气体介质钻井条件下测井资料分析与数值模拟

张占松，张超谟（油气资源与勘探技术教育部重点实验室（长江大学），湖北 荆州434023）

气体介质钻井条件下测井资料分析与数值模拟

张占松，张超谟（油气资源与勘探技术教育部重点实验室（长江大学），湖北 荆州434023）

由于现有仪器都是相对于传统的液体泥浆环境条件设计和刻度的，当井孔介质为气体时，现有仪器不能直接适用。采用不同井眼介质测井资料的对比分析方法，分析了气体井眼介质条件下自然伽马、密度和补偿中子测井资料的响应特征，提出了气体钻井测井资料的密度和中子测井校正方法。采用Monte Carlo数值模拟方法对液体和气体介质补偿中子测井进行了数值模拟，分析了井眼介质不同时的探测器热中子通量同源距乘积与源距的关系、热中子计数率随孔隙度变化规律、长短源距热中子计数率关系以及长短源距热中子计数率比值关系，验证了气体井眼介质条件下实际测井响应特征。

气体介质钻井测井；自然伽马测井；补偿中子测井；密度测井；数值模拟

气体介质钻井是指钻进过程中井筒内循环介质为氮气、天然气、雾、泡沫或空气的轻质低密度钻井介质的欠平衡钻井技术，目的是更有效地保护油气层，节约泥浆费用，缩短钻井周期，降低钻井综合成本［1］。气体介质条件下测井是在气体钻井条件下不将气体替换为泥浆（或原油）而直接进行测井作业，获取测井资料并用于储层评价［2］。

由于现有仪器都是相对于传统的液体泥浆环境条件设计和刻度的，当井筒环境为气体介质时，仪器的参数（如源距和刻度环境参数等）已经不能直接适应，从而使测井值不能反映地层特性。电阻率和声波等测井方法不能直接使用；补偿中子测井资料与常规泥浆条件下的资料差别极大；密度测井、自然伽马测井等也不同程度的受测量环境的影响。导致了储层孔隙度参数计算的可靠性受到严重影响，无法满足油气储层评价的基本要求。

1 自然伽马测井对比分析

图1是包浅1井在油和气两种介质条件下测井测量结果的对比图。从图1中可以看出，两种介质条件下的自然伽马曲线基本重合，但在高值部分，气体介质条件下的自然伽马值比油介质条件下的值大，且随着伽马值的增大，差别也越大。原因是在其他井眼条件相同的条件下，油的吸收系数比气要大［3］。

图1 包浅1井测井曲线图

图2是包浅1井在两种介质条件下自然伽马测井的对比分析图，它们的相关性非常好。两种介质条件下伽马值的差值随着伽马值的增加也逐渐增加。

2 密度测井对比分析与校正

测井测出的密度值受到多种因素的影响，井眼扩大或井壁不规则对密度测井曲线有严重影响，往往使密度测井曲线陡然下降，测出的密度值明显偏低［4］。一般采用逐点检验和校正方法来近似地消除这种影响。

图2 油与气井眼介质自然伽马测井结果对比

图3 油与气井眼介质密度测井对比

图1说明两种介质条件下的补偿密度测井值在扩径井段或井壁不规则处不一致，一般表现为两种密度值都会降低，气体介质条件下的密度测井值比油介质条件下的密度值降低的更多，且这种减小量一般不与扩径大小成比例。说明在这些井段，仪器极板贴井壁不好，导致理论值与实际值之间存在差异。图3是包浅1井两种介质条件下的密度测井交会图，在高值部分两种情况具有很好的一致性，而在低值部分两者存在一定的差别。

