D-D中子孔隙度测井泥质影响及校正研究

张 丽 韩 笑 于华伟 贾文宝 耿学森

1（山东科技大学资源学院 泰安 271019）

2（中国石油大学（华东）地球科学与技术学院 青岛 266580）

3（南京航空航天大学材料科学与技术学院 南京 211106）

中子孔隙度测井是石油勘探开发中重要的测井方法之一，在早期应用中主要采用同位素化学源，主要以241Am-Be源为主，但是由于其对环境和人体存在放射性风险，工程应用受到了很大限制［1-4］。可控中子源因其易于操作，相对安全，在中子孔隙度测井中得到了一定的应用和发展，其中应用较多的是DT源［5-7］。但是考虑到氚的放射性隐患、中子源使用寿命和测井施工成本等因素，D-D中子源的使用被认为是工程测井进一步的选择及研究重点［8-10］。针对D-D中子孔隙度测井，国内外学者和科研院所等都进行了一定的研究。于华伟等［11］、张锋等［12］研究认为，D-D中子孔隙度灵敏度相对较高，能够用于孔隙度测井。Chen等［13］通过蒙特卡罗方法，对D-T、DD中子源替代241Am-Be源进行孔隙度测井的可行性进行研究，发现使用D-D中子源测量地层孔隙度的灵敏度高于其他中子源。于华伟等［14］研究影响D-D和D-T中子孔隙度测井灵敏度的因素，并且得出中子能量和岩石密度是影响灵敏度变化的主要因素。Badruzzaman等［15］分析了241Am-Be、D-D、D-T、D-Li与DPF（Dense Plasma Focus）等几种源的中子孔隙度响应差异，并对不同因素下的灵敏度差异进行分析，其中指出岩性影响不容忽视，特别是泥页岩的影响，不同中子源的影响程度不同。

为了得到D-D中子孔隙度测井中泥页岩影响效应，本文采用蒙特卡罗方法，对比研究D-D源、D-T源和241Am-Be源的中子孔隙度响应，重点分析不同源距组合下D-D源中子孔隙度测井中的泥页岩影响，为下一步分析泥页岩地层中的孔隙度测量精度提供基础。

1 D-D中子源孔隙度测井原理

D-D源中子孔隙度测井采用D-D中子发生器释放2.45 MeV的快中子和距离中子源不同位置的两个热中子计数探测器，源释放出快中子经过地层减速慢化作用，变为热中子并散射回井眼，随后被探测器接收［16］。地层中氢元素对快中子存在极强的减速作用，通过近、远两个探测器测得计数率的比值确定地层含氢指数。由于氢通常含于地层孔隙内的流体中，因此氢的含量与地层孔隙度有关，从而获取地层孔隙度。

与传统中子孔隙度测井中241Am-Be源不同，DD中子发生器所释放出的中子能量大小与能量形式方面，两者存在差别。241Am-Be源以连续能谱形式释放出平均能量为4.5 MeV的快中子，而D-D中子源以单能形式释放出2.45 MeV的快中子，远低于同样以单能形式释放出14 MeV快中子的D-T中子源，对应的中子输出能谱如图1所示。相比于241Am-Be源和D-T中子源，D-D源的能量较低，但是无放射性危害，同时作为可控中子源使用寿命较长，更适用于工程测井长时间的测量。

图1 三种源的中子能谱Fig.1 Neutron spectra of three sources

将使用D-D源、241Am-Be源和D-T源三种源的响应在孔隙含水30%的砂岩地层中做归一化处理，其不同源距位置处的探测器接收计数情况如图2所示（此处仅考虑使用三种源的响应特性，忽略包括探测器使用在内的其他特性影响）。由于D-D源的能量及中子释放量低于241Am-Be源和D-T源，中子在地层中运移时受到更强的吸收作用，所以探测器计数较低。所以，当近、远源距位置发生变化时，其粒子接收计数随之发生变化，进而影响孔隙度的变化。

图2 不同源距处探测器粒子计数响应Fig.2 Response of detector particle count at different source distances

2 计算模型

为了研究仪器在各种地层中的响应，本文通过采用蒙特卡罗模拟程序MCNP（Monte Carlo Nparticle Transport Code）构建仪器、井眼和地层的三维模型，计算模型如图3所示。地层设置为圆柱状，井眼内充填淡水。偏心贴井壁放置，模拟时填充不同岩性和流体物质。近、远探测器的源距为30 cm、53 cm［17］，探测器之间填充理想屏蔽体。探测器均采用内部气压为1.010×106Pa的He-3中子计数管。中子源采用D-D源、D-T源和241Am-Be源，分别采用图1所示的能量大小和形式。为了减小系统方差，将地层进行网格划分，即径向上分为19个同心圆柱，在垂向上细化为37段，模拟时使用MCNP中通用源（Source Definition，SDEF），D-D源、D-T源和241Am-Be源分别采用图1所示的能量大小和形式，采用F4计数方式，记录的能量为0.025～0.400 eV，每次模拟时抽样1×107个粒子，使每次模拟结果的统计误差小于2%。

