（地球探测与信息技术专业论文）随钻方位密度测井方法基础研究.pdf

f u n d a m e n t a lr e s e a r c ho na z i m u t hd e n s i t yl o g g i n gw h i l e d r i l l i n g at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：h o us h u a n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o lz h a n gf e n g s c h o o lo fg e o s c i e n c e s c h i n a u n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：墨董红 日期：年 月 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部f - j ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：丝塞包 指导教师签名： 日期： 日期： 年 年 月 月 日 日 摘要 随钻方位密度测井方法可以提供井周1 6 个方位的密度成像资料，为过井眼的地质界 面产状的计算提供了方便。测井仪器在工作时，测量的密度和光电数据存储在围绕井眼 的1 6 个扇区内。扇区数据分成4 个象限( 上、下、左、右) 。仪器旋转探头在4 个象限 内测量的密度结果3 6 0 0 成像。在这1 6 个扇区内，通过计算密度和光电系数来获得方位角 的数据，这些方位角的数据能给出定性的成像图。根据随钻方位密度测井方法的特点， 应用蒙特卡罗方法，对水平井密度测井的响应进行了1 6 方位的数值模拟。利用蒙特卡 罗方法进行数值模拟以研究水平井中方位、井径、地层界面位置、间隙、不同地层密度、 地层厚度、及倾斜地层的倾角等因素的影响，模拟的1 3 7 c s 放射源在不同地层条件下的 伽马场分布，并确定了随钻方位密度测井仪器的探测能窗和源距大小，以及得到了该测 井方法的探测深度。在不同间隙的情况下，随着间隙的增大，密度测井的长、短源距计 数率相应减小，而它们的比值相应增大，针对其影响，进行了三探测器补偿的初步研究， 并模拟得出了第三个探测器的最佳源距位置。在地层厚度不同的情况下，短源距探测器 的计数率随岩屑厚度的增加而降低；而随钻方位密度测井中，随着地层厚度的增大，长、 短源距伽马计数率的比值逐渐增大。在斜地层中，通过改变不同倾斜地层的倾角，来研 究其响应关系，并利用所得到的数据进行3 6 0 0 方位成像，并得到成像图的处理方法，以 便得到地层的密度、倾角及地层厚度等参数，为实现该测井方法实时地质导向的功能打 下了基础。通过数值模拟对水平井的随钻方位密度测井响应以及影响因素作了深入研 究，为随钻方位密度测井方法的实现及解释建立了理论基础。 关键词：随钻测井；方位密度；数值模拟；蒙特卡罗方法 f u n d a m e n t a lr e s e a r c ho na z i m u t hd e n s i t yl o g g i n gw h i l ed r i l l i n g h o u s h u a n g ( g e o - d e t e c t i o na n d i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gf e n g a b s t r a c t a p p r o a c ho fa z i m u t hd e n s i t yl o g g i n gw h i l ed r i l l i n gc o u l db ep o s s i b l et op r o v i d et h e16 p o s i t i o n sd e n s i t yi m a g eo ff o r m a t i o nm a t e r i a l a r o u n dt h ew e l l ，w h i c hh a sp r o v i d e d c o n v e n i e n t l yf o rg e o l o g i c a lc o n t a c ts u r f a c eo c c u r r e n c e sc o m p u t a t i o na c r o s st h eb o r eh o l e w h e nt h el o g g i n gi n s t r u m e n tw o r k s ，t h es u r v e yd e n s i t ya n dt h ep h o t o o p t i c a ld a t aa r es a v e di n 16s e c t o r sa