不同井眼条件下的随钻中子和密度测井响应特性研究

付亚平，吴文圣 （油气资源与探测国家重点实验室 （中国石油大学 （北京）），北京102249）

尚修盛，庞希顺

陈红喜，袁伟（ 中海油田服务股份有限公司油田技术研究院，河北 三河101149）

随着勘探开发的深入，我国大斜度井、水平井和分支井数量不断增多，对随钻测井的需求量越来越大。随钻测井由于其实效性和巨大的经济效益，正越来越多地取代电缆测井而成为常规服务项目。与电缆测井相比较，随钻测井资料是在泥浆侵入地层之前或侵入很浅时测得，能更真实地反映原状地层特征，提高了评价地层的准确性。但是，随钻测井也面临不利的测量环境，直接影响测量结果的精度，其中井眼条件是影响随钻测井测量精度的主要原因之一。井眼条件的影响主要表现在两方面：一是由钻杆运动形成的不规则井眼形状，仪器与井壁之间的间隙直接影响测量结果的精度；二是当地层与井轴存在明显的角度，如大斜度井，特别是水平井，往往得不到地层的真值[1～6]。笔者针对随钻中子和密度测井，应用Monte Carlo通用程序MCNP[7]，研究井眼形状、井眼尺寸和井内介质对测量结果的影响，为随钻中子和密度测井数据处理提供理论基础。该次研究中的中子测井值是长、短源距探测器计数之比得到的，没有考虑实际仪器常数。

1 计算模型设计

设有3种井眼形状，即圆形井眼、水平井圆形井眼和垂直井椭圆形井眼。其中圆形井眼是指井眼半径与仪器半径相同，仪器与井壁之间没有间隙，把仪器测量值看成是地层真值。对每种类型的井眼，将井眼一周平分为16个扇区，每个扇区为22.5°，其中0°方位如图1所示[8～10]。随钻密度测井仪器随钻头一起旋转，转动的过程中，从0°方位开始计数，在每个扇区采样一个点；随钻中子测井仪器通常在井眼一侧180°范围内由6～8个探测器记录地层热中子，但为了便于研究，在这里也让随钻中子测井仪器从0°方位开始，在每个扇区记录一个热中子计数。随钻密度测井仪器的长、短源距分别为38cm和18cm，随钻中子测井仪器的长、短源距分别为60cm和35cm。

图1 井眼形状及方位

2 随钻密度测井

2.1 不同井眼形状随钻密度测井响应

计算时，设垂直井椭圆形井眼尺寸为18cm×24cm，水平井圆形井眼直径为24cm，地层为纯砂岩，井眼间隙中为泥浆，密度为1.2g/cm3。计算结果如图2所示。

图2 不同井眼形状随钻密度测井响应

从图2中可以看出，在垂直井椭圆形井眼0°到360°的范围内，探测器的γ计数大小发生振荡起伏；井眼间隙越大，探测器计数越大，测量值与地层真值偏差越大。在90°和270°方位上达到极大值，该值接近于在圆形井眼中得到的数值，说明在这两个方位上，仪器与井壁接触最好；在0°和180°方位上γ计数达到极小值，与在圆形井眼中获得的数值有较大的偏离，说明在这个方位上，仪器与井壁之间的间隙最大，测量值偏离地层真值最大。在水平井圆形井眼0°到360°的范围内，随钻密度测井响应在180°方位上达到极大值，此时井眼间隙最大，在0°或360°方位上达到极小值，此时井眼间隙为0，曲线呈单峰显示。短源距探测器的响应特征与长源距相同，但其计数变化幅度要大于长源距，这是因为短源距受井眼的影响更大。

随钻密度测井通常采用井周1/4象限计数率的平均值作为探测器的计数率来求取地层的密度，这里以仪器与井壁之间间隙较小的－45°～45°之间的计数平均值作为长源距的计数，如图3所示。可以看出，垂直井椭圆形井眼和水平井圆形井眼计数平均值均大于地层计数真值，其中垂直井椭圆形井眼计数均值偏离地层真值的程度大于水平井圆形井眼，亦即这两种井眼中求取的地层密度值均小于地层真值，垂直井圆形井眼中求取的地层密度值较水平井圆形井眼中求取的密度值更小。

2.2 不同井眼尺寸随钻密度测井响应

计算时设垂直井椭圆形井眼尺寸短轴为18cm，长轴分别为19、20、21、22、23、24cm，水平井圆形井眼直径分别为19、20、21、22、23、24cm。井眼中泥浆密度为1.2g/cm3，地层为纯砂岩。计算结果如图4和图5所示。

由图4看出，在0°到360°的椭圆形井眼范围内，由于井壁与仪器之间的井眼间隙变化，不同尺寸垂

图3 不同井眼的计数平均值

图4 井眼尺寸变化时椭圆形井眼随钻密度测井响应

图5 井眼尺寸变化时水平井圆形井眼随钻密度测井响应

直井椭圆形井眼的随钻密度测井的响应曲线均呈振荡起伏变化。椭圆形井眼的长轴与短轴差别越大，曲线振荡起伏越剧烈，在相同方位上，探测器计数值越大。这样，椭圆形井眼的长轴与短轴差别越大，1/4象限的计数平均值越大，测量得到的地层密度偏离地层真值越大。

图5显示，在水平井圆形井眼中，随着井眼直径的增大，由于仪器直径不变，在0°到360°不同方位处相应的井眼间隙增大，探测器计数增加，1/4象限计数平均值增大，测量得到的地层密度偏离地层真值的程度增加。

