張泉瀅, 張 鋒,2, 王玉偉, 劉軍濤, 賈文寶, 遆永周, 李 靜

(1.中國石油大學地球科學與技術學院,山東青島 266580; 2.海洋國家實驗室海洋礦產資源評價與探測技術功能實驗室,山東青島 266071; 3.新疆油田公司勘探公司,新疆克拉瑪依 834000; 4.南京航空航天大學材料科學與技術學院,江蘇南京 210016; 5.河南省科學院同位素研究所有限責任公司,河南鄭州 450015;6.喀左縣蒙古族高級中學古塔分校生物科組,遼寧朝陽 122300)

隨鉆中子伽馬密度測井的雙源距含氫指數(shù)校正方法

張泉瀅1, 張 鋒1,2, 王玉偉3, 劉軍濤1, 賈文寶4, 遆永周5, 李 靜6

(1.中國石油大學地球科學與技術學院,山東青島 266580; 2.海洋國家實驗室海洋礦產資源評價與探測技術功能實驗室,山東青島 266071; 3.新疆油田公司勘探公司,新疆克拉瑪依 834000; 4.南京航空航天大學材料科學與技術學院,江蘇南京 210016; 5.河南省科學院同位素研究所有限責任公司,河南鄭州 450015;6.喀左縣蒙古族高級中學古塔分校生物科組,遼寧朝陽 122300)

針對中子伽馬密度測井中利用單探測器信息進行含氫指數(shù)校正計算密度結果的不穩(wěn)定問題,開展雙源距含氫指數(shù)校正方法研究;采用蒙特卡羅方法模擬熱中子、伽馬分布與密度和含氫指數(shù)的響應規(guī)律,建立熱中子、俘獲伽馬以及氫俘獲伽馬計數(shù)比進行含氫指數(shù)校正的密度計算模型,對比不同粒子含氫指數(shù)校正效果以及井徑、礦化度的影響。模擬結果表明:含氫指數(shù)校正后密度準確度明顯改善;其中,熱中子含氫指數(shù)校正后的密度精度和準確度最高,氫俘獲校正密度準確度略高于俘獲伽馬,但其密度精度遠小于熱中子和俘獲伽馬。雙源距含氫指數(shù)校正密度誤差隨著井徑和地層水礦化度的增大而增大;其中,熱中子校正受井徑和礦化度影響最小,氫俘獲和總俘獲伽馬校正方法受影響較大。研究結果為隨鉆測井準確計算中子伽馬密度提供了校正方法。

可控中子源; 雙源距; 密度; 含氫指數(shù); 蒙特卡羅模擬

隨著隨鉆測井技術在水平井、大斜度井地層實時評價中的廣泛應用[1-3],人身安全和環(huán)境保護受到日益關注,利用可控源替代傳統(tǒng)化學源進行地層密度測量已成為核測井發(fā)展的必然趨勢[4-5]。Odom[6-8]采用非彈γ擴散長度確定密度,并利用快中子計數(shù)進行含氫指數(shù)校正。Weller等[9-10]采用長—短源距非彈伽馬“脊肋圖”確定了地層密度,并利用超熱中子計數(shù)進行含氫指數(shù)校正。Neuman等[11-13]利用非彈伽馬計數(shù)比確定地層密度,并采用俘獲伽馬計數(shù)比進行含氫指數(shù)校正。Reichel等[14-15]采用長源距非彈伽馬計數(shù)確定地層密度,并采用熱中子計數(shù)比補償快中子衰減,完成了含氫指數(shù)校正。采用單探測器快中子或超熱中子進行含氫指數(shù)校正,或利用熱中子計數(shù)比進行含氫指數(shù)校正,但仍利用單探測器的非彈伽馬計算密度,其計數(shù)受中子源產額和探測器等因素影響,會導致計算地層密度結果的不穩(wěn)定。筆者針對單探測器含氫指數(shù)校正或非彈伽馬確定密度問題,開展雙源距含氫指數(shù)校正的中子伽馬密度測量方法研究,利用蒙特卡羅方法模擬不同條件下的中子、伽馬分布,建立熱中子、俘獲伽馬以及氫俘獲伽馬計數(shù)比進行含氫指數(shù)校正的方法,并對不同含氫指數(shù)校正方法進行對比分析。