r o u n dt h eb o r eh o l e t h es e c t o rd a t ad i v i d e si n t o4 q u a d r a n t s ( t o p ，b o a o m ，l e f ta n d r i g h t ) t h ei n s t r u m e n tr e v o l v i n gp r o b eh e a dw h i c hs u r v e y si n4q u a d r a n t sc a nf o r mt h e d e n s i t yr e s u l t3 6 0 0i m a g et or e f l e c ti n f o r m a t i o no ff o r m a t i o n i nt h e s e16s e c t o r s ，w ec a n o b t a i nt h ed a t ao fa z i m u t ht h r o u g hc a l c u l a t i n gt h ed e n s i t ya n dt h ee l e c t r o o p t i c a lc o e f f i c i e n t t h e s ea z i m u t h sd a t ac a ng i v et h eq u a l i t a t i v ei m a g ef o r m a t i o nc h a r t i nt h i sp a p e r b a s e do n t h ep e c u l i a r i t yo ft h em e t h o do fl w dd e n s i t yl o g g i n g ，t h em o d e l so fd e n s i t yl o g g i n gw e r e b u i l t t h er e s p o n s eo fd e n s i t yl o g g i n g ，a sw e l la st h ei n f l u e n c ef a c t o r so ft h e i rm e a s u r e m e n t ， i n c l u d i n ga z i m u t h ，q u a r t e r s ，d i f f e r e n tf o r m a t i o nd e n s i t y ，d e t e c t i o ni n t e r f a c e ，t h es i z eo ft h e w e l lb o r e ，f o r m a t i o nt h i c k n e s sa n dd i pa n g l e ，w e r es i m u l a t e db yu s i n gm o n t ec a r l om e t h o d a n dw eg a i nt h eg a m m af i e l dd i s t r i b u t i o nu n d e rd i f f e r e n tf o r m a t i o nc o n d i t i o n ，w h i c h s i m u l a t e df r o m1 3 7 c sr a d i o a c t i v es o u _ r c e a tt h es a m et i m ew ea l s oh a di n f o r m e dt h e i n s t r u m e n t ss u r v e yw i n d o wa n ds i z eo ft h es o u r c e d e t e c t o rs e p a r a t i o n t h eg a m m ar a yc o u n t r a t eo ft h ef a rd e t e c t o ra n dt h en e a rd e t e c t o rd e c r e a s e s 、 ，i t i lt h es t a n d o f fi n c r e a s i n gu n d e rt h e d i f f e r e n ts t a n d o f f s ，a n da tt h es a m et i m e ，t h eg a m m ar a yc o u n tr a t i oo ft h ef a ra n dn e a r d e t e c t o ri n c r e a s e s a n da i m sa ti t si n f l u e n c e ，t h i sp a p e rc o n d u c t e dp r e l i m i n a r ys t u d yo nt h e t h r e ed e t e c t o r st