CN110344817A

CN110344817A - 石油孔固井水泥环属性参数在老井伽玛复测系数修正中的应用

Info

Publication number: CN110344817A
Application number: CN201910645297.XA
Authority: CN
Inventors: 李小伟; 臧永亮; 张军凯; 王军礼; 李名; 曾献文; 豆珂; 权军明
Original assignee: Petrochina Huabei Oilfield Co Two Branch Co; Zhongshan Nuclear Industry Group Geological Survey Co Ltd
Current assignee: Petrochina Huabei Oilfield Co Two Branch Co; Zhongshan Nuclear Industry Group Geological Survey Co Ltd
Priority date: 2019-02-21
Filing date: 2019-07-17
Publication date: 2019-10-18
Anticipated expiration: 2039-07-17
Also published as: CN110344817B; CN109779611A

Abstract

本发明公开了石油孔固井水泥环属性参数在老井伽玛复测系数修正中的应用，本发明通过制作多个不同厚度不同密度的水泥环模型孔，模拟井下情况，建立模型，利用不同模型水泥环吸收系数值进行拟合，最终找出固井水泥环对伽玛测井计数率的影响系数，并进行修正论证实验，使修正后的数据无限接近地层真实值。文中结合内蒙某油田区块实际资料，通过水泥环实验测井修正系数，对资料进行修正，探讨了水泥环密度和厚度与计数率的关系，进一步验证了方法技术的可行性，从而为指导下一步石油老井复测结果提供修正依据。

Description

石油孔固井水泥环属性参数在老井伽玛复测系数修正中的应用

技术领域

本发明涉及地球物理伽玛测井，尤其涉及石油老井复测的伽马测井结果修正方法。

背景技术

近年来，寻找地浸砂岩型铀矿床己成为铀矿工作的主攻方向，并取得重大进展。地球物理伽玛测井是铀矿地质勘查的一个重要组成部分，其目的是定量确定铀矿(层)体的空间位置、含量及其厚度，为地质研究、钻探施工、储量计算等工作提供科学依据，同时为提交铀矿藏的储量报告及后期的开发利用提供有力证据。

运用铀矿勘查技术在内蒙某油田区块进行选区选井研究，为了进一步查明工作区成矿潜力，充分收集目的层放射性异常信息，同时为了弥补石油井浅部资料的缺失，对工作区多个凹陷内石油钻孔进行老井复测工作，并进行解释和总结。在已完成的伽马测井中发现了新的问题：即自然伽马测井曲线的幅度不仅与地层的放射性有关，而且还受井眼条件(井径、泥浆比重、套管、水泥环等参数)的影响。泥浆、套管、水泥环均吸收伽马射线会使自然伽马测井值降低。

在做定性解释时，如果井内泥浆稳定，则整个曲线的相对趋势反映地层性质，可不做修正。在大井眼和套管井中，定量解释自然伽马资料时，要进行必要的修正。由中国核工业地质局《测井资料自动化处理解释系统》软件中γ测井解释系统软件模块可直接对井径、泥浆比重、套管等参数进行校正。老井复测时所面对的石油井，除了考虑铁套管吸收因素，还需要考虑固井后，铁套管外壁与岩层之间固井水泥环的影响因素，这种影响因素目前在工作中没法修正，无法最大程度的接近真实数据。针对此种情况，经过多次研究论证，制定了详细的修正实验方案，考虑利用模型响应拟合修正系数，从而为指导下一步石油老井复测的伽马测井结果提供修正依据。

发明内容

本发明的目的是提供了石油孔固井水泥环属性参数在老井伽玛复测系数修正中的应用，本发明通过制作多个不同厚度不同密度的水泥环模型孔，模拟井下情况，建立模型，利用不同模型水泥环吸收系数值进行拟合，最终找出固井水泥环对伽玛测井计数率的影响系数，并进行修正论证实验，使修正后的数据无限接近地层真实值。

