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物探与化探, 2019, 43(4): 815-821 doi: 10.11720/wtyht.2019.0012

方法研究·信息处理·仪器研制

地层水矿化度对补偿中子测井影响的自动校正方法研究

李鹏举1,2, 李勇勇1, 徐茂河3, 付勇路1, 田甜1

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

3. 中国石油大庆油田分公司第五采油厂,黑龙江 大庆 163513

A study of automatic correction method for the influence of formation water salinity on compensating neutron logging

LI Peng-Ju1,2, LI Yong-Yong1, XU Mao-He3, FU Yong-Lu1, TIAN Tian1

1. Earth Science Institute,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China

2. Accumulation and Development of Unconventional Oil and Gas,State Key Laboratory Cultivation Base Jointly-constructed by Heilongjiang Province and the Ministry of Science and Technology,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China

3. No.5 Production Plant of Daqing Oilfield Company,PetroChina,Daqing 163513,China

责任编辑: 王萌

收稿日期: 2019-01-7   修回日期: 2019-04-4   网络出版日期: 2019-08-20

基金资助: 国家科技重大专项课题“海上油田化学驱油技术”子课题“海上油田化学驱综合调整技术研究”.  2016ZX05025-003-005
国家自然科学基金项目“骨架导电低阻油层人造岩样实验及导电规律与导电模型研究”.  41274110
“致密砂岩储层纳微米孔隙有效下限研究”.  41572132

Received: 2019-01-7   Revised: 2019-04-4   Online: 2019-08-20

作者简介 About authors

李鹏举(1970-),男,教授,博士,主要从事地球物理资料处理解释教学和研究工作。Email:13936900420@126.com 。

摘要

在以往补偿中子测井的蒙特卡罗模拟研究中,地层水矿化度多设置为0,但实际上地层水矿化度变化会对补偿中子测井造成影响。对此文中利用蒙特卡罗方法模拟研究了地层水矿化度对补偿中子测井的影响并提出其校正方法。先后模拟计算了不同孔隙度条件下,矿化度与计数率、计数比的关系以及矿化度对计数比与孔隙度的关系和孔隙度灵敏度的影响。结果表明,在相同孔隙度条件下,探测器计数率随矿化度增加而降低,远探测器计数率降低速率大于近探测器;近远计数比随矿化度增加呈二次函数线性增加;基于大量模拟数据,建立了适用于不同地层水矿化度条件下孔隙度与矿化度的双变量函数关系式,消除了地层水矿化度对补偿中子测井的影响。此外,孔隙度灵敏度在中、低孔隙度地层受矿化度影响明显。文中建立的孔隙度与矿化度的双变量函数关系式,完成了地层水矿化度效应的自动校正,简化了与地层水矿化度效应相关的后续校正工作,避免了复杂的仪器重新刻度,为准确评价储层孔隙度提供了理论依据。

关键词： 地层水矿化度 ; 补偿中子测井 ; 计数比 ; 蒙特卡罗模拟 ; 双变量函数

Abstract

In the previous Monte Carlo numerical simulation of compensated neutron logging, formation water salinity was mostly set at 0, but in fact, the alteration of formation water salinity would affect compensated neutron logging. In this paper, Monte Carlo method was used to simulate the influence of formation water salinity on compensated neutron logging, and its correction method was proposed. The relationship between salinity and counting rate, salinity and counting ratio, and the effect of salinity on the relationship between counting ratio and porosity and porosity sensitivity under different porosity conditions were simulated successively. According to the calculated results, under the same porosity condition, the counting rate decreases with the increase of salinity, and the counting rate of far detector decreases faster than that of near detector; the near-far counting ratio increases linearly with the increase of salinity as a quadratic function; based on a large number of simulation data, a bivariate function relationship between porosity and salinity is established for different formation water salinity conditions, which eliminates the influence of formation water salinity on compensated neutron logging. In addition, the sensitivity of porosity is obviously affected by salinity in medium and low porosity formations. The bivariate function relation between porosity and salinity established in this paper has completed the automatic correction of salinity effect, simplified the subsequent correction work related to formation water salinity effect, avoided complex instrument re-calibration, and provided a theoretical basis for accurate evaluation of reservoir porosity.

