隨鉆脈沖中子測井識別天然氣的數值模擬

張 鋒 袁 超 侯 爽 王新光

1.中國石油大學(華東)地球資源與信息學院 2.中石油測井重點實驗室中國石油大學(華東)研究室

隨鉆脈沖中子測井識別天然氣的數值模擬

張 鋒1,2袁 超1,2侯 爽1,2王新光1,2

1.中國石油大學(華東)地球資源與信息學院 2.中石油測井重點實驗室中國石油大學(華東)研究室

由于天然氣具有密度低、黏度小等特點,利用3種孔隙度資料可以定性識別天然氣層,但定量評價存在困難。為此,在隨鉆過程中依據天然氣與油、水的含氫指數不同,利用脈沖中子測井技術記錄的近、遠探測器熱中子或俘獲伽馬計數率比的相對變化量來定量確定含氣飽和度;在此基礎上,利用蒙特卡羅方法建立計算模型,模擬不同井眼和地層條件下脈沖中子測井遠近探測器記錄的熱中子或伽馬計數,研究其比值與含氣飽和度的測井響應。結果表明:油水層和氣層的計數相對變化量能反映地層的含氣飽和度,孔隙度越大,相對比值越大,對氣層的定量評價越準確;巖性、泥質含量、地層水的礦化度、井眼流體和尺寸以及鉆井液侵入等因素都會對天然氣地層的脈沖中子測井響應產生影響。總之,利用脈沖中子測井技術可以定量評價天然氣層,對提高天然氣識別能力和氣田高效勘探開發具有重要意義。

天然氣 地層 脈沖中子測井 含氣飽和度 影響 因素 蒙特卡羅法

中國天然氣工業經歷了近10年的快速發展,天然氣儲量進入新的增長高峰期。但是天然氣勘探具有埋深大、物性差、圈閉條件復雜的特點,其發現難度逐漸增大。目前在常規天然氣層的識別和評價方法很多,主要包括聲波時差與中子伽馬曲線重疊、雙孔隙度重疊、三孔隙度重疊、差值或者比值法、縱波時差差比法、核磁共振測井、成像測井、補償中子時間推移測井、巖性密度測井、熱中子衰減時間測井、碳氧比測井等[1-4]。近年來脈沖中子測井技術在氣層的識別和評價過程中發揮了重要作用,Trcka D等[5]利用儲層動態監測儀(RPM)不同探測器的非彈伽馬計數比值建立了與含氣飽和度的響應關系,Hamada G M[6]等利用中子壽命和過套管電阻率測井進行砂巖氣層含烴物質監測。

隨鉆條件下利用電阻率來判斷油氣層,但由于電阻率相差不大,很難定量確定含氣飽和度。斯倫貝謝公司在新一代隨鉆測井儀器增加了地層宏觀俘獲截面測量,Gauthier P J等[7]結合隨鉆電阻率和地層宏觀俘獲截面來確定含油飽和度,取得了較好的效果。由于天然氣含氫指數低且具有挖掘效應,其對中子的作用與油和水存在較大差別,通過脈沖中子測井技術得到的遠近探測器的熱中子或俘獲伽馬計數率比,建立其相對變化量與孔隙度的響應關系,可以定量確定含氣飽和度。利用蒙特卡羅方法模擬不同孔隙度、巖性等地層和井眼條件下的中子分布,研究熱中子或俘獲伽馬計數率比值和含氣飽和度的響應及井眼和地層因素對確定含氣飽和度的影響,為隨鉆條件下天然氣儲層含氣飽和度的定量評價提供技術支持。

1 確定含氣飽和度的方法

新型集成隨鉆測井儀器包括方位自然伽馬測量、伽馬—伽馬密度測量和脈沖中子測量等3部分,而脈沖中子測量不僅能確定孔隙度,還可確定地層宏觀俘獲截面、元素含量以及中子伽馬密度等多種地層參數。