oc o m p e n s a t et h es a n d o f f si n f l u e n c e m e a n w h i l et h eg a m m ac o u n tr a t eo ft h e n e a rd e t e c t o ri nt h el w d l o g g i n gd e c r e a s e s 、析t 1 1t h et h i c k n e s so ft h ef o r m a t i o ni n c r e a s i n g i n t h es l a n t i n gs t r a t u m ，is t u d i e di t sr e s p o n s er e l a t i o nb yc h a n g i n gd i f f e r e n td i p p i n gf o r m a t i o n s a n g l e ，a n du s e dt h ed a t at og a i nt h e3 6 0 0i m a g eo ff o r m a t i o n ，a n do b t a i n e dt h ep r o c e s s i n g m e t h o df r o mi m a g ef o r m a t i o nc h a r t i tc a nh e l pu so b t a i n i n gp a r a m e t e r ss t r a t u md e n s i t y ，d i p a n g l e ，s t r a t u md e p t h ，a n ds oo n w h i c hh a v eb u i l tt h ef o u n d a t i o nf o rr e a l - t i m eg e o l o g y g u i d a n c ef u n c t i o n t h i sr e s p o n s eo ft h el w dd e n s i t yl o g g i n ga n dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so f t h eh o r i z o n t a lw e l lw e r es t u d i e d ，t h e r e f o r et h i sl a yt h ef o u n d a t i o nf o rt h el w dd e n s i t y l o g g i n gi n t e r p r e t k e y w o r d s ：w e l ll o g g i n gw h i l ed r i l l i n g ；a s p e c td e n s i t y ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；m o n t e c a r l om e t h o d 目录 第一章绪论1 1 1 选题依据及研究意义1 1 1 1 选题依据1 1 1 2 研究意义1 1 2 随钻方位密度测井的国内外研究现状2 1 2 1 国外随钻测井的研究现状3 1 2 2 国内随钻方位密度的发展4 1 3 研究内容与关键问题5 1 3 1 研究内容5 1 3 2 关键问题6 1 4 研究方法与技术路线6 1 4 1 研究方法6 1 4 2 技术路线6 第二章随钻方位密度测井的原理8 2 1 随钻方位密度测井的核物理基础8 2 1 1 伽马射线理论8 2 1 2 伽马射线相互作用与其在测井中的应用9 2 2 随钻方位密度测井1 1 2 3 随钻方位密度测井伽马能窗的确定1 2 第三章水平井地层散射伽马场分布及仪器源距的确定1 5 3 1 蒙特卡罗方法( m o n t ec a r l o ) 简介1 5 3 1 1 蒙特卡罗( m o n t ec a ri o ) 方法简介1 5 3 1 2m c n p 程序1 5 3 2 地层伽马场分布模拟1 7 3 2 1 同种岩性不同密度地层的伽马场分布1 7 3 2 2 不同岩性地层的伽马场分布1 8 3 3 随钻方位密度测井源距的确定2 2 第四章随钻方位密度测井的响应模拟2 6 4 1 随钻方位密度测井模型的建立2 6 4 2 随钻方位密度测井1 6 方位的响应2 8 4 3 井眼尺寸对随钻方位密度测井的影响3 0 4 4 随钻方位密度测井在不同间隙条件的响应3 2 4 4 1 随钻方位密度测井同一方位不同间隙的响应3 2 4 4 2 随钻方位密度测井不同方位改变间隙的响应3 3 4 4 3 随钻方位密度测井地层界面对间隙的响应3 4 4 4 4 随钻方位密度测井三探测器的设想4 0 4 5 随钻方位密度测井在不同地层条件下的响应4 1 4 5 1 随钻方位密度测井在不同地层密度的响应4 