張 麗 韓 笑 于華偉 賈文寶 耿學(xué)森

1（山東科技大學(xué)資源學(xué)院 泰安 271019）

2（中國(guó)石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 青島 266580）

3（南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 南京 211106）

中子孔隙度測(cè)井是石油勘探開(kāi)發(fā)中重要的測(cè)井方法之一，在早期應(yīng)用中主要采用同位素化學(xué)源，主要以241Am-Be源為主，但是由于其對(duì)環(huán)境和人體存在放射性風(fēng)險(xiǎn)，工程應(yīng)用受到了很大限制［1-4］?？煽刂凶釉匆蚱湟子诓僮鳎鄬?duì)安全，在中子孔隙度測(cè)井中得到了一定的應(yīng)用和發(fā)展，其中應(yīng)用較多的是DT源［5-7］。但是考慮到氚的放射性隱患、中子源使用壽命和測(cè)井施工成本等因素，D-D中子源的使用被認(rèn)為是工程測(cè)井進(jìn)一步的選擇及研究重點(diǎn)［8-10］。針對(duì)D-D中子孔隙度測(cè)井，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和科研院所等都進(jìn)行了一定的研究。于華偉等［11］、張鋒等［12］研究認(rèn)為，D-D中子孔隙度靈敏度相對(duì)較高，能夠用于孔隙度測(cè)井。Chen等［13］通過(guò)蒙特卡羅方法，對(duì)D-T、DD中子源替代241Am-Be源進(jìn)行孔隙度測(cè)井的可行性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)使用D-D中子源測(cè)量地層孔隙度的靈敏度高于其他中子源。于華偉等［14］研究影響D-D和D-T中子孔隙度測(cè)井靈敏度的因素，并且得出中子能量和巖石密度是影響靈敏度變化的主要因素。Badruzzaman等［15］分析了241Am-Be、D-D、D-T、D-Li與DPF（Dense Plasma Focus）等幾種源的中子孔隙度響應(yīng)差異，并對(duì)不同因素下的靈敏度差異進(jìn)行分析，其中指出巖性影響不容忽視，特別是泥頁(yè)巖的影響，不同中子源的影響程度不同。

為了得到D-D中子孔隙度測(cè)井中泥頁(yè)巖影響效應(yīng)，本文采用蒙特卡羅方法，對(duì)比研究D-D源、D-T源和241Am-Be源的中子孔隙度響應(yīng)，重點(diǎn)分析不同源距組合下D-D源中子孔隙度測(cè)井中的泥頁(yè)巖影響，為下一步分析泥頁(yè)巖地層中的孔隙度測(cè)量精度提供基礎(chǔ)。

1 D-D中子源孔隙度測(cè)井原理

D-D源中子孔隙度測(cè)井采用D-D中子發(fā)生器釋放2.45 MeV的快中子和距離中子源不同位置的兩個(gè)熱中子計(jì)數(shù)探測(cè)器，源釋放出快中子經(jīng)過(guò)地層減速慢化作用，變?yōu)闊嶂凶硬⑸⑸浠鼐?，隨后被探測(cè)器接收［16］。地層中氫元素對(duì)快中子存在極強(qiáng)的減速作用，通過(guò)近、遠(yuǎn)兩個(gè)探測(cè)器測(cè)得計(jì)數(shù)率的比值確定地層含氫指數(shù)。由于氫通常含于地層孔隙內(nèi)的流體中，因此氫的含量與地層孔隙度有關(guān)，從而獲取地層孔隙度。

與傳統(tǒng)中子孔隙度測(cè)井中241Am-Be源不同，DD中子發(fā)生器所釋放出的中子能量大小與能量形式方面，兩者存在差別。241Am-Be源以連續(xù)能譜形式釋放出平均能量為4.5 MeV的快中子，而D-D中子源以單能形式釋放出2.45 MeV的快中子，遠(yuǎn)低于同樣以單能形式釋放出14 MeV快中子的D-T中子源，對(duì)應(yīng)的中子輸出能譜如圖1所示。相比于241Am-Be源和D-T中子源，D-D源的能量較低，但是無(wú)放射性危害，同時(shí)作為可控中子源使用壽命較長(zhǎng)，更適用于工程測(cè)井長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量。

