鄭華,孫亮,鄧茜珊,張靜,周玉婷,徐翠

(1.中國石油大慶油田有限責任公司測試技術服務分公司,黑龍江大慶163453;2.中國石油大慶油田有限責任公司勘探開發(fā)研究院,黑龍江大慶163712)

0 引 言

脈沖中子測井技術是在套管井中評價儲層剩余油氣的一種重要技術,大慶油田測試分公司研發(fā)的脈沖中子全譜測井儀(Pulsed Neutron Spectral Tool,PNST)已在實際生產(chǎn)中得到廣泛應用[1-2]。通過采集不同源距伽馬探測器的非彈總譜(混有一定俘獲成分的中子爆發(fā)時段能譜)、俘獲能譜、時間譜和中子探測器的時間譜,PNST集地層元素、碳氧比、氯能譜、中子壽命等多種測井功能于一體,可用于地層巖性、物性、含油氣性和脆性的研究。PNST分多種型號,常用的型號有:傳統(tǒng)PNST(外徑89 mm,2個BGO伽馬探測器和1個3He熱中子探測器)[3]、PNST-L(外徑89 mm,2個LaBr3伽馬探測器)、PNST-3D(外徑54 mm,3個BGO伽馬探測器)[4]、PNST-E(帶硼套,外徑98 mm,2個BGO伽馬探測器)[5]等。

為了使各種型號的PNST在不同井眼條件、地層條件下都能獲得良好的應用效果,需要通過蒙特卡羅模擬[6],表征其主要測井曲線對元素與礦物含量、孔隙度、飽和度等地層參數(shù)的響應,以及測井響應受完井和地層條件變化的影響,建立相應的解釋模型和圖版,并獲得準確的模型參數(shù)。通用蒙特卡羅模擬軟件包處理三維復雜幾何結構中的中子-光子-電子耦合輸運問題的能力較強。前人研究表明,利用通用軟件包開展PNST測井響應模擬,能夠保證研究結果的準確性,獲得的測井解釋模型和模型參數(shù)具有良好的實用效果[4-5,7-9]。由于蒙特卡羅模擬實現(xiàn)復雜,非專業(yè)人員應用困難,為了方便、快速、準確地表征PNST的測井響應,有必要設計一套PNST測井響應數(shù)值模擬平臺,針對設定的井眼和地層條件,通過人機交互,實現(xiàn)自動建模、快速運算和解釋圖版的便捷制作。

1 總體設計思路

PNST數(shù)值模擬平臺的設計思路:反復調用通用軟件包進行模擬計算,著重解決人工編制輸入文件和從輸出文件中提取測井信息的工作繁雜易錯、通用軟件包模擬伽馬探測器能譜的時效較低等問題。輸入文件主要定義系統(tǒng)中各柵元的幾何形狀和填充材料,以及問題類型、源描述、材料描述、計數(shù)描述、問題截斷條件等。通過對柵元幾何形狀和填充材料的批處理修改,可實現(xiàn)對不同井眼或地層條件的定義,生成一系列必需的輸入文件。按需模擬計算后,從系列輸出文件中分別讀取能譜或時間譜,并開展后續(xù)處理。利用通用蒙特卡羅模擬軟件包直接模擬伽馬探測器能譜時,會對每個進入探測器晶體的光子都分別跟蹤電子能量沉積分布,做大量的重復工作,效率較低。改進的方案是采用接續(xù)計算方法:先計算一次256種不同單能入射光子的探測器能譜(稱為探測器響應矩陣),再采用把256道探測器表面流量能譜與探測器響應矩陣做卷積的方法模擬探測器能譜[10-11],從而節(jié)省大量時間,提高計算時效。

PNST數(shù)值模擬平臺設計5種功能(見圖1):①選定PNST型號、按井眼與地層條件的變化范圍批處理生成輸入文件;②按標準流程模擬PNST能譜和時間譜;③批處理輸出文件集,提取能譜、時間譜以及相關測井參數(shù);④提供便于比對模擬譜與實測譜的工具;⑤提供制作測井解釋圖版、研究與干重有關的元素標準譜庫和提取元素相對靈敏度參數(shù)[5]、處理探測器響應矩陣[11]和研究幾何因子(縱向分辨率和徑向探測深度)[12]的工具等。