天然氣和原油的元素成分比較接近,但其密度比原油和水小得多,含氫指數遠小于油和水,天然氣地層的熱中子通量分布會因氫的含量降低而有所變化,利用不同源距探測器的熱中子計數可以反映地層的含氣特性。

根據脈沖中子測井技術得到的近、遠探測器的熱中子或俘獲伽馬計數比值為:

式中 N1、N2分別為近探測器和遠探測器的熱中子或俘獲伽馬計數率;r1、r2分別為短源距和長源距;Lf為地層的快中子減速長度。

顯然飽含氣層的計數比值分別為:

式中Lfg為氣層的快中子減速長度。

參照Trcka D[5]提出反映含氣飽和度的非彈性散射伽馬計數比值,定義熱中子或俘獲伽馬計數比值的相對變化量參數(D)為:

不同孔隙度和含氣飽和度地層的快中子減速長度(Lf)不同,其D也不同;利用孔隙度資料和 D的響應關系可定量確定含氣飽和度。

2 蒙特卡羅模擬方法

MCNP[8]是一種能夠模擬連續能量的中子、光子、電子、中子/光子和光子/電子粒子在任意幾何形狀介質中的輸運過程,在核測井方法基礎和應用研究中發揮了巨大作用。

利用蒙特卡羅方法建立隨鉆條件下的計算模型,井眼直徑為20 cm;地層徑向半徑分別為10～70 cm、長為120 cm的柱體,把整個地層劃分成環距為7.5 cm、厚度5 cm的相鄰柵元,地層分別填充不同巖性、孔隙度和流體的物質;測井儀器外徑為45 mm,脈沖中子源處于儀器左端15 cm處,脈沖寬度為3μs,長、短源距分別為72.5 cm和42.5 cm。為了簡化模擬過程,沒有考慮熱中子探測器 He-3管的響應,中子源和探測器間放置理想屏蔽體(圖1)。模擬時選取的截面數據庫為ENDF/B-V I.0,采用F4柵元計數方式,記錄熱中子的時間譜道寬為30μs,記錄時間間隔為30～1 800μs,得到長短源距處的熱中子時間譜,研究利用遠近探測器熱中子計數比值相對變化量的方法來定量評價氣層。

圖1 計算模型圖

3 模擬結果及討論

3.1 含氣飽和度和孔隙度不同時的測井響應

利用上述計算模型,井眼內流體為淡水,地層為分別飽含油和氣的砂巖,其中油的密度為0.87 g/cm3,天然氣(CH4)的密度為0.2 g/cm3,在地層孔隙度為30%,改變含氣飽和度依次為 0、20%、40%、60%、80%和 100%,含氣飽和度分別為 0、20%、50%和80%,改變孔隙度依次為 10%、15%、20%、25%、30%、35%和40%時,模擬記錄遠近探測器處的熱中子計數,得到不同含氣飽和度時D與孔隙度的關系曲線(圖2)。

圖2 D與含氣飽和度、孔隙度的關系圖

由圖2可以得到:遠近探測器熱中子計數率比的相對變化量與孔隙度和含氣飽和度都有關;在孔隙度一定時,D隨地層含氣飽和度的增加呈線性減小,D能夠反映含氣飽和度的大小;含氣飽和度一定時,D隨孔隙度的增加而增加,且含氣飽和度越小這種變化越劇烈;孔隙度越大時不同含氣飽和度引起的D的差異越大。故利用脈沖中子測井技術得到的遠近探測器熱中子計數率比的相對變化量和孔隙度資料可以確定含氣飽和度,且孔隙度越大的地層越有利于評價氣層。

3.2 巖性和泥質含量的影響

其他條件不變時,地層孔隙中分別飽含油和氣,骨架分別為砂巖和石灰巖,改變地層的孔隙度,模擬得到的熱中子計數比相對變化量與孔隙度的變化關系見圖3-a。在考慮泥質時,泥質由細砂、黏土和水組成,體積百分比分別為8%、72%和20%,黏土礦物包括20%的蒙脫石、21%的伊利石、24%的綠泥石、20%的高嶺石和5%黑云母,密度為2.215 68 g/cm3,泥質含量分別為0、20%和40%的砂巖地層時D與孔隙度的關系如圖3-b所示。

