D-T孔隙度测井数据校正及实验研究

2020-04-18杨宁宁

核技术 2020年4期

杨宁宁

（中石化胜利石油工程有限公司随钻测控技术中心东营 257078）

中子孔隙度测井是石油勘探中最常规的测井方法之一，用于确定地层孔隙度、评价地层产油能力以及判断是否存在气层等。传统的中子孔隙度测井仪器使用放射性同位素中子源241Am-Be，但在随钻测井过程中存在着卡钻等工程风险，一旦放射源无法回收就会造成非常严重的放射性事故。因此，利用D-T脉冲源替代同位素中子源进行地层中子孔隙度测量的测井方法被提出并加以研究。但由于常规的中子孔隙度测井的实验数据和解释模型均基于241Am-Be化学源，当D-T源与241Am-Be化学源中子孔隙度的测量结果相近时才能将过去地区资料进行有效利用，于是需要采取一些方法对使用D-T源时的测量结果加以校正。Ellis等［1］对随钻D-T中子孔隙度测井的结果加以分析，认为D-T源能量较高，提高了探测器粒子计数统计精度，但是其地层孔隙度灵敏度较化学源低。于华伟等［2-3］、张锋等［4］分析认为：D-T源对应的较低孔隙度灵敏度使其应用范围局限于较低孔隙度地层。于华伟等［5］、Liu等［6］使用蒙特卡罗模拟对随钻D-T中子孔隙度测井的中子减速过程、测量结果加以分析，提出了密度校正方法，用于改善地层孔隙度灵敏度和孔隙度测量精度。随着脉冲源测井仪器的不断成熟，改善处理方法使其测量结果与化学源结果更加兼容是脉冲源测井发展的必然趋势。

为了提高使用D-T可控源的随钻中子孔隙度测井的测量精度及与化学源的兼容性，本文基于研制的实验样机，在刻度井中建立孔隙度响应关系，然后通过蒙特卡罗模拟研究化学源和D-T源测井仪器在不同孔隙、岩性地层中的测井响应差异。并使用于华伟等提出的密度校正方法，建立随钻D-T可控源中子孔隙度校正方法，最后在实际井中进行对比验证。从而证实了基于D-T可控源的随钻中子孔隙度测井的测量精度和兼容性。

1 D-T与化学源中子孔隙度测井原理及校正方法

1.1 中子孔隙度测井原理及两种源的差异

早期的放射性中子孔隙度测井采用同位素中子源241Am-Be和两个3He管热中子探测器（分别为近探测器和远探测器）测量经地层慢化并散射回井眼的热中子，由于中子的能量主要集中于5 MeV以下，因此在地层运移过程中受到了氢的极强的减速作用，通过近、远探测器计数率的比值R能够确定地层含氢指数［7］。因为氢在多数情况下存在于地层孔隙内的流体中，所以含氢量与地层孔隙度密切相关，由此可进行地层孔隙度的测量。

利用D-T中子发生器替代同位素中子源241Am-Be进行中子孔隙度测量时，其所释放的为单能的14 MeV快中子，在中子能量和中子产额两方面皆高于同位素中子源241Am-Be，如图1所示。对应的，DT源中子孔隙度测井具有热中子分布范围大、热中子计数率高、统计精度高等优点，但241Am-Be化学源对于地层孔隙度的变化响应更加灵敏一些［8-10］。

图1 输出响应对应于能量的变化Fig.1 Output response vs.the change of energy

1.2 D-T源与化学源孔隙度差异校正

对于使用D-T源的中子孔隙度测井，D-T中子管向地层中释放14 MeV的快中子，由于该能量远高于组成地层常见元素（C、O、Si、Ca、H等）的非弹性散射阈能，因此快中子首先发生非弹性散射过程降低一部分能量，然后才以H元素的弹性散射过程为主，而这两个中子衰减过程分别与地层的密度和含氢指数两个参数相关［11-12］。而为了使D-T源孔隙度响应与Am-Be源接近，需要进行密度校正。