采用以下方法对密度测井曲线进行编辑校正：

1）计算解释层段地层密度的下限值ρmin：

式中，ρsh为泥质密度，kg/m3；Vsh为地层的泥质含量，%；ρP为解释层段中孔隙度最大的纯地层密度值，kg/m3。

2）进行逐点检验和校正。当测得的实测密度值ρb＜ρmin时，说明井眼扩大或井壁不规则，仪器极板贴井壁不好，导致实测值ρb比地层下限值ρmin还低，此时令ρb＝ρmin，作为该地层密度的近似值；当实测密度值ρb＞ρmin时，仍取原ρb值。

参数ρsh和ρP可以在处理井段附近井径规则处的密度测井曲线上选取，而Vsh则可以用自然伽马曲线求取。图4是包浅1井密度曲线编辑结果，编辑后的曲线更加合理。

3 中子测井的对比分析

3.1 实测资料分析

分别在3口井进行了气体介质为天然气、氮气和空气的补偿中子测井，同时还在这3口井中进行了油和淡水介质条件下的补偿中子测井。比较同一井中不同井眼介质的测井结果（图5），发现有以下几个方面的特点：①两种介质条件下补偿中子测井值存在较大差别，大部分井段测井曲线形态相似，在扩径井段出现镜像现象。②在油介质条件下，长源距计数率一般在0～4000范围，短源距计数率一般在0～5000范围，长短源距计数率比小于1；在气体介质条件下，补偿中子测井仪短、长源距探测器计数率普遍增大。长源距计数率一般在4000～15000范围，短源距计数率一般在4000～9000范围，长短源距计数率比大于或等于1，且在扩径井段长短源距计数率之比急剧增加。

图4 包浅1井密度曲线编辑结果

图6是油和气介质条件下测得的长源距和短源距计数率的交会图，相关系数分别为0.744和0.771，总体上有一定的相关关系。图7是油介质下测得的中子孔隙度与油或气介质长短源距计数率比之间的关系。从图7中可以看出，中子孔隙度与油介质下的计数率比有很好的相关性，而与气介质下的计数率比的相关性则较差。

3.2 曲线校正

考虑到各参数之间存在相关性，但扩径会严重影响这种关系，因此在井径不规则处采用内插的方法或利用自然伽马曲线的统计法对原始测井数据进行编辑校正。图8是气体介质井校正后的比值与油基泥浆比值的对比图，大部分散点呈45度线分布。用油基泥浆井的回归方程计算气体介质井的中子孔隙度，并与油井测量中子孔隙度对比发现扩径段空气井预测段的中子孔隙度相对油基泥浆结果差别较大。

4 补偿中子测井的Monte Carlo数值模拟

为了分析气体与液体井眼介质中子测井结果的差异，依据井眼充填介质和地层孔隙充填介质分成了4种情况：①井内充满淡水，地层孔隙中充满淡水（水－水）；②井内充满淡水，地层孔隙中充满天然气（水－气）；③井内充满空气，地层孔隙中充满水（气－水）；④井内充满空气，地层孔隙中充满天然气（气－气）。采用 Monte Carlo数值模拟方法进行了数值模拟［5～7］。

1）探测器热中子通量同源距乘积与源距关系 图9为探测器热中子通量乘以源距与源距的关系。从图9中可以看出液体与气体井眼介质之间的差异，随着源距的增加，液体介质热中子通量同源距的乘积迅速减小，而气体介质则变化缓慢。

2）热中子计数率随孔隙度变化规律 图10为4种情况下，近、远探测器热中子计数率与孔隙度变化的规律。在短源距处，当井眼充满淡水时，无论地层是饱含水还是饱含天然气，热中子计数率都随着孔隙度的增加而减少，但饱含气地层热中子计数率随孔隙度变化缓慢。当井眼充满空气时，热中子计数率在开始时都随着孔隙度的增加而增加，而饱含水层增加得快；热中子计数率增加到一定值后随孔隙度增大而缓慢减少。当地层孔隙度增大到一定值时，饱含气地层的热中子计数率大于饱含水地层的热中子计数率。远探测器热中子计数变化规律和近探测器几乎相同，空气井眼比充满水的井眼热中子计数高。

