2017, Vol. 32
2. 海洋国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室, 青岛 266071
3. 中国石油塔里木分公司勘探开发研究院, 新疆库尔勒 841000
4. 中国石油集团测井有限公司塔里木事业部, 新疆库尔勒 841001
2. Laboratory for Marine Mineral Resources, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266071, China
3. Research Institute of Petroleum Exploration and Development, Tarim Oilfield Company, CNPC, Xinjiang Korla 841000, China
4. CNPC logging Tarim Business Division, Xinjiang Korla 841001, China
近年来，随着勘探开发技术水平的提高，大斜度井和水平井等复杂井所占的比重越来越大.国内外围绕水平井和大斜度井开展了钻井技术、地质建模、地质导向、随钻测井等一些列相关的研究(Santoso et al., 2014; Chen et al., 2015; 刘丹等，2015；刘乃震等，2015；Safari et al., 2015; Xia et al., 2016; 杨雪等，2016).大斜度井、水平井等复杂井钻井难度大，井眼环境复杂，致使测井困难不断增加，而过钻杆测井技术通过钻杆输送和井下电池供电，可不取出钻头即可进行测量，解决了上述难题.过钻杆存储测井在川西、冀东、西南等地区已经得到较好应用(任中豪和张文昌，2012；张正玉，2012；黎泽刚等，2015).目前过钻杆测井技术研究仅限于仪器释放工艺及应用等方面(孔乙文，2014；赵元良等，2015)，对其测量方式、与电缆和随钻测井响应特性差异研究较少.
本文针对过钻杆中子孔隙度测井中仪器相对钻杆不同位置时(即源和探测器在钻杆内、探测器在钻杆外源在钻杆内以及源和探测器全在钻杆外三种位置)孔隙度测井响应规律开展研究，利用蒙特卡罗方法建立了过钻杆测量方式、电缆及随钻条件下的中子孔隙度仪器-地层模型，模拟研究了热中子分布及近远探测器计数比值与孔隙度响应关系，分析了三种过钻杆测量方式对孔隙度测量精度、相对灵敏度及井眼尺寸的影响；并对比了过钻杆、电缆及随钻测井方式在热中子计数、孔隙度灵敏度和测量精度方面的差异，为过钻杆测井的应用及后续数据校正提供理论支持.
1 过钻杆中子孔隙度测量原理假设过钻杆中子孔隙度近、远探测器源距分别为和，根据热中子扩散理论，得到近、远探测器热中子计数比为(黄隆基，1985)：
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(1) |
式中：φ1和φ2分别为近、远探测器热中子计数，Le和Lt分别为快中子和热中子的减速长度与扩散长度.
当源和探测器相对钻杆位置发生改变时，由源发出的中子到达探测器经过的介质会发生变化，导致地层中热中子场分布发生改变，进而对近、远探测器热中子计数、计数比及孔隙度灵敏度产生影响.常规电缆及随钻中子孔隙度测井的测量方式及仪器结构不同也会使热中子场的分布发生变化，导致孔隙度响应有差别.
2 蒙特卡罗模拟 2.1 模型建立建立过钻杆仪器测量模型，如图 1所示，仪器在钻杆内，测量时将仪器从钻杆内释放.
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图 1 计算模型图 Figure 1 Schematic diagram of Monte Carlo simulation model |
具体参数如下：地层为饱含水砂岩，高120 cm，径向厚度70 cm；井眼直径20 cm，井眼内充满淡水，钻杆材质为铁，密度7.85 g/cm3, 直径为88.9 mm；孔隙度仪器偏心置于钻杆中；仪器主要由241Am-Be中子源和2个He-3探测器组成，其中，近、远探测器长为10 cm，长短源距分别为22.2 cm和40.5 cm.
2.2 热中子的分布建立图 1所示的计算模型，模拟仪器测量过程中相对于钻杆的两种不同位置(仪器包裹在钻杆内和仪器全部裸露在钻杆外)时的近探测器处热中子分布，结果如图 2所示.
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图 2 仪器相对钻杆不同位置时近探测器热中子分布 (a)源和探测器全部在钻杆内；(b)源和探测器全部在钻杆外. Figure 2 The thermal neutron distribution of near detection under the different position condition (a)Source and detectors are in the drill pipe; (b)Source and detectors outside the drill pipe. |
由图 2可知，随着仪器从钻杆内释放，近探测器周围的热中子的数量增加，热中子相对计数率的最大值从4.5×10-6 s-1变化到2.3×10-4 s-1，说明钻杆对热中子具有很强的吸收作用，当探测器从钻杆中释放出来，近探测器周围热中子计数增加，同时热中子的相对分布范围变小.探测器周围的热中子数量和相对分布范围发生改变，对中子孔隙度的测量产生影响，导致测量的数据结果差异较大.
