井眼所测孔隙度具有一致的变化趋势，达到了一定的符合程度，这与气体介质井眼下仍然采用液体介质井眼下的标准刻度曲线所得出的孔隙度相比有了很大进步，说明气体介质井眼测井时对仪器进行重新刻度是必要的，而所模拟的气体介质井眼下LS/SS比值与孔隙度的关系为此提供了参考。

图6 实际资料处理结果的对比

5 结 论

1）气体介质井眼条件下的补偿中子测井响应与液体介质井眼下条件有很大不同，长短源距探测器的计数率都明显升高，而且很多情况下长短源距计数率比值会大于1。

2）气体介质井眼下长短源距计数比与孔隙度在一定孔隙度范围内仍近似为线性关系，但比值对孔隙度的敏感性与液体介质井眼下相比明显降低，这不利于中子孔隙度反映地层真实性质，给解释工作造成困难。

3）气体介质井眼下井径变化对LS/SS比值的影响也比液体介质井眼下更大，需要进行井径校正。井径增大时，视孔隙度升高，这与液体介质井眼的情况相反。

4）刻度后的模拟结果用于四川某油井，取得了一定的效果。说明目前在缺乏气体模型井的条件下，通过计算机模拟和仪器刻度相结合的方法求取气体介质井眼下的中子孔隙度是可行的。

［1］马晓伟，张显军，赵德云，等.空气/氮气钻井技术在徐深28井的成功实践 ［J］.石油钻采工艺，2008，30（3）：87～90.

［2］张锋，郭建芳，王新光.空气钻井条件下中子孔隙度测井响应的蒙特卡罗模拟 ［J］.吉林大学学报 （地球科学版），2010，40（1）：209～214.

［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］许淑艳.蒙特卡罗方法在实验核物理中的应用 ［M］.北京：原子能出版社，1985.

［5］黄隆基.核测井原理 ［M］.北京：石油大学出版社，2000.

［6］蔡元藩.补偿中子测井刻度方法探讨 ［J］.地球物理测井，2009，14（1）：24～28.

Monte Carlo Numerical Simulation of Compensated Neutron Log and Its Application in Air Drilling

WANG Hong－tao，ZHANG Zhan－song，CHEN Zi－shan（First Author's Address：College of Geophysics and Oil Resources，Yangtze University，Jingzhou434023，Hubei，China）

As a result of different medium in the well，the log responses of compensated neutron logging（CNL）tool in air wells differed from that in water well，and，therefore CNL calibrated in water well failed to meet the demands of air well logging.With Monte Carlo method，the CNL responses in air wells are simulated under the condition of different porosities.The relation curve of CNL response and porosity，and the method of hole size correction in air well are obtained by the calibration of simulated output，it is used to calculate the porosity of a well and certain effect is obtained.

air drilling；compensated neutron log；Monte Carlo numerical simulation

P631.84

A

1000－9752（2011）06－0228－04

2011－03－20

中国石油科技创新基金项目 （2008D－5006－03－02）。

王红涛 （1987－），男，2007年进入长江大学学习，现主要从事测井研究和学习工作。

［编辑］ 龙 舟