葛云龍,駱慶鋒,趙鵬飛,陳輝,賀柳瓊,王虎

(1.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司測(cè)井技術(shù)研究院,陜西西安710077;2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司測(cè)井技術(shù)試驗(yàn)基地,陜西西安710077;3.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司長(zhǎng)慶分公司,陜西西安710054)

0 引 言

目前,中國(guó)大部分油田已進(jìn)入開發(fā)中后期,低產(chǎn)層、超薄油層等儲(chǔ)層的勘探開發(fā)對(duì)增儲(chǔ)上產(chǎn)具有重要意義[1-4]。西南油氣田、塔里木油田等低孔隙度碳酸鹽巖儲(chǔ)層需精確評(píng)價(jià)地層孔隙度,長(zhǎng)慶頁(yè)巖氣油田、渤海灣油田需定量評(píng)價(jià)地層孔隙度,從而準(zhǔn)確計(jì)算儲(chǔ)集層油氣含量、可動(dòng)油氣等地質(zhì)參數(shù)。目前,電纜測(cè)井工藝(濕接頭、泵送、泵出)在復(fù)雜水平井施工中存在較高安全風(fēng)險(xiǎn),經(jīng)常發(fā)生儀器遇阻、遇卡,大部分油田已放棄利用傳統(tǒng)方法對(duì)地層孔隙度進(jìn)行測(cè)量[5-6]。隨鉆鉆后通井測(cè)量作為較安全的測(cè)井方式已經(jīng)在各個(gè)油田區(qū)塊小規(guī)模應(yīng)用。中子孔隙度測(cè)井是評(píng)價(jià)地層孔隙度的主要方法之一,早期的隨鉆核測(cè)井技術(shù)(補(bǔ)償密度中子測(cè)井儀與方位中子密度測(cè)井儀)都采取銫137放射性源和Am-Be中子源進(jìn)行測(cè)井[7]。由于放射性源存在環(huán)境污染等潛在問題,利用相關(guān)的工具或技術(shù)替換放射性源,一直是放射性測(cè)井的研究重點(diǎn)[8]。30多年來,石油工業(yè)一直在研究放射性源的非核替代品。目前,應(yīng)用最廣泛的非核替代品為氘氚(D -T)中子發(fā)生器,該發(fā)生器在非工作時(shí)間不具有放射性,其源強(qiáng)高于Am-Be源10倍,但氘氚中子發(fā)生器中源的造價(jià)較高,工作時(shí)間較短,使測(cè)井成本增加[9]。斯倫貝謝公司推出的Ecoscope與Neoscope這兩代隨鉆孔隙度測(cè)井儀均利用D -T源進(jìn)行測(cè)井[10-11],由于D -T源能量較高、孔隙度靈敏度低,D -T源中子孔隙度測(cè)井響應(yīng)受巖性與泥質(zhì)的影響較大,且測(cè)量的D -T源中子孔隙度一般高于Am-Be源中子孔隙度,因此,需結(jié)合其他測(cè)量參數(shù)對(duì)D -T源中子孔隙度進(jìn)行校正。早在1934年就有學(xué)者發(fā)現(xiàn)氘氘反應(yīng)可產(chǎn)生中子[12]。氘氘(D -D)中子發(fā)生器產(chǎn)生能量為2.45 MeV的快中子,相比于氘氚中子發(fā)生器,其成本更低、壽命更長(zhǎng)。氘氘中子發(fā)生器一直是中子管研發(fā)的主要方向,早期基于潘寧離子源的氘氘中子管的中子產(chǎn)額為1×106n/s,而Am-Be源的中子產(chǎn)額為2×107～4×107n/s,D -T源的中子產(chǎn)額為1×108n/s[13]。雖然早期D -D源的中子強(qiáng)度很低,不適合動(dòng)態(tài)測(cè)井,但有關(guān)學(xué)者認(rèn)為隨著中子發(fā)生器離子源技術(shù)的發(fā)展,D -D中子源補(bǔ)償中子測(cè)井可以得到廣泛應(yīng)用[14]。近些年射頻離子源代替潘寧離子源是中子發(fā)生器改進(jìn)的主要方式,基于射頻源中子發(fā)生器的中子產(chǎn)額可提高10倍,并且功耗更低[15]。