2.3 源和探测器位置不同时的孔隙度响应建立图 1所示的仪器地层模型，地层孔隙度由0变化到40%，变化间隔为5%；模拟仪器从钻杆中释放的整个过程，得到源和探测器相对于钻杆的三种位置条件下(源和探测器在钻杆内、探测器在钻杆外源在钻杆内以及源和探测器全在钻杆外三种位置)，近探测器计数率及近远计数率比值对地层孔隙度的响应，结果如图 3所示.
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图 3 仪器相对钻杆不同位置时近探测器响应 (a)近探测器计数与孔隙度关系；(b)近远探测器计数比与孔隙度关系. Figure 3 The detector response of logging tool at different position (a)The response of near detector in three different position; (b) The count ratio response of detector in three different position. |
由图 3可知，随着地层孔隙度的增加，近探测器计数率以指数规律减小，近远计数比值增大；当地层孔隙度一定时，仪器相对于钻杆的位置不同，近探测器计数率不同，源在钻杆内探测器在钻杆外时近探测器计数率最高，源和探测器全在钻杆外时次之，源和探测器全在钻杆内时最低.将中子由源出发到达探测器分为两个过程，第一个过程是中子从源出发到达地层，第二个过程是地层中的中子经过一系列作用变程热中子到达探测器.形成上述规律的原因是钻杆对快中子的吸收能力弱对热中子的吸收能力强，由源发出的中子到达地层这一过程基本相同即第一个过程相同，引起热中子计数率差异主要是地层中的热中子到达仪器的第二个过程，钻杆对热中子的吸收比水对热中子的吸收强，因此探测器在钻杆内时热中子的计数率大幅降低.孔隙度相同时，源和探测器相对于钻杆三种位置的近远计数比值差别不大.这是因为中子孔隙度测井原理是利用近远探测器计数比值来消除俘获的影响而近探测器计数降低是铁对热中子的俘获导致的，所以三种位置的近远计数比值差别不大.
相对灵敏度取决于仪器结构参数，相对灵敏度越大，孔隙度测量受仪器因素的影响越大，相对灵敏度SB被定义为(袁超等，2014)：
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(2) |
中子孔隙度的测量精度反映的是利用热中子计数比值确定孔隙度的准确程度，精度越高，测得的孔隙度越准确，测量精度的计算公式为
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(3) |
利用公式(2) 和(3) 可以计算得到仪器在钻杆中的三种位置孔隙度的测量精度和灵敏度如表 1所示.
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表 1 三种位置条件下孔隙度测量精度与相对灵敏度表 Table 1 The accuracy and relative sensitivity of porosity at condition of three position |
由表 1可知，孔隙度相同时，源在钻杆内探测器在钻杆外这种测量方式的测量误差比源和探测器全在钻杆内和全在钻杆外的误差小，不同孔隙度时三种位置条件下的相对灵敏度有差异，源在钻杆内探测器在钻杆外和全在钻杆内时的测量模式在低孔时相对灵敏度较高.结合计数统计性、测量误差和孔隙度相对灵敏度，源在钻杆内探测器在钻杆外这种测量方式更加适合过钻杆中子孔隙度的测量.
2.4 与常规电缆和随钻中子孔隙度的响应对比过钻杆孔隙度测井由于自身仪器与钻杆的限制，不能贴井壁测量，而常规电缆中子孔隙度测井仪器和随钻仪器贴井壁进行测量，因此三种不同的测量方法对地层孔隙度的响应特性不同.建立图 1的过钻杆、电缆测井仪器地层模型和随钻仪器地层模型，改变地层的孔度，孔隙度变化范围为0~40%，间隔为5%，记录近、远探测器计数率，得到过钻杆、电缆及随钻中子孔隙度的响应，如图 4所示.
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图 4 三种仪器探测器响应 (a)近探测器计数与孔隙度关系; (b)近远探测器计数比与孔隙度关系. Figure 4 The detector response of three logging tool (a) The relationship between near detector count and porosity; (b) The response of count ratio and porosity of near far detector. |
由图 4可知，随着孔隙度的增加，常规电缆孔隙度仪器和过钻杆中子孔隙度仪器的近探测器计数率以指数形式降低，近远计数率比值增加，随钻孔隙度测井仪器计数率增加，近远计数比值增加；相同孔隙度的条件下，常规仪器的计数率最高，过钻杆仪器次之，随钻仪器计数率最低，这是由于过钻杆仪器没有贴井壁测量，仪器与井壁之间有一层“水垫”，使地层的视孔隙度增加，计数比值增大，随钻仪器因为钻铤对热中子具有强烈吸收作用会导致探测器计数率最低.在利用过钻杆仪器进行孔隙度测量时，会使得测得的孔隙度值偏大，不能准确反映地层孔隙度的变化.过钻杆仪器对孔隙度的响应规律与常规孔隙度测井和随钻孔隙度测井响应规律明显不同，常规孔隙度测井的校正方法不适用于过钻杆孔隙度测井，过钻杆测井需要自己的一套校正方法.
