中子测井与天然气探测技术

第26卷第1期核电子学与探测技术Vol 26 No I2006年1月Nuclear Electronics Detection TechnologyJan.2006中子测井与天然气探测技术秦绪英·2,肖立志,张元中(1.石油大学北京1022002.中石化石勘院南京石油物探研究所江苏南京210014)摘要:简单介绍了中子测量与地层含氢指数及地层孔隙度的关系介绍了地层含气对中子测量的影响以及泥浆侵入对中子在含气地层响应特征的影响。分析了中子测井仪器长短源距探测器受泥浆便入影响的差异,给出了通过对中子仪器长短源距计数率校正消除泥浆侵入影响的方法通过实际资料验证,取得了比较好的结果关键词:含氢指数;中子测量;天然气;泥浆侵人校正中围分类号:P618.130.2文献标识码:A文章编号:02580934(2006)01-00905由快中子源发射出的高能中子,在发射后△E2A(3)的极短时间内经过一二次非弹性碰撞损失掉大量的能量之后,只能经弹性散射而继续减速每当中子与氢核碰撞时,每次碰撞平均会减次弹性碰撞后快中子损失的能量与靶核的质少一半的能量,而与碳核碰撞时,每次碰撞平均量数A、入射中子的初始能量E以及散射角0只损失14%的能量。靶核的质量数越大对快有关。当为180时,即发生正碰撞,中子损失中子的减速能力越差,而氢核的A最小,对快的能量最大,一次弹性碰撞中子可能的最大能中子的减速能力最强这决定了氢是所有元素中最强的中子减速剂,这是中子测井能有效量损失为;解决地层含氢量以及与此有关的地质问题的科Emx={1-[(A-1)/(A+1)]E学基础。(1)中子源发射出的高能快中子减速到热中子令a=[(A-1)/(A+1)]2,得到所需要的时间及所移动的距离是由岩石的宏观△Emx=(1-a)E(2)减速能力决定的岩石是由多种元素组成的,其对氢核来说,质量数A=1,因而有,△Emx宏观减速能力主要由含氢量来决定,水是地层E。这就是说中子与氢核发生正碰撞时,中中中子减速能力最强的物质,由其他轻元素组子就失去其全部动能,对碳核来说,质量数A=成的物质减速能力比水小1~2个数量级,由重12因而有a=0.716,因而中子与碳核发生正元素组成的物质宏观减速能力更差。所以可碰撞时,中子可能失去的最大能量是0.284E近似地认为地层岩石的减速能力等于地层孔隙经过数学计算,中子在每次弹性碰撞时平均的中水或原油的减速能力(假设地层骨架中不含能量损失为:氢)。M凵中国煤化工质中形成的超热中CNMHG的条件下与源距收稿日期:200506-09r的关系为作者简介:秦绪英(1962—),男教授级高级工程师石油大学北京)博士生,从事测井技术研究工作9 4D,r(4)从此式可以看出,超热中子注量率只和地=1.0637kg/m3,而石油的含氢指数为1.28Pm,层的减速性质有关而不受吸收性质的影响,可如果石油的密度为0.85g/cm3,则石油的含氢以很好地反映地层的含氢量,能准确地测定油指数为1.09,天然气的含氢指数比水或油低2层或水层的孔隙度。据此形成了以探测氢元素个数量级。可见天然气引起的中子测量异常为基础的地层孔隙度测量方法,所以中子测井分明显,这是根据中子测量识别评价天然气被认为属于三孔隙度测井系列中的一种方法。储层的物理基础。实验得到砂岩中子减速长度由于天然气的含氢指数特别低,当地层孔与孔隙度的关系见表1及图1,可以得出结隙中含有天然气时,根据中子测量方法计算的论:孔隙度的对数值与减速长度呈近似的线性地层孔隙度误差相对比较大。根据此机理,将3关系。种孔隙度测井系列结合起来结合岩心资料,分表1砂岩中子减速长度与孔腺度的关系析中子测量值与其他方法确定的孔隙度值的差孔隙度/%3.010.01.14-2263.850水异来检测、评价天然气储层,使得中子测井成为L517.815.513.711.510.59.17天然气储层识别、评价的一种有效方法。在应用中子测井识别、评价天然气储层过程中特别是现在进入储层定量评价及产能定量计算阶段,发现在某些情况下计数的数值同地层测试数据会有一些比较大的偏差,经研究发现这种偏差是由泥浆滤液侵入地层导致。本文根据中子测量仪器长短源距探测深度不同受图1实验测量数据泥浆侵入影响的程度不同这一原理,探讨了中在裸眼井测井时,渗透性地层一般有泥浆子测量泥浆侵入的校正方法并用实际资料进侵人,可以认为中子仪器短源距探测器主要受行了验证。泥浆滤液影响为主,长源距探测器所受影响与1地层元素含氢指数及其影响泥浆侵人深度有关,所以泥浆侵入的影响不可忽略←0],特别是在利用中子测量方法对天然地层对快中子的减速能力主要取决于地层的含氢量,含氢量高的地层宏观减速能力强减气进行定量评价时。地层在不含天然气时,经过刻度和其他因素影响校正,密度、声波、中子速长度(Ls)小,假设地层骨架中不含氢,Ls反映孔隙度的大小,Ls越小孔隙度越大。为讨论种孔隙度测井方法得到的地层孔隙度参数接近。当地层含有天然气时,中子孔隙度参数偏方便,把淡水的含氢量定为1个单位,则1cm低,据此形成了中子测井识别评价天然气的方的任何岩石或矿物中的氢核数与同体积淡水的氢核数的比值称为该岩石或矿物的含氢指法在应用此方法的过程中,受到泥浆滤液侵人的干扰探索泥浆滤液侵入之前或未发生泥浆数2),用H表示。