本发明的技术方案是：一种石油孔固井水泥环属性参数在老井伽玛复测系数修正中的应用，其特征是：基于放射性测井的康普顿效应，建立多个不同厚度不同密度的水泥环模型，模拟井下情况，利用不同模型水泥环吸收系数值进行拟合，通过模拟计算得出放射性计数率和水泥环密度以及水泥环厚度的函数关系，分析可知放射性计数率和水泥环密度及厚度在一定范围内是线性关系，并推导出了计数率与水泥环属性参数的综合函数关系，最终找出固井水泥环对伽玛测井计数率的影响系数，得出具体修正系数，并进行修正论证实验，使修正后的数据无限接近地层真实值，对过去的和即将测量的石油老井进行重新解释修正，还原真实地层放射性效应。

现行的《伽玛测井规范》中有专门针对井液和铁质套管修正的叙述，针对固井水泥环的修正还仍然是一个缺失项，因此，本次实验弥补了油田已固井石油井伽玛测井的不足。

本着“循序渐进”的原则，本次实验通过制作多个不同厚度不同密度的水泥环，模拟井下情况，建立模型，研究水泥环影响因素的测井响应，最终找出固井水泥环对测井的影响系数，并进行修正论证实验，使修正后的数据无限接近地层真实值。

附图说明

图1是系数修正实验流程框架图。

图2是水泥环计算模型示意图。

图3是相同水泥环厚度不同水泥环密度计数率关系图。

图4是水泥环密度与计数率关系散点图。

图5是相同水泥环密度不同水泥环厚度计数率关系图。

图6是水泥环厚度与计数率关系散点图。

图7是伽玛复测系数修正程序流程图。

图8是ZKM修正前后散点对比图(340米-370米)。

图9是ZKM修正前后散点对比图(438米-447米)。

图10是ZKM修正前后和验证孔曲线对比图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明内容进行详细描述。

一、系数修正实验理论基础

如图1所示，首先建立水泥环模型，方法是基于放射性测井的康普顿效应。固井水泥环厚度及密度是如何影响放射性强度需要研究各个参数的测井响应。通过各个测井响应数值模拟方法可以全面认识水泥环与放射性关系特征，把握放射性衰变的规律，从而为找出固井水泥环对测井的影响系数，并进行修正论证实验，使修正后的数据无限接近地层真实值。

放射性元素核衰变放出的伽马射线，能量一般在0.5MeV到5.3MeV之间，当伽马射线能量介于0.25MeV到2.0MeV之间时，能量较高伽马射线与物质的原子核外电子碰撞时，一部分能量转交给电子，使之脱离原子电子壳层而飞出，同时伽马射线改变自己运动方向，继续与其它电子相撞。每碰撞一次，能量损失一部分，并改变其运动方向，形成康普顿效应。伽马射线经多次碰撞之后，能量不断降低，最后以光电效应结束。本次实验使用的伽马源与岩石作用时，主要产生康普顿效应，并散射伽马射线。

一个物体的质量和长度是具有固定数值的，只要量具和测量仪器质量可靠、环境条件不变、工作仔细、多次重复测量，总可以测得相同的数值，放射性测量却完全不同。不管测量仪器多么稳定精确，环境条件控制极好，工作非常细心，每次测量仍然得不到完全相同的结果，甚至相差很大。因为一个放射性源含有很多不稳定的原子核，每个原子核只有衰变时才放出射线被探测器接收，每个核衰变是完全独立的，完全不与其他核衰变相关。哪个核先衰变，哪个核后衰变，没有任何规定的顺序，纯属随机。每个单位时间的核衰变数，不可能完全相同。然而虽然有差别，但他们是有规律的，放射性核素衰变符合高斯分布，对放射性进行无限多次测量得到的平均值，才是最准确的期望值。基于上述规律，本次水泥环实验定点测量数据不少于300个，去掉最大值、最小值以及野值求取平均值作为期望值。

二、水泥环模型的建立

在实际生产中，井下水泥环的状态，是处于套管与外壁围岩之间，水泥浆凝固后，套管、水泥环及井壁围岩为一个组合弹性体。考虑实际情况，建立的模型，从井眼开始依次是套管，水泥环，地层。γ源为137Cs点状源，仪器推靠井轴测量。图2为水泥环计算模型示意图。