1 4 5 2 随钻方位密度测井在不同地层界面位置情况下的响应4 3 4 5 3 随钻方位密度测并在不同地层厚度情况下的响应4 5 4 5 4 随钻方位密度测井在不同界面角度情况下的响应4 6 4 6 随钻方位密度测井影响因素小结4 7 第五章随钻方位密度测井的应用及数据处理4 9 5 1 随钻方位密度测井应用模拟4 9 5 1 1 随钻方位密度测井在不同地层倾角下的模拟研究4 9 5 1 2 随钻方位密度测井在不同倾斜地层厚度下的模拟研究5 4 5 2 随钻方位密度测井的数据处理5 6 5 2 1 数据处理的理论基础5 6 5 2 2 求取地层倾角及储层厚度的方法5 7 结论6 1 参考文献6 2 攻读硕士学位期间取得的学术成果6 6 致谢6 7 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 选题依据及研究意义 第一章绪论 1 1 1 选题依据 本课题来源于中石化胜利石油管理局项目：“随钻核测井响应机理及影响因素研 究 。 随钻测井新技术体现出以最低的成本生产油、气的宗旨，为了更准确的评价地层而 产生了钻井过程中的定向工艺【l 】。当今石油行业对测量精度以及可靠性的要求，使得随 钻测井技术应用领域不断扩大【2 】。随钻测井技术将钻井推向一个更高的水平1 3 1 。针对我 国目前大多数油田处于开发中后期，开发薄层、小断块油气藏的特点【2 一钉，随钻测井技 术能够在实时地质导向和地层评价提供主要技术手段。 随着随钻测井技术的进步，随钻方位中子伽马密度测井技术也在不断发展与进步， 随钻测井技术在探井中的地层评价功能1 5 】日益受到人们的重视，其中在现场主要应用的 是补偿密度中子( c d n ) 和方位密度中子( a d n ) 测井仪【6 】，现在一些外国测井公司将 随钻测井技术应用在国内市场，而国内对于随钻测井仪器的研发相对较落后。用蒙特卡 罗技术来模拟随钻核测井中的随钻方位密度测井，并且在实验室条件下探测椭圆型内的 密度孔隙度【7 1 被认为是一个技术难题，然而国外利用蒙特卡罗方法对随钻方位密度测井 响应进行模拟依然得到了很好的发展f 8 】，蒙特卡罗三维模型9 1 的模拟可以被用来评估随 钻核测井测量结果，并且蒙特卡罗模型还可被用在核测井数据如密度、中子和自然伽马 的实验分析上【1 0 1 。 1 1 2 研究意义 随钻测井技术近十几年来发展迅速，从最早的6 0 年代初期的a r p s 公司与l a n e w a l l s 成功实施随钻技术到现在，随钻技术已经发展了近半个世纪的时间，并且随钻技 术在测井行业的发展也是如火如荼的进行着。 随钻方位密度测井仪器的推出，将会给测井带来了新的动力，并且取得了很大的发 展，像电阻率随钻测井技术、孔隙度及核参数随钻测井技术、声波参数随钻测井技术、 核磁共振随钻测井技术等等测井新技术的发展，均带来了随钻技术的进步。 前几年对于随钻密度测井的蒙特卡罗模拟研究还较少，并且相关资料也较少，近些 年开始研究并取得了很大的进展，但与国外传输技术相比，我国落后很多，而且还没有 第一章绪论 方位伽马密度这方面的研究工作，m o n t ec a r l o 模型可以有效地记录地层径向和纵向上 的光子，希望能够利用m o n t ec a r l o 方法展开随钻方位密度测井方法的研究，从而对于 仪器的设计与探测起到指导与辅助作用，并推动随钻方位密度测井在我国石油测井工业 中的应用与发展。 1 2 随钻方位密度测井的国内外研究现状 “随钻 的概念早在二十世纪2 0 、3 0 年代就开始萌生，但是真正发展起来却是在 5 0 年代左右。期间好多石油大公司都积极开发随钻一系列的技术以及随钻系统，但是直 到7 0 年代初，人们才真正对随钻技术开始感兴趣，并且给予关注。到了8 0 年代，随钻 算是真正的兴起，很多公司都开始研发并推出随钻测井仪器。首先产生的是随钻电阻率 测井仪器，并且n ls p e r r y 推出了三组合仪器，s c h l u m b e r g e r a n a d r i l l 公司推出了与之相 配套的软件i l 】，到了9 0 年代，随钻测井仪器进入空前的繁荣发展阶段，b a k e rh u g h e s 推出的自然伽马井下仪器标志着随钻技术向着辉煌的方向进步。直到现在，随钻测井服 务占据了很大的石油市场，并且以更快速的步伐向前发展。 