圖1 三種源的中子能譜Fig.1 Neutron spectra of three sources

將使用D-D源、241Am-Be源和D-T源三種源的響應(yīng)在孔隙含水30%的砂巖地層中做歸一化處理，其不同源距位置處的探測(cè)器接收計(jì)數(shù)情況如圖2所示（此處僅考慮使用三種源的響應(yīng)特性，忽略包括探測(cè)器使用在內(nèi)的其他特性影響）。由于D-D源的能量及中子釋放量低于241Am-Be源和D-T源，中子在地層中運(yùn)移時(shí)受到更強(qiáng)的吸收作用，所以探測(cè)器計(jì)數(shù)較低。所以，當(dāng)近、遠(yuǎn)源距位置發(fā)生變化時(shí)，其粒子接收計(jì)數(shù)隨之發(fā)生變化，進(jìn)而影響孔隙度的變化。

圖2 不同源距處探測(cè)器粒子計(jì)數(shù)響應(yīng)Fig.2 Response of detector particle count at different source distances

2 計(jì)算模型

為了研究?jī)x器在各種地層中的響應(yīng)，本文通過(guò)采用蒙特卡羅模擬程序MCNP（Monte Carlo Nparticle Transport Code）構(gòu)建儀器、井眼和地層的三維模型，計(jì)算模型如圖3所示。地層設(shè)置為圓柱狀，井眼內(nèi)充填淡水。偏心貼井壁放置，模擬時(shí)填充不同巖性和流體物質(zhì)。近、遠(yuǎn)探測(cè)器的源距為30 cm、53 cm［17］，探測(cè)器之間填充理想屏蔽體。探測(cè)器均采用內(nèi)部氣壓為1.010×106Pa的He-3中子計(jì)數(shù)管。中子源采用D-D源、D-T源和241Am-Be源，分別采用圖1所示的能量大小和形式。為了減小系統(tǒng)方差，將地層進(jìn)行網(wǎng)格劃分，即徑向上分為19個(gè)同心圓柱，在垂向上細(xì)化為37段，模擬時(shí)使用MCNP中通用源（Source Definition，SDEF），D-D源、D-T源和241Am-Be源分別采用圖1所示的能量大小和形式，采用F4計(jì)數(shù)方式，記錄的能量為0.025～0.400 eV，每次模擬時(shí)抽樣1×107個(gè)粒子，使每次模擬結(jié)果的統(tǒng)計(jì)誤差小于2%。

圖3 中子孔隙度測(cè)井的計(jì)算模型Fig.3 Computation model for neutron porosity logging

3 D-D源、D-T源、241Am-Be源中子孔隙度響應(yīng)對(duì)比

設(shè)置三種源的參考源距相同，即近、遠(yuǎn)源距為30 cm和53 cm，分別研究地層為飽含淡水灰?guī)r和砂巖，通過(guò)改變地層孔隙度，分別為10%、20%、30%和40%，模擬得到D-D源、D-T源、241Am-Be源三種中子源的近、遠(yuǎn)探測(cè)器熱中子計(jì)數(shù)率比值與地層孔隙度的關(guān)系，如圖4所示。

圖4 砂巖(a)和灰?guī)r(b)在不同中子源的中子孔隙度響應(yīng)圖Fig.4 Neutron porosity response of sandstone(a)and limestone(b)to different neutron sources

由圖4可知，使用三種中子源得到的響應(yīng)規(guī)律大致相同，三種源對(duì)應(yīng)的近遠(yuǎn)比都隨著孔隙度而增加。在相同地層條件下，由于不同中子源的差異，使得測(cè)量得到的近、遠(yuǎn)探測(cè)器熱中子計(jì)數(shù)率比值不同，說(shuō)明不同中子源的選擇會(huì)對(duì)地層孔隙度測(cè)量產(chǎn)生一定的影響。D-D源、D-T源、241Am-Be源三種中子源中，使用D-D源的近遠(yuǎn)比變化率最大，特別是在孔隙度較大時(shí)，這表明三種中子源在高孔隙度中，使用D-D源測(cè)量時(shí)對(duì)地層孔隙度的變化反應(yīng)最靈敏，241Am-Be源次之，D-T源對(duì)地層孔隙度的靈敏度最低。