2.1水泥环密度模型

水泥环密度模型目的是研究相同套管类型、相同水泥环厚度、不同水泥环密度对计数率的影响，采用定点测量和连续测量两种测量方式，为了研究计数率与水泥环密度的关系，本次实验设计五种模型参数进行实验。采用密度定向源，源距15厘米，统一放置井深为1米的位置，模型一是仅有铁套管没有制作水泥环，模型二～模型五铁套管规格一致，水泥环厚度均为26.15毫米，密度有明显差异，具体见下表1。

表1水泥环密度模型参数表

2.2水泥环厚度模型

水泥环厚度模型目的是研究相同套管类型、相同水泥环密度、不同水泥环厚度对计数率的影响，采用定点测量和连续测量两种测量方式，放射源贴水泥环外壁和源距为15cm分别测量，水泥环厚度设计为6.15mm、20.00mm、26.15mm、50.15mm等四组数据，厚度利用PVC管进行控制。计算得到放射性计数率与水泥环厚度测井响应关系，具体见下表2。

表2水泥环厚度模型参数表

序号	模型井名	套管规格	水泥环密度(g/cm<sup>3</sup>)	水泥环厚度(mm)
					模型一	ZK-PVC-TG	N80-139.7-7.72	无	无
模型二	ZKSH1	N80-139.7-7.72	1.82	6.15
					模型三	ZKSH2	N80-139.7-7.72	1.82	50.15
模型四	ZKSH3	N80-139.7-7.72	1.82	20.00
					模型五	ZKSH4	N80-139.7-7.72	1.82	26.15

2.3结合前面各种模型关系确定计数率与变量关系

分析对于油田所有井，忽略井内流体的影响因素，需要确定水泥环密度ρ_(s)、水泥环厚度h_(s)；其中，主要研究计数率与水泥环密度、水泥环厚度的关系函数，这里，将计数率与变量的关系表示为：N∝f(ρ_(s),h_(s))；结合前面各种响应分析，利用模型数据对公式进行正演拟合，采用两阶段最小平方回归得出建立水泥环吸收系数值和水泥环密度和厚度的响应函数关系，最终得出水泥环综合修正公式。

三、实验计算实例分析

本实验投入北京中地英捷公司生产的FD-3019闪烁伽玛测井探管，仪器性能良好，实验开展前均在国防科技工业1313二级计量站进行了标定。选择一个放射性相对平稳而不受人文干扰场影响的地区，面积大约30平方米，一共建立模型孔12个，深度统一为1.5米，孔径统一为296mm，孔与孔之间距离1米以上。在测量之前，将所有孔的本底均加以测量，以防有的孔自身有放射性引起误差。

3.1水泥环密度模型分析

对于连续测量，对表1水泥环密度模型中各个模型进行测井响应，以测井深度为横坐标，各组计数率为纵坐标，绘制出了不同模型计数率随密度变化关系图，见图3。

由图3可见，没有铁套管和水泥环时，计数率峰值最高，加入铁套管后计数率峰值次之，水泥环厚度统一时，随着水泥环密度的增加，计数率呈现出衰减的趋势，且峰值衰减表现出一定的规律。

对于定点测量，利用各个模型峰值大小差异做出散点图，分析随水泥环密度的增加，计数率的变化情况，得出的散点图如下图4所示。

由图4可见，当水泥环厚度一定时，3019探测器的计数率随着水泥环密度的增加呈现逐渐衰减的近线性关系，在这个比较明显的近线性趋势里，没有偏离很远的点。由于自变量水泥环密度与因变量计数率均为连续变量，考虑建立单自变量线性回归方程。假设计数率Y与水泥环密度ρ_(s)有如下线性关系：Y＝a+b*ρ_(s)；式中：a为常数项，b为Y对应于ρ_(s)的回归系数，ρ_(s)代表水泥环密度，单位为g/cm³，Y代表计数率值，单位为cps，利用SPSS软件进行单自变量线性回归模型，结果如下表3：