表1 - 1 随钻测井( l 叨) 和随钻测量( m 叻) 技术的发展 第一代( 1 9 8 8 1 9 9 2 )第二代( 1 9 9 3 1 9 9 6 )第三代( 1 9 9 7 - 现今) 仪器解决的问题仪器解决的问题仪器解决的问题 c d n 密度 a n d 四分密度v i s i o n 系列密度成像 l w d 定量电阻率 i n f o r mi s o n i c 地质导向孔隙度评价仪 c d r 各向异性 a r c 5 相关对比a r c 3 1 2 快速直观地层评价 r a ba r c 9 0 0 地质导向仪 随钻地层评价方位读数精度提高 井眼补偿电阻率电阻率成像人范围井径 创新点双源距电阻率方位电阻率1 f 化学源 密度一中子电阻率钻头电阻率实时成像 自动马达可靠性增强 地面系 统 f a s ti d e a l 最大传 输速率 36 - 一1 01 2 1 6 通信传真 i n t e ra c ti n t e r a c tw e bw it n e s s 主要应 相关对比 成功的储层导向 钻井效率和风险管理实时决策 用 地层评价地层评价导入最理想储层 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 2 1 国外随钻测井的研究现状 l w d 的第一条曲线诞生于1 9 3 8 年【1 1 1 2 】，之后数年的发展过程中，随钻进入了较缓 慢的发展阶段，之前的一系列萌生的关于随钻大胆想法及先进技术均停止了发展并且有 些被放弃掉了；之后在1 9 7 0 年，随钻在测井界的地位以及人们对其的重视有了很大的 进步，随钻开始真正的进入人们的视野，也被正式列入重点研究对象，随之相继成立的 公司也有很多，随钻在国外得到了空前的发展；然而由于随钻测井带来的经济效益以及 技术难题对于当时的研究者来说是个挑战，因此人们对于随钻技术的兴趣和研究都有所 降低，直到1 9 7 8 年，t e l e c o 公司将泥浆遥测系统成为一种商业化系统，由此，引起之 后的一些公司对随钻的热烈研究并相继推出了商业化的系统。 ( 1 ) 随钻测井技术的现状 l w d 要传输的信息非常多。有线传输方式主要有三方面研究电缆传输方式、特殊 钻杆传输方式以及光纤传输方式【l3 1 。有人曾用电缆传输的方法对实验井进行了实验，并 取得了初步成果，传输速率在2 m b i t s 1 4 j ；利用钻杆进行传输的技术也被实验过，其信 息传输速度也是2 m b i t s 15 1 。而无线传输方面泥浆脉冲、电磁波以及声波【1 3 1 等均属于无 线传输范畴，对于一些在石油行业著名的企业如e m m w d 系统 1 6 1 ，m w d 系统，t r e n d s e t m w d 系统【1 7 】等等都是一些著名的电磁波随钻测井系统。贝克休斯推出了随钻聚焦电成 像测井仪【1 3 】f 1 8 】，这- - n 井仪适合于不同矿化度的泥浆中，并且取得了成功应用；超深电 阻率测井仪是由斯伦贝谢公司提出的【1 3 1 1 1 9 1 ；随钻电阻率测井仪已经发展到目前为止，已 经取得了很大的成果，为钻井的地质指导以及石油开发生产提供了巨大的支持。 ( 2 ) 随钻核测井仪器发展现状 斯伦贝谢公司现在使用的随钻方位密度中子测井仪( a d n ) 和随钻补偿密度中子孔 隙度测井仪( c d n ) ，可在实际工作过程中，为了能够达到在钻井过程中，可以实时描述地 层的孔隙度和地层密度、岩性等目的，实时提供地层的体积密度、地层的视中子孔隙度 以及岩性的光电因子等数据；a d n 按方位测量岩石和流体性质，地层评价精度高，储量描 述准确，诊断能力增强；c d n 还包含一对超声传感器，用于提供多轴井径信息【2 0 之1 1 。 第一代随钻核测井仪器采用了内置源的方法，但会造成一些不便，在c d n 的双源仪 器中两个源的距离在1 5 m ，要求很大的屏蔽，造成控制和运输不便；在密度谱测量中要 求放置一强度很小的稳定源靠近探测器，以便在不同的温度条件下测量准确，由于c d n 设计的局限性，为了保证长源距密度测量的稳定性需要利用一个5 0 微居的镅源【2 2 1 。 第二代随钻仪器是a n d 测井仪，方位密度中子仪器能够提供方位成像，提高了测量 3 第一章绪论 精度，两个源的距离被减小到大约4 5 c m ，这样使屏蔽设备更容易，通过提高探测器和处 理技术，利用一个非常小的0 9 微居的c s 源代替了镅源以保证长源距测量的稳定性，然 n u 巷冉o 曙毒w l i c c o ” h 稍砖峥一$ o 州冶 m m t n , t8 a u l 巷 b 毫n 硝叶o e 铀嘲t u 珀啊蠹a 靠i 亡s n m b n 翱哺 l r # o i8 雌 孓- a u i l j z e u毒u r 图1 - 1a d n 仪器结构图 而把源放在井下设备的顶部而保留了双源设备；另外利用方位成像方法改善了中子测 量，可它需要增加放射源的强度( 7 5 c i l o c i ) ，但仍低于电缆测井的源强度【2 2 】。它的 主要用途是能够按照井眼周围的方位测量相关的地层参数，如密度、光电因子p e 以及 中子孔隙度等【2 3 】。 随钻补偿密度中子测井仪c d n 与a d n 相比在结构上以及测量方式上都相似，也是 在地层井眼的1 6 各个方位上能够得到密度、中子测井值【2 4 1 ，1 6 个方位的中子、密度值 均能反映地层的特性，并且可以利用他们在钻井时给予一定的地层分析，并且进行实时 的地质导向，c d n 与a n d 相比也能得到一系列数据，指导地层分析与评价，补偿中子 的测定有利于引导钻杆进入产层。