小直径中子孔隙度测井仪探头参数设计

张锋, 权奕君, 吴赫

(1.中国石油大学地球科学与技术学院, 山东 青岛 266580;2.海洋国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室, 山东 青岛 266071)

0 引 言

中子孔隙度测井[1-3]原理是利用中子源向地层发射中子,根据远、近热中子探测器的计数比定量确定地层孔隙度[4]。随着石油钻井技术不断提升,小井眼开采油气的优越性更加明显,与此同时,小直径中子孔隙度测井仪器数量也不断增加[5-7]。由于不同直径的中子孔隙度测井仪器探头的结构和关键参数(如源距、探测器源距、屏蔽体尺寸、仪器外壳等)的差异,不同直径的测井仪器在同一测井条件下的测井响应不同[7-8],导致小直径中子孔隙度测井仪与当前测井系统和解释处理方法的兼容性受到限制。利用蒙特卡罗模拟方法分别研究小直径探头的屏蔽体、仪器外壳、源距等主要部件参数对探头测井响应的影响规律,并确定最可行有效的参数调整方案;重新调整小直径探头的相关结构参数,使2支测井仪器在相同的岩性、泥质含量、井眼流体、井眼条件等测井环境下得到相同的测井响应规律。本文通过对小直径中子孔隙度测井仪探头的参数调整,可以提高不同直径的中子孔隙度测井仪器的相互通用性和使用效率,该解决方案具有重要的现实意义和应用价值,为中子孔隙度测井仪器的研制提供了一条新的思路和方法。

图1 中子孔隙度测井仪及MCNP计算模型图

1 不同直径中子孔隙度测井仪响应规律

1.1 测井原理

根据中子扩散理论,中子源产生的快中子经过与地层物质的作用后,在距离中子源r处形成的热中子通量可以表示为

(1)

式中,k、D分别是与仪器有关的系数、热中子扩散系数;r为作用距离;Lf、Lt分别是快中子减速长度和热中子扩散长度。

中子孔隙度测井探头的近、远热中子探测器记录的热中子计数比值R为

(2)

式中,rS、rL分别为近、远热中子探测器源距。

在常见地层中,Lf远大于Lt,而Lt与地层孔隙度密切相关[2],因此,近、远热中子计数比值R可以用于定量评价地层孔隙度。不同直径的中子孔隙度测井探头导致中子减速和扩散过程发生变化,测井响应必然存在差异。

1.2 响应模拟

蒙特卡罗模拟方法广泛应用于核测井仪器参数优化、测井响应及数据处理方法等方面研究[9-10]。为对比不同直径的中子孔隙度测井仪响应规律,从整体上量化2支仪器测井响应具体差异,建立了大、小直径中子孔隙度测井探头的MCNP计算模型,并分别计算在纯石灰岩地层中的测井响应。

根据图1(a)所示的测井仪探头结构参数,利用MCNP建立了直径分别为70 mm和92 mm的中子孔隙度测井仪探头及地层模型[见图1(b)],地层为饱含淡水的石灰岩地层,尺寸为150 cm×150 cm×150 cm,仪器居中测量,采用FM4卡记录探头远、近3He热中子探测器计数,模拟计算中采用了多种减小误差的技巧[11],计算结果统计误差小于1%。

根据图1(b)所示的计算模型,分别模拟不同地层孔隙度条件下的大、小直径探头近、远探测器热中子计数NN和NF,得到近、远热中子计数比;采用文献[2]介绍的中子孔隙度测井相对灵敏度计算方法,得出不同孔隙度时,大、小直径的仪器探头相对灵敏度,计算结果见表1。

从表1所列出的不同直径探头的模拟测井响应数据可以看出,2支仪器近、远热中子计数随着地层孔隙度的增加呈现指数衰减的趋势;大直径探头的远探测器热中子计数约为小直径探头的1.8倍,近探测器热中子计数约为小直径探头的1.4倍。近、远热中子比值则都随着地层孔隙度的增加而显示出近似线性增加的规律,相同孔隙度条件下小直径探头近、远热中子比值约为大直径探头的1.4倍。计算结果也显示了小直径探头的孔隙度响应相对灵敏度要高于大直径探头。利用大直径探头的孔隙度响应图版可以得到小直径探头的孔隙度测井值,2个探头的测井差异见图2。可以明显看出,未作参数优化前的小直径探头测井值与大直径探头的测井值差异随着孔隙度的增大而增大。

