氣體介質(zhì)鉆井條件下測(cè)井資料分析與數(shù)值模擬

張占松，張超謨（油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（長(zhǎng)江大學(xué)），湖北 荊州434023）

氣體介質(zhì)鉆井條件下測(cè)井資料分析與數(shù)值模擬

張占松，張超謨（油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（長(zhǎng)江大學(xué)），湖北 荊州434023）

由于現(xiàn)有儀器都是相對(duì)于傳統(tǒng)的液體泥漿環(huán)境條件設(shè)計(jì)和刻度的，當(dāng)井孔介質(zhì)為氣體時(shí)，現(xiàn)有儀器不能直接適用。采用不同井眼介質(zhì)測(cè)井資料的對(duì)比分析方法，分析了氣體井眼介質(zhì)條件下自然伽馬、密度和補(bǔ)償中子測(cè)井資料的響應(yīng)特征，提出了氣體鉆井測(cè)井資料的密度和中子測(cè)井校正方法。采用Monte Carlo數(shù)值模擬方法對(duì)液體和氣體介質(zhì)補(bǔ)償中子測(cè)井進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了井眼介質(zhì)不同時(shí)的探測(cè)器熱中子通量同源距乘積與源距的關(guān)系、熱中子計(jì)數(shù)率隨孔隙度變化規(guī)律、長(zhǎng)短源距熱中子計(jì)數(shù)率關(guān)系以及長(zhǎng)短源距熱中子計(jì)數(shù)率比值關(guān)系，驗(yàn)證了氣體井眼介質(zhì)條件下實(shí)際測(cè)井響應(yīng)特征。

氣體介質(zhì)鉆井測(cè)井；自然伽馬測(cè)井；補(bǔ)償中子測(cè)井；密度測(cè)井；數(shù)值模擬

氣體介質(zhì)鉆井是指鉆進(jìn)過(guò)程中井筒內(nèi)循環(huán)介質(zhì)為氮?dú)?、天然氣、霧、泡沫或空氣的輕質(zhì)低密度鉆井介質(zhì)的欠平衡鉆井技術(shù)，目的是更有效地保護(hù)油氣層，節(jié)約泥漿費(fèi)用，縮短鉆井周期，降低鉆井綜合成本［1］。氣體介質(zhì)條件下測(cè)井是在氣體鉆井條件下不將氣體替換為泥漿（或原油）而直接進(jìn)行測(cè)井作業(yè)，獲取測(cè)井資料并用于儲(chǔ)層評(píng)價(jià)［2］。

由于現(xiàn)有儀器都是相對(duì)于傳統(tǒng)的液體泥漿環(huán)境條件設(shè)計(jì)和刻度的，當(dāng)井筒環(huán)境為氣體介質(zhì)時(shí)，儀器的參數(shù)（如源距和刻度環(huán)境參數(shù)等）已經(jīng)不能直接適應(yīng)，從而使測(cè)井值不能反映地層特性。電阻率和聲波等測(cè)井方法不能直接使用；補(bǔ)償中子測(cè)井資料與常規(guī)泥漿條件下的資料差別極大；密度測(cè)井、自然伽馬測(cè)井等也不同程度的受測(cè)量環(huán)境的影響。導(dǎo)致了儲(chǔ)層孔隙度參數(shù)計(jì)算的可靠性受到嚴(yán)重影響，無(wú)法滿足油氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的基本要求。

1 自然伽馬測(cè)井對(duì)比分析

圖1是包淺1井在油和氣兩種介質(zhì)條件下測(cè)井測(cè)量結(jié)果的對(duì)比圖。從圖1中可以看出，兩種介質(zhì)條件下的自然伽馬曲線基本重合，但在高值部分，氣體介質(zhì)條件下的自然伽馬值比油介質(zhì)條件下的值大，且隨著伽馬值的增大，差別也越大。原因是在其他井眼條件相同的條件下，油的吸收系數(shù)比氣要大［3］。

圖1 包淺1井測(cè)井曲線圖

圖2是包淺1井在兩種介質(zhì)條件下自然伽馬測(cè)井的對(duì)比分析圖，它們的相關(guān)性非常好。兩種介質(zhì)條件下伽馬值的差值隨著伽馬值的增加也逐漸增加。

2 密度測(cè)井對(duì)比分析與校正

測(cè)井測(cè)出的密度值受到多種因素的影響，井眼擴(kuò)大或井壁不規(guī)則對(duì)密度測(cè)井曲線有嚴(yán)重影響，往往使密度測(cè)井曲線陡然下降，測(cè)出的密度值明顯偏低［4］。一般采用逐點(diǎn)檢驗(yàn)和校正方法來(lái)近似地消除這種影響。