圖3 不同巖性和泥質含量地層的D與孔隙度的關系圖

由圖3可以看出:砂巖地層和石灰巖地層的相對比值(D)隨孔隙度的變化趨勢相同,在孔隙度較小時變化較大,當孔隙度增加到一定程度時開始變緩;孔隙度較小時不同巖性引起D的差異較小,隨著孔隙度的增加地層巖性不同D的差異越大;孔隙度相同時下砂巖地層的D要比石灰巖地層的大,原因是石灰巖對中子的減速能力比砂巖大;泥質含量引起的D的差異隨孔隙度的增加而增加,且孔隙度相同時泥質含量越大D越小。因此利用熱中子計數率比相對變化量確定含氣飽和度時受巖性和泥質含量的影響,砂巖地層對氣反應靈敏,泥質含量越大對確定地層含氣飽和度越不利。

3.3 地層水礦化度的影響

利用同樣的計算模型,分別飽含不同礦化度地層水和氣的砂巖地層,其中地層水礦化度分別為0、30 000、50 000和100 000μg/g,改變地層孔隙度,模擬得到熱中子計數相對比值與孔隙度的關系(圖4)。

圖4 地層水礦化度不同時砂巖地層的D與孔隙度的關系圖

由圖4可以看出:不同礦化度地層水時熱中子計數率相對變化量(D)仍隨孔隙度的增加而增加,地層水礦化度越高變化越快;同一孔隙度條件下,地層水礦化度越大時,D越大,主要由于地層水礦化度越大,對遠近探測器處熱中子俘獲的能力差異越大。因此地層水礦化度越高越有利于含氣評價,但需對地層水礦化度的影響進行校正。

3.4 井眼尺寸和流體的影響

其他計算條件不變,井眼內流體分別為氣(CH4,密度為0.19 g/cm3)、淡水和30 000μg/g的礦化水,地層為飽含油和氣的砂巖,依次改變地層的孔隙度,模擬得到熱中子計數比的相對變化量與孔隙度的關系(圖5-a);同樣其他條件不變,井眼內充滿氣,井眼直徑為分別為20、22.827、27.907 cm和30.447 cm時的關系如圖5-b所示。

由圖5可以看出:低孔隙度地層井眼流體不同引起的相對比值差異較小,高孔隙度地層差異較大,且井眼內充滿氣時相對變化量(D)越小,對確定含氣飽和度越不利;井眼內流體為水時,礦化度的高低對D的影響很小。在孔隙度一定的地層,井眼尺寸越大時D越小,這是主要是因為井眼流體為氣,井眼直徑越大挖掘效應影響越大,故井眼尺寸越大越不利于含氣飽和度的評價。

3.5 鉆井液侵入的影響

計算模型不變,建立孔隙度為15%和30%飽含天然氣的砂巖地層,井眼內充滿淡水鉆井液,其礦化度為5 000μg/g,密度為1.334 02 g/cm3,向井軸周圍均勻侵入深度分別為0、3、6、9、12、15、18、21、24、27、30、33、36、39、42、45、48、51、54、57、60 cm,在不考慮泥餅的理想條件下,利用前面相同的方法得到響應關系如圖6所示。

圖5 不同井眼條件下砂巖地層的D與孔隙度的關系圖

圖6 2種孔隙度砂巖地層的D與鉆井液侵入深度的關系圖

由于天然氣的含氫指數小于鉆井液,隨著侵入深度的增加,遠近探測器熱中子計數率比的相對變化量也隨之增加,增加至30 cm左右時幾乎不再發生變化,且孔隙度不同的地層受鉆井液侵入深度的影響差別不大。因此在識別氣層時要考慮到鉆井液侵入的影響,但在隨鉆測井過程中鉆井液侵入深度很淺,脈沖中子測井受其影響很小,實際資料處理時可忽略鉆井液侵入的影響。