在忽略地层热中子吸收影响情况下，地层密度和含氢指数是热中子探测器响应的两个决定因素。则热中子探测器响应可以表示为［5］：

其中：CR对应热中子探测器响应；HI对应地层的含氢指数；ρ对应地层密度；α、β分别对应探测器关于含氢指数、密度的灵敏度指数。

经过密度校正后的近（NCRcor）、远（FCRcor）探测器响应则为［5］：

式中：NCR、FCR对应近、远热中子探测器的计数率；αnear、βnear、αfar和βfar对应经过多组近远探测器的模拟数据拟合得到的校正因子。校正后的探测器响应基本不再受到密度影响，而只与地层含氢指数有关。

利用密度校正后的近、远计数率，可以确定新的近远比R′为：

2 实验及蒙特卡罗数值模拟

2.1 仪器及计算模型

为了研究D-T中子孔隙度响应是否与化学源仪器结果相近，研制了使用D-T中子管的随钻测井仪器原理样机。仪器主要包括一个D-T中子发生器、两个3He中子探测器以及探测器之间的屏蔽体。近、远探测器选用两个大小和内部气压均不相同的3He中子计数管，其气压分别对应4.053×105Pa和10.132×105Pa，两个探测器的源距分别为35 cm和65 cm。另外，为了研究仪器在各种地层中的响应，本文还通过蒙特卡罗模拟软件（Monte Carlo NParticle Transport Code）建立了仪器的数值模型。仪器在刻度井中的刻度过程及MCNP模型如图2所示［13］。计算模型主要由地层、井眼、随钻中子测井仪器三部分构成，仪器装有探测器的一侧贴近井壁放置，井眼、地层中均充填淡水。模拟时使用MCNP中的通用源，抽样1×108个粒子，以保证模拟结果的统计精度。

图2 仪器和实验环境(a)及计算模型(b)Fig.2 Diagram of D-T instrument(a)and calculation model(b)

2.2 模拟与实验结果基准检测

为了研究仪器的响应规律，在已知孔隙度的石灰岩标准刻度井中，完成了随钻D-T中子孔隙度测井仪器的刻度实验工作。另外，本文还将随钻中子孔隙度测井仪的实测数据与蒙特卡罗模拟结果进行了对比，结果见图3。

如图3所示，使用D-T源的中子孔隙度测井的近远热中子探测器计数比值随着孔隙度的增大而增大，并且蒙特卡罗模拟结果与实验结果基本吻合。另外从图3可以看出：当孔隙度小于20%时，近远比随孔隙度变化幅度较大，而当孔隙度大于20%之后，近远比变化幅度降低，这表明当孔隙度较大时，D-T源中子孔隙度的近远比响应对孔隙度相对灵敏度降低。

图3 近远探测器计数比与孔隙度的响应关系Fig.3 Near-far detector count ratio changes with porosity

3 D-T孔隙度测井密度校正效果分析

根据第1部分的分析，D-T源中子孔隙度响应与241Am-Be源还有一定的差异。为了研究D-T源孔隙度响应与241Am-Be源的兼容性，需要模拟得到241Am-Be源在不同孔隙灰岩含水地层、泥岩中的近远比响应关系，与D-T源孔隙度响应校正前后的结果相比较，进而验证密度校正方法的有效性。

3.1 两种源中子孔隙度测井响应对比

根据校正前后随钻D-T源中子仪以及241Am-Be放射源通过蒙特卡罗方法建立仪器模型所得到的三个系列的数据，对比研究了三者在孔隙度0%～100%的灰岩含水地层和孔隙度为45%的铝土含水地层（代表高密度的泥岩）等不同情况下的近远比响应关系，此时为了便于对比三者响应之间的差异性，将其对应数据系列下孔隙度5%处的响应结果进行归一化处理，最终结果见图4。

图4 校正前后的近远比与孔隙度的响应关系Fig.4 Near to far ratios before and after correction changes with porosity