3）长短源距热中子计数率比较 图11为井眼充满空气，地层孔隙介质为淡水或天然气时，孔隙度与远探测器计数率或近探测器计数率的关系图。从图11中可以看出，当井眼中充满空气时，无论地层是饱含水还是天然气，远探测器热中子计数率都是在最开始（孔隙度小）时大于近探测器热中子计数率；当孔隙度增大到一定值后，远探测器热中子计数率开始小于近探测器热中子计数率。当地层介质为水时，远探测器计数率大于近探测器计数率发生在孔隙度小于10%；而地层介质为天然气时，远探测器计数率大于近探测器计数率发生在孔隙度小于25%。由此可知，在井内为气体介质时，在一定地层条件下，远探测器的计数率可以大于近探测器的计数率。

图5 包浅1井测井曲线图

图6 油与气井眼介质条件下长、短源距计数率结果对比（包浅1井）

图7 油、气介质长短源距计数率比与油介质中子孔隙度关系

4）井眼介质不同时的长短源距热中子计数率比值 图12为不同情况下（水－水、气－水），远、近探测器计数率比与地层孔隙度的关系。从图12中可以看出，井眼内充满空气时的远、近探测器热中子计数率比大于井眼充满淡水时的远、近探测器热中子计数率比，且在井内介质为淡水时，远、近探测计数率比值小于1；井内介质为气体时，远、近探测器计数率比值在一定地层条件下大于1。气体介质条件下，远、近探测器计数率比随孔隙度的增大而变化缓慢；而在淡水条件下，远、近探测器计数率比随孔隙度的增大而变化较快，这说明井内为淡水时分辨率高，而在气体介质条件下，测井响应不能很好地反映地层特性。

图8 气体介质井校正后的比值与油基泥浆比值散点图

图9 近探测器热中子通量乘以源距与源距关系

5 结 论

1）气体介质井眼条件下，由于气体不具有吸收特性，因此比其他液体介质更能准确测定地层真实的自然伽马值。

2）贴井壁长、短源距密度测井仪器的读数受井径大小影响较小，但井壁不规则对密度测井曲线有严重影响，往往使密度测井曲线陡然下降，测出的ρb值明显偏低。

3）在气体介质条件下，中子源产生的快中子由于不能迅速减速为热中子，使得短源距计数率低而长源距计数率高，长、短源距记录的热中子信息主要来自井眼，来自地层的热中子信息十分有限，长、短源距探测器不能起到互相补偿的作用，获得的井眼信息远远大于地层信息。

图10 近、远探测器热中子计数率与孔隙度的关系

图11 孔隙度与远近探测器计数率关系

图12 远、近探测器计数率比值与孔隙度的关系

［1］许爱.气体钻井技术及现场应用［J］.石油钻探技术，2006，34（4）：16～19.

［2］罗宁，何绪全，陈正明.气体介质条件下的测井项目选择和测井解释探讨［J］.天然气勘探与开发，2006，29（4）：29～31.

［3］黄隆基.放射性测井原理［M］.北京：石油工业出版社，1985.

［4］郭爱煌.干孔密度测井实验分析［J］.煤田地质与勘探，1992，20（5）：53～57.

［5］谢仲生，尹邦华，吴宏春，等.数值模拟在中子测井中的应用［J］.石油学报，1995，16（2）：31～35.

［6］夏凌志，张建民，杨志高，等.模特卡罗方法在补偿中子测井仪器设计中的应用［J］.测井技术，2003，27（6）：477～480.

［7］裴鹿成，张孝泽.蒙特卡罗方法及其在粒子输运问题中的应用［M］.北京：科学技术出版社，1980.

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

中国石油科技创新基金项目（2008D－5006－03－02）。

张占松（1965－），男，1987年江汉石油学院毕业，博士，教授，现主要从事解释与测井地质研究与教学工作。

［编辑］ 龚 丹