Keywords： formation water salinity ; compensated neutron logging ; count ratio ; Monte Carlo simulation ; bivariate function

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本文引用格式

李鹏举, 李勇勇, 徐茂河, 付勇路, 田甜. 地层水矿化度对补偿中子测井影响的自动校正方法研究. 物探与化探[J], 2019, 43(4): 815-821 doi:10.11720/wtyht.2019.0012

LI Peng-Ju, LI Yong-Yong, XU Mao-He, FU Yong-Lu, TIAN Tian. A study of automatic correction method for the influence of formation water salinity on compensating neutron logging. Geophysical and Geochemical Exploration[J], 2019, 43(4): 815-821 doi:10.11720/wtyht.2019.0012

0 前言

中子孔隙度测井对于孔隙度计算、气层识别以及地层评价有着重要意义,是石油测井中一种重要的测井方法,是常规测井的必测项目[1,2,3]。其中补偿中子测井主要通过沿井剖面测量同位素中子源造成的热中子通量密度来解决某些地质问题[4]。其原理是利用近远探测器热中子计数的比值来测定地层的孔隙度[5,6,7,8]。而热中子通量的分布不仅取决于地层的快中子减速性质,而且还与地层的吸收性质有关[9,10]。在不考虑源距足够大到能够将含有热中子扩散长度的指数项忽略的情况下,其孔隙度受多方面环境因素的影响。地层水矿化度就是其中很重要的因素之一[3,11]。 2010年,张海华等利用蒙特卡罗方法,研究了欠平衡条件下地层水矿化度和井眼含气量对补偿中子测井的影响,并针对CN-241补偿中子仪给出了欠平衡条件下二者的校正图版[12,13,14,15,16,17]。2018年,于华伟等分析了中子孔隙度灵敏度的影响因素,其中地层水矿化度变化对减速长度和扩散长度均会造成影响,且后者受其影响更明显[18]。在以往补偿中子孔隙度测井的蒙特卡罗模拟研究中,地层水矿化度多设置为0,忽略了地层水矿化度对孔隙度测量的影响。对此,本文基于蒙特卡罗模拟程序MCNP5[6,19]研究了地层水矿化度对补偿中子孔隙度测井的影响并建立其自动校正方法。

1 蒙特卡罗模拟计算模型

为确保模拟结果与实测结果的一致性,对补偿中子测井进行研究时需建立与实际测井条件符合的物理模型[20,21,22]。文中所建模型为高140 cm,直径160 cm的圆柱状含水纯砂岩地层,井眼直径20 cm,井眼流体为淡水;地层水平切割线和径向切割线均为2 cm,将整个模型切割成4 900个栅元;仪器内径8.95 cm,壁厚0.5 cm,偏心放置且良好推靠井壁;采用241Am-Be同位素中子源[23,24],其能量选用国际标准化组织ISO-8529推荐的能谱分布[12,13],如图2所示,中子源坐标(9、0、40 cm);近远探测器均为3He计数管,源距分别为27.5、57.5 cm,尺寸分别为Φ60×50 mm2、Φ60×100 mm2。源与探测器、探测器与探测器之间均填充理想屏蔽体。计算模型如图1所示。

图1

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图1   补偿中子测井蒙特卡罗数值模拟计算模型

Fig.1   Monte carlo numerical simulation model of compensated neutron logging


图2

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图2   241Am-Be中子源能谱分布

Fig.2   Distribution of neutron source energy spectrum of 241Am-Be


2 地层水矿化度对补偿中子测井影响的模拟结果

2.1 地层水矿化度对热中子计数率与孔隙度关系的影响

基于以上模型,模拟计算地层水矿化度对归一化后的探测器计数率N与孔隙度ϕ的影响,源粒子抽样个数5×107,模拟结果的相对误差小于1%,探测器记录能量为0~0.1 eV的热中子,模拟结果如图3所示。

图3

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图3   计数率与孔隙度的关系曲线

a—近探测器;b—远探测器

Fig.3   The relationship between counting rate and porosity

a—near detector;b—far detector


从图中可以看出,近、远探测器热中子计数率均随地层水矿化度的增加而降低且下降速率逐渐减小。这是因为快中子在充满流体的井眼中衰减很快,探测器探测到的热中子大部分来自于地层的贡献,地层水矿化度的增加使得地层宏观俘获截面增加,热中子扩散长度减小,从而导致探测器热中子计数降低。孔隙度在0~40%范围内时,孔隙度越大,近探测器计数率受矿化度影响越大。远探测器计数率在中、低孔隙度范围内受矿化度影响较大,高孔隙度范围内影响较小。对比两者,随矿化度增加远探测器计数率下降速率大于近探测器,使得近远探测器计数比增大,最终导致高矿化度地层的视孔隙度大于真孔隙度。