密度为p,分子量为M且每侵入条件下的天然气与中子测量之间的函数关个分子中有z个氢核的单一分子组成的化合系是本文的技术核心之物的含氢指数为H=9x/M。盐水的含氢指数为H=P(1-P),P为NaCl浓度(单位2中子测井与天然气探测10-6)。液态烃的含氢指数与水接近,但是天然目前所用补偿中子测井技术是用同位素中气的氢浓度很低,因而当天然气聚集在探测范子源在井眼中向地层发射快中子,在距离源距围内的井眼附近时,中子测量所得到的含氢指不同的两个观测点上,用热中子探测器测量经数会严重偏低。烃的含氢指数可以根据其组分过地层减速慢化并散射回井眼的热中子,用两和密度来计算。分子式为CHx(其分子量为12个洹汁断宝计籲的比值测定地层的孔+X)密度为A的烃含氢指数为:中国煤化工热中子注量率受H=[9x/(12+x)]ACNMHG距为n、n2的长、可以得出甲烷的含氢指数为2.25甲炊短两个源距的探测器进行计数则热中子注量般条件下(T=293.15K,P=101.325kPa)p率比为R=N=r2e-1n-/L般中子仪器在孔隙度为30%的灰岩地N4(r2)层中进行刻度,设想淡水从井壁开始以SN()表示热中子的计数率与热中子的注100%侵入原始含气饱和度S4=100%的地层量率成正比所以当源距n1n选定后,只与地研究表明长源距探测器的探测深度比短源距的层的减速长度(含氢量)有关,据此可以计算中要大,说明短源距受泥浆侵入的影响更彻底通子孔隙度值,一般关系是随着R的增加,计算常泥浆侵入对中子测量有影响的径向深度超不的孔隙度值(对数)在减小,见图1(实验数据)过65cm。长短源距注量率及其比值的J因子随及图2(实测数据),横坐标为长短源距计数率侵入深度的关系,见文献[1,2],根据文献[6之比。9介绍的方法,计算出此地区一般泥浆侵入深度为30cm左右,得到长短源距比值J因子大约为0.2在含气储层有泥浆侵入发生时,利用以注量率比为基础的中子测井方法进行天然气探测时,测量结果受泥浆侵入的影响需要进行校正当侵入超过临界界限值时,此影响自动消除对图2某井1775~1990m井段实际测量数据特定的仪器而言,表征径向探测特性的归一化将天然气的影响作为干扰因素进行校正,因子J,主要是泥浆侵入深度的函数,在有侵入或者是利用挖掘效应识别天然气,本文方法的但又不是足够深时,中子测量的计算结果(视孔核心是根据中子仪器长、短源距的探测深度不隙度)为同受泥浆侵入的影响不同这一原理,通过对计S(x)=Jk(x)%a+[1-Jx(x)]o(9数率的校正,消除泥浆侵入的影响,恢复天然气9为无侵入时地层的视中子孔隙度;对中子测量的响应特征(天然气富集使中子孔为无穷侵入时地层的视中子孔隙度;(x)为侵隙度明显变小)再根据中子测量值及其他经过深度为x时地层的视中子孔隙度。从上式得校正或岩心刻度的孔隙度测井(经过环境校正到及岩心刻度的声波测井或密度测井孔隙度),探测天然气的存在。定义天然气富集指数为90-1-JN(x[(x)一J(x)9]IA=f(9Ac+%-n)(7)(10)地层孔隙度是固定的,可以认为经过校正短源距探测器经过适当校正后可以得到无或岩心刻度的孔隙度测井与中子孔隙度的差是穷侵入时地层的视中子孔隙度,并根据一对同天然气存在对中子测量的影响经过刻度可以时测量的探测深度不同的测井方法(深、浅侧进一步定量评价天然气的富集。向)计算出侵入深度x,则原状气层的视中子孔3泥浆侵入校正隙度可以计算出来2。图3为根据本文介绍的方法对图2数据进一般天然气富集地层渗透性比较好,泥浆行处理得到的结果。图4为处理前后数据对比滤液侵入地层是不可避免的泥浆滤液侵入气图,在图4中,第1道CLL为长源距计数率,层,增加了井眼附近区域氢元素的密度,对长、CNS为短源距计数率;第2道NPHI、PORN分短源距探测器的计数率产生不同的影响侵入别为校正前后中子孔隙度值;第3道AC、DEN深度不同,影响的差别很大013.为了研究侵分别为声波、密度测井值;第4道RNEU为长入深度对长短源距的注量率及其比值的影响,短源距计数率之比;第5道为两条井径值。定义中子测井的径向几何因子为:4天V凵中国煤化工J=(乎-9)/(%-%)CNMHG9为无侵入时的注量率或其比值;%为侵本头例日郭水多斯益吧,该地区一般为入深度为x时的注量率或其比值;9为侵入深欠压地层,尽管泥浆密度比较低,泥浆滤液侵入度超过中子探测范围时的注量率或其比值。地层的现象还是十分普遍的。在该地区利用中11从图5数据点的分布整体趋势可以看出经过测试验证为高产气层的层位,其中子测量值比较高,对应的孔隙度值相对也大,出现这种现象,说明该地区中子测量结果受泥浆侵人影响比较严重,依据这样的测井资料进行天然气识别评价有一定的困难。◆测井解释图3根据本文介绍的方法,对图2数据L测试2进行处理得到本图数据结果10152025图5测井解释的气层及经过测试的高低产气层中子测量值(CNL)与孔隙度(POR)交会图测井解释图6针对图5的数据,对测试为高产气层的中子测量值进行校正后的结果5结论图4原始测量数据及校正后的数据对比与图2为同一并段数据由于含氢指数的差异,井眼周围地层中含子测井进行天然气大量识别、评价的过程中遇有天然气使中子测井反映的地层孔隙度偏低到麻烦。