圖2 油與氣井眼介質(zhì)自然伽馬測(cè)井結(jié)果對(duì)比

圖3 油與氣井眼介質(zhì)密度測(cè)井對(duì)比

圖1說(shuō)明兩種介質(zhì)條件下的補(bǔ)償密度測(cè)井值在擴(kuò)徑井段或井壁不規(guī)則處不一致，一般表現(xiàn)為兩種密度值都會(huì)降低，氣體介質(zhì)條件下的密度測(cè)井值比油介質(zhì)條件下的密度值降低的更多，且這種減小量一般不與擴(kuò)徑大小成比例。說(shuō)明在這些井段，儀器極板貼井壁不好，導(dǎo)致理論值與實(shí)際值之間存在差異。圖3是包淺1井兩種介質(zhì)條件下的密度測(cè)井交會(huì)圖，在高值部分兩種情況具有很好的一致性，而在低值部分兩者存在一定的差別。

采用以下方法對(duì)密度測(cè)井曲線進(jìn)行編輯校正：

1）計(jì)算解釋層段地層密度的下限值ρmin：

式中，ρsh為泥質(zhì)密度，kg/m3；Vsh為地層的泥質(zhì)含量，%；ρP為解釋層段中孔隙度最大的純地層密度值，kg/m3。

2）進(jìn)行逐點(diǎn)檢驗(yàn)和校正。當(dāng)測(cè)得的實(shí)測(cè)密度值ρb＜ρmin時(shí)，說(shuō)明井眼擴(kuò)大或井壁不規(guī)則，儀器極板貼井壁不好，導(dǎo)致實(shí)測(cè)值ρb比地層下限值ρmin還低，此時(shí)令ρb＝ρmin，作為該地層密度的近似值；當(dāng)實(shí)測(cè)密度值ρb＞ρmin時(shí)，仍取原ρb值。

參數(shù)ρsh和ρP可以在處理井段附近井徑規(guī)則處的密度測(cè)井曲線上選取，而Vsh則可以用自然伽馬曲線求取。圖4是包淺1井密度曲線編輯結(jié)果，編輯后的曲線更加合理。

3 中子測(cè)井的對(duì)比分析

3.1 實(shí)測(cè)資料分析

分別在3口井進(jìn)行了氣體介質(zhì)為天然氣、氮?dú)夂涂諝獾难a(bǔ)償中子測(cè)井，同時(shí)還在這3口井中進(jìn)行了油和淡水介質(zhì)條件下的補(bǔ)償中子測(cè)井。比較同一井中不同井眼介質(zhì)的測(cè)井結(jié)果（圖5），發(fā)現(xiàn)有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：①兩種介質(zhì)條件下補(bǔ)償中子測(cè)井值存在較大差別，大部分井段測(cè)井曲線形態(tài)相似，在擴(kuò)徑井段出現(xiàn)鏡像現(xiàn)象。②在油介質(zhì)條件下，長(zhǎng)源距計(jì)數(shù)率一般在0～4000范圍，短源距計(jì)數(shù)率一般在0～5000范圍，長(zhǎng)短源距計(jì)數(shù)率比小于1；在氣體介質(zhì)條件下，補(bǔ)償中子測(cè)井儀短、長(zhǎng)源距探測(cè)器計(jì)數(shù)率普遍增大。長(zhǎng)源距計(jì)數(shù)率一般在4000～15000范圍，短源距計(jì)數(shù)率一般在4000～9000范圍，長(zhǎng)短源距計(jì)數(shù)率比大于或等于1，且在擴(kuò)徑井段長(zhǎng)短源距計(jì)數(shù)率之比急劇增加。

圖4 包淺1井密度曲線編輯結(jié)果

圖6是油和氣介質(zhì)條件下測(cè)得的長(zhǎng)源距和短源距計(jì)數(shù)率的交會(huì)圖，相關(guān)系數(shù)分別為0.744和0.771，總體上有一定的相關(guān)關(guān)系。圖7是油介質(zhì)下測(cè)得的中子孔隙度與油或氣介質(zhì)長(zhǎng)短源距計(jì)數(shù)率比之間的關(guān)系。從圖7中可以看出，中子孔隙度與油介質(zhì)下的計(jì)數(shù)率比有很好的相關(guān)性，而與氣介質(zhì)下的計(jì)數(shù)率比的相關(guān)性則較差。

3.2 曲線校正

考慮到各參數(shù)之間存在相關(guān)性，但擴(kuò)徑會(huì)嚴(yán)重影響這種關(guān)系，因此在井徑不規(guī)則處采用內(nèi)插的方法或利用自然伽馬曲線的統(tǒng)計(jì)法對(duì)原始測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行編輯校正。圖8是氣體介質(zhì)井校正后的比值與油基泥漿比值的對(duì)比圖，大部分散點(diǎn)呈45度線分布。用油基泥漿井的回歸方程計(jì)算氣體介質(zhì)井的中子孔隙度，并與油井測(cè)量中子孔隙度對(duì)比發(fā)現(xiàn)擴(kuò)徑段空氣井預(yù)測(cè)段的中子孔隙度相對(duì)油基泥漿結(jié)果差別較大。

