不同井斜角情况下随钻密度测井探测特性

张丽，孙建孟，于华伟，姜东，王向军

（1.中国石油大学地球科学与技术学院，山东 青岛266580；2.山东黄金矿业（沂南）股份有限公司，山东 临沂276300）

0 引 言

随着石油勘探开发的进行，斜井和水平井的测井解释工作越来越重要，探测特性研究逐渐成为考察重点［1－2］。探测特性研究方法主要有2种：几何因子法和地层灵敏度法［3－4］。于华伟等［5］对不同井斜角情况下补偿中子测井的纵向几何因子进行研究，获取地层的探测特性，为提高测井曲线分辨率提供了理论基础。Mendoza［6］利用蒙特卡罗方法模拟得到了垂直井中地层对探测器响应的灵敏度，并将其用于测井仪器在空间上的探测特性分析研究。Dalwey等［7］采用微分和积分径向几何因子来研究核测井的探测深度，对核测井理论的研究、仪器研制和刻度井建立有很大帮助。2003年，吴文圣等［8］采用蒙特卡罗方法对密度测井中不同源距处探测特性进行了理论研究。研究表明，探测器源距不同时，不同径向深度的地层对探测器计数的贡献大小不同，则探测深度也不同。为提高测井曲线的分辨率及测井数据解释的准确性［9］，本文采用蒙特卡罗模拟方法，对不同井斜角情况下随钻密度测井的几何因子进行研究，考察随钻密度测井的探测特性。

1 构建模型

在随钻密度测井模拟研究中，源和探测器都在井眼中，中间放有屏蔽体可有效屏蔽来自井眼的光子，探测器接收到的光子主要是经地层散射后得到［10］。根据这个原理，利用蒙特卡罗程序（MCNP）设计仪器模型，模拟光子在地层中的散射、吸收过程，进行探测特性研究。

使用MCNP程序进行模拟时，首先构建合理的仪器、井眼和地层的三维模型［11］。测井仪中，放射源是能量为0.662MeV的137Cs伽马源，源仓材料为钨镍铁合金，源准直孔形状为楔形，角度为45°，充填低密度的铍。近、远探测器均采用NaI晶体，其源距分别为15cm和35cm。屏蔽体材料为钨镍铁合金。井眼直径为22cm，井眼内填充淡水。采用F8卡分别记录2个探测器栅元中的伽马射线的计数。通过合理的减方差技巧，使每次模拟结果的统计误差小于2%。记录能量大于0.01MeV的伽马光子，抽样2×109源个粒子数。随钻密度测井仪在斜井中的纵切面和横切面见图1，仪器位于井筒一侧，紧贴井壁，地层为饱含气体（CH4）的石灰岩地层。假设地层界面是水平的，在某一深度点水平方向上地层假设为各向同性。

2 不同井斜角下的几何因子

图1 随钻密度测井仪器在斜井中纵切面和横切面模型

几何因子理论多应用于感应测井中，通过径向和纵向几何因子的特性研究评价线圈系的探测特性［12］。利用微分和积分径向几何因子研究核测井的探测特性，还应确定仪器纵向几何因子，它决定了仪器对地层厚度的分辨能力。

为获取随钻密度测井微分和积分几何因子，使用MCNP程序模拟水驱气过程［13］。具体过程：设石灰岩（骨架密度为2.71g／cm3）地层孔隙度为30%，孔隙中饱含 CH4（密度为1.72g／cm3），饱和度为100%，沿研究方向开始依次用淡水（密度为1.00g／cm3）驱替掉2cm厚地层中的气体，使得驱替后的地层含水饱和度也为100%，若干次后井眼周围的地层就变成了孔隙度为30%的饱含淡水石灰岩地层。每次驱替后，模拟得到近、远探测器的计数，绘制其随地层厚度变化的关系曲线图，得到了近、远探测器的积分几何因子；模拟每一单元厚度地层对探测器响应所做的贡献，可以得到近、远探测器计数与不同位置地层的关系曲线图，进而得到探测器的微分几何因子［5］。

首先得到垂直井中径向微分和积分几何因子。运用MCNP程序模拟以上水驱气过程，对计数结果进行归一化处理，得到近、远探测器在垂直井中径向上的微分和积分几何因子［14］（见图2）。

图2 近、远探测器在垂直井径向微分和积分几何因子

从微分几何因子图可见，每一地层单元对探测器计数的贡献从靠近井眼的地层开始，随着探测深度的增加，先是逐渐增大，达到最大值，然后逐渐减小。

通常定义积分几何因子达到0.9时的地层径向深度为探测深度。由垂直井中径向积分几何因子的图可以看出，在孔隙度30%的石灰岩地层中随钻密度测井的近探测器探测深度约为8.7cm，远探测器约为13.6cm。

同样，可计算得到随钻密度测井在垂直井中的纵向积分和微分几何因子（见图3）。在垂直井中，由于轴向与地层界面垂直，所以纵向几何因子即为轴向几何因子，决定了仪器轴向分辨率，可以通过纵向积分几何因子分析地层的纵向探测厚度。若定义纵向积分几何因子为0.9时的地层厚度为纵向探测厚度，则从图3可知近、远探测器的纵向探测厚度分别为14.5cm和33.2cm。

