高温地层对中子孔隙度测井的影响

付勇路,李鹏举,2,李勇勇,韩文胜

(1.东北石油大学地球科学学院,黑龙江 大庆 163318;2.东北石油大学非常规油气成藏与开发省部共建国家重点实验室培育基地,黑龙江 大庆 163318)

0 引 言

在油气田勘探开发过程中,补偿中子孔隙度测井是储层识别和评价的有效技术手段,基于放射源在核测井中应用的稳定性,目前中子孔隙度测井普遍采用中子源仍是241Am-Be放射性中子源[1-2],其原理是利用近远探测器计数比值测定地层的孔隙度[3-4]。历经几十年发展,中子孔隙度测井日渐成熟,但其受测井环境的影响仍在不断完善。对于中子孔隙度测井的蒙特卡罗数值模拟研究,往往不考虑地层温度的影响,但实际中地层温度随深度的变化而变化,且温度对中子孔隙度测井评价的影响不可忽视,随着地层温度升高,达到热平衡的中子平均动能增大,地层和井眼元素俘获热中子的能力下降,测井仪计数率增大。对于孔隙度为20 p.u.的含水纯砂岩岩层,在100 ℃环境下测得的孔隙度值同在常温条件下测得的孔隙度值相差约3 p.u.[5]。模型井实验中,地层温度的变化难以模拟,然而应用数值模拟却可以实现[6]。本文采用蒙特卡罗数值模拟程序MCNP5[7-8]对高温地层对中子孔隙度测井的影响进行模拟研究。

1 蒙特卡罗数值模拟方法及模型的建立

1.1 蒙特卡罗数值模拟方法

蒙特卡罗方法又称随机抽样技巧或统计实验方法,通过逐一模拟和记录单个粒子的输运及碰撞过程统计规律特征,该方法已广泛用于模拟研究伽马测井、中子测井等核测井方面[9-10]。MCNP程序是Ros Aramos国家实验室开发的大型多功能蒙特卡罗程序,可用于计算中子、光子、电子的输运及联合输运问题及临界问题。

1.2 蒙特卡罗数值模拟模型建立

为确保模拟结果与实测结果的一致性,中子孔隙度测井进行研究时需建立与实际测井条件符合的物理模型[11]。模型高150 cm,井眼直径为20 cm,井眼流体为淡水,地层为内径10 cm,外径100 cm的筒状含水纯砂岩地层。地层水平切割线和径向切割线间距分别为3和2 cm,共分2 500个栅元。测井仪器内径为8.9 cm,壁厚0.5 cm,且良好推靠井壁。采用241Am-Be中子源,置于坐标(50,0,9 cm)处,2个3He计数管探测器之间及源与探测器之间填充理想屏蔽体,模型如图1所示。

图1 补偿中子孔隙度测井蒙特卡罗数值模拟计算模型

2 高温地层下中子孔隙度测井响应模拟结果

2.1 不同温度下热中子计数与源距的关系

在上述计算模型的基础上,分别模拟计算孔隙度φ=0、10%、20%、30%、40%含水纯砂岩,地层温度分别为20 ℃、160 ℃条件下,热中子计数与源距的关系。模拟中子数为50 000 000,计算相对误差小于1.2%,结果见图2。图2中N为探测器归一化后的热中子计数率,记录中子能量小于0.1 eV,r为源距。

由图2可知,中子孔隙度测井的零源距在20 cm附近,且温度对零源距无影响;对数坐标下,热中子计数随源距的增大而呈线性减小。从加强仪器的分辨能力方面考虑,源距大一些比较好,但源距增大,计数率以指数规律减小,统计误差增大[12]。当r>70 cm时,计数率较低,统计误差大,所以长短源距应在20～70 cm内选择。结合图2可以看出,高温地层环境下,热中子计数较高,但热中子计数随源距的指数衰减规律与常温条件下相同。

2.2 地层温度对热中子计数率与孔隙度关系的影响

取近、远探测器的源距分别为30、60 cm,尺寸分别为Φ70 mm×50 mm、Φ70 mm×100 mm。模拟计算不同地层温度条件下,探测器计数N与孔隙度φ的关系,计算结果见图3。