4 補(bǔ)償中子測(cè)井的Monte Carlo數(shù)值模擬

為了分析氣體與液體井眼介質(zhì)中子測(cè)井結(jié)果的差異，依據(jù)井眼充填介質(zhì)和地層孔隙充填介質(zhì)分成了4種情況：①井內(nèi)充滿淡水，地層孔隙中充滿淡水（水－水）；②井內(nèi)充滿淡水，地層孔隙中充滿天然氣（水－氣）；③井內(nèi)充滿空氣，地層孔隙中充滿水（氣－水）；④井內(nèi)充滿空氣，地層孔隙中充滿天然氣（氣－氣）。采用 Monte Carlo數(shù)值模擬方法進(jìn)行了數(shù)值模擬［5～7］。

1）探測(cè)器熱中子通量同源距乘積與源距關(guān)系 圖9為探測(cè)器熱中子通量乘以源距與源距的關(guān)系。從圖9中可以看出液體與氣體井眼介質(zhì)之間的差異，隨著源距的增加，液體介質(zhì)熱中子通量同源距的乘積迅速減小，而氣體介質(zhì)則變化緩慢。

2）熱中子計(jì)數(shù)率隨孔隙度變化規(guī)律 圖10為4種情況下，近、遠(yuǎn)探測(cè)器熱中子計(jì)數(shù)率與孔隙度變化的規(guī)律。在短源距處，當(dāng)井眼充滿淡水時(shí)，無(wú)論地層是飽含水還是飽含天然氣，熱中子計(jì)數(shù)率都隨著孔隙度的增加而減少，但飽含氣地層熱中子計(jì)數(shù)率隨孔隙度變化緩慢。當(dāng)井眼充滿空氣時(shí)，熱中子計(jì)數(shù)率在開始時(shí)都隨著孔隙度的增加而增加，而飽含水層增加得快；熱中子計(jì)數(shù)率增加到一定值后隨孔隙度增大而緩慢減少。當(dāng)?shù)貙涌紫抖仍龃蟮揭欢ㄖ禃r(shí)，飽含氣地層的熱中子計(jì)數(shù)率大于飽含水地層的熱中子計(jì)數(shù)率。遠(yuǎn)探測(cè)器熱中子計(jì)數(shù)變化規(guī)律和近探測(cè)器幾乎相同，空氣井眼比充滿水的井眼熱中子計(jì)數(shù)高。

3）長(zhǎng)短源距熱中子計(jì)數(shù)率比較 圖11為井眼充滿空氣，地層孔隙介質(zhì)為淡水或天然氣時(shí)，孔隙度與遠(yuǎn)探測(cè)器計(jì)數(shù)率或近探測(cè)器計(jì)數(shù)率的關(guān)系圖。從圖11中可以看出，當(dāng)井眼中充滿空氣時(shí)，無(wú)論地層是飽含水還是天然氣，遠(yuǎn)探測(cè)器熱中子計(jì)數(shù)率都是在最開始（孔隙度?。r(shí)大于近探測(cè)器熱中子計(jì)數(shù)率；當(dāng)孔隙度增大到一定值后，遠(yuǎn)探測(cè)器熱中子計(jì)數(shù)率開始小于近探測(cè)器熱中子計(jì)數(shù)率。當(dāng)?shù)貙咏橘|(zhì)為水時(shí)，遠(yuǎn)探測(cè)器計(jì)數(shù)率大于近探測(cè)器計(jì)數(shù)率發(fā)生在孔隙度小于10%；而地層介質(zhì)為天然氣時(shí)，遠(yuǎn)探測(cè)器計(jì)數(shù)率大于近探測(cè)器計(jì)數(shù)率發(fā)生在孔隙度小于25%。由此可知，在井內(nèi)為氣體介質(zhì)時(shí)，在一定地層條件下，遠(yuǎn)探測(cè)器的計(jì)數(shù)率可以大于近探測(cè)器的計(jì)數(shù)率。