1 中子伽馬密度測井原理

脈沖中子源發(fā)出的14 MeV高能快中子進入地層,與地層元素發(fā)生非彈性散射釋放大量特征伽馬射線;其中部分γ射線與地層相互作用后攜帶著大量地層密度信息穿出地層,通過探測器記錄這部分非彈γ射線可以實現(xiàn)地層密度的測量。

1.1 非彈伽馬分布理論

根據中子伽馬擴散理論[13],假定不同能量的非彈性散射伽馬射線線性吸收系數(shù)μ近似相同,得到源距r處探測器非彈伽馬計數(shù)Ni為

(1)

其中

式中,I0為中子源產額;Le為快中子減速長度;i為原子核發(fā)生非彈性散射放出的伽馬光子數(shù); r為源距;μ為地層線性吸收系數(shù)。

研究發(fā)現(xiàn),單一探測器的非彈伽馬計數(shù)與快中子減速長度、源距、地層線性吸收系數(shù)、中子源產額及原子核發(fā)生非彈性散射放出的伽馬光子數(shù)等參數(shù)有關。

設r1和r2分別為近、遠探測器源距,N1i和N2i分別為近、遠探測器非彈伽馬計數(shù),可以得到非彈伽馬計數(shù)比

(2)

非彈計數(shù)比R只與減速長度Le(含氫指數(shù))和地層吸收系數(shù)μ(密度)有關,因此通過含氫指數(shù)校正可以利用非彈計數(shù)比確定地層密度。

1.2 雙源距含氫指數(shù)校正方法

地層中熱中子以及俘獲伽馬射線都能指示含氫指數(shù)的變化。設近、遠熱中子(俘獲伽馬)探測器源距為r1和r2,近、遠探測器計數(shù)為N1c和N2c,近、遠熱中子(俘獲伽馬)計數(shù)比為[16]

(3)

利用熱中子(俘獲伽馬)計數(shù)比表征含氫指數(shù)(減速長度)用于中子伽馬密度含氫指數(shù)校正,采用二元非線性回歸方法,得到地層密度與非彈伽馬計數(shù)比和熱中子(俘獲伽馬)計數(shù)比的響應關系

(4)

式(4)為雙源距含氫指數(shù)校正后的密度響應公式;其中,A、B和C為常數(shù)。

2 蒙特卡羅模擬

利用蒙特卡羅方法建立水平井條件下隨鉆D-T中子伽馬密度儀器模型,模擬中子、伽馬分布與密度和含氫指數(shù)的響應規(guī)律,建立熱中子、俘獲伽馬以及氫俘獲伽馬計數(shù)比含氫指數(shù)校正后的密度響應關系。

2.1 模型建立

建立計算模型參數(shù)如下:井眼直徑20 cm,井眼充滿淡水;地層徑向半徑10～70 cm,高140 cm,地層分別填充不同的流體和物質;儀器直徑5 cm,置于鉆鋌內;鉆鋌直徑17.145 cm,鉆鋌下偏心開一個鉆井液導流通道,直徑為7.1 cm,且鉆井液導流通道內充滿水;采用D-T脈沖中子源,脈沖寬度20 μs,周期400 μs;儀器采用2個NaI探測器和2個He3探測器;近、遠NaI探測器源距分別為35和65 cm,晶體長度10 cm;He3探測器源距分別為25和55 cm,長為10 cm。為討論問題的方便,沒有考慮探測器的響應特性,計算模型如圖1所示。

圖1 蒙特卡羅計算模型Fig.1 Monte Carlo simulation model

模擬中子數(shù)目為3×108,能量14 MeV;伽馬射線能量間隔為0.01 MeV,最大計數(shù)誤差為9%,總計數(shù)誤差小于0.05%,計算時間為3 h;非彈伽馬記錄時間窗為0～20 μs,俘獲伽馬和熱中子記錄時間窗為25～400 μs;數(shù)據處理時采用能窗分別是非彈伽馬:0.01～8.5 MeV;俘獲伽馬:0.01～8.5 MeV;氫俘獲伽馬:2.15～2.30 MeV;熱中子:0.01～0.1eV。