图3 近、远探测器在垂直井中纵向微分和积分几何因子

在垂直井中，径向几何因子决定了仪器的径向探测深度，轴向几何因子决定其纵向分辨率［9］；水平井和垂直井不同，其径向探测深度决定了其纵向分辨率；斜井中纵向分辨率则是受其径向和轴向几何因子两方面影响。所以，可通过分析不同井斜角情况下纵向几何因子的变化研究仪器探测特性；仪器的纵向探测厚度越大，纵向分辨率越小，反之，纵向分辨率越高。

为研究井斜角对随钻密度测井仪探测特性的影响，使用 MCNP程序模拟3种井斜角（30°，60°，90°）情况下的纵向几何因子，对结果进行归一化处理，得到不同井斜角下2个探测器纵向微分和积分几何因子（见图4和图5）。

从图4可见，不同井斜角情况下，近、远探测器纵向微分几何因子的变化规律大致相同；与近探测器相比，远探测器由于源距较大，探测的地层垂直深度要大些；随着井斜角的增加，地层纵向探测厚度逐渐减小。从图5可见，在不同井斜角情况下，近、远探测器纵向积分几何因子变化趋势也大致相同，近探测器由于源距较小，其探测范围比远探测器小。不同井斜角情况下，探测深度也略有不同。井斜角为0°（垂直井）时，纵向探测厚度最大。随着井斜角增大，探测地层厚度逐渐变小，纵向分辨率逐渐增加。

图4 近、远探测器在各种井斜角情况下纵向微分几何因子

图5 近、远探测器在各种井斜角情况下纵向积分几何因子

3 结论与认识

（1）采用蒙特卡罗模拟方法研究了不同井斜角情况下随钻密度测井的纵向微分和积分几何因子。结果表明，随着井斜角的增加，近、远探测器纵向几何因子变化规律大致相同，仪器的纵向探测厚度逐渐减小，纵向分辨率逐渐增加。

（2）井斜角为0°时（即垂直井情况下），近、远探测器的（径向）探测深度分别为8.7cm和13.6cm，纵向探测厚度分别为14.5cm和33.2cm。当井斜角为90°时（即水平井情况下），近、远探测器的纵向探测厚度分别为8.0cm和12.8cm。当井斜角分别为30°和60°时，纵向探测厚度介于垂直井和水平井之间。

（3）该研究为仪器纵向分辨率的提高提供了重要参考，也为今后测井解释，特别是利用其提高测井曲线的分辨率奠定了理论基础。

［1］ PASSEY Q R，YIN H，Rendeiro C M，et al.Overview of High－angle／Horizontal Well Formation Evaluation——Issues，Learnings and Future Directions［C］∥The SPWLA 46th Annual Logging Symposium，New Orleans，Louisians，United States，June 26－29，2005.

［2］ YIN H，HAN X，XU L.Field and Benchmark Studies of LWD Nuclear Tool Response in High Angle and Horizontal Wells［C］∥The SPWLA 47th Annual Logging Symposium，Veracruz，Mexico，June 4－7，2006.

［3］ LYLE W D，WILHAMS D M.Deconvolution of Well Log Data——An Innovations Approach［J］.The Log Analyst，1987，28（3）：321－327.

［4］ Picton D J，Harris R G，Randle K，et al.Depth of Investigation of Density Tools［C］∥IEEE Transactions on Nuclear Science，1992，39（4）：1014－1018.

［5］ 于华伟，孙建孟，王敏，等.斜井和水平井中补偿中子测井探测特性［J］.中国石油大学学报：自然科学版，2008，32（6）：71－75.

［6］ MENDOZA A，TORRES－VERDFN C，PREEG W.Environmental and Petrophysical Effects on Density and Neutron Porosity Logs Acquired in Highly Deviated Wells［C］∥The SPWLA 47th Annual Logging Symposium，Veracruz，Mexico，June 4－7，2006.

［7］ DALWEY W.Depth of Investigation of Nuclear Logging Tools［J］.Geophysics，1987，36（5）：943－959.

［8］ 吴文圣，黄隆基.密度测井探测特性与源距的理论研究［J］.核电子学与探测技术，2003，23（1）：56－58.

［9］ Flaum C，Galford J E.Enhanced Vertical Resolution Processing of Dual Detector Gamma－gamma Density Logs［J］.The Log Analyst，1989，29（5，6）：150－157.

［10］ 黄隆基.放射性测井原理［M］.北京：石油工业出版社，1985.

［11］ BRIESMEISTER J F.MCNP——a General Monte Carlon－particle Transport Code［R］.Los Alamos：Los Alamos National Laboratory，2000.

［12］ 丁次乾.矿场地球物理［M］.东营：中国石油大学出版社，1992：68－74.

［13］ 黄隆基.核测井原理［M］.东营：中国石油大学出版社，2000：102－119.

［14］ 沈建国.归一化的井条件下的几何因子及其应用［J］.石油地球物理勘探，1996，31（5）：716－723.