利用公式(2) 和(3) 计算得到过钻杆、电缆及随钻中子孔隙度三种测井技术的孔隙度测量精度和相对灵敏度，具体数据如表 2所示.
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表 2 三种仪器的孔隙度测量精度表与相对灵敏度表 Table 2 The accuracy and relative sensitivity of porosity at condition of three position |
由表 2可知，随着地层孔隙度的增加，仪器的孔隙度测量误差变大，精度变低.孔隙度较低( < 10%)时，过钻杆测井的孔隙度测量误差小，精度高；孔隙度高时，电缆中子孔隙度测量精度高，随钻次之，过钻杆较低.在孔隙度较低时，过钻杆和随钻仪器的孔隙度相对灵敏度比常规电缆高，这是由于钻杆或钻铤对中子的扩散及吸收作用造成的.
选取两种井眼直径分别为20 cm和24 cm，改变地层孔隙度研究井眼直径对过钻杆、常规电缆及随钻中子孔隙度仪器响应特性的影响.
由图 5可知，孔隙度相同时，井眼直径增大，常规电缆和过钻杆中子孔隙度仪器的近探测器计数率降低；随钻仪器先减小后增大，这主要是由于近探测器的源距在负源距范围内；三种仪器的近远探测器计数率比值都随着井眼直径的增大而增大，原因是井眼直径增加，仪器与井壁的间隙变大，间隙被水充填导致测量的地层视孔隙度增大，近远计数率比值增加.
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图 5 不同井眼直径条件下三种仪器计数率及计数比值对孔隙度的响应 (a)近探测器计数与孔隙度关系; (b)近远探测器计数比与孔隙度关系. Figure 5 The detector response of three logging tool under different diameter (a) The relationship between near detector count and porosity; (b) The response of count ratio and porosity of near far detector. |
本文通过蒙特卡罗数值模拟方法对过钻杆中子孔隙度仪器展开研究，得到以下结论：
(1) 源和探测器相对与钻杆的位置不同，孔隙度响应有差异.孔隙度相同时，源和探测器在钻杆外和探测器在钻杆外源在钻杆内的近探测器计数率高，探测器和源在钻杆内时的计数率低，三种位置的计数比差别较小.探测器在钻杆外源在钻杆内的测量方式与其他两种位置的测量方式相比，测量精度和孔隙度相对灵敏度高且放射源不易脱落.综合考虑放射源安全、探测器计数统性、测量精度及孔隙度相对灵敏度，探测器在钻杆外源在钻杆内的测量方式更适合过钻杆测井.
(2) 随着地层孔隙度的增加，电缆近探测器计数率减小，随钻近探测器计数率增加，近远计数比值增大.地层孔隙度相同时，与电缆中子孔隙度相比，过钻杆测得的计数率低，近远计数率比值较大，在低孔隙度条件下，测量精度和孔隙度相对灵敏度高，孔隙度较高时，过钻杆的测量精度和孔隙度相对灵敏度明显变低.与随钻中子孔隙度相比，过钻杆测得的计数率高，近远探测器计数比值和孔隙度相对灵敏度较大，低孔时的测量精度高，高孔时的测量精度低.井眼直径的增加会导致近探测器计数率降低，近远计数比值增加.
(3) 电缆、过钻杆及随钻中子孔隙度三种仪器对孔隙度的响应有明显差异，原有的常规电缆和随钻中子孔隙度校正方法已不适用于过钻杆仪器，过钻杆需要建立自己的一套校正方法.
致谢 感谢国家自然科学基金项目(41374125, 41574119)、国家重大油气专项(2017ZX05019005-004) 以及中央高校基本科研业务费专项(15CX06008A)资金资助，感谢在项目研究期间给予帮助的各位专家老师和师兄以及地球物理学进展编辑部的支持和帮助.| [] | Chen Z M, Liao X W, Zhao X L, et al. 2015. A finite horizontal-well-conductivity model for pressure transient analysis in multiple fractured horizontal wells[C].//SPE Latin American and Caribbean Petroleum Engineering Conference. Quito, Ecuador:Society of Petroleum Engineers. |
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