表3模型摘要表

由于调整的判定系数R²较接近1，德宾-沃森模型结果值为2.175，说明数据之间是互相独立的，因此认为该模型拟合优度较高。建立线性模型如下表4所示：

表4模型系数表

通过采用逐步法回归分析得到表4中自变量水泥环密度ρ_(s)系数的概率P值远远小于0.05，差异显著，即对方程有用，所以最后得到的模型为：

Y＝42249.030-18718.301*ρ_(s) (1-1)

其中，ρ_(s)代表水泥环密度，单位为g/cm³。

实际上，假定水泥环厚度不发生变化，在遇到不同放射性强度的目的层时，水泥环对放射源的吸收值是随密度值变化而变化的，而实际测量值是原始值(希望得到的修正值)经过衰减后的值，假设水泥环吸收系数值为Q％，任意一点实际测量值为Y₁，希望得到的修正值为Y₂，则有：

(Y₂-Y₁)/Y₂＝Q％ (1-2)

Y₂＝Y₁/(1-Q％) (1-3)

由上述模型可知，当仅有铁套管而没有水泥环的时候，按照理论上应该为29091cps；当加上一层厚度26.15mm密度1.63g/cm³水泥环时，计数率变成了24517cps；衰减了15.72％；当加上同一厚度，密度1.72g/cm³水泥环时，计数率变成了23659cps，衰减了18.67％；当加上同一厚度，密度1.82g/cm³水泥环时，计数率变成了21499cps，衰减了26.09％；当加上同一厚度，密度1.94g/cm³水泥环时，计数率变成了18866cps，衰减了35.15％；

尝试建立水泥环吸收系数值和水泥环密度的响应函数关系，则归一化后的函数关系为：

Q＝-90.461+64.344*ρ_(s) (1-4)

将公式(1-4)代入(1-3)可知：

Y₂＝100*Y₁/(190.461-64.344*ρ_(s)) (1-5)

公式(1-5)是限定水泥环厚度为26.15mm时水泥环密度变化趋势，其说明水泥环厚度不变时，随水泥环密度变化计数率呈线性趋势变化。

3.2水泥环厚度模型分析

对于水泥环厚度响应，以测井响应点数为横坐标，各组计数率为纵坐标，绘制出了不同模型计数率随厚度的变化图，见下图5和图6。

由图5和图6可见，没有水泥环时，计数率值最大，当水泥环密度一定时，计数率随着水泥环厚度的增加呈现逐渐衰减的近线性关系，水泥环厚度为50.15时，计数率基本上衰减了一半，在这个比较明显的近线性趋势里，没有偏离很远的点。

由上述模型可知，当没有水泥环的时候，计数率均值为114.53cps；当加上一层密度为1.82g/cm³厚度为6.15mm水泥环时，计数率均值为101.28cps；衰减了11.56％；当加上一层密度为1.82g/cm³厚度为20mm水泥环时，计数率均值为91.88cps；衰减了19.77％；当加上一层密度为1.82g/cm³厚度为26.15mm水泥环时，计数率均值为83.36cps；衰减了27.21％；当加上一层密度为1.82g/cm³厚度为50.15mm水泥环时，计数率均值为69.97cps；衰减了38.90％。

假设计数率Y与水泥环厚度h_(s)有如下关系：

Y＝a+b*h_(s) (1-6)

所以计数率和水泥环厚度表达式如下：

Y＝-0.8436*h_(s)+109.49 (1-7)

假设水泥环吸收系数值为Q％，任意一点实际测量值为Y₁，希望得到的修正值为Y₂，则修正公式为：

(Y₂-Y₁)/Y₂＝Q％ (1-8)

所以Y₂＝Y₁/(1-Q％) (1-9)

尝试建立水泥环吸收系数值和水泥环厚度的响应函数关系，消除PVC对模型的影响因素，则归一化后的函数关系为：

函数表达式为Q＝8.3533+0.6252*h_(s) (1-10)

代入(1-9)即可得到最终水泥环厚度修正公式为：

Y₂＝100*Y₁/(91.6467-0.6252*h_(s)) (1-11)

3.3综合确定计数率与参数的关系

经过前面的研究发现，计数率与水泥环密度和厚度在一定范围内成近线性关系，即表达式应该为如下公式：

Y＝a+b*ρ_(s)+c*h_(s) (1-12)