4 D-D源、D-T源、241Am-Be源中子孔隙度測(cè)井泥質(zhì)響應(yīng)分析

4.1 泥質(zhì)類型的影響

為了詳細(xì)考察D-D源、D-T源、241Am-Be源中子孔隙度在各種地層的響應(yīng)，分別選擇飽含淡水的石灰?guī)r以及飽含淡水的各種類型泥頁(yè)巖［18］，如表1所示。

表1 各種泥頁(yè)巖類型Table 1 Various shale types

模擬研究?jī)x器在不同孔隙度地層的響應(yīng)，得到近、遠(yuǎn)探測(cè)器計(jì)數(shù)率比值與地層孔隙度之間的關(guān)系如圖5所示。

由圖5可以看出，使用D-D源、241Am-Be源、D-T源三種源對(duì)應(yīng)的高嶺石、綠泥石、鋁土和蒙脫石4種泥頁(yè)巖類型及密度以不同程度偏離其對(duì)應(yīng)的含水灰?guī)r響應(yīng)趨勢(shì)線，為了便于比較，下面將4種地層得到的近遠(yuǎn)比轉(zhuǎn)換為視石灰?guī)r孔隙度進(jìn)行比較分析，其結(jié)果如圖6所示。

圖5 三種源的中子孔隙度在高嶺石(a)、綠泥石(b)、鋁土(c)和蒙脫石(d)地層中的響應(yīng)Fig.5 Response of neutron porosity of three sources in kaolinite(a),chlorite(b),bauxite(c)and montmorillonite(d)formations

圖6 三種源在高嶺石(a)、綠泥石(b)、鋁土(c)和蒙脫石(d)地層的視孔隙度與地層真孔隙度的比較Fig.6 Comparison of apparent porosity and true porosity of three sources in kaolinite(a),chlorite(b),bauxite(c)and montmorillonite(d)

從圖6可以看出，當(dāng)中子孔隙度測(cè)井采用D-D源和241Am-Be源時(shí)受到的影響相對(duì)較小，4種類型的泥頁(yè)巖對(duì)孔隙度測(cè)量的影響程度由強(qiáng)到弱依次為高嶺石、綠泥石、鋁土及蒙脫石。其中蒙脫石使用D-D源時(shí)對(duì)應(yīng)的視孔隙度結(jié)果與地層真孔隙度接近，因此能夠認(rèn)為含水蒙脫石地層的響應(yīng)趨近于含水灰?guī)r地層的響應(yīng)而沒(méi)有明顯的泥質(zhì)影響，對(duì)不同泥頁(yè)巖地層的響應(yīng)變化則認(rèn)為與泥頁(yè)巖元素原子組成有關(guān)。另外，對(duì)于4種類型的泥頁(yè)巖含水地層，圖6中能夠觀察到D-D源和241Am-Be放射源的視孔隙度結(jié)果存在部分極為接近甚至重合的情況。

相對(duì)于D-D源和241Am-Be源，D-T源受到的影響最大，本文采用的源距為30～53 cm，因D-T源能量大，加大遠(yuǎn)源距，當(dāng)源距組合采用30～65 cm時(shí)，使用D-T源的鋁土地層，在孔隙度為30%和40%時(shí)，得到的視孔隙度結(jié)果超過(guò)了100%，數(shù)據(jù)已經(jīng)失真，其原因與鋁土密度過(guò)高有關(guān)，如圖7所示。

圖7 源距組合30～65 cm下使用D-T源鋁土地層的視孔隙度與地層真孔隙度的對(duì)比Fig.7 Comparison between apparent porosity and true porosity of bauxite formation with D-T source under 30～65 cm source spacing combination

4.2 泥質(zhì)含量的影響

為了研究泥質(zhì)含量對(duì)D-D源、D-T源、241Am-Be源中子孔隙度測(cè)井響應(yīng)的影響，設(shè)置地層為巖石骨架、泥質(zhì)和孔隙流體三部分組成，其中巖石骨架為灰?guī)r，泥質(zhì)主要成分及性質(zhì)如表2所示。