4 結論

1)由于天然氣和油水的含氫指數不同,利用脈沖中子測井技術記錄的近、遠探測器熱中子或俘獲伽馬計數率比的相對變化量隨含氣飽和度的增加呈線性減小,可以定量確定含氣飽和度。

2)利用熱中子或俘獲伽馬計數比相對變化量確定含氣飽和度時受井眼和地層條件影響,通過利用蒙特卡羅模擬研究得到:相對變化量隨孔隙度增加而增加,孔隙度越大越有利于評價含氣飽和度;孔隙度相同時,砂巖地層的相對變化量比石灰巖地層的大,而泥質含量越小,地層水礦化度越高,相對變化量越大,對確定含氣飽和度越有利。

3)井眼流體為水、井眼尺寸越小時,相對變化量越大,對確定含氣飽和度越有利;在高孔隙度地層,井眼流體為氣時的相對變化量越小,而井眼內水的礦化度對其影響很小;隨著鉆井液侵入深度的增加,相對變化量也隨之增加,增加至一定深度不再發生變化。顯然在利用脈沖中子測井技術確定含氣飽和度時需對各種影響因素進行校正,在實際應用過程中還需進一步研究。

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Numer ical Simulation of gas detection through pulsed-neutron logging-while-drilling

Zhang Feng1,Yuan Chao1,2,Hou Shuang1,2,Wang Xinguang1,2
(1.School of Geo-resources and Inform ation,China University of Petroleum,Dongying,Shandong 257061, China;2.Key L aboratory of Well Logging,China University of Petroleum,Dongying,Shandong 257061,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 30,ISSUE 10,pp.18-21,10/25/2010.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

A lthough qualitative identification of gas reservoirs is possible by using neutron po rosity,density po rosity and acoustic porosity data,it is very difficult to perfo rm quantitative evaluation due to low density and low viscosity of natural gas.Therefo re,w hile drilling,according to different hydrogen indexesof gas,oil and water,gas saturation can be calculated quantitatively by using a parameter D,i.e.the relative variation of the ratio between thermal neutron/cap ture gamma ray count ratesof near detector and thatof far detector.On basis of this,a calculation model is built by using the Monte Carlo method to simulate the thermal neutron o r capture gamma ray counts reco rded by the near and far detectors in different bo reholes w ith different geologic conditions.The relationship between D and gas saturation is established.The simulation results show that the parameter D can reflect gas saturation of a reservoir.The higher the porosity is,the larger the D becomes,and themo re accurate the quantitative evaluation of gas layers w ill be.Various factors,such as lithology,shale content,formation water salinity,bo rehole size,fluid type,and drilling mud invasion, can affect the pulsed-neutron logging response of gas layers.In summary,this technology of gas detection through pulsed-neutron logging-w hile-drilling can be used to quantitatively evaluate gas layers,and thus it is of great significance fo r gas detection and highly efficient exp loration and development of gas fields.

natural gas,formation,pulsed-neutron logging,gas saturation,impact,facto r,Monte Carlo method

張鋒等.隨鉆脈沖中子測井識別天然氣的數值模擬.天然氣工業,2010,30(10):18-21.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.10.004

國家自然科學基金(編號:40774058、40874065)、國家高技術研究發展計劃(863計劃)(編號:2006AA 060104)和山東省自然科學基金(編號:Y2007E02)。

張鋒,1970年生,副教授,博士;從事核測井方法、應用及核測井儀器最優化設計和巖石放射性測量等研究工作。地址:(257061)山東省東營市北二路271號。電話:(0546)8390251。E-mail:zhfxy_cn@upc.edu.cn

(修改回稿日期 2010-08-02 編輯 韓曉渝)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.10.004

Zhang Feng,associate p rofesso r,born in 1970,is engaged in research of nuclear logging method and app lication,op timal design of nuclear logging tools,and rock radiometry.

Add:No.271,Bei’er Rd.,Dongying,Shandong 257061,P.R.China

Tel:+86-546-8390 251 E-mail:zhfxy_cn@upc.edu.cn