1 隨鉆D -D源中子孔隙度測(cè)井仿真模型

蒙特卡羅程序(Monte Carlo N Particle Transport Code,MCNP)是一種模擬中子、光子和電子在三維模型中輸運(yùn)過程的程序[16]。本文基于蒙特卡羅方法建立隨鉆D -D源中子孔隙度測(cè)井仿真模型并開展研究。仿真模型中儀器直徑為19.000 cm,采用D -D中子源,中子源能量為2.45 MeV;近探測(cè)器的源距為35 cm,靈敏區(qū)長(zhǎng)度為16.7 cm,探測(cè)器半徑為1.215 cm,內(nèi)充10個(gè)大氣壓的3He氣體,密度為1 345×10-6g/cm3;遠(yuǎn)探測(cè)器的源距70 cm,由2個(gè)3He管組成,其尺寸與材料和近探測(cè)器一致;儀器貼井壁偏心測(cè)量,井眼內(nèi)為淡水,淡水密度為1 g/cm3;環(huán)境溫度為25 ℃,環(huán)境壓力為0.1 MPa。

2 孔隙度靈敏度

2.1 不同中子源孔隙度靈敏度對(duì)比

中子源的能量是影響中子孔隙度測(cè)井靈敏度的主要因素之一,一般中子源能量越高,測(cè)井靈敏度越低。靈敏度是指當(dāng)?shù)貙涌紫抖雀淖儐挝豢紫抖葧r(shí)中子比改變的相對(duì)幅度[見式(1)]。

(1)

式中,S為中子比對(duì)孔隙度的靈敏度,%;φ為地層孔隙度,p.u.;R為中子比。

測(cè)井靈敏度越高,測(cè)井響應(yīng)變化幅度越大。但在實(shí)際應(yīng)用中,測(cè)井響應(yīng)變化小一直是制約致密地層測(cè)井解釋準(zhǔn)確性的主要因素。靈敏度的高低直接影響致密地層孔隙度的計(jì)算精度?；诜抡婺Ｐ?對(duì)隨鉆D -D源中子孔隙度測(cè)井的靈敏度進(jìn)行研究。

將地層骨架設(shè)為石灰?guī)r,地層孔隙內(nèi)流體為淡水,模擬不同孔隙度下D -D源的測(cè)井響應(yīng)曲線,并與其他中子源的測(cè)井響應(yīng)曲線作對(duì)比(見圖1)。圖1中D -D源、Am-Be源與D -T源測(cè)井響應(yīng)均采用相同的仿真模型,僅改變中子源能量條件,進(jìn)行測(cè)井響應(yīng)特征對(duì)比。由圖1可知,利用D -D源測(cè)量的中子比的變化幅度更大。這是由于D -D源能量較低,近探測(cè)器源距較短,中子源能量較高的D -T源與Am-Be源發(fā)射的快中子未充分減速,D -D源近探測(cè)器計(jì)數(shù)略高于D -T源與Am-Be源;遠(yuǎn)探測(cè)器源距較長(zhǎng),快中子可充分減速,當(dāng)?shù)貙訙p速能力較高時(shí),遠(yuǎn)探測(cè)器計(jì)數(shù)與中子源能量成正比關(guān)系,D -D源遠(yuǎn)探測(cè)器在中高孔隙度地層的計(jì)數(shù)小于D -T源與Am-Be源計(jì)數(shù)。

圖1 不同中子源測(cè)井響應(yīng)對(duì)比

利用式(1)計(jì)算不同中子源的孔隙度靈敏度。由計(jì)算結(jié)果可知,D -D源孔隙度靈敏度高于D -T源與Am-Be源;在低孔隙度地層,D -D源孔隙度靈敏度是D -T源的1.3倍,是Am-Be源的1.1倍;在高孔隙度地層,D -D源孔隙度靈敏度是D -T源的5倍,是Am-Be源的1.7倍。隨鉆D -D源中子孔隙度測(cè)井相比于其他中子源孔隙度測(cè)井具有更高的孔隙度靈敏度。