总之一切的数据都对钻井起到了良好的监督与实施监 控作用，指导钻头选取良好的钻井轨迹1 2 5 】。 最近几年另有3 种新的l w d 密度中子仪器问世：精确钻井康普乐公司新的随钻孔 隙度测井系统；哈里伯顿s p e r r y o s u n 公司的补偿热中子( c t n ) 和方位岩性密度( a l d ) ； 贝克休斯i n t e q 公司的先进孔隙度测井服务( a p l s ) 【2 0 锄】。 1 2 2 国内随钻方位密度的发展 近几年，经过大量专家学者的努力，以及我国石油行业的不断兴起，我们已经具备 了相当的实力，来开发、研制我国自己的随钻测井技术系统。 ( 1 ) 2 0 0 8 年，我国首套多参数随钻测井系统问世，它是由中石油钻井研究院北京石 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 油机械厂研制，被称为c g l w d ，并且这套系统在研制成功后在四川首次成功应用。该 测井系统能够一次性测量电阻率、自然伽马、井斜、方位等数据，对于我国石油技术行 业来说是一大突破，这一系统的提出，增加了我国在国际上的竞争力，是我国告别无随 钻自主专利的标志性步伐，不仅填补了我国随钻技术产权的空白，而且给予我们更大的 自信与斗志向着国际前沿水平迈进，这一技术的提出将钻井、测井联系在一起，实现了 技术融合，对于一些复杂储层、复杂油藏以及断块油藏等复杂地层，这一技术的提出是 强有力的技术支撑；钻井、测井等工程技术的结合提高了工作效率，对于开发油气藏具 有极其重要的意义。 ( 2 ) 2 0 0 9 年，由胜利油田研制的随钻密度测量仪样机诞生，这项成果填补了国内 随钻仪器制造技术的空白。为我国以后在测井技术中投入随钻测量方法及相关研究都打 下了坚实的基础。 这一系列的重大突破，均标志着我国随钻技术的发展势头势不可挡，然而，与国外 传输技术相比，我国还是落后很多，并且还处于研究国外m w d 阶段1 3 】【2 6 1 ，我国尚无自 主知识产权的随钻测井技术和装备【2 7 】，这些年来为了能够精确地探测地层并成功的评价 油气藏，我国一直在不断地从国外引进先进的随钻测井系统，然而这样导致成本过高， 并且不能自主的开发相应技术装备，因此从技术以及所有权上考虑都迫切的需要有自己 的随钻技术系统。从数据传输方面看，我国对于特殊钻杆传输技术还没有什么发展，现 在处于盲区；从仪器设备上看，国内随钻测井发展刚刚起步，虽然具备一定的技术水平， 但还没有清晰的技术思路。 1 3 研究内容与关键问题 1 3 1 研究内容 ( 1 ) 随钻地层伽马场分布规律研究； 通过蒙特卡罗模拟方法研究随钻测井仪器周围地层的伽马场分布规律； ( 2 ) 随钻方位密度测井原理； 通过对国内j l - 随钻方位伽马测井、随钻方位中- 7 ：n 井原理的吸纳，总结随钻方位密 度测井原理； ( 3 ) 随钻方位密度数据数理方法： 通过对m c n p 模拟能窗的不同选择，以及模拟结果显示的不同的密度关系，进而 得到随钻方位密度数据的处理方法。 第一章绪论 ( 4 ) 随钻方位密度测井影响因素的响应 利用蒙特卡罗方法进行数值模拟，研究井眼环境因素的影响； 利用蒙特卡罗方法进行数值模拟，研究地层环境因素的影响。 ( 5 ) 随钻方位密度测井资料的应用 结合钻井条件的影响，总结随钻方位密度测井资料的应用。 1 3 2 关键问题 ( 1 ) 利用蒙特卡罗方法，对随钻条件下的方位密度测井响应进行数值模拟，总结响应 规律，为后期的数据处理及地层参数的判断提供理论依据； ( 2 ) 利用斯伦贝谢公司及国内江汉测井研究所制造的测井仪器参数，对不同的计数能 窗进行数值模拟，以确定随钻方位密度测井仪器的最佳计数能窗； ( 3 ) 针对不同源距进行数值模拟，通过响应关系确定最佳源距参数； ( 4 ) 针对倾斜地层，提取并处理方位密度测井数据，最终实现地层密度成像，求取地 层密度及地层倾角。 1 4 研究方法与技术路线 1 4 1 研究方法 利用m c n p 模拟软件建立水平井1 6 方位双源距密度测井几何模型，并对测井仪器、 井眼情况、地层情况等进行几何描述；建立水平井物理模型，包括填充于几何空间构建 中的各种物质的组分和密度等；设计1 3 7 c s 放射源的合理位置、其放射出的伽马光子在 输运过程中的空间分布和能量分布；设计远近探测器的最佳位置，确定探测反映地层信 息的伽马光子的最佳源距；改变各种参数信心，模拟少量粒子的输运过程，在蒙特卡罗 模型设计中细分空间分布，并使用减小方差的技巧，在有限的m c n p 计算时间内，尽 量减小其计算结果的统计误差，然后一次作为依据，进行大量粒子的模拟计算；从计算 结果中提取出反映地层、井眼等影响因素的有用信息，利用o r i g i n p r o 、m a t l a b 、c 拌等软 件进行处理，得到各种关系图及关系曲线。 