图3 中子孔隙度测井的计算模型Fig.3 Computation model for neutron porosity logging

3 D-D源、D-T源、241Am-Be源中子孔隙度响应对比

设置三种源的参考源距相同，即近、远源距为30 cm和53 cm，分别研究地层为饱含淡水灰岩和砂岩，通过改变地层孔隙度，分别为10%、20%、30%和40%，模拟得到D-D源、D-T源、241Am-Be源三种中子源的近、远探测器热中子计数率比值与地层孔隙度的关系，如图4所示。

图4 砂岩(a)和灰岩(b)在不同中子源的中子孔隙度响应图Fig.4 Neutron porosity response of sandstone(a)and limestone(b)to different neutron sources

由图4可知，使用三种中子源得到的响应规律大致相同，三种源对应的近远比都随着孔隙度而增加。在相同地层条件下，由于不同中子源的差异，使得测量得到的近、远探测器热中子计数率比值不同，说明不同中子源的选择会对地层孔隙度测量产生一定的影响。D-D源、D-T源、241Am-Be源三种中子源中，使用D-D源的近远比变化率最大，特别是在孔隙度较大时，这表明三种中子源在高孔隙度中，使用D-D源测量时对地层孔隙度的变化反应最灵敏，241Am-Be源次之，D-T源对地层孔隙度的灵敏度最低。

4 D-D源、D-T源、241Am-Be源中子孔隙度测井泥质响应分析

4.1 泥质类型的影响

为了详细考察D-D源、D-T源、241Am-Be源中子孔隙度在各种地层的响应，分别选择饱含淡水的石灰岩以及饱含淡水的各种类型泥页岩［18］，如表1所示。

表1 各种泥页岩类型Table 1 Various shale types

模拟研究仪器在不同孔隙度地层的响应，得到近、远探测器计数率比值与地层孔隙度之间的关系如图5所示。

由图5可以看出，使用D-D源、241Am-Be源、D-T源三种源对应的高岭石、绿泥石、铝土和蒙脱石4种泥页岩类型及密度以不同程度偏离其对应的含水灰岩响应趋势线，为了便于比较，下面将4种地层得到的近远比转换为视石灰岩孔隙度进行比较分析，其结果如图6所示。

图5 三种源的中子孔隙度在高岭石(a)、绿泥石(b)、铝土(c)和蒙脱石(d)地层中的响应Fig.5 Response of neutron porosity of three sources in kaolinite(a),chlorite(b),bauxite(c)and montmorillonite(d)formations

图6 三种源在高岭石(a)、绿泥石(b)、铝土(c)和蒙脱石(d)地层的视孔隙度与地层真孔隙度的比较Fig.6 Comparison of apparent porosity and true porosity of three sources in kaolinite(a),chlorite(b),bauxite(c)and montmorillonite(d)

从图6可以看出，当中子孔隙度测井采用D-D源和241Am-Be源时受到的影响相对较小，4种类型的泥页岩对孔隙度测量的影响程度由强到弱依次为高岭石、绿泥石、铝土及蒙脱石。其中蒙脱石使用D-D源时对应的视孔隙度结果与地层真孔隙度接近，因此能够认为含水蒙脱石地层的响应趋近于含水灰岩地层的响应而没有明显的泥质影响，对不同泥页岩地层的响应变化则认为与泥页岩元素原子组成有关。另外，对于4种类型的泥页岩含水地层，图6中能够观察到D-D源和241Am-Be放射源的视孔隙度结果存在部分极为接近甚至重合的情况。

相对于D-D源和241Am-Be源，D-T源受到的影响最大，本文采用的源距为30～53 cm，因D-T源能量大，加大远源距，当源距组合采用30～65 cm时，使用D-T源的铝土地层，在孔隙度为30%和40%时，得到的视孔隙度结果超过了100%，数据已经失真，其原因与铝土密度过高有关，如图7所示。

图7 源距组合30～65 cm下使用D-T源铝土地层的视孔隙度与地层真孔隙度的对比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 泥质含量的影响

为了研究泥质含量对D-D源、D-T源、241Am-Be源中子孔隙度测井响应的影响，设置地层为岩石骨架、泥质和孔隙流体三部分组成，其中岩石骨架为灰岩，泥质主要成分及性质如表2所示。

表2 泥质的主要成分Table 2 Main components of argillaceous

通过改变灰岩地层中泥质含量（0%、10%、20%、30%、40%）模拟得到近、远探测器热中子计数率。不同泥质条件下，D-D源、D-T源、241Am-Be源中子孔隙度仪器近远计数率比值与地层孔隙度的变化规律见图8。

图8 灰岩地层不同含量的泥质10%(a)、20%(b)、30%(c)和40%(d)随孔隙度的变化Fig.8 The shale content of 10%(a),20%(b),30%(c)and 40%(d)varies with porosity in limestone formation

在灰岩地层中，D-D源、D-T源、241Am-Be源三种中子源得到的响应规律大致相同，三种源对应的近远比都随着孔隙度的增加而增加，然而，在灰岩地层中加入不同含量的泥质时，三种源对应的近远比均呈现出随孔隙度增加而增加的趋势，但变化幅度不同。