对表1和表2所得出来的8组数据用公式(1-12)进行正演拟合建立水泥环吸收系数值和水泥环密度和厚度的响应函数关系：

Q＝-102.628+61.447*ρ_(s)+0.627*h_(s) (1-13)

对于这个综合表达式，密度和厚度同时影响水泥环的吸收系数值，在6.15≤h(s)≤50.15同时1.63≤ρ(s)≤1.94这一范围内，是一个二维平面的数组。

假设水泥环综合吸收系数值为Q％，任意一点实际测量值为Y₁，希望得到的总体修正值为Y，则修正公式为：

(Y-Y₁)/Y＝Q％ (1-14)

所以Y＝Y₁/(1-Q％) (1-15)

将公式1-13代入1-15中即可得到水泥环综合修正系数表达式：

Y＝100*Y₁/(202.628-61.447*ρ_(s)-0.627*h_(s)) (1-16)

式中：ρ_(s)代表水泥环密度，单位为g/cm³；

h_(s)代表水泥环厚度，单位为mm；

且满足6.15≤h(s)≤50.15；1.63≤ρ(s)≤1.94；

四、实际资料应用效果分析

4.1计数率对比分析

以内蒙某油田区块某口已测矿化孔ZKM石油老井为研究对象，在油田作业队检泵时已获取该孔井深结构以及固井材料参数。石油老井ZKM套管及水泥浆数据如下表6所示：

表6套管及水泥浆数据统计表

利用模块对ZKM其中显示最好的两层矿化层计数率进行修正，取其中一部分数据作对比如表7所示：

表7实际资料修正结果对比表

修正前后异常层数据散点图对比图如下图8和9所示。

由上述修正结果表以及修正前后散点对比图可见，由于水泥自身也具有放射性，所以厚度对放射性计数率的吸收是很小的，而密度占主要影响因素。修正之后计数率大约为之前的1.44倍，且在高异常背景区越明显，经计算，对于水泥环厚度38.15mm，密度1.88g/cm³时，计数率大约被衰减了30.68％。分析可见，水泥环对计数率的吸收影响较明显，其变化符合模型规律。

4.2解释结果对比分析

当验证孔距离石油老井非常接近时，可以将验证孔测井数据与石油老井复测数据进行对比，由于铀矿具有特殊性，即使在最理想状况下，也不会是同一位置，因此，数据上会有一定差距，下面将老井复测3019与修正后3019和验证孔3019数据进行对比分析。

在该石油复测钻孔ZKM(未修正之前为矿化孔)布设的验证ZKY(工业孔)，主要为了验证系数修正结果，本次经过系数修正后为工业孔，且数据具有一定说服力，对比曲线与数据如下图10所示。

重点对矿化层进行研究分析，发现对于ZKM复测孔，修正前仅有4层矿化层和11层异常，修正后变成了4层矿化，1层工业层和14层异常层，异常层值整体得到了抬高，使得一些层位得到了真实合并，未修正前表外矿层厚度很大，修正之后表外矿层转化成了表内矿层，对比工业层修正前后解释结果如下表8所示：

表8修正前后与验证孔解释成果对比表

由上表可见：由于验证孔与原老井复测孔相距15m，井下异常存在差异，因此有一定的差异，但在修正之后，二者已经很接近了，经计算，修正后的工业层品位相差0.002％，平米铀量相差0.0094kg/m²；假设以验证孔为基准值，则品位误差约为5.433％，平米铀量误差为0.87％。这个误差结果在铀矿勘查中符合规范要求。上述分析可见，水泥环对计数率的吸收影响较明显，其变化符合模型规律，可以使修正后的数据无限接近地层真实值，为指导下一步石油老井伽马复测结果提供修正依据。

五、结论和意义

(1)通过制作多个不同厚度不同密度的水泥环，建立多种影响因素的测井响应分析，并且建立合理的解释模型，得出具体修正系数，对过去的和即将测的石油老井进行重新解释矫正，还原真实地层放射性效应；