表1 不同直径探头的测井响应对比

图2 参数优化前的孔隙度测井差异

*非法定计量单位,1 b=10-28m2,下同

分析认为,2种不同直径探头测井响应之间的差异为多种因素造成,如仪器直径、源距、屏蔽体等。为了使小直径探头的测井响应与现有的大直径探头响应一致,需分别单独研究各部件对探头测井响应的影响规律,从而为确定小直径测井仪探头参数调整方案提供依据。

2 小直径中子孔隙度测井仪参数优化

在不同测井环境下的模拟表明,大、小直径中子孔隙度测井仪器不能通用一套测井响应关系。为提高不同直径探头使用效率和通用性,研究通过调整小直径探头相关结构参数,使大、小直径的中子孔隙度测井仪器在相同条件下可以得到相同的测井响应。

利用数值模拟方法明确小直径仪器各个主要部件对仪器测井响应规律的影响,从而为确定调整小直径探头方案提供依据。模拟计算中,将地层设置为孔隙度为10 p.u.饱含淡水的石灰岩地层,井径为16.5 cm,井眼内充满淡水,分别研究屏蔽体、仪器外壳、探测器支架以及源距等探头主要部件和参数对小直径探头测井响应的影响规律。

2.1 屏蔽体

位于远、近中子探测器底部屏蔽体可以防止中子源产生的中子直接进入探测器从而影响仪器的灵敏度。大、小探头均采用含硼聚乙烯复合材料作为远3He探测器的屏蔽体;近3He探测器屏蔽体均为聚四氟乙烯块(见图1),2只仪器屏蔽体高度不同,其屏蔽效果应存在差异。计算模型中,通过增减小直径探头的屏蔽体长度确定远、近屏蔽体对仪器测井响应的影响,计算结果见图3。

图3 近、远探测器计数与屏蔽体长度的关系

从图3可以看出,在近探测器处,随着聚四氟乙烯屏蔽体长度增加热中子相对计数增加,其对中子减速能力增强,有利于将快中子减速成为热中子,故近探测器处的屏蔽体尺寸对热中子计数会产生一定影响;远屏蔽体中的10B由于热中子俘获截面达3 837 b*,对热中子有极强的吸收能力,致使远探测器计数会随着屏蔽体长度的增加而缓慢下降,但总体上远、近探测器处的屏蔽体长度对探测器计数影响较小,仪器测量响应不会产生明显变化。

2.2 仪器外壳及探测器支架

中子孔隙度测井仪外壳是仪器的承压部件。远、近探测器支架起到固定3He中子探测器位置及减震的作用。不同直径探头的远、近探测器外部都可以看成由不同厚度的铝合金支架和不锈钢外壳构成(见图1)。

大、小直径探头不锈钢外壳厚度分别是8 mm和6.9 mm。将小直径探头的外壳设置为5～11 mm,模拟计算得到近、远探测器计数与仪器外壳厚度的变化关系(见图4)。

从图4可以得到,当仪器外壳厚度由5 mm增大至10 mm时,近、远探测器计数分别减小了约26.2%和25.5%,主要是由于铁的热中子吸收截面较大引起的。尽管外壳厚度对仪器测量计数率影响较大,但增减外壳厚度只能导致远、近探测器计数同时增减,通过调整外壳厚度并不能使大、小直径探头测井响应一致。为了保证测井仪器的机械强度和内部空间,不应通过改变仪器外壳厚度进行结构参数优化。

根据仪器的基本结构,研究小直径探头远、近探测器外的铝合金支架厚度对热中子计数影响,通过改变铝合金支架厚度,模拟得到近、远探测器计数随厚度的变化关系(见图5)。

图4 近、远探测器计数与仪器外壳厚度的关系

图5 近、远探测器计数与探测器支架厚度的关系

从图5可以看出,由于铝的热中子吸收截面较小,铝合金支架厚度从0增大至12 mm时,远、近探测器热中子计数减小的幅度不超过8%。由计算结果和仪器内部机械结构设计,在允许厚度范围内的探测器铝合金支架厚度的变化对仪器响应几乎没有影响。