同样地，将4种不同含量的泥质地层得到的近远比转换为视石灰岩孔隙度进行比较分析，其结果如图9所示。

图9 三种源在泥质含量10%(a)、20%(b)、30%(c)和量40%(d)的视孔隙度与地层真孔隙度的比较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)

对于10%、20%、30%和40%4种不同含量的泥质地层，由图9看出，D-D源和241Am-Be源的视孔隙度结果存在极为接近甚至重合的情况，而使用D-T源中子孔隙度测井在4种泥页岩类型地层和在不同含量的泥质地层受到的影响较大。使用D-D源、DT源、241Am-Be源中子孔隙度测井中不管是在4种类型的泥页岩地层中还是在不同含量泥质灰岩地层中，D-D源和241Am-Be源的视孔隙度结果可以看出具有相似的泥页岩响应，但D-D源中子孔隙度响应与241Am-Be源还有一定的差异，下面针对D-D源中子孔隙度测井受到的泥页岩影响进行校正分析。

5 D-D源中子孔隙度测井泥质影响校正分析

为了验证可控源D-D中子孔隙度测井方法的有效性，如果通过改变D-D源近、远源距位置的方式，能够将D-D源和241Am-Be源所测量的热中子数据在近远比响应关系上存在较好的相似性，将对今后测井仪器中放射源的可兼容替代奠定基础。以上述241Am-Be源孔隙度测井中的近远源距位置30 cm和53 cm作为参照，改变D-D源中子孔隙度测井的近远源距组合，优选出D-D源的近远源距位置，使其通过改变D-D源的源距以削弱岩性特别是泥页岩的影响。

为了确定最优源距位置，设置D-D源的源距组合设计，分别为25～45 cm、25～55 cm、30～60 cm等，得到的近远探测器热中子计数率比值转换为视石灰岩孔隙度进行比较。

由图10可见，当D-D源采用不同源距组合时，在不同类型泥页岩地层和在不同含量泥质灰岩地层中的视孔隙度值均以不同程度偏离241Am-Be源（30～53 cm），如源距组合为30～65 cm和25～55 cm。但是也有非常接近或重合的情况，当源距组合为25～45 cm时，此时与241Am-Be源（30～53 cm）非常接近。在源距组合为25～45 cm时，蒙脱石受到泥页岩影响最小；蒙脱石地层在孔隙含水10%和20%时的视孔隙度值基本上与地层真孔隙度相同，因此可以认为含水蒙脱石地层的响应没有明显的泥页岩影响。当源距组合为25～55 cm时，在地层真孔隙度为40%的高岭石地层的视孔隙度值超过100%，数据失真，这说明D-D源所受泥页岩的影响与泥页岩的类型有关，同时与采用的源距组合也有一定关系。因此通过优化源距组合的方式可以减弱泥页岩的影响。

图10 D-D源在不同地层条件下不同源距的视孔隙度对比Fig.10 Comparison of apparent porosity of D-D source under different formation conditions and different source spacing

在D-D源 距 组 合 为25～45 cm下，可 以 发 现与241Am-Be源（30～53 cm）的响应关系最接近，但并不存在一组泥页岩响应结果与241Am-Be源完全一致，其原因是在地层中存在常见元素Ca、C的非弹性散射阈能分别为3.75 MeV、4.43 MeV，此时相比于D-D源而言，241Am-Be源释放的快中子存在与这些元素原子发生非弹性碰撞的可能性，基于快中子微观作用的差异性导致了D-D源中子孔隙度测井受到的泥质影响与241Am-Be源不同。

因此，在D-D源释放中子能量为2.45 MeV的背景下，尽管不能得到和241Am-Be源完全一致的泥页岩响应结果，但是能够通过合理的源距设计使D-D源孔隙度测量中的泥页岩响应较高程度接近241Am-Be源，这也为D-D源中子孔隙度测井中泥页岩校正提供了思路，并且为替代241Am-Be源的应用提供了基础数据。

6 结语

1）D-D源、D-T源、241Am-Be源三种中子源在高孔隙度中，使用D-D源测量时对地层孔隙度的变化反应最灵敏。

2）使用D-D源、D-T源、241Am-Be源中子孔隙度测井中不管是在4种类型的泥页岩地层中还是在不同含量泥质灰岩地层中，D-D源和241Am-Be源的视孔隙度结果可以看出具有相似的泥页岩响应。

3）通过源距优化，D-D源和241Am-Be源的泥页岩响应结果存在一定偏差，但是两者对应的响应关系吻合度较高，特别是在源距为25～45 cm时，D-D源中子孔隙度测井中泥页岩影响与241Am-Be源接近程度最高。虽然源距组合的改变，不能使得D-D源和241Am-Be源的泥页岩响应达到完全一致或者彻底消除泥质影响，但是这也为下一步分析泥页岩地层中的孔隙度测量精度提供基础，促进了D-D源中子孔隙度测井的应用发展。

作者贡献声明张丽：负责文章的起草及最终版本修订；韩笑：负责资料的收集及整理；于华伟：负责研究的提出、设计及文章的修改；贾文宝：负责资料的搜集及整理；耿学森：负责论文的修改。