圖1 PNST測井響應數(shù)值模擬平臺主要功能

圖2 PNST測井響應數(shù)值模擬平臺的開發(fā)階段流程圖

PNST數(shù)值模擬平臺的開發(fā)經(jīng)歷了2個階段(見圖2)。①基準模型的建立和校驗:根據(jù)PNST系列測井儀的實際結構參數(shù)(按照實際測井儀1∶1尺寸模擬)和工作模式(中子爆發(fā)時序以及各探測器采集能譜和時間譜的測量方式),建立測井儀模型,設定與實體實驗相同的一系列井眼條件和地層參數(shù),計算探測器表面流量能譜和時間譜;根據(jù)實際結構建立探測器模擬模型,計算探測器響應矩陣;把探測器表面流量能譜與探測器響應矩陣做卷積,模擬探測器能譜;前人研究分別對PNST系列測井儀的能譜和時間譜的模擬模型進行過基準校驗[5,7,9],本研究通過對比各型號儀器的實測與模擬時間譜和能譜,再次對模型進行基準校驗,確保了建模的準確性。②模型的應用:將模型分解成模型構件、幾何尺寸、材料填充等部分,固化校驗過的時間譜和能譜基準模型的測井儀部分,根據(jù)待表征井眼和地層條件調參,組合拼裝成新模型,機器編寫相應數(shù)值模擬輸入文件;利用新建的模型,研究PNST系列測井儀時間譜和能譜響應規(guī)律,涉及數(shù)值模擬、數(shù)據(jù)處理和測井參數(shù)提取、解釋圖版建立等過程。

2 關鍵問題解決措施與效果

2.1 準確性

經(jīng)刻度井實測數(shù)據(jù)校驗,建立PNST測井時間譜和能譜的標準模擬流程。時間譜的標準模擬流程:①根據(jù)測井時序,充分顧及前幾次中子爆發(fā)后快中子慢化和熱中子擴散的影響,反復累加重復時序下時間譜計數(shù)(累加時長應大于地層中子壽命的5倍,平臺默認對碳氧比和中子壽命測井時序分別累加15個100 μs周期和2個1 000 μs周期),形成模擬時間譜;②按參考文獻[13]的方法預處理實測時間譜,對實測時間譜進行死時間校正;③針對具有實測條件的情況,對比歸一化后的實測譜與模擬譜,確保二者的一致性;④模擬其他條件的時間譜。

能譜的標準模擬流程[14]:①根據(jù)測井時序,反復累加重復時序下能譜計數(shù)(默認累加15個100 μs周期),形成非彈和俘獲探測器表面流量能譜;②將探測器表面流量能譜與探測器響應矩陣做卷積,形成帶有探測器效應的非彈和俘獲能譜;③針對具有實測條件的情況,對比歸一化后的實測譜與模擬譜;④對模擬譜進行展寬和效率校正,確保實測譜與模擬譜的一致性;⑤模擬其他條件的能譜。

為了提高模擬能譜與實測能譜的相似程度(決定系數(shù)),采取了3種措施。①采用點源和平行源這2套探測器響應矩陣[11]。由于伽馬射線入射角度影響探測器能譜形態(tài)(主要是影響峰康比和全能峰效率),因此,采用這2種極端角度入射的探測器響應矩陣,分別對探測器表面流量能譜做卷積,獲得2幅能譜;用這2幅能譜對實測能譜解譜,確定混譜系數(shù),后續(xù)對中子慢化長度和擴散長度大致相同的井眼和地層采用相同的混譜系數(shù)。通過處理刻度井實測數(shù)據(jù)得知,在油或水飽和孔隙度為16%～34%的石英砂巖的各種地層情況下,混譜系數(shù)均接近,且PNST遠、近伽馬探測器的響應分別更偏向平行源和點源。②對應于高分辨率實測能譜,采用2套系數(shù)展寬模擬能譜并混譜[14],模擬實測能譜中存在的閃爍晶體本征量子效應和譜分析電路基線抖動、彈道虧損等效應所致的兩類能譜展寬。③效率刻度[14]:通過對比實測與模擬能譜,對每種探測器制作效率刻度曲線,用以反映探測器效率隨伽馬能量升高而降低的規(guī)律,對模擬能譜逐道進行效率校正。