图4

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图4   地层水矿化度与计数比的关系

Fig.4   The relationship between salinity formation water and counting ratio

a—φ=5%;b—φ=15%;c—φ=25%;d—φ=35%


2.2 地层水矿化度对近远探测器计数率比值的影响

2.2.1 地层水矿化度与计数比的关系

近远探测器计数率比值R是补偿中子孔隙度测井求取地层孔隙度的直接参数[11]。实际测井中近远源距并非足够大,当近、远源距r1和r2选定后(文中选取r1和r2分别为27.5、57.5 cm),计数比R的大小受减速长度和扩散长度的影响,减速长度随地层水矿化度增加而增加,但这种变化极小,其趋势线接近一条水平线;扩散长度随地层水矿化度增加而减小,相比于减速长度具有明显变化。地层水矿化度与计数比的关系模拟结果见图3,图中K为地层水矿化度,单位103 mg/L。可以看出在一定地层水矿化度范围内,近远探测器计数率比值随矿化度的增加呈二次函数线性增加,且孔隙度越大,增加速率越大。

2.2.2 地层水矿化度对计数比与孔隙度关系的影响

基于以上所建模型,模拟研究不同地层水矿化度条件下,计数比与孔隙度的关系,探究地层水矿化度对计数比与孔隙度关系的影响规律。

由图5可知,在同一孔隙度条件下,近远探测器计数比随地层水矿化度升高而逐渐增加,且孔隙度越大计数比受地层水矿化度的影响越强。但计数比与孔隙度仍呈良好的二次函数关系。在以往补偿中子孔隙度测井的蒙特卡罗模拟研究中,通常将地层水矿化度设置为0,因此在高矿化度地层条件下, 测量孔隙度较地层真孔隙度偏大,不能准确反应地层的真实孔隙度,必须对其进行相应校正。在不考虑地层水矿化度影响的条件下,地层水矿化度为0时通过数据拟合所得近远探测器计数比与孔隙度关系式如下:

R=28.868ϕ2+36.412ϕ+3.494,

其中:R为近、远探测器计数比,ϕ为孔隙度,单位%。

图5

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图5   近远探测器计数率比值与孔隙度关系

Fig.5   The relationship between the ratio of near-to-far detector counting rate and porosity


3 适用于不同地层水矿化度的补偿中子测井

基于以上模拟研究,在不同地层水矿化度条件下,近远探测器计数比与孔隙度呈良好的二次函数关系且在一定孔隙度范围内,计数比随矿化度增加呈二次函数关系规律性增加,这为地层水矿化度效应的校正提供了可能。就地层水矿化度对补偿中子孔隙度测井的影响,文中考虑建立适用于不同地层水矿化度、不同孔隙度环境下的近远计数比与矿化度、孔隙度的双变量函数关系,完成矿化度效应的自动校正。模拟结果如表1。

表1   不同矿化度、孔隙度地层的近远探测器计数率比值

Table 1  Near-to-far detector counting ratio for different salinity and porosity formations

K
103 mg/L		R
ϕ=5%		R
ϕ=10%		R
ϕ=15%		R
ϕ=20%		R
ϕ=25%		R
ϕ=30%		R
ϕ=35%		R
ϕ=40%
25.53587.39369.214111.628214.112817.060918.947921.6945
45.54447.42779.246211.699214.269617.105119.013121.9471
65.55727.48259.337311.781514.348517.261919.091422.1562
85.57317.56389.384111.918014.395617.431219.260922.3781
105.59017.58949.456812.052314.576617.643319.491022.3431
205.65677.70379.706012.507814.981918.085920.340622.7827
405.80278.030210.181813.327815.958719.075821.231123.7184
605.87888.254810.631014.079016.573419.939822.273724.8705
805.97638.509010.937214.561817.069220.998923.096825.8535
1006.03868.715911.361714.823117.768221.544923.825926.0628
1206.21778.943111.850415.393918.172021.384224.171026.2046
1406.33459.150112.174415.819318.474322.105123.893426.5727
1606.49609.385012.566516.251118.830322.356824.398226.9084
1806.63689.560212.781416.724719.178521.922524.247226.7856
2006.73869.813312.998716.794119.391922.432924.986927.5232

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通过数据分析,建立了基于该模型的近远探测器计数比与地层水矿化度、孔隙度的双变量函数关系式如下:

R=Aϕ2+Bϕ+C,
A=-0.0011K2-0.0577K+27.4845,
B=-0.0002K2+0.229K+34.0671,
C=1.8268×10-5K2-0.0068K+3.6913,

其中:R为近远探测器计数比,ϕ为孔隙度,单位%,K为地层水矿化度,单位103 mg/L,A、B、C均为K的二次函数。

4 补偿中子测井精度分析

基于以上模型进行大量模拟,对比分别利用式(1)、(2)计算所得孔隙度的精度,检验所建立的双变量关系式在不同矿化度地层中孔隙度的测量效果。矿化度、孔隙度设置规则:在孔隙度0~40 pu之间,每5 pu之间随机选取两个孔隙度值,每个孔隙度值分别对应0、10 000、40 000、80 000、120 000、160 000、200 000 mg/L七个矿化度点。下图分别为真孔隙度ϕ与利用式(1)、(2)计算的视孔隙度ϕ1与ϕ2的对比情况。图中参照线为y=x。

由图6a可看出,不考虑地层水矿化度变化对孔隙度测量的影响,采用式(1)计算孔隙度时,地层水矿化度为0时,计算的视孔隙度精度较高,误差较小,但随着地层水矿化度的增加,视孔隙度与真孔隙度相差越大,不能准确反映地层真实孔隙度,给储层孔隙度的评价造成了极大不便,并且不能满足储层孔隙度评价的精度要求。由图6b可看出,在不同矿化度地层中,采用式(2)计算的视孔隙度与真实孔隙度吻合度高,误差小,可以认为消除了地层水矿化度对孔隙度测量的影响。所以拟合的关于近远计数比与矿化度、孔隙度的双变量函数关系很好的校正了地层水矿化度的影响,简化了地层水矿化度的校正工作,同时避免了复杂的仪器重新刻度过程。

图6

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图6   视孔隙度与真孔隙度对比

a—式(1)计算的视孔隙度与真孔隙度;b—式(2)计算的视孔隙度与真孔隙度

Fig.6   Comparison of apparent porosity and true porosity

a—Equation (1) calculated apparent porosity and true porosity;b—Equation (2) calculated apparent porosity and true porosity


5 地层水矿化度对补偿中子测井灵敏度的影响

补偿中子孔隙度测井的响应函数反应的是近远探测器计数比R与孔隙度ϕ之间的关系,通常定义其响应曲线的斜率值,即η= ∂R∂φ为孔隙度灵敏度,但实际工作中常用相对灵敏度表示,其定义为:

S=1R∂R∂φ,

根据校正后的响应关系及上式计算孔隙度灵敏度和相对灵敏度,结果如图7所示。

图7

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图7   式(2)的孔隙度与灵敏度及相对灵敏度的关系

a—灵敏度;b—相对灵敏度

Fig.7   Porosity sensitivity and relative sensitivity of Equation 2

a—porosity sensitivity;b—relative porosity sensitivity


由上图可知,在一定孔隙度范围内,灵敏度随矿化度的增加而增加。约在矿化度K<140 000 mg/L时,灵敏度随孔隙度增加而线性增加,超过这一范围后,变化趋势相反;相对灵敏度在中、低孔隙度时受矿化度影响明显,同时随孔隙度的增加而迅速降低。对比两者,灵敏度与相对灵敏度均在中、低孔隙度条件下与矿化度呈正相关趋势变化且变化明显。

6 结论

1) 地层水矿化度增大导致地层宏观俘获截面增大,热中子扩散长度变小。近、远探测器热中子计数率减小,但后者下降幅度大于前者,致使近远计数率比值随矿化度增加而增加。

2) 不同孔隙度地层中,近远探测器计数率比值随地层水矿化度增加呈二次函数规律增大,且孔隙度越大,计数比受矿化度的影响越大。

3) 基于文中所建模型,建立近远探测器计数比R与孔隙度ϕ、矿化度K的双变量函数关系式: R=Aϕ2+Bϕ+C ,其中A、B、C均为地层水矿化度的二次函数。基于该公式的补偿中子测井,测量的孔隙度与地层真实孔隙度吻合度高,误差小,消除了地层水矿化度对中子孔隙度的影响。

4) 一定矿化度范围内,灵敏度与相对灵敏度均随矿化度增加而增加,且两者在中、低孔隙度条件下受矿化度影响明显。

(本文编辑:王萌)