如图4所示，在不同孔隙灰岩含水地层情况下，相比于241Am-Be源的近远比响应曲线，未经过密度校正的D-T源的近远比响应结果与其存在较大差异，而将D-T源对应的测量数据经过校正处理后，可以发现两者在近远比响应关系上存在极好的相似性。而对于用孔隙度45%含水铝土地层代表的高密度泥岩，241Am-Be源、D-T源校正前后三种情况下所对应的数据点均位于各自的近远比响应曲线之外。将铝土地层的数据点对应到其各自情况的近远比响应曲线上，获得视石灰岩孔隙度大小，241Am-Be放射源对应的视石灰岩孔隙度为53%，未校正的DT源对应的视石灰岩孔隙度大于100%，已校正的DT源对应的视石灰岩孔隙度55%。已知地层实际孔隙度大小为45%，因此经过密度校正处理的D-T源仪器对应的中子孔隙度结果与241Am-Be所受铝土即泥岩影响均表现为低值，且两者响应相当接近；而D-T源仪器对应的原始测量结果已经失真，无法精确用于地层评价。通过对纯灰岩含水地层以及铝土含水地层这两种情况下近远比响应结果的分析研究，可以发现经过校正处理后D-T源与241Am-Be放射源的响应基本一致，即该密度校正方法的使用在改善D-T源测量数据方面具有一定意义。

3.2 实际测井数据处理对比和分析

除此之外，还利用某实验井进行了实际测井试验。由于在该井中进行过其它测井仪器的测量，资料齐全，其中就包括使用241Am-Be放射源的中子孔隙度及密度等测井数据。利用现有的某井的D-T源、241Am-Be放射源中子孔隙度测井仪器测量得到的近探测器和远探测器的计数率数值，然后根据近远比值与地层孔隙度的关系得到中子孔隙度测量结果。另外通过密度校正公式对D-T源仪器相应的探测器接收数据加以处理进而得到新的近远比值和中子孔隙度，最终利用Forward平台将上述数据进行测井曲线绘制。输出结果如图5所示，由于曲线过长无法进行全部展示，本文仅针对井段1 835.0～2 139.0 m的数据加以截取。

通过观察可得，图5所示输出结果共包括三类测井曲线，分别为自然γ曲线、密度曲线以及中子孔隙度曲线。其中自然γ曲线数值低处表示砂岩地层，数值高处表示泥岩。密度测井得到的是地层的视密度，近似为地层的真实密度值，可用于对D-T孔隙度进行密度校正。

图5 测井曲线对比Fig.5 Comparison of logging curves

由于本文仅针对密度校正是否能够有效改善D-T源仪器的中子孔隙度测量结果这一问题进行研究，因此分析重点会放在中子孔隙度曲线部分。其中第三和第四道中的实线是241Am-Be放射源对应的近远比所求的孔隙度值所绘制的测井曲线，第三道中的虚线是密度校正前D-T源对应的近远比值所绘制的测井曲线，第四道的虚线是密度校正后D-T源对应的近远比值所绘制的测井曲线。对比三条曲线可以发现，校正前的D-T孔隙度与化学源中子孔隙度结果之间存在一定的偏差，而密度校正后的结果与化学源测井曲线更加吻合。

以上结果在一定程度上验证了现有校正方法的有效性，数据改善效果比较直观、明显。

4 结果分析

本文通过仪器模型的数值模拟和利用现有仪器进行井下实际测量两种方式，得到D-T源和241Am-Be化学源的中子孔隙度测量数据，然后根据现有的密度校正方法对D-T源所测数据进行处理。在计算模型对应的模拟数据方面，D-T源原始数据的近远比响应结果和241Am-Be化学源之间存在较大差异，但是经过密度校正后，两者对应的响应关系吻合度较高；另外在基于现场测量得到的实际测井数据方面，同样能够观察到类似现象，D-T源经密度校正处理形成的测井曲线与241Am-Be化学源契合度较高，改善了原始数据的可应用度。综上所述，现有的密度校正方法对于校正D-T源中子孔隙度测量结果使其与241Am-Be化学源相似，进而兼容241Am-Be源已有的实验数据和解释模型等方面具有积极作用。