2.2 D -D源與改進(jìn)的D -T源孔隙度靈敏度對(duì)比

斯倫貝謝公司的兩代隨鉆D -T源中子孔隙度測(cè)井儀Ecoscope和Neoscope均采用與其他測(cè)井參數(shù)結(jié)合的方式校正可控源中子孔隙度,使其與化學(xué)源中子孔隙度一致。Ecoscope組合了化學(xué)源隨鉆密度測(cè)井儀與隨鉆D -T源中子孔隙度測(cè)井儀,利用密度測(cè)井測(cè)量的參數(shù)對(duì)遠(yuǎn)探測(cè)器計(jì)數(shù)率進(jìn)行校正,使D -T源中子孔隙度與化學(xué)源中子孔隙度一致。Neoscope為可控源一體化隨鉆測(cè)井儀,可同時(shí)測(cè)量密度、中子孔隙度、中子壽命與地層元素,除利用密度測(cè)井對(duì)中子比進(jìn)行校正,還可直接結(jié)合脈沖期間伽馬計(jì)數(shù)比等參數(shù)校正D -T源中子孔隙度,使其與化學(xué)源中子孔隙度一致。同一含氫指數(shù)條件下,不同密度與中子比的關(guān)系可用二次多項(xiàng)式表示

(2)

式中,k1、k2、k3為系數(shù);ρ為地層密度,g/cm3;Rc為基于地層密度修正后的中子比。

將隨鉆D -D源中子孔隙度測(cè)井與改進(jìn)的隨鉆D -T源中子孔隙度測(cè)井的孔隙度靈敏度進(jìn)行對(duì)比。如表1所示,在低孔隙度地層,改進(jìn)的D -T源的孔隙度靈敏度略高于D -D源;在高孔隙度地層,D -D源的孔隙度靈敏度略高于改進(jìn)的D -T源。整體而言,D -D源的孔隙度靈敏度與改進(jìn)的D -T源的孔隙度靈敏度相近。

表1 D -D源與改進(jìn)D -T源中子孔隙度測(cè)井的孔隙度靈敏度

3 探測(cè)特性

3.1 徑向探測(cè)特性

基于蒙特卡羅方法,研究在D -D源、Am-Be源與D -T源條件下隨鉆中子孔隙度測(cè)井儀器的徑向探測(cè)深度。選取孔隙度為0和40 p.u.的石灰?guī)r地層,改變地層徑向距離,得到徑向幾何因子(見圖2),圖2中橫坐標(biāo)為0的位置代表井壁位置。

圖2 不同中子源徑向探測(cè)深度對(duì)比

徑向探測(cè)深度通常定義為地層貢獻(xiàn)率占探測(cè)器總計(jì)數(shù)的90%時(shí)的徑向距離。由圖2可知,不同中子源的徑向探測(cè)深度相近,受中子源影響較小。中子孔隙度測(cè)井的徑向探測(cè)深度受源距與地層減速能力的影響。源距越大徑向探測(cè)深度越高,以純石灰?guī)r地層為例,遠(yuǎn)探測(cè)器的徑向探測(cè)深度為26 cm,近探測(cè)器的徑向探測(cè)深度為21 cm;地層減速能力越強(qiáng)徑向探測(cè)深度越低,以遠(yuǎn)探測(cè)器為例,在純石灰?guī)r地層中徑向探測(cè)深度為26 cm,在孔隙度為40 p.u.的飽含水石灰?guī)r地層中徑向探測(cè)深度為16 cm。

3.2 縱向探測(cè)特性

基于蒙特卡羅方法,研究在D -D源、Am-Be源與D -T源條件下隨鉆中子孔隙度測(cè)井儀器的縱向分辨率。選取孔隙度為0和40 p.u.的石灰?guī)r地層,改變軸向距離,得到縱向微分幾何因子(見圖3),圖3中橫坐標(biāo)為0的位置代表中子源位置。