表2 泥質(zhì)的主要成分Table 2 Main components of argillaceous

通過(guò)改變灰?guī)r地層中泥質(zhì)含量（0%、10%、20%、30%、40%）模擬得到近、遠(yuǎn)探測(cè)器熱中子計(jì)數(shù)率。不同泥質(zhì)條件下，D-D源、D-T源、241Am-Be源中子孔隙度儀器近遠(yuǎn)計(jì)數(shù)率比值與地層孔隙度的變化規(guī)律見(jiàn)圖8。

圖8 灰?guī)r地層不同含量的泥質(zhì)10%(a)、20%(b)、30%(c)和40%(d)隨孔隙度的變化Fig.8 The shale content of 10%(a),20%(b),30%(c)and 40%(d)varies with porosity in limestone formation

在灰?guī)r地層中，D-D源、D-T源、241Am-Be源三種中子源得到的響應(yīng)規(guī)律大致相同，三種源對(duì)應(yīng)的近遠(yuǎn)比都隨著孔隙度的增加而增加，然而，在灰?guī)r地層中加入不同含量的泥質(zhì)時(shí)，三種源對(duì)應(yīng)的近遠(yuǎn)比均呈現(xiàn)出隨孔隙度增加而增加的趨勢(shì)，但變化幅度不同。

同樣地，將4種不同含量的泥質(zhì)地層得到的近遠(yuǎn)比轉(zhuǎn)換為視石灰?guī)r孔隙度進(jìn)行比較分析，其結(jié)果如圖9所示。

圖9 三種源在泥質(zhì)含量10%(a)、20%(b)、30%(c)和量40%(d)的視孔隙度與地層真孔隙度的比較Fig.9 Comparison of apparent porosity and formation true porosity of the three sources with shale content of 10%(a),20%(b),30%(c)and 40%(d)

對(duì)于10%、20%、30%和40%4種不同含量的泥質(zhì)地層，由圖9看出，D-D源和241Am-Be源的視孔隙度結(jié)果存在極為接近甚至重合的情況，而使用D-T源中子孔隙度測(cè)井在4種泥頁(yè)巖類型地層和在不同含量的泥質(zhì)地層受到的影響較大。使用D-D源、DT源、241Am-Be源中子孔隙度測(cè)井中不管是在4種類型的泥頁(yè)巖地層中還是在不同含量泥質(zhì)灰?guī)r地層中，D-D源和241Am-Be源的視孔隙度結(jié)果可以看出具有相似的泥頁(yè)巖響應(yīng)，但D-D源中子孔隙度響應(yīng)與241Am-Be源還有一定的差異，下面針對(duì)D-D源中子孔隙度測(cè)井受到的泥頁(yè)巖影響進(jìn)行校正分析。

5 D-D源中子孔隙度測(cè)井泥質(zhì)影響校正分析

為了驗(yàn)證可控源D-D中子孔隙度測(cè)井方法的有效性，如果通過(guò)改變D-D源近、遠(yuǎn)源距位置的方式，能夠?qū)-D源和241Am-Be源所測(cè)量的熱中子數(shù)據(jù)在近遠(yuǎn)比響應(yīng)關(guān)系上存在較好的相似性，將對(duì)今后測(cè)井儀器中放射源的可兼容替代奠定基礎(chǔ)。以上述241Am-Be源孔隙度測(cè)井中的近遠(yuǎn)源距位置30 cm和53 cm作為參照，改變D-D源中子孔隙度測(cè)井的近遠(yuǎn)源距組合，優(yōu)選出D-D源的近遠(yuǎn)源距位置，使其通過(guò)改變D-D源的源距以削弱巖性特別是泥頁(yè)巖的影響。

為了確定最優(yōu)源距位置，設(shè)置D-D源的源距組合設(shè)計(jì)，分別為25～45 cm、25～55 cm、30～60 cm等，得到的近遠(yuǎn)探測(cè)器熱中子計(jì)數(shù)率比值轉(zhuǎn)換為視石灰?guī)r孔隙度進(jìn)行比較。