2.2 非彈伽馬計數(shù)比隨密度和含氫指數(shù)的變化規(guī)律

利用圖1所示的計算模型,地層為飽和水石灰?guī)r,地層水礦化度為0,分別模擬:①固定含氫指數(shù)0.4(地層孔隙度40%),人為改變地層密度從2.026 g/cm3到2.71 g/cm3,間隔0.12 g/cm3;②固定密度2.71 g/cm3,人為改變含氫指數(shù)IH從0到0.4,間隔0.05;③含氫指數(shù)從0改變0.4(地層孔隙度由0%改變到40%),密度由2.71 g/cm3改變到2.026 g/cm3,孔隙度和密度同時改變,分別記錄近、遠探測器的非彈伽馬射線,得到非彈伽馬計數(shù)比值的變化規(guī)律,如圖2所示。

圖2 非彈計數(shù)比與密度和含氫指數(shù)的響應關系Fig.2 Relationship of inelastic gamma count ratio and density or hydrogen index

由圖2可知,當假定地層密度不變,近遠非彈伽馬計數(shù)比隨著含氫指數(shù)增加而增加;當?shù)貙雍瑲渲笖?shù)保持不變時,非彈伽馬計數(shù)比隨著密度增加而呈線性增加。對于實際地層來說,非彈伽馬計數(shù)比同時受到密度和含氫指數(shù)的影響;尤其在低孔地層中,含氫指數(shù)對非彈計數(shù)比的影響占絕對優(yōu)勢,掩蓋了密度的影響,使得非彈計數(shù)比隨著含氫指數(shù)增加而增加;在高孔地層中,密度對非彈計數(shù)比的影響占優(yōu)勢,非彈計數(shù)比隨著密度增加而增大。因此,利用非彈伽馬進行地層密度的測量,必須對含氫指數(shù)進行校正。

2.3 雙源距俘獲伽馬、熱中子計數(shù)比隨含氫指數(shù)的變化規(guī)律

為了比較熱中子、俘獲伽馬以及氫俘獲計數(shù)比隨含氫指數(shù)的變化規(guī)律,利用圖1計算模型,固定地層密度1.85 g/cm3,人為改變含氫指數(shù)IH從0.05到0.4,間隔0.05,記錄近、遠探測器俘獲伽馬計數(shù)、氫俘獲計數(shù)以及熱中子計數(shù),研究近、遠探測器俘獲伽馬計數(shù)比、氫俘獲計數(shù)比以及熱中子計數(shù)比與含氫指數(shù)的響應關系,如圖3所示。

圖3 近遠俘獲、氫俘獲伽馬以及熱中子計數(shù)比 隨著含氫指數(shù)的變化規(guī)律Fig.3 Relationship of capture, hydrogen capture gamma or thermal neutron count ratio with hydrogen index

如圖3所示,近遠俘獲伽馬、氫俘獲以及熱中子計數(shù)比在一定程度上都能反映含氫指數(shù)的變化;其中,熱中子計數(shù)比對含氫指數(shù)的靈敏度要明顯大于氫俘獲和俘獲伽馬計數(shù)比,這是因為俘獲伽馬計數(shù)同時受到含氫指數(shù)和地層密度的影響,在高孔地層中,密度對俘獲伽馬的影響較大,使得含氫指數(shù)靈敏度降低;且由于鉆鋌的存在,氫俘獲伽馬衰減較大,使得氫俘獲計數(shù)比對含氫指數(shù)的靈敏度降低,與總俘獲伽馬含氫指數(shù)靈敏度相近。

2.4 地層密度表征形式

利用模擬條件(3)開展模擬計算,記錄近、遠探測器非彈伽馬、俘獲伽馬及熱中子計數(shù),分別得到非彈伽馬計數(shù)比與密度的響應規(guī)律以及熱中子、俘獲伽馬計數(shù)比與含氫指數(shù)的響應規(guī)律,如圖4和圖5所示。