1 4 2 技术路线 ( 1 ) 利用伽马光子与地层相互作用的原理，利用蒙特卡罗数值模拟方法，对随钻 方位密度测井仪器的能窗进行选择，使其能够达到最能反映地层信息的理想效果。 ( 2 ) 在两种密度差异较大的地层中，分别对探测器与1 3 7 c s 放射源的距离进行数值 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 模拟，得到最佳的长短源距的参数。 ( 3 ) 应用蒙特卡罗方法，对1 3 7 c s 放射源在不同密度地层、不同岩性地层的伽马场 分布进行数值模拟，得到该种放射源的分布范围。 ( 4 ) 改变井眼的测量条件，如改变井径、改变测井仪器与井壁之间的距离，即间 隙( s t a n d o f f ) 等，利用蒙特卡罗方法进行数值模拟，来研究井眼条件对随钻方位密度 测井方法的影响。 ( 5 ) 改变地层的密度、岩性、厚度、界面等参数，通过蒙特卡罗模拟方法，研究 随钻方位密度测井对不同地层条件的响应。 ( 6 ) 应用所得到的响应关系，针对倾斜地层进行数值模拟，通过m a t l a b 、o r i g i n 8 等计算机语言，处理模拟所得到的数据，最终对随钻方位密度测井实现密度成像。 ( 7 ) 对在倾斜地层条件下得到的密度成像图进行处理，判别地层倾角及地层厚度， 并利用c 拌形成处理软件。 7 第二章随钻方位密度测片的原理 第二章随钻方位密度测井的原理 2 1 随钻方位密度测井的核物理基础 2 1 1 伽马射线理论 在地层中，原子核通过跃迁所放出的伽马射线，能量一般分布在o 1 l o m e v 之间， 在该能量范围内，伽马光子主要以三种方式与物质发生相互作用【2 8 1 ，它们分别是： ( 1 ) 光电效应：伽马光子与原子中的束缚电子之间产生的相互作用； ( 2 ) 康普顿效应：伽马光子与物质中的电子之间发生的相互作用； ( 3 ) 电子对效应：伽马光子与原子核库仑场之间产生的相互作用。 在自然界中，伽马光子9 9 以上的几率都是通过这三种效应与物质之间相互作用的， 电子对产生只对能量超过1 1 m e v 的伽马射线才重要，这远远高于实际测井过程中所用 的伽马射线的能量，也就是说，在测井中，主要把光电吸收和康普顿散射的相互作用作 为分析和研究的对象。 图2 - 1 伽马射线吸收机理的相对重要性 钟振千口9 1 等人对伽马射线的吸收机理进行了研究，低能段伽马光子在高原子序数的 物质范围内，光电效应占优势；中能段伽马光子康普顿效应占优势，无论在任何原子序 数的物质范围内；而高能段的伽马光子在高原子序数物质范围内，电子对效应占优势。 三种主要效应占主要地位的区域如图2 1 所示，图中曲线代表两种作用几率相等时的伽 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 马光子能量与相互作用物质的原子序数。 2 1 2 伽马射线相互作用与其在测井中的应用 a l t m a n ，j c 【3 0 】等人认为物质和这些伽马射线的相互作用，可以得到以下应用：利 用能量较低的伽马射线，针对地层的光电吸收系数进行测量；利用能量较高的伽马射 线，针对井下地层的电子密度进行测量。 ( 1 ) 光电吸收截面 图2 2 表示方解石和石英地层光电吸收截面的变化，并与康普顿散射和电子对产生 的截面进行了比较。把每个电子的光电吸收截面定义为光电吸收系数p e ，b e r t o z z i l 3 1 1 等 人发现当p e 由下式定义： p e = ( z 1 0 ) 3 。6 ( 2 1 ) p e 根据以下关系正比于每单位原子序数z 的光电截面f ： f z ：0 0 1 p e e 一3 1 5( 2 2 ) 其中，e 伽马射线能量。 这一关系式对伽马射线能量为3 0 1 5 0 k e v ，原子序数z 为6 2 6 的范围内准确。图 2 2 表示了石英、方解石和重晶石地层光电吸收截面随伽马射线能量的变化，并与康普 顿散射和电子对效应产生的截面进行了比较【3 。 图2 2 伽马射线光电吸收截面和光子能量的关系 9 第二章随钻方位密度测井的原理 其中，代表重晶石的光电吸收截面；系列代表孔隙度为o 的方解石；系列代表 孔隙度为o 的石英；系列代表孔隙度为4 0 的石英；系列代表孔隙度为4 0 的方 解石；系列代表康普顿散射；系列代表重晶石的电子对效应；系列代表方解石的 电子对效应；系列代表石英的电子对效应。 ( 2 ) 密度测量 伽马射线在物质中通过的距离决定了伽马射线准直束的强度。准直束的强度由于康 普顿散射而引起的变化遵循以下公式3 1 】： n = 以o e x p 一力。盯。三) ( 2 3 ) 式中：力强度；1 0 初始光子的数目；盯。康普顿散射截面；刀。