从图3中可以看出,近、远探测器计数率均随温度的升高而增加,但温度对两者的影响规律不同。高温地层环境条件下,近探测器计数由于温度改变发生改变,关系曲线呈抛物线型,在孔隙度为10%处达到极大值,且在孔隙度0～40%范围内,孔隙度越大,计数率受温度影响越大;远探测器计数率在中、低孔隙度范围内受温度影响大,高孔隙度影响小,但近、远探测器热中子计数均随温度的升高而增大,这是由于热中子能量值增大及元素的宏观俘获截面下降所致。因此,地层温度会对热中子计数率产生影响,从而影响孔隙度的计算。

图2 热中子计数率与源距的关系曲线

图3 热中子计数率与孔隙度的关系曲线

2.3 地层温度对近远探测器计数比与孔隙度关系的影响

近、远探测器计数比R是补偿中子孔隙度测井求取地层孔隙度的直接参数,前人认为当近远探测器源距r1、r2选定后,扩散长度的影响可以忽略,则计数比只与快中子减速长度有关[13],R可用式(1)表示

(1)

式中,r1、r2为近远探测器源距,cm;Le为快中子减速长度,cm。

图4 近远探测器计数比与孔隙度的关系

对于地层温度对计数比与孔隙度关系的影响模拟结果见图4。从图4可见,随着地层温度的升高,计数比逐渐变小,因计数比只与快中子减速长度有关,所以减速长度随温度的升高而增大。当孔隙度为0时,比值基本不受温度的影响,随着孔隙度的增大,比值受温度影响越大,因此在高温地层测井条件下,仍按常温下计数比与孔隙度关系式计算孔隙度时,结果较真实孔隙度小,误差较大,不能准确反应地层的真实孔隙度,必须重新刻度或作后续校正。计数比与孔隙度均呈现良好的二次线性关系及规律性的递减,这为重新刻度和后续校正提供了可能,地层温度为20、40、80、120、160、200 ℃条件下拟合的计数比与孔隙度之间的关系为

R=31.236φ2+28.722φ+2.9226

(2)

R=28.922φ2+23.780φ+2.8063

(3)

R=28.224φ2+17.928φ+2.8056

(4)

R=25.395φ2+15.638φ+2.8138

(5)

R=24.152φ2+13.952φ+2.8259

(6)

R=17.660φ2+14.125φ+2.7755

(7)

式中,R为近、远探测器计数比;φ为地层孔隙度,%。

3 地层温度对中子孔隙度测井地层灵敏度的影响

中子孔隙度测井的响应函数反映的是近、远探测器计数比R与孔隙度φ之间关系,基于以上研究,在不同温度下关系式均为一元二次函数,通式为

R=Aφ2+Bφ+C

(8)

(9)

式中,A、B、C均为R与φ的拟合关系曲线系数。

根据以式(9),计算不同温度条件下,中子孔隙度测井的地层灵敏度,结果见表1。

从表1可见,温度一定情况下,地层灵敏度随孔隙度的增大而减小;在相同孔隙度条件下,高温地层条件下的地层灵敏度低于常温地层条件下的地层灵敏度,且孔隙度越低,温度对地层灵敏度的影响越大,这给埋藏深、温度高的中、低孔隙度渗透率储层评价造成困难,不利于目前油气田中后期阶段的勘探开发。

表1 温度对地层灵敏度影响

4 结论

(1)高温地层环境下,远、近探测器热中子计数均高于常温条件下的热中子计数率,但比值较小。温度对中子孔隙度测井的影响不可忽视,必须重新刻度或作后续校正。

(2)高温地层环境下,给埋藏深、温度高的中、低孔隙度渗透率储层评价造成困难,不利于目前油气田中后期阶段的勘探开发。

(3)高温地层环境影响中子孔隙度测井的准确测量,但计数率与源距的关系、计数率与孔隙度的关系、近远探测器计数比与孔隙度的关系等的变化规律基本不变,且计数率、计数比随温度的改变呈单一趋势规律性变化,这为重新刻度或后续校正提供了可能。

(4)研究为高温地层条件下中子孔隙度测井的重新刻度或后续校正提供理论依据,从而为准确评价储层孔隙度奠定基础。