將圖4和圖5中非彈和俘獲伽馬以及熱中子計數(shù)比模擬數(shù)據帶入式(3)中,通過多元非線性回歸確定利用俘獲伽馬、氫俘獲伽馬以及熱中子計數(shù)比進行含氫指數(shù)校正的方法。

圖4 非彈計數(shù)比隨密度變化規(guī)律Fig.4 Relationship of inelastic gamma count ratio and density

圖5 俘獲、氫俘獲伽馬以及熱中子計數(shù)比 隨著含氫指數(shù)的變化規(guī)律Fig.5 Relationship of capture, hydrogen capture gamma or thermal neutron count ratio with hydrogen index

雙源距俘獲伽馬含氫指數(shù)校正方法:

(5)

雙源距氫俘獲伽馬含氫指數(shù)校正方法:

(6)

雙源距熱中子含氫指數(shù)校正方法:

(7)

式中,N1i/N2i為非彈伽馬計數(shù)比;N1c/N2c為總俘獲(或氫俘獲)伽馬計數(shù)比;N1t/N2t為熱中子計數(shù)比。

通過對校正公式(5)～(7)分析,俘獲、氫俘獲伽馬以及熱中子計數(shù)比含氫指數(shù)靈敏度會對校正公式中系數(shù)影響較大;含氫指數(shù)靈敏度越高,非彈計數(shù)比的系數(shù)越小,校正公式中的常數(shù)項絕對值也會減小。

3 結果與討論

3.1 密度精度分析

密度精度表示多次密度測量結果的集中程度,反映了測量結果的可重復性;密度精度越高,表示多次測量密度值相差越小,密度測量結果越集中。

為了對比不同粒子雙源距含氫指數(shù)校正后的密度精度,基于雙源距含氫指數(shù)校正基本公式(3),通過誤差傳遞公式,得到密度精度的表達式

(8)

式中,ΔN為測量粒子的統(tǒng)計誤差。

假定鉆頭鉆進速度為120 m/h,采樣間隔為0.1 m,脈沖中子發(fā)射率為1×108n/s,通過模擬得到近、遠探測器伽馬和熱中子計數(shù)。根據含氫指數(shù)校正后的密度響應關系式(5)～(7)和密度計算精度(8),得到俘獲伽馬、氫俘獲以及熱中子三種粒子含氫指數(shù)校正的密度計算精度,如圖6所示。

圖6 三種粒子含氫指數(shù)校正的密度計算精度Fig.6 Density precision of three kinds of hydrogen index correction methods

由圖6可知,三種粒子含氫指數(shù)校正后的密度計算精度隨著密度增大而增大。在地層密度為2.283 g/cm3(孔隙度為25%)時,熱中子含氫指數(shù)校正后密度精度為0.023 g/cm3,俘獲伽馬密度精度為0.031 g/cm3,而氫俘獲校正的密度計算精度為0.097 g/cm3,遠小于熱中子和俘獲伽馬密度計算精度,這是因為氫俘獲伽馬計數(shù)能窗過窄,探測器計數(shù)遠低于俘獲伽馬和熱中子,使得計數(shù)統(tǒng)計性變差,隨機誤差變大,精度降低。

3.2 密度準確度分析

密度準確度表示多次測量視密度平均值與真密度的接近程度,常以密度誤差表示。密度誤差越小,測量視密度與真密度相差越小,準確度越高。

地層為飽和水石灰?guī)r,改變孔隙度分別為8%,13%,18%,23%,28%,33%,43%,地層密度分別為2.573,2.488,2.402,2.317,2.231,2.146,1.975 g/cm3,記錄非彈、俘獲伽馬以及熱中子計數(shù),分別采用密度響應公式(5)～(7)進行地層密度的反演計算,對比含氫指數(shù)校正前后的視密度與真密度誤差,分析和比較三種含氫指數(shù)校正方法的密度準確度,如表1所示。

