井径在随钻中子测井中的校正应用

2023-11-25王昊炜

今日自动化 2023年8期

王昊炜

（中海油田服务股份有限公司，河北燕郊 065201）

1 随钻中子测井和井径测量原理

孔隙度是对储集层进行评价时的基本参数，675型随钻中子测井仪采用热中子测井原理进行热中子探测和孔隙度实时测量。中子放射源源源不断释放快中子流，快中子流照射井下地层时，中子一般要经历减速、扩散、俘获这3个过程，携带地层孔隙度信息的热中子分布被安装在仪器钻铤内部的HE3中子探测器探测到，并由内部电路转化成电脉冲，以脉冲计数的形式用于数据记录和孔隙度计算。氢是对快中子的弹性散射和能量损失起到决定性作用的减速核素，利用快中子的这一特性可以进行地层孔隙度的定量分析。然而井眼环境中的泥浆密度、泥浆矿化度、井径及偏心距等因素的差别，也会不同程度地影响中子仪器对氢元素分布情况的探测结果和近源距探测器计数率与远源距探测器计数率的比值，进而影响真实孔隙度的测量。因此文章分析探讨某井实钻井作业中井径测量并参与地层真实孔隙度的数据校正的实际应用。

675型随钻中子测井仪使用3个超声井径测量探头分别测量各探头到井壁间的间隙距离，3个超声探头在仪器圆周上呈120°等角度分布。在实钻井作业中，由于钻具组合串刚进入新地层，被钻头打通的新地层井眼未收到挤压、侵蚀等影响而变形，因此可以认为此时井眼为规则圆形。基于超声波遇到不同介质反射的原理，3个超声探头发射的超声波遇到井壁时进行反射，反射波首波到达时间与探头到井壁上反射面的距离及传输介质（泥浆等）的声速有关。测量到首波到时后，结合当时条件下的声速，即可通过计算得到探头到反射面的距离。675型随钻中子测井仪在井眼中位置居中或偏心，即仪器轴心与井筒轴心存在位置偏移的情况下，都可以实时测量得到当前井径尺寸和偏心距。

2 井径校正的必要性

675型随钻中子测井仪外径为17.145 cm，为获得视石灰岩孔隙度测量值，需要在石灰岩标准井群中进行仪器一级刻度确定孔隙度计算参数。在刻度时，石灰岩井井径尺寸为21.59 cm，仪器安装中子源后下放至仪器测量点在井中固定高度位置，仪器在井眼中居中放置，井内和地层孔隙中充满淡水，在常温一个大气压下进行一级刻度。在实钻井作业中，刻度状态中的淡水被泥浆取代，井眼环境中的含氢量、含氯量均有所改变。随着实钻作业中井径尺寸、仪器偏心距的不断变化，刻度状态中的固定井径环境改变。在井径扩大时，仪器与地层间的泥浆层增厚，泥浆的含氢量比地层高，因此在井径扩大时测井的视中子孔隙度大于地层实际孔隙度，因此通过对实时测量孔隙度数据针对上述因素进行校正，可保证测量孔隙度的准确性。

3 中子孔隙度的井径参数校正

在随钻中子仪器设计阶段，使用蒙特卡洛进行模拟仿真实验，建立以下实验模型：仪器实验地层为石灰岩，岩石孔隙度分别为0 pu、5 pu、10 pu、15 pu、20 pu、25 pu、30 pu、35 pu、40 pu、45 pu、50 pu，仪器直径为17.145 cm。仪器居中测量，井眼间隙中均为淡水，探测器的长短源距分别为59.2 cm、24.6 cm。在模拟井眼井径校正时，只改变井径这一种影响因素条件下模拟测井仪对不同孔隙度地层的响应。

图1 为改变井径（Borehole Diameter，图中缩写为BD，BD 下划线后的数字为井径值，单位为mm）时测井仪的响应。

图中数据点为不同井径和不同孔隙度下的模拟结果。利用二阶多项式拟合可以得到不同井径下测井仪的响应：

式中，p为方程的拟合参数，porosity 为岩石孔隙度。其中标准井径（21.59 cm）下，测井仪的响应为：

在某一特定地层孔隙度下，根据式（1）可以得到不同尺寸井径下随钻中子测井仪的近源距探测器计数率与远源距探测器计数率的比值。将该比值代入式（2）中求解可得地层孔隙度计算值。由这些列井径和孔隙度计算值绘制的曲线即为井径校正曲线。其表征着当井径变化时，孔隙度计算值的变化趋势。计算多个地层孔隙度下的井径校正曲线，即可得到井径校正图版，如图2所示。受模拟点个数及统计误差的影响，图中数据点存在一定误差，采用最小二乘法拟合可得到一条相对平滑的曲线。

由图2可知，当地层真孔隙度一定时，视中子孔隙度随着井眼直径增大而增大；当井眼直径一定时，地层真孔隙度越大，测得的视中子孔隙度就越大。当地层真孔隙度越大时，随井眼直径的增大，视孔隙度与真孔隙度的差值也越大。因此在随钻中子测井中，遇到井眼直径与刻度井直径有较大差异时，必须进行井眼校正，以得到比较真实的地层孔隙度。

对图2中的坐标点进行公式拟合，得到中子测井值的井径影响校正公式。

式中，k0、k1和k2为待定系数，具体取值见表1；BD为井径，cm。

表1 井径校正图版曲线拟合参数

使用上述图版校正方法工作量极大且人为处理数据误差较大，实井作业中通常采用软件处理方式对中子孔隙度进行井径尺寸校正。通过井径校正图版得到井径校正孔隙度的经验公式，在实井作业中使用数据处理软件实现井径经验公式校正孔隙度，提高数据的准确性和实时性。利用表1中的公式确定校正后的孔隙度是图版查找确定的软件实现。

4 作业中的井径校正孔隙度实例分析

以某井实钻作业为例，本次作业使用675型4条线随钻伽马电阻率、中子密度仪器，主要目的层测量井段为1 108～1 308 m。在确定井口仪器串组合、仪器串插电测试正常后，安装中子密度放射源，仪器下钻进行作业。中子仪器在套管中的数据采集、传输正常，仪器探测器激励工作高压正常，此时在套管内的井径测量值为23.622 cm。

由于随钻中子仪器内部井径控制电路单元对井径测量值的计算采用在淡水中的超声波传输速率为参数，当超声波在泥浆比重为1.70 g/cm3，泥浆矿化度为22 000×10-6的泥浆介质中传输时，所测井径值与真实套管内径存在偏差，因此利用套管内径作为标准，超声井径进行加减校正。本次作业井径测量值比真实套管内径大4.953 cm，在本次作业后续的钻进作业中，把套管内井径测量偏差值4.953 cm 作为井径测量真实值的校正因数，得到实时井径测量真实值，通过实时井径测量真实值对视孔隙度进行校正。

作业结束后读取随钻中子仪器内存数据进行分析，在套管和新地层中井径测量工作正常稳定，所测真实井径值略大于钻头直径尺寸，对测井资料中中子孔隙度数据进行资料分析，处理现场测井数据，经过井径校正后的孔隙度数值与未经井径校正的孔隙度数值相比有明显的改善，并且与临井孔隙度曲线相对比吻合较好。具体处理前后比较结果如图3所示。