电子密 度；伽马射线束在物质中通过的距离。 表2 - 1 普通地球元素的z a 比值 元素丰度( p p m )原子量z a 氢1 4 0 01 0 0 80 9 9 2 2 碳 2 0 01 2 0 0 10 4 9 9 5 氮 2 01 4 0 0 70 4 9 9 8 氧4 6 6 0 0 01 6 0 0 00 5 0 0 0 钠2 8 3 0 02 3 0 0 00 4 7 8 5 镁 2 0 9 0 02 4 3 0 5 0 4 9 3 7 铝 8 1 3 0 02 6 9 8 0o 4 8 1 8 硅3 3 9 6 0 02 8 0 8 60 4 9 8 5 硫 2 6 03 2 0 6 00 4 9 9 1 氯 1 3 0 3 5 4 5 30 4 7 9 5 钾2 5 9 0 03 9 0 9 80 4 8 5 9 钙 3 6 3 0 04 0 2 8 00 4 9 9 0 钛 4 4 0 04 7 9 0 00 4 5 9 3 锰 9 5 05 4 9 3 80 4 5 5 1 铁 5 0 0 0 05 5 8 4 70 4 6 6 9 钡4 2 51 3 7 3 3 00 4 0 7 8 铅1 3 一殂垤2 0 0 0 3 9 5 8 ( 3 ) 电子密度和“电子质量密度” 伽马射线的康普顿散射取决于物质的电子密度n 。对于单原子元素，单位体积的电 子数目为： l o h e = n ( z a ) p ( 2 - 4 ) 式中：刀。单位体积的电子数目；n 阿伏伽德罗常数；z 原子序数； 么原子核质量数；p 物质的密度。 表2 1 3 2 3 3 1 列出了平均陆壳普通元素的丰度，单位为重量的百万分之一( p p m ) 。 2 2 随钻方位密度测井 我国的一些专家学者利用蒙特卡罗模拟研究核测井方面己取得了不少的成果，张圈 世【3 4 1 ( 1 9 9 3 ) 介绍了国外核数值模拟程序m c n p 在核测井的应用；黄隆基【3 5 】( 2 0 0 3 ) 对于密度测井探测深度与源距的关系提出了研究方案；2 0 0 2 年他又给出了薄层响应与密 度测井灵敏度关系的研究【3 6 】，近些年来；几位专家学者提出了利用蒙特卡罗模拟方法来 对随钻核测井进行模拟研究；曹军型3 7 1 等( 2 0 0 5 ) 提出康普顿背散射成像的蒙特卡罗模 拟；张锋【3 8 1 提出了脉冲中子用于岩性判别的影响因素的m c n p 模拟；孙培伟3 9 1 等人应 用蒙特卡罗数值模拟方法从双源距密度测井的基本理论入手研究了测井解释和密度测 井技术的发展提供参考。 题 一飞2 。惨 y 图2 3随钻方位密度测井示意图 随钻方位密度测井是在钻井过程中用安装在钻梃中的测井仪器测量地层性质并将 测量结果传送到地面或记录在井下存储器中的一种技术，该技术要求测井仪器应能够安 装在钻梃内较小的空间里，并能承受高温、高压和钻井时产生的强烈震动【4 0 珑】。把井眼 看成理想的圆柱体r _ 从其横截面来看，以顶部为起点记为0 0 ，仪器紧贴井壁，顺时针旋 转3 6 0 0 ，并以2 2 5 0 为单位，依次划分成为1 6 个扇区，如图2 3 所示。在旋转过程中， 探测器即可通过探测伽马光子的方式，达到探测地层参数的效果。 第二章随钻方位密度测井的原理 2 3 随钻方位密度测井伽马能窗的确定 为研究随钻方位密度测井技术的伽马能窗，在蒙特卡罗模型设计中，如图2 - 4 所示， 将地层划分为两种密度的砂岩和泥岩均匀介质，井眼处于地层界面中心，放射源及探测 器都贴井壁固定，研究不同能窗计数探得的地层密度与“真实”地层密度的差异大小。 图2 - 4 模拟不同伽马能窗响应的模型图 为得到最理想的伽马计数能窗，在改变自己能窗范围的同时，与早些年斯伦贝谢公 司以及国内原江汉测井研究所的岩性密度测井仪的能窗进行对比。表2 2 即是这两家公 司测井仪器的能窗参数。 表2 - 2 测井仪器能窗阈值能量k e v l s 探测器能阈s s 探测器能阈 生产厂家 l i t hl ll us s 2 s s l 斯伦贝谢公司 4 3 8 91 8 7 2 5 1 2 5 1 5 3 61 5 1 3 4 03 4 0 4 6 3 原江汉测井研究所 4 0 1 0 01 8 0 2 4 02 4 0 5 4 01 8 0 3 3 03 6 0 4 5 0 通过钟振千【2 9 1 等人收集的资料，斯伦贝谢公司开设能窗的方式是长源距l s 探测器 分高能段h 与低能段s 两部分：s 段为一个窗口，记为l i t h ，称为岩性窗口；高能段 h 连续开设两个窗口l l 和l u ，在地面上这两个窗口计数再相加。 n l s = n 址+ n l u ( 2 5 ) 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 短源距s s 探测器也是连续开两个窗口，测井中一般只利用了高能s s i 谱段计数， 做密度补偿