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&nbsp; 充气钻井液是一种密度范围在0．47～0．83g／cm^3之间的气（通常为空气或氮气）液（通常为水或油）混合物，钻井中将气体通过地面设备连续不断地注入钻井液，使其呈均匀气泡状分散于钻井液中，从而达到降低环空 液柱压力的目的。一般在典型的以&phi;89钻杆钻&phi;152井眼时液体的泵注速度范围在0．3785～0．757m^3／min之间，气体的注入速度范围在7．08～35．4m^3／min之间，环空返出的充气钻井液，经地面除屑、除气后可重复使用。在应用过程中，由于井内流动为两相流（液-气）或三相流（液-气-固），因此钻井前需进行优化设计，达到液／气流量的最佳组合及体积优化，充分了解如何保持钻进时的压力稳定，了解在水平井和斜井中的钻井水力学等。文中对充气钻井液的气／液流量优化、水力学研究以及国外利用该技术在水平井和海上钻井的席用情阿作了详细介绍．

Zhu L H, Huang X C, Liu Y .

Foreign inflatable drilling fluid drilling technology

[J]. Drilling & Production Technology, 2006,29(5):9-12.

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Flaum C .

Dual Detector Neutron Logging in Air-filled Boreholes

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彭智, 祁彬彬, 李国玉 .

补偿中子测井环境校正方法研究

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Peng Z, Qi B B, Li G Y .

Research on environmental correction method of compensated neutron logging

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Briesmeister J F .

MCNP-A general monte carlo N-Particle transport code

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付勇路, 李鹏举, 李勇勇 , 等.

地层温度对补偿中子测井影响的自动校正方法研究[J/OL]

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Fu Y L, Li P J, Li Y Y , et al.

Study on Automatic Correction Method of Formation-Temperature Influence on Compensated Neutron Logging[J/OL]

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付勇路, 李鹏举, 李勇勇 , 等.

高温地层对中子孔隙度测井的影响

[J]. 测井技术, 2018,42(5):525-529.

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Fu Y L, Li P J, Li Y Y , et al.

Influence of high-temperature formation on neutron porosity logging

[J]. Well Logging Technology, 2018,42(5):525-529.

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吴文圣, 黄隆基 .

三探测器密度测井的 Monte Carlo 模拟

[J]. 地球物理学报, 2004,47(1):164-170.

Magsci     [本文引用: 1]

为了改善传统岩性密度测井仪的缺陷，本文基于传统的双 源距探测器密度测井仪，提出在负源距范围内增加一个反散射探测器，构成新的三探测器密 度测井仪器. 利用Monte Carlo方法通用程序MCNP(3B)，从光子与地层相互作用的机理出发 ，计算得到了反散射探测器、长源距探测器和短源距探测器的光子通量的能谱分布、光子通 量与源距的关系、光子通量与地层密度的关系、源距与探测深度的关系以及计数能窗等. 从 结果看，三探测器密度测井仪的长、短源距探测器对地层的响应关系与双源距密度测井仪的 长、短源距探测器一致，而反散射探测器对地层具有明确的响应关系，其响应关系与长、短 源距探测器近似相反，且其计数率很高. 因此，在负源距范围内增加第三个探测器是可行的 ，这将有利于提高密度测井的测量精度和垂向分辨率. 同时表明了Monte Carlo方法在核测 井仪器早期研制中的有效性，对仪器设计具有指导作用.

Wu W S, Huang L J .

Monte Carlo simulation of three-detector density logging

[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2004,47(1):164-170.

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Aitken J D, Holenka J M, Torbett D E , et al.

Operational and environmental safety with nuclear LWD tools, SPE27226

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Image-dip calculation using new-generation LWD density-porosity tools,SPE74270

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吴赫, 张锋, 李亚芬 , 等.

Am-Be中子源屏蔽优化设计的蒙特卡罗模拟研究

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Wu H, Zhang F, Li Y F , et al.

Monte carlo simulation study on shielding optimization design of Am-Be neutron source

[J]. Radiation Protection, 2017,37(2):94-99.

于华伟, 杨锦州, 张锋 .

随钻D-T中子孔隙度测井低灵敏度和岩性影响校正方法研究

[J]. 中国石油大学学报, 2014,38(3):45-49.

Yu H W, Yang J Z, Zhang F .

Correction method of low sensitivity and lithology effect of D-T neutron porosity logging-while-drilling

[J]. Journal of China University of Petroleum, 2014,38(3):45-49.

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