2.3 源距

源距的变化将导致热中子到达3He探测器的路径长度发生变化,从而中子被地层或井眼吸收的几率发生变化。模拟计算中,在小直径探头结构的允许范围内,将仪器的长、短源距增减一定的距离,得到探测器计数率与源距的变化关系见图6。

从图6可以看出,远、近探测器计数率对源距的变化很敏感,增加或减少长、短源距都会对远、近探测器计数率减少和增大,源距是影响中子孔隙度测井响应的关键因素。结合小直径探头的机械结构设计,通过调整长、短源距可以将小直径探头的测量响应修正到与大直径的一致。

综上所述,利用蒙特卡罗模拟方法分别明确了仪器各个组成部分对测井结果的影响程度及规律。分析模拟结果可知,若选择调整小直径探头的屏蔽体、探测器铝合金支架和外壳厚度的方案,则需要在紧凑的探头内部空间内对仪器结构作较大的改动甚至不能达到调整探头测井响应的目的,并且会给仪器设计及制造带来困难。所以,分别适当地修正小直径探头远、近探测器的源距为最有效可行的方案。

3 参数调整后的测井响应对比

为了使不同直径的探头测井响应关系相同或者接近,在不对仪器进行大的改动前提下,提出了调整小直径探头远、近探测器源距的设计方案。根据图6所示计算结果,对小直径探头做出调整:短源距由原来的36.5 cm调整为36.05 cm,长源距由原来的61 cm设计调整为59.7 cm,其他部件尺寸不变。

为验证参数调整后的小直径探头测量效果,在计算模型中设置仪器居中,地层为饱含淡水石灰岩,地层孔隙度为10 p.u.,井径为16.5 cm;模拟计算源距调整后的小直径探头近、远探测器计数和近、远计数比,并分别与大直径探头对比,结果见图7。图7显示,参数调整后的不同直径探头的近、远热中子计数与地层孔隙度关系曲线以及热中子计数比曲线基本重合,因此,可以建立同1套中子孔隙度测井响应公式。

为了讨论地层岩性、矿化度、仪器偏心和井径等测井环境对不同外径的中子孔隙度测井仪测井响应是否产生影响,分别模拟了不同条件下小直径中子孔隙度测井仪的近远探测器热中子计数,并利用孔隙度刻度响应关系计算得到的孔隙度值与大直径仪器进行对比(见图8)。

图6 近、远探测器计数与源距的关系

图7 参数调整后的小直径探头测量效果

图8 不同测井条件下大、小直径探头测量值对比

由图8可以看出,在井径、偏心距离、岩性和地层水矿化度等条件改变时,2种外径中子孔隙度测井仪测量值之间差异很小,即经过源距调整后的小直径中子孔隙度测井仪,具有与大直径仪器一致的测井响应,不需再重新建立刻度和校正图版,能够兼容大直径中子孔隙度测井仪的数据处理及刻度关系。

显然,通过调整小直径仪器探头的远、近探测器源距能够使其地层孔隙度响应关系与大直径仪器一致,且对中子孔隙度仪器纵向分辨率和探测深度影响较小。

4 结 论

(1) 不同直径的中子孔隙度测井探头的主要结构部件和关键参数基本相同,孔隙度测井响应存在明显的差异。

(2) 利用蒙特卡罗数值方法模拟研究了仪器外壳、屏蔽体和源距等参数变化时,小直径中子孔隙度测井仪的热中子计数及比值的响应规律,得到源距是影响小直径中子孔隙度测井仪响应的最重要参数。通过调整小直径仪器远近探测器的源距,可以实现小直径中子孔隙度测井仪具有与大直径仪器相一致的测井响应。

(3) 通过对比研究大、小外径中子孔隙度测井仪在井径、偏心距离、岩性和地层水矿化度等多种测井条件下的测井响应,源距参数调整后的小直径中子孔隙度测井仪与大直径仪器响应一致,不受测井环境影响,实际应用过程中无需进行刻度和校正图版重建,可兼容大直径中子孔隙度测井仪数据处理流程。

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