圖3 不同中子源縱向分辨率對(duì)比

縱向分辨率定義為縱向微分幾何因子的半幅點(diǎn)軸向距離。從圖3中可以看出,不同中子源的縱向分辨率相近,受中子源影響較小。對(duì)于純石灰?guī)r地層,遠(yuǎn)探測(cè)器的縱向分辨率為72 cm,近探測(cè)器的縱向分辨率為47 cm。對(duì)于孔隙度為40 p.u.的飽含水石灰?guī)r地層,遠(yuǎn)探測(cè)器的縱向分辨率為70 cm,近探測(cè)器的縱向分辨率為45 cm。相比于徑向探測(cè)深度,中子孔隙度測(cè)井的縱向分辨率僅與源距有關(guān),與地層減速能力無關(guān)。

4 測(cè)井速度

測(cè)井速度(簡(jiǎn)稱測(cè)速)是制約D -D源廣泛應(yīng)用的主要原因。早期的D -D中子發(fā)生器產(chǎn)額低,只適用于靜態(tài)測(cè)井,不適合動(dòng)態(tài)測(cè)井。一般為了降低統(tǒng)計(jì)誤差的影響,中子產(chǎn)額越低,測(cè)速越慢。測(cè)井時(shí)靶壓一般為9 kV,D -D源中子產(chǎn)額1.7×106n/s。隨著中子發(fā)生器技術(shù)發(fā)展,在相同靶壓下,射頻源中子發(fā)生器可將中子產(chǎn)額提高10倍左右,增加了D -D中子發(fā)生器進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)井的可能性?；诿商乜_方法得到中子源發(fā)射一個(gè)快中子最終被探測(cè)器記錄的概率,結(jié)合中子產(chǎn)額,得到不同中子源條件下的探測(cè)器計(jì)數(shù)率。測(cè)速一般根據(jù)遠(yuǎn)探測(cè)器計(jì)數(shù)率設(shè)置,計(jì)數(shù)率越小,測(cè)速越慢,模擬純石灰?guī)r地層在不同孔隙度下不同中子源的遠(yuǎn)探測(cè)器計(jì)數(shù)率,如圖4所示。

圖4 不同中子源條件下的遠(yuǎn)探測(cè)器計(jì)數(shù)率

測(cè)速需滿足中子統(tǒng)計(jì)誤差的要求,統(tǒng)計(jì)誤差與計(jì)數(shù)率有關(guān),計(jì)數(shù)率越大,統(tǒng)計(jì)誤差越小。在相同的儀器結(jié)構(gòu)下,將基于射頻源的D -D中子發(fā)生器測(cè)量的計(jì)數(shù)率與其他中子源條件下測(cè)量的計(jì)數(shù)率作對(duì)比,地層孔隙度為4 p.u.時(shí)Am-Be源的計(jì)數(shù)率為0.6 cps,是基于射頻源的D -D源計(jì)數(shù)率的3倍。為滿足統(tǒng)計(jì)誤差要求,基于射頻源的隨鉆D -D源中子孔隙度測(cè)井速度需約為Am-Be源中子孔隙度測(cè)井速度的三分之一。

5 優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于D -D源的中子產(chǎn)額低,對(duì)于孔隙度為4 p.u.的地層,在相同源距下Am-Be源的計(jì)數(shù)率約為D -D源計(jì)數(shù)率的3倍。探測(cè)器計(jì)數(shù)率除了受中子產(chǎn)額的影響,還與源距、探測(cè)器參數(shù)有關(guān)。一般計(jì)數(shù)率與探測(cè)器尺寸和探測(cè)器氣壓成正比,與源距成反比。為提高遠(yuǎn)探測(cè)器計(jì)數(shù)率,研究不同源距、不同探測(cè)器尺寸、不同探測(cè)器氣壓對(duì)探測(cè)器計(jì)數(shù)率的優(yōu)化效果,實(shí)現(xiàn)隨鉆D -D源中子孔隙度測(cè)井儀關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)。