表1 含氫指數(shù)校正前后的對比Table 1 Comparison before and after hydrogen index correction g·cm-3

如表1所示,未經含氫指數(shù)校正,直接利用非彈伽馬計數(shù)比計算的視密度與真密度存在較大誤差,密度準確度很低;經過含氫指數(shù)校正后的視密度與真密度值相差很小,密度準確度明顯提高。其中,熱中子含氫指數(shù)校正后密度誤差最大值為0.026 g/cm3,氫俘獲校正密度誤差最大值為0.036 g/cm3,俘獲校正誤差最大值為0.045 g/cm3。通過比較三種含氫指數(shù)校正的密度誤差,發(fā)現(xiàn)熱中子含氫指數(shù)校正方法計算的密度準確度最高,氫俘獲伽馬次之,俘獲伽馬最小。

3.3 井徑和礦化度的影響

3.3.1 井 徑

地層為飽和水石灰?guī)r,儀器緊貼井壁,礦化度為0×10-6,井眼直徑分別設為20,22,24,26 cm,改變孔隙度分別為3%,23%,43%,記錄非彈、俘獲伽馬以及熱中子計數(shù),采用井徑20 cm條件下的密度響應公式(5)～(7)計算不同井徑條件下的地層密度誤差,分析和比較井徑對三種含氫指數(shù)校正方法密度計算結果的影響,如表2所示。

如表2所示,三種含氫指數(shù)校正后的密度誤差隨著井徑的增大而增大;隨著密度減小(孔隙度增大),井徑對密度計算誤差的影響減小。其中,熱中子校正后的密度誤差受井徑影響最小,俘獲伽馬校正密度受井徑影響略大于熱中子,而氫俘獲由于受到井眼中氫含量的影響,氫俘獲校正的密度誤差受井徑影響明顯大于熱中子和俘獲伽馬。

表2 不同井徑條件下的密度計算誤差Table 2 Comparison of density error under different caliper g·cm-3

3.3.2 地層水礦化度

地層為飽和水石灰?guī)r,儀器緊貼井壁,井眼直徑設為20 cm,地層水礦化度分別設為0,20 000×10-6,50 000×10-6和100 000×10-6,改變孔隙度分別為3%,23%,43%,記錄非彈、俘獲伽馬以及熱中子計數(shù),采用礦化度0條件下的密度計算公式(5)～(7)反演計算不同地層水礦化度條件下的地層密度,分析和比較地層水礦化度對三種含氫指數(shù)校正方法密度計算結果的影響,如表3所示。

表3 不同地層水礦化度條件下的密度計算誤差Table 3 Comparison of density error under different formation water salinity g·cm-3

如表3所示,三種含氫指數(shù)校正后的密度計算誤差隨著地層水礦化度的增大而增大;隨著密度減小(孔隙度增大),礦化度對密度計算誤差的影響增大。其中,熱中子校正后的密度誤差受礦化度影響最小,氫俘獲伽馬次之,俘獲伽馬校正的密度誤差受礦化度影響最大。

綜合對比三種雙源距含氫指數(shù)校正方法,熱中子含氫指數(shù)校正方法具有較高密度精度和準確度,計算結果受井徑和礦化度影響較小;氫俘獲和俘獲伽馬含氫指數(shù)校正方法密度準確度略低于熱中子;其中,氫俘獲伽馬密度準確度大于俘獲伽馬,但密度精度遠小于熱中子和俘獲伽馬,計算結果受井徑和礦化度影響較大。該研究結果為隨鉆中準確獲取地層密度提供了理論基礎,同時對中子和伽馬多探測器密度測量系統(tǒng)的發(fā)展具有借鑒意義。

4 結 論

(1)非彈伽馬計數(shù)比同時受密度和含氫指數(shù)的影響,因此利用非彈伽馬獲取地層密度必須進行含氫指數(shù)校正。

(2)俘獲伽馬、氫俘獲以及熱中子計數(shù)比都能反映含氫指數(shù)的變化;但由于密度的影響,使得氫俘獲和俘獲伽馬計數(shù)比對含氫指數(shù)的靈敏度明顯小于熱中子計數(shù)比;且由于鉆鋌的存在,使得氫俘獲計數(shù)比對含氫指數(shù)的靈敏度大幅度降低,靈敏度略大于俘獲伽馬計數(shù)比。