2.3 不同井内介质性质随钻密度测井响应

计算时，设垂直椭圆形井眼尺寸为18cm×24cm，水平井圆形井眼直径为24cm，地层为纯砂岩地层，改变井内泥浆密度，使地层与泥浆的密度之差Δρ分别为0.3、0.6、0.9、1.2、1.5g/cm3。计算结果如图6和图7所示。

图6和图7均显示，地层与井内泥浆的密度差值越大，即泥浆密度越小，在井眼间隙不变时，探测器计数越大，在0°～360°范围内，响应曲线的变化幅度越大，仪器测量结果偏离真值越大。

3 随钻中子测井

3.1 不同井眼形状随钻中子测井响应

计算时，设垂直椭圆形井眼尺寸为18cm×24cm，水平井圆形井眼直径为24cm，地层为孔隙度30%的含水砂岩，井眼间隙中为水，计算结果如图8所示。

图6 井内介质改变时椭圆形井眼随钻密度测井响应特征

图7 井内介质改变时水平井圆形井眼随钻密度测井响应特征

图8 不同井眼形状随钻中子测井探测器计数响应特征

从图8中可以看出，井眼间隙大的方位，相当于探测器范围内地层孔隙度增加，探测器热中子计数低；在井眼间隙小的方位，相当于探测范围内地层孔隙度减小，热中子计数高；这样在垂直井椭圆形井眼中，计数曲线呈正弦状变化；在水平井圆形井眼中，由于仪器贴靠在井眼的下侧，得到钟形计数分布曲线。长源距探测器的响应与短源距相同，但短源距受井眼流体的影响更大，计数曲线变化幅度更大。

在随钻中子测井中，通常用6或8个探测器的计数率之和来求取地层的中子测井值[10]。按此原理，图8中3种井眼中求取的中子测井值如图9所示。从图9可以明显看出，水平井圆形井眼和垂直井椭圆形井眼的中子测井值均偏离地层真值，其中水平井圆形井眼偏离程度更大。

3.2 不同井眼尺寸的随钻中子测井响应

计算时，垂直井椭圆形井眼的短轴为18cm，长轴分别为：20、21、22、23、24cm，水平井圆形井眼的直径为20、21、22、23、24cm。地层为孔隙度30%的含水砂岩，井眼间隙中为水。计算结果如图10和图11所示。

从图10和图11看出，随着椭圆形井眼长轴尺寸或水平圆形井眼直径的增大，在0°到360°不同方位上，原有的井眼间隙尺寸增加，探测器计数降低；椭圆形井眼长轴或圆形井眼直径越大，在相同方位 （有间隙），探测器计数越小，曲线变化幅度越大。在椭圆形井眼中，当长轴增加到一定数值后，在0°和180°没有间隙的方位，仪器与井壁的接触面减小，受井眼流体影响增大，探测器计数将小于地层真值。但在圆形井眼中，井眼直径增加带来的这种影响较小。因此，在0°或360°方位，探测器计数仍然接近地层真值。

图9 不同井眼形状随钻中子孔隙度测井值

图10 不同椭圆形井眼尺寸随钻中子测井探测器计数响应

图11 不同水平井圆形井眼尺寸随钻中子测井探测器计数响应

由图10和图11计算得到的垂直井椭圆形井眼和水平井圆形井眼的中子孔隙度测井值如图12所示。由图12可知，随着垂直井椭圆形井眼长轴或水平井圆形井眼直径的增加，仪器与井眼之间间隙增加，中子孔隙度测井值逐渐增大，使得求取的地层孔隙度比地层真实孔隙度偏大。

3.3 不同井内介质性质随钻中子测井响应

3.3.1 井内介质成分变化时

计算时，井眼为18cm×24cm的垂直井椭圆形井眼，井内介质分别为淡水和泥浆，地层孔隙度为30%，孔隙中为淡水。计算结果如图13所示。

由图13可见，在同一方位，井内介质为淡水时的热中子计数大于井内介质为泥浆时的热中子计数，这是因为淡水的含氢指数高于泥浆。也就是说，井内介质的含氢指数越高或井内介质中子减速能力越强，相同方位探测器热中子计数越小，中子孔隙度测井值越大。图14显示，井内介质为淡水时的中子孔隙度测井值偏离地层真值较大，这说明，井内介质含氢指数越高，测量的中子孔隙度将越大于地层真孔隙度。

3.3.2 井内流体矿化度变化时

计算时，井眼为18cm×24cm的垂直井椭圆形井眼，井内介质为水，矿化度分别为10000、20000、30000、40000、50000mg/L，地层为纯砂岩，计算结果如图15所示。

图12 不同井眼尺寸时计算的中子孔隙度测井值

图13 井内介质变化时的随钻中子测井响应

图14 井内介质变化时计算的中子孔隙度测井值

图15 井内流体矿化度变化时中子测井响应特征

从图15可以看出，无论是长源距还是短源距，井内介质矿化度不同，同一方位，探测器的热中子计数不同，这是因为矿化度不同，井内介质对热中子的吸收作用不同。由图16可知，井内流体矿化度不同，得到的中子测井值变化很小，可以忽略。因此，井内流体矿化度对中子测量的结果几乎没有影响，这是因为双源距的补偿作用，把井眼流体矿化度对热中子的俘获作用补偿掉了。

4 结 论

1）当井眼不规则或测井仪器偏向井眼一侧时，随钻中子和密度测井仪器的测量值与地层真值之间出现偏差；垂直井椭圆形井眼长轴与短轴差别越大或水平井圆形井眼的直径越大，测量值偏离地层真值越远。

2）井内介质密度与地层密度差别越大，随钻密度测量值偏离真值越大。井内介质含氢指数越大，随钻中子测井值与地层真值的偏差越大。

3）井内介质的矿化度对随钻中子测井值几乎没有影响。

图16 井内介质矿化度变化时计算的中子孔隙度测井值

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