模擬與實測能譜和時間譜的對比示例見圖3,實驗條件是:井筒內清水,壁厚7.72 mm、外徑139.70 mm的J55鋼級石油套管,厚30.00 mm、密度1.95 g/cm3的G級固井水泥環(huán),淡水飽和孔隙度為20.4%的石英砂巖地層。除了非彈凈譜(由非彈總譜減一定比例俘獲能譜獲得)高能段實測計數(shù)率偏高(由譜分析電路脈沖堆積導致、目前測井資料處理中暫不利用這段能譜數(shù)據(jù))之外,總體上模擬與實測非彈凈譜、俘獲能譜、時間譜都符合較好。利用刻度井實測數(shù)據(jù)對模擬模型做基準校驗,模擬與實測能譜和時間譜的決定系數(shù)R2均大于0.995(見表1),并且在油或水飽和孔隙度為16%～34%的石英砂巖的10種地層情況下,實測與模擬C/O值的相對標準偏差均小于1.5%,實測與模擬RCAP(近遠俘獲計數(shù)比)、RIN(近遠非彈計數(shù)比)值的相對標準偏差均小于3.0%,說明數(shù)值模擬基本能反映真實測井情況[7,9]。當現(xiàn)場遇到新的井眼和地層條件時,可按實際條件修改模擬模型,通過數(shù)值模擬,制作實用的新解釋圖版,獲得相應解釋軟件模塊中的解釋參數(shù),用于實測資料的處理解釋。

圖3 模擬譜與實測譜對比示例

表1 3種型號PNST的模擬譜與實測譜的決定系數(shù)R2

2.2 時效性

蒙特卡羅模擬通過跟蹤大量粒子的運動狀態(tài)獲得總體統(tǒng)計規(guī)律,為使模擬結果具有較高的精度(即較小的統(tǒng)計方差),需花費較長的模擬時間。采取接續(xù)計算、蒙特卡羅方差減小技術、并行處理等措施,能有效提高數(shù)值模擬的時效性。基準模型的模擬結果顯示,探測器表面流量能譜的平均計算時效是探測器能譜的4.7倍。由于用于卷積的探測器響應矩陣是事先制作好的,因而接續(xù)計算可以大幅度提高時效。此外,直接模擬探測器能譜時,通用軟件包并不支持某些有效的方差減小技術(如柵元重要性技巧),難以提高模擬效率;而只計算探測器表面流量能譜時,能方便地運用通用軟件包提供的各種蒙特卡羅方差減小技術,從而提高模擬效率。

建模時,采用模型柵元剖分(遵循柵元尺寸不超粒子平均徑跡長度的原則,以利于柵元界面處的粒子數(shù)分裂和俄羅斯輪盤賭)、控制更多粒子朝探測器的方向輸運(以柵元重要性、與位置和能量相關的權窗這2種蒙特卡羅技術實現(xiàn))和點探測器技術(一種部分確定性蒙特卡羅技術)等方差減小技術。算例對比表明,為使0.52～8.89 MeV、242道能譜的每道統(tǒng)計方差均小于0.07%,運用和不運用上述技術時,分別需要400 min和3 500 min的總CPU時間,運用上述技術后模擬效率可再提高7.7倍;對比結果還表明,運用上述技術后的模擬結果是無偏的。