(3)建立了熱中子、俘獲伽馬以及氫俘獲伽馬雙源距含氫指數(shù)校正方法,經過含氫指數(shù)校正后的密度準確度與校正前相比明顯改善。其中,熱中子含氫指數(shù)校正后的密度精度和準確度最高,氫俘獲伽馬校正的密度準確度高于俘獲伽馬,但其密度計算精度遠小于熱中子和俘獲伽馬。

(4)三種含氫指數(shù)校正后的密度誤差隨著井徑和礦化度的增大而增大;其中,熱中子含氫指數(shù)校正后的密度受井徑和礦化度影響最小,而俘獲伽馬校正后的密度受礦化度影響最大,氫俘獲受井徑影響最大。

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(修榮榮)

Dual-spacing hydrogen index correction method for neutron gamma density measuring in LWD

ZHANG Quanying1, ZHANG Feng1,2, WANG Yuwei3, LIU Juntao1, JIA Wenbao4, TI Yongzhou5, LI Jing6

(1.SchoolofGeosciencesinChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China;2.LaboratoryforMarineMineralResources,QingdaoNationalLaboratoryforMarineScienceandTechnology,Qingdao266071,China;3.ExplorationCompanyofXinjiangOilfieldCompany,Karamay834000,China;4.CollegeofMaterialsScienceandEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China;5.ZhengzhouKeyLaboratoryofIsotopeTracingandDetecting,IsotopeResearchInstituteofHenanAcademyofSciencesCompanyLimited,Zhengzhou450015,China;6.DepartmentofBiology,GutaBranchSchoolofMongolianSeniorHighSchool,Chaoyang122300,China)

To resolve unstable density measurements using single detector hydrogen index correction calculation in neutron gamma density logging, a dual-spacing hydrogen index correction method is studied. The neutron and gamma ray distribution in different hydrogen index and formation conditions is simulated by a Monte Carlo method. A hydrogen index correction calculation model is established by the dual-spacing count rate ratio of capture gamma ray, hydrogen capture gamma ray and thermal neutron. The results of hydrogen index correction and the impact of caliper and salinity are compared. As a result, the accuracy in the density measurements after hydrogen index correction has improved significantly. Among them, the precision and accuracy from thermal neutron correction is the highest. The accuracy from hydrogen capture gamma correction is slightly higher than that of the capture gamma; on the contrary, the precision of hydrogen capture gamma is far less than that of the capture gamma and the thermal neutron. The error of dual-spacing hydrogen index correction increases with the increasing caliper and salinity. The results from thermal neutron correction are less sensitive to caliper and salinity, while the results from capture gamma and hydrogen capture gamma correction are considerably are on the opposite. The research provides correction methods for obtaining neutron gamma density accurately in LWD.Keywords: pulsed neutron source; dual-space; density; hydrogen index; Monte Carlo simulation

2016-04-28

國家自然科學基金項目(41374125,41574119);國家重大油氣專項(2017ZX05019005-004);中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項 (14CX05011A,15CX06008A)

張泉瀅(1988-),男,博士研究生,研究方向為核測井方法、核測井數(shù)據處理及蒙特卡羅模擬。E-mail:zqy_cn@sina.com。

1673-5005(2017)04-0078-07

10.3969/j.issn.1673-5005.2017.04.010

P 631.817

A

張泉瀅,張鋒,王玉偉,等.隨鉆中子伽馬密度測井的雙源距含氫指數(shù)校正方法[J].中國石油大學學報(自然科學版),2017,41(4):78-84.

ZHANG Quanying, ZHANG Feng, WANG Yuwei, et al. Dual-spacing hydrogen index correction method for neutron gamma density measuring in LWD [J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science), 2017,41(4):78-84.