由圖10可見(jiàn)，當(dāng)D-D源采用不同源距組合時(shí)，在不同類型泥頁(yè)巖地層和在不同含量泥質(zhì)灰?guī)r地層中的視孔隙度值均以不同程度偏離241Am-Be源（30～53 cm），如源距組合為30～65 cm和25～55 cm。但是也有非常接近或重合的情況，當(dāng)源距組合為25～45 cm時(shí)，此時(shí)與241Am-Be源（30～53 cm）非常接近。在源距組合為25～45 cm時(shí)，蒙脫石受到泥頁(yè)巖影響最??；蒙脫石地層在孔隙含水10%和20%時(shí)的視孔隙度值基本上與地層真孔隙度相同，因此可以認(rèn)為含水蒙脫石地層的響應(yīng)沒(méi)有明顯的泥頁(yè)巖影響。當(dāng)源距組合為25～55 cm時(shí)，在地層真孔隙度為40%的高嶺石地層的視孔隙度值超過(guò)100%，數(shù)據(jù)失真，這說(shuō)明D-D源所受泥頁(yè)巖的影響與泥頁(yè)巖的類型有關(guān)，同時(shí)與采用的源距組合也有一定關(guān)系。因此通過(guò)優(yōu)化源距組合的方式可以減弱泥頁(yè)巖的影響。

圖10 D-D源在不同地層條件下不同源距的視孔隙度對(duì)比Fig.10 Comparison of apparent porosity of D-D source under different formation conditions and different source spacing

在D-D源 距 組 合 為25～45 cm下，可 以 發(fā) 現(xiàn)與241Am-Be源（30～53 cm）的響應(yīng)關(guān)系最接近，但并不存在一組泥頁(yè)巖響應(yīng)結(jié)果與241Am-Be源完全一致，其原因是在地層中存在常見(jiàn)元素Ca、C的非彈性散射閾能分別為3.75 MeV、4.43 MeV，此時(shí)相比于D-D源而言，241Am-Be源釋放的快中子存在與這些元素原子發(fā)生非彈性碰撞的可能性，基于快中子微觀作用的差異性導(dǎo)致了D-D源中子孔隙度測(cè)井受到的泥質(zhì)影響與241Am-Be源不同。

因此，在D-D源釋放中子能量為2.45 MeV的背景下，盡管不能得到和241Am-Be源完全一致的泥頁(yè)巖響應(yīng)結(jié)果，但是能夠通過(guò)合理的源距設(shè)計(jì)使D-D源孔隙度測(cè)量中的泥頁(yè)巖響應(yīng)較高程度接近241Am-Be源，這也為D-D源中子孔隙度測(cè)井中泥頁(yè)巖校正提供了思路，并且為替代241Am-Be源的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

6 結(jié)語(yǔ)

1）D-D源、D-T源、241Am-Be源三種中子源在高孔隙度中，使用D-D源測(cè)量時(shí)對(duì)地層孔隙度的變化反應(yīng)最靈敏。

2）使用D-D源、D-T源、241Am-Be源中子孔隙度測(cè)井中不管是在4種類型的泥頁(yè)巖地層中還是在不同含量泥質(zhì)灰?guī)r地層中，D-D源和241Am-Be源的視孔隙度結(jié)果可以看出具有相似的泥頁(yè)巖響應(yīng)。

3）通過(guò)源距優(yōu)化，D-D源和241Am-Be源的泥頁(yè)巖響應(yīng)結(jié)果存在一定偏差，但是兩者對(duì)應(yīng)的響應(yīng)關(guān)系吻合度較高，特別是在源距為25～45 cm時(shí)，D-D源中子孔隙度測(cè)井中泥頁(yè)巖影響與241Am-Be源接近程度最高。雖然源距組合的改變，不能使得D-D源和241Am-Be源的泥頁(yè)巖響應(yīng)達(dá)到完全一致或者徹底消除泥質(zhì)影響，但是這也為下一步分析泥頁(yè)巖地層中的孔隙度測(cè)量精度提供基礎(chǔ)，促進(jìn)了D-D源中子孔隙度測(cè)井的應(yīng)用發(fā)展。

作者貢獻(xiàn)聲明張麗：負(fù)責(zé)文章的起草及最終版本修訂；韓笑：負(fù)責(zé)資料的收集及整理；于華偉：負(fù)責(zé)研究的提出、設(shè)計(jì)及文章的修改；賈文寶：負(fù)責(zé)資料的搜集及整理；耿學(xué)森：負(fù)責(zé)論文的修改。