在经过测试的高产气层及一般气层地在利用中子测井与其他孔隙度测井的差异评价层中,中子测量值的差别不大,见图5。没有体地层的含气性时,中子测量又受到泥浆滤液侵现出天然气对中子测井的响应特征,中子测量的影响,泥浆滤液侵入加大了含气地层的中值分布散乱,甚至出现测试高产气层对应高中子测量值。子测量值的现象,这是典型的泥浆侵入特征根利用中子测井仪器长短源距探测器受泥据这样的测量结果是很难做出对地层进行测试浆侵入的影响不同这一原理,通过对长短源距的结论。对高产气层的中子测量数据进行校正探测器中子测量计数率的校正可以消除泥浆侵后的结果见图6,根据这样的测量结果是可以对中子在含气地层测量响应的影响,恢复含做出对地层进行测试结论的气地层中子测井的响应特征图5横坐标是孔隙度值,纵坐标是中子测实际资料证明本文所介绍的方法有效。量值,三种符号分别是对应测并解释层位的中子测量值与经过测试的层位的中子测量值,产参考文献:气量为3.638、2.3067、1.8296、7.0296、2.996[1]黄隆基核测井原理M]北京:石油大学出版社(万m/d)等7个测试层段的数据在交会图上中国煤化工按“测试1”进行标示将产量为1.8万m/d)以2黄补偿中子测井响下的层段用“测试2”进行标示,测试层段也是应CNMHG测井解释的气层。对高产层位的数据经过校正3]魏凯丰,等.天然气流量计量中气体密度的计算得到图6的结果。哈尔滨理工大学学报,2004,9(3);53[4]胡忠.等中子测井源距选择数值模拟研究[]江影方数据汉石油学院学报,2003,25(s1)研究[J].天然气工业,2004,24(5):68[5]吴文圣.中子Y测井仪的中子屏蔽研充[J]核电[10]Walls Joel D, et al. 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By studying the different effects of mud filtrate invasion to far receiver andshort receiver of neutron logging tools, the methods for mud filtrate invasion correcting to neutron logging have been developed, and good result has been given.Key words: hydrogen index; neutron logging; naturai gas correcting for mud filtrate invasion(上接第4页, Continued from page4)[2]周佩珍,等,核军备控制核查中的卫星监测技术[5廖国男(美)(周诗健等译)大气辐射导论[M],北[C]/全国第四届核监测学术会议论文选集[C]京:气象出版社,1985,21~25199928.[6]赖祖武电磁干扰防护与电磁莱容[M]北京:原子[3]高能物理研究所宇宙线室,等.宇宙线物理学物理能出版社,1993,,184.学手册(下册)9分册,北京:科学出版社,198[7]泰贯荣,等理科最新常用数据手册[M]西安:陕[4]HT.古雪夫主(华明川,等译).电离辐射防护辐西人民出版社,1983.,265~268射防护物理基础(第一卷),[M].1993,北京:原子[8]张仲山等.Y射线暴对卫星探测空间核爆的影响能出版社,184.J].防化研究,2001,(3):59Some consideration on detection of instantaneous radiationof nuclear burst from satellitZHANG Zhong-shan, GENG Xiao-bingInstitute of Chemical Defense, Beijing 102205, China)Abstract Feasibility of detecting instantaneous ionizing radiation of nuclear burst from satellite is ana-lyzed researched. The total-attenuation coefficient inmission nf earlv nuclear radiation(consist of X, y rays &neutron)from burst-point to synck中国煤化工d roughlyKey words: instataneous radiation of nuclear burst; detecCNMH Satellite: near-theearth nuclear burst; space nuclear burst near-Earth; unidirectional-plane-narrow beam mean-range; radiation-thickness total attenuation coefficient in vertical-transmission