圖5 包淺1井測(cè)井曲線圖

圖6 油與氣井眼介質(zhì)條件下長(zhǎng)、短源距計(jì)數(shù)率結(jié)果對(duì)比（包淺1井）

圖7 油、氣介質(zhì)長(zhǎng)短源距計(jì)數(shù)率比與油介質(zhì)中子孔隙度關(guān)系

4）井眼介質(zhì)不同時(shí)的長(zhǎng)短源距熱中子計(jì)數(shù)率比值 圖12為不同情況下（水－水、氣－水），遠(yuǎn)、近探測(cè)器計(jì)數(shù)率比與地層孔隙度的關(guān)系。從圖12中可以看出，井眼內(nèi)充滿空氣時(shí)的遠(yuǎn)、近探測(cè)器熱中子計(jì)數(shù)率比大于井眼充滿淡水時(shí)的遠(yuǎn)、近探測(cè)器熱中子計(jì)數(shù)率比，且在井內(nèi)介質(zhì)為淡水時(shí)，遠(yuǎn)、近探測(cè)計(jì)數(shù)率比值小于1；井內(nèi)介質(zhì)為氣體時(shí)，遠(yuǎn)、近探測(cè)器計(jì)數(shù)率比值在一定地層條件下大于1。氣體介質(zhì)條件下，遠(yuǎn)、近探測(cè)器計(jì)數(shù)率比隨孔隙度的增大而變化緩慢；而在淡水條件下，遠(yuǎn)、近探測(cè)器計(jì)數(shù)率比隨孔隙度的增大而變化較快，這說(shuō)明井內(nèi)為淡水時(shí)分辨率高，而在氣體介質(zhì)條件下，測(cè)井響應(yīng)不能很好地反映地層特性。

圖8 氣體介質(zhì)井校正后的比值與油基泥漿比值散點(diǎn)圖

圖9 近探測(cè)器熱中子通量乘以源距與源距關(guān)系

5 結(jié) 論

1）氣體介質(zhì)井眼條件下，由于氣體不具有吸收特性，因此比其他液體介質(zhì)更能準(zhǔn)確測(cè)定地層真實(shí)的自然伽馬值。

2）貼井壁長(zhǎng)、短源距密度測(cè)井儀器的讀數(shù)受井徑大小影響較小，但井壁不規(guī)則對(duì)密度測(cè)井曲線有嚴(yán)重影響，往往使密度測(cè)井曲線陡然下降，測(cè)出的ρb值明顯偏低。

3）在氣體介質(zhì)條件下，中子源產(chǎn)生的快中子由于不能迅速減速為熱中子，使得短源距計(jì)數(shù)率低而長(zhǎng)源距計(jì)數(shù)率高，長(zhǎng)、短源距記錄的熱中子信息主要來(lái)自井眼，來(lái)自地層的熱中子信息十分有限，長(zhǎng)、短源距探測(cè)器不能起到互相補(bǔ)償?shù)淖饔?，獲得的井眼信息遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地層信息。

圖10 近、遠(yuǎn)探測(cè)器熱中子計(jì)數(shù)率與孔隙度的關(guān)系

圖11 孔隙度與遠(yuǎn)近探測(cè)器計(jì)數(shù)率關(guān)系

圖12 遠(yuǎn)、近探測(cè)器計(jì)數(shù)率比值與孔隙度的關(guān)系

［1］許愛.氣體鉆井技術(shù)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用［J］.石油鉆探技術(shù)，2006，34（4）：16～19.

［2］羅寧，何緒全，陳正明.氣體介質(zhì)條件下的測(cè)井項(xiàng)目選擇和測(cè)井解釋探討［J］.天然氣勘探與開發(fā)，2006，29（4）：29～31.

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Analysis of Well Logging Data and Numerical Simulation in Gas Medium Drilling

ZHANG Zhan－song，ZHANG Chao－mo（Key Laboratory of Exploitation Technologies for Oil and Gas Resources（Yangtze University），Ministry of Education，Jingzhou434023，Hubei，China）

Because of the existing well logging tools were designed and calibrated to the traditional hole environment of liquid mud，when gas was used as a hole medium these well logging tools could not be directly deployed to the hole environment.Based on the comparative analysis of different well logging data，the well logging response characteristics of natural gamma，density and compensated neutron in the gas medium were analyzed，the method for correcting the density and compensated neutron logging data in the condition of gas drilling logging was proposed.The method of Monte Carlo numerical simulation is used to compensate neutron logging under the hole environment of liquid and gas hole medium.Through the numerical simulation，the relation between source spacing and the product of the thermal neutron flux and source spacing are，the relation between thermal neutron count rates and porosity，the relation between far and near source spacing count rates，and the relation of far and near source spacing count rates ratio between liquid and gas hole medium are also analyzed.The well logging response characteristics are proved under the condition of gas drilling logging.

logging of gas medium drilling；natural gamma logging；density logging；compensated neutron logging；numerical simulation

P631.84

A

1000－9752（2010）05－0084－06

2010－09－03

中國(guó)石油科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目（2008D－5006－03－02）。

張占松（1965－），男，1987年江漢石油學(xué)院畢業(yè)，博士，教授，現(xiàn)主要從事解釋與測(cè)井地質(zhì)研究與教學(xué)工作。

［編輯］ 龔 丹