為進一步提高計算時效,在多核服務器上開展了蒙特卡羅模擬并行計算。目前使用的服務器有90個虛擬CPU,與新型商用8核微機并行計算相比,計算時效提高15倍以上。

目前,應用PNST測井響應數(shù)值模擬平臺收集新井眼與地層條件參數(shù)后,8 h內可完成包含1種巖性儲層、5種孔隙度、2種流體飽和度的碳氧比測井采集的曲線(C/O和Ca/Si)解釋圖版,18 h內可完成包含3種巖性、5種孔隙度、3種流體飽和度的孔隙度和氣層[RCAP、RIN、FCI(遠俘獲非彈計數(shù)比)和NCI(近俘獲非彈計數(shù)比)]解釋圖版,在同等精度條件下,較應用該平臺前,這2種圖版的完成時效分別提高了180倍和13倍。

圖4 平臺界面及功能示例

2.3 便捷性

該平臺實現(xiàn)的主要功能:通過人機互交,對實測能譜作峰位漂移等校正,對實測時間譜作死時間校正;批量編制、模擬、提取單能入射探測器響應,獲得響應矩陣;經(jīng)與刻度井實測能譜和時間譜對比校驗數(shù)值模擬模型,按真實結構和工作模式優(yōu)選固化PNST系列測井儀模型參數(shù),使模擬結果準確反映測井規(guī)律;批量編制數(shù)值模擬輸入文件,改變井筒介質、油套管規(guī)范、水泥環(huán)等井眼參數(shù)和巖性、泥質含量、孔隙度等地層參數(shù),自動算出混合材料元素成分,模型可視化;組合應用接續(xù)計算、幾何分裂、柵元重要性、權窗、點探測器等技術,大幅提高模擬效率;建立重復周期累加的模擬時間譜處理標準流程,以及探測器表面流量能譜與探測器響應矩陣卷積、展寬與混譜、效率校正等模擬能譜處理標準流程;批量提取模擬非彈凈譜、俘獲能譜、時間譜和各種測井曲線,制作地層元素標準譜庫和測井解釋圖版。

為了實現(xiàn)準確、快速程序化數(shù)據(jù)處理,根據(jù)蒙特卡羅模擬的模型建立、數(shù)據(jù)處理等操作步驟設計軟件平臺,實現(xiàn)便捷操作的目標。基于平臺設計思路、數(shù)據(jù)處理流程以及用戶的不同需求,將平臺交互方式設計成“實測譜預處理”“成分配比”“模型建立”“非彈凈譜處理”“俘獲能譜處理”“時間譜處理”“干重”“幾何因子”“響應矩陣處理”等9個選項界面(見圖4),包括了從建模至模擬結果數(shù)據(jù)處理的全部功能,所有操作實現(xiàn)了自動化,方便快捷。

在“成分配比”界面下[見圖4(a)],可利用常見地層礦物成分(石英石、鉀長石、鈉長石等,對黏土礦物成分考慮了結晶水和硼、釓等微量元素)、水泥成分和井眼與地層流體成分數(shù)據(jù)庫,計算并輸出地層和井眼的材料成分。

在“模型建立”界面下[見圖4(b)],提供了多種可調參數(shù)的設定方法,用于描述完井和油藏條件,并對模型進行可視化操作,方便建模及校驗;可以輸入完井幾何結構(鉆孔半徑、套管/篩管內外半徑、油管內外半徑等)、井眼(井內流體、套管、水泥環(huán))和地層材料的代碼及密度,形成包含井筒內流體、油套管、水泥環(huán)、地層成分數(shù)據(jù)的蒙特卡羅模擬輸入文件集。

在“非彈凈譜處理”“俘獲能譜處理”“時間譜處理”和“干重”界面下,分別按照標準流程處理非彈凈譜、俘獲能譜、時間譜和元素標準譜,提取相應的測井參數(shù),自動制作測井解釋圖版。

在“響應矩陣處理”界面下,按能量區(qū)間的要求自動生成256個不同入射伽馬能量的蒙特卡羅模擬探測器響應的輸入文件,并從數(shù)值模擬輸出文件中自動提取探測器響應矩陣,把人工編輯時間由原來5 h以上縮短到2～3 min,降低了人工勞動強度,且可避免出錯。