(2)通过实验分析可知：计数率与水泥环密度、厚度在一定范围内是线性的关系。且随各个参数的增加，计数率均表现为衰减。了解计数率和属性参数这种综合影响关系，有助于研究放射性及其衰变规律；

(3)对于油田任一采油井，钻井水泥固井参数均是严格按照设计执行的，水泥环厚度及密度也是确定的参数，本文分析了不同厚度、不同密度水泥环对放射性计数率的影响，通过对实际资料处理解释，得出水泥环对计数率的影响一般可达到20％～40％；

(4)得出修正系数能将定性解释最大限度的向定量-半定量解释靠近，工作更加科学实用。利用系数修正结果进行修正之后，能使得一些矿化孔经过修正解释后达到工业品位(岩性具体分析)，一些异常孔经过修正之后达到矿化标准，一些无异常孔经过修正之后达到异常孔标准，有利于我们准确地搜集工作区放射性资料。

(5)由于在全套管的石油井，别的测井曲线无意义。石油老井伽马复测在此背景下意义重大，系数修正有助于最大程度接近真实数据，为后期查明工作区成矿潜力提供有力证据。利用实验结果能将石油老井复测这种经济、可行、可靠、高效的方法在油田加以推广。

Claims

1.石油孔固井水泥环属性参数在老井伽玛复测系数修正中的应用，其特征是：基于放射性测井的康普顿效应，建立多个不同厚度不同密度的水泥环模型，模拟井下情况，利用不同模型水泥环吸收系数值进行拟合，通过模拟计算得出放射性计数率和水泥环密度以及水泥环厚度的函数关系，分析可知放射性计数率和水泥环密度及厚度在一定范围内是线性关系，并推导出了计数率与水泥环属性参数的综合函数关系，最终找出固井水泥环对伽玛测井计数率的影响系数，得出具体修正系数，并进行修正论证实验，使修正后的数据无限接近地层真实值，对过去的和即将测量的石油老井进行重新解释修正，还原真实地层放射性效应。

2.如权利要求1所述的石油孔固井水泥环属性参数在老井伽玛复测系数修正中的应用，其特征是：分析了不同厚度、不同密度水泥环对放射性计数率的影响，通过对实际资料处理解释，得出水泥环对计数率的影响最高为38％。

3.如权利要求1所述的石油孔固井水泥环属性参数在老井伽玛复测系数修正中的应用，其特征是：建立的水泥环模型，从井眼开始依次是套管，水泥环，地层；γ源为137Cs点状源，仪器推靠井轴测量。

4.如权利要求1所述的石油孔固井水泥环属性参数在老井伽玛复测系数修正中的应用，其特征是：对于任意点，只要已知水泥环密度、水泥环厚度、水泥返深，就可以求出各个参数对计数率修正值，

水泥环综合修正公式为：

Y＝100*Y₁/(202.628-61.447*ρ_(s)-0.627*h_(s)) (1-16)

Y₁为任意一点实际测量计数率，h_(s)为固井水泥环厚度，ρ_(s)为固井水泥环密度，Y为总体修正值；且满足6.15≤h(s)≤50.15；1.63≤ρ(s)≤1.94。

5.如权利要求1所述的油田孔固井水泥环属性参数在老井伽玛复测系数修正中的应用，其特征是：对于某一口井，给定水泥环厚度26.15mm时，水泥环密度响应为近线性关系，响应公式如下：

Y₂＝100*Y₁/(190.461-64.344*ρ_(s)) (1-5)

公式(1-5)是水泥环厚度26.15mm时密度响应公式，Y₁为任意一点实际测量计数率，Y₂为希望得到的修正值，ρ_(s)为固井水泥环密度。

6.如权利要求1所述的油孔固井水泥环属性参数在老井伽玛复测系数修正中的应用，其特征是：对于某一口井，给定水泥环密度1.82g/cm³时，水泥环厚度响应为近线性关系，响应公式如下：

Y₂＝100*Y₁/(91.6467-0.6252*h(s)) (1-11)

公式(1-11)是水泥环密度1.82g/cm³时密度响应公式，Y₁为任意一点实际测量计数率，Y₂为希望得到的修正值，ρ_(s)为固井水泥环密度。