圖5為不同源距下D -D源的遠(yuǎn)探測(cè)器計(jì)數(shù)率,以源距為70 cm的Am-Be源中子孔隙度測(cè)井儀器為參考。圖5中當(dāng)遠(yuǎn)探測(cè)器源距縮短至61 cm時(shí),D -D源的遠(yuǎn)探測(cè)器計(jì)數(shù)率與Am-Be源的計(jì)數(shù)率相近。但縮短源距會(huì)導(dǎo)致中子比對(duì)孔隙度的靈敏度下降。由圖6可知,當(dāng)遠(yuǎn)探測(cè)器源距為67 cm時(shí),D -D源的孔隙度靈敏度與Am-Be源的相近。因此,為提高計(jì)數(shù)率同時(shí)保證孔隙度靈敏度,探測(cè)器源距最好為65～67 cm,對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)率可提高1.4～1.9倍。

圖5 不同源距下遠(yuǎn)探測(cè)器計(jì)數(shù)率

圖6 不同源距下中子比

可通過增大探測(cè)器橫截面積與探測(cè)器氣壓,進(jìn)一步提高計(jì)數(shù)率。以探測(cè)器氣壓1 atm(1)非法定計(jì)量單位,1 atm=101 325 Pa;1 in=2.54 cm,下同為標(biāo)準(zhǔn),將不同探測(cè)器氣壓下的計(jì)數(shù)率與其作對(duì)比,探測(cè)效果如表2所示,隨著探測(cè)器氣壓的升高,探測(cè)器計(jì)數(shù)率增大。由于鉆鋌壁厚的限制,探測(cè)器直徑分別設(shè)為1.0、1.1、1.2 in*,以1.0 in探測(cè)器計(jì)數(shù)率為標(biāo)準(zhǔn),1.1 in與1.2 in探測(cè)器計(jì)數(shù)率分別提高了9%與20%,計(jì)數(shù)率隨探測(cè)器尺寸增大而增大。

表2 探測(cè)器氣壓對(duì)探測(cè)效果影響

以Am-Be源中子孔隙度測(cè)井儀器為參考進(jìn)行源距與探測(cè)器參數(shù)優(yōu)化,該儀器的遠(yuǎn)探器氣壓為10 atm,探測(cè)器直徑為1.0 in。由表2可知,當(dāng)儀器探測(cè)器氣壓為20 atm時(shí),其計(jì)數(shù)率比氣壓為10 atm時(shí)的計(jì)數(shù)率提高1.2倍。探測(cè)器尺寸與探測(cè)器計(jì)數(shù)率成正比,當(dāng)探測(cè)器尺寸為1.2 in,計(jì)數(shù)率提高1.2倍。通過優(yōu)化源距、探測(cè)器氣壓與尺寸可提高計(jì)數(shù)率,從而提高測(cè)速。對(duì)于隨鉆D -D源中子孔隙度測(cè)井儀器,當(dāng)探測(cè)器氣壓為20 atm,探測(cè)器直徑為1.2 in,源距為65～67 cm時(shí),探測(cè)器計(jì)數(shù)率可提高2.0～2.8倍,與Am-Be源計(jì)數(shù)率相近。

6 結(jié) 論

(1)隨鉆D -D源中子孔隙度測(cè)井具有更高的孔隙度靈敏度,與結(jié)合其他參數(shù)改進(jìn)后的隨鉆D -T源中子孔隙度測(cè)井靈敏度相近。

(2)隨鉆中子孔隙度測(cè)井的徑向探測(cè)深度與中子源能量無關(guān),主要與源距和地層減速性質(zhì)有關(guān)。在不同中子源和不同地層孔隙度條件下,隨鉆中子孔隙度測(cè)井的縱向分辨率相近,隨鉆中子孔隙度測(cè)井的縱向分辨率主要與源距有關(guān)。

(3)相同儀器結(jié)構(gòu)條件下,當(dāng)?shù)貙涌紫抖葹? p.u.時(shí),镅鈹源的計(jì)數(shù)率是基于射頻源的D -D源計(jì)數(shù)率的3倍,可通過優(yōu)化源距、探測(cè)器氣壓與尺寸提高計(jì)數(shù)率,使其與镅鈹源計(jì)數(shù)率相近,提高測(cè)速。