3 平臺應用情況

3.1 應用的地區(qū)和解釋模型

運用PNST測井響應數(shù)值模擬平臺,建立了大慶、冀東、長慶等地區(qū)多種解釋模型和圖版,獲得了地層元素標準譜及相對靈敏度因子(見表2);制作了復雜巖性條件下用碳氧比(C/O、Ca/Si、Ca產(chǎn)額、Si/Ca等曲線)、氯能譜(Cl/H等曲線)、俘獲截面[SG_PNC(伽馬探頭測量的熱中子俘獲截面)和SG_PNN(中子探頭測量的熱中子俘獲截面)]、計數(shù)比(RIN、RCAP、FCI和NCI)等測井資料解釋巖性、孔隙度、含油氣飽和度的圖版,獲得了相應解釋模型參數(shù),為PNST測井技術在大慶、冀東、長慶等油田的良好應用提供了有力支撐。

表2 針對不同地區(qū)的曲線圖版和解釋模型種類

圖5 3種型號PNST遠探測器俘獲標準譜

3.2 灰質校正碳氧比含油飽和度解釋模型

針對大慶、冀東、長慶油田常見井況(套管規(guī)范和鉆孔尺寸不同),按不同巖性、孔隙度、飽和度模擬獲得了能譜、時間譜和測井曲線變化規(guī)律。利用式(1)和式(2),形成了灰質校正的飽和度解釋模型,獲得了模型參數(shù)。

(1)

RΔC/O=RC/O-l(1-φ)-mRCa/Si-n

(2)

式中,SO為含油飽和度,小數(shù);φ為孔隙度,小數(shù);RC/O和RCa/Si為碳氧比和非彈鈣硅比,無量綱;RΔC/O為經(jīng)鈣質校正后的碳氧比,無量綱;d、e、l、m、n為常數(shù),無量綱。針對3種型號的PNST,應用該平臺獲得的常數(shù)推薦值見表3。

表3 碳氧比含油飽和度解釋參數(shù)表

3.3 PNST地層元素測井的標準譜和相對靈敏度因子

如圖5所示,在元素測井中,為了獲得地層元素含量,需建立元素標準譜和計算相對靈敏度因子[2,5]。利用PNST數(shù)值模擬平臺,獲得了3種型號的PNST的Si、Ca、S、Fe、Ti、Gd、H、Cl、K等16種元素的俘獲標準譜,以及Si、Ca、S、Fe、C、O、Al、Mg 8種元素的非彈標準譜。規(guī)定地層中Si元素的俘獲相對靈敏度因子為1,獲得了PNST系列測井儀元素產(chǎn)額至元素含量轉換所需的目標元素相對于Si元素的相對靈敏度因子,俘獲相對靈敏度因子見表4,同種元素不同型號的PNST相對靈敏度因子差異不大。

表4 3種型號PNST遠探測器俘獲元素相對靈敏度因子

4 結 論

(1)基于通用蒙特卡羅模擬軟件包,建立了PNST系列測井儀在刻度井條件下的數(shù)值模擬模型以及測井能譜和時間譜的模擬標準流程。模擬結果再現(xiàn)了實測非彈凈譜、俘獲能譜和時間譜,與實測譜決定系數(shù)達0.995以上。

(2)編寫形成了PNST數(shù)值模擬軟件平臺,實現(xiàn)了選定PNST型號、按井眼條件與地層參數(shù)的變化范圍批量生成輸入文件、按標準流程模擬脈沖中子測井能譜和時間譜、批量提取測井參數(shù)等功能;提供了對比模擬譜與實測譜、制作元素標準譜庫和測井解釋圖版的便捷工具;解決了大幅提高模擬效率等關鍵問題。

(3)應用PNST數(shù)值模擬軟件平臺獲得了PNST元素標準譜庫,制作了復雜巖性條件下利用碳氧比、氯能譜、俘獲截面等測井資料解釋巖性、孔隙度、含油氣飽和度的圖版,為PNST測井技術在大慶、冀東、長慶等油田的良好應用提供了有力支撐。