[科普中国]-密度测井

测井原理

生产井中的流体主要有油、气、水三种流体，它们在密度上有明显差别。流体密度测量就是用密度计测量流体密度，通过测量流体密度达到区分产液剖面性质的目的。

测井仪器测量流体密度的仪器主要有压差密度计和伽马密度计。压差密度计和伽马密度计得到的流体密度资料都可以用于定性分析进入井眼的流体类型、划分流体界面和定量确定两相流中的持液率。

1、压差密度计

压差密度计利用两个相隔一定距离（常为2ft）的压敏波纹管，测量井筒内这两点间流体的压差值。对摩阻损失不大的井眼，测出的压力梯度正比于流体密度。

式中：

d——压敏波纹管间距；

θ——井斜角；

△h——压敏箱间的垂直高差；

g——重力加速度。

总压力梯度=静压梯度+摩阻梯度+加速度梯度

由于压敏箱间距一般较小，因此速度变化很小，加速度梯度可以忽略不计。当流速低于60m/min时，可认为压差密度计测量值仅与静压梯度有关，反映流体密度大小。

压差密度计的优点：可以探测整个流动截面

压差密度计的缺点：当井筒斜度较大或水平时，测量分辨率会降低甚至无效。

2、伽马密度计

伽马密度计的测量原理与地层密度测井仪类似，利用流体对伽马射线的吸收特性测定流体密度。伽马射线穿过物质，与物质发生光电效应、康普顿效应和电子对效应，射线强度衰减服从指数规律：

伽马密度计测量的是井筒内流经仪器流道的那部分流体，优点是在井筒斜度较大或水平时，仍可进行有效测量，只是此时测量结果受各相流体重力分异影响较大。

伽马密度计缺点是只能探测流动截面的一部分。

伽马射线物质的作用由伽马射线源放出的伽马射线,其能量范围为几万电子伏特到几百万电子伏特。当高能伽马射线穿过物质时,与物质发生相互作用,通常会产生三种效应,即电子对效应、康普顿效应和光电效应。现分述如下:

(1)电子对效应。

当能量大于1.02MeV 的伽马射线穿过原子核附近时,在原子核库仑场的作用下形成一对正、负电子,伽马射线本身被吸收,这种过程称为电子对效应,如图a所示。伽马射线穿过单位距离的物质时,由于电子对效应使其强度减弱,用吸收系数κ表示。经验表明κ与原子序数Z 的平方成正比。

(2)康普顿效应。

当伽马射线的能量中等时,伽马射线与原子中的电子发生碰撞,把一|部分能量传给电子,使电子沿某一方向射出,损失了部分能量的伽马射线沿另一方向射出(图b),这种效应为康普顿效应,碰撞后射出的电子叫作康普顿电子。由于康普顿效应引起伽马射线的吸收,用散射系数σ表示。σ与原子序数成正比,即与原子的电子数成正比,由此得出散射系数σ与岩石中的电子密度成正比,这就是密度测井的理论依据。

(3)光电效应。低能量的伽马射线与原子核的电子层发生作用时,把全部能量传给电子,使电子脱离电子层成为自由电子,伽马射线本身被吸收,这种效应叫作光电效应,打出的电子称为光电子(图c)。在单位长度上由光电效应使伽马射线被吸收用吸收系数τ表示,吸收系数τ与原子序数有关,岩性密度测井就是以此为理论依据的。1

分类密度测井可分为补偿地层密度测井和岩性密度测井。

补偿地层密度测井1、原理

利用伽马射线与物质作用的康普顿效应，研制出补偿地层密度测井仪。利用固定强度的伽马射线源照射地层，伽马射线穿过地层时，由于产生康普顿效应，伽马射线会吸收,地层对伽马射线吸收的强弱决定于岩石中单位体积内所含的电子数,即电子密度,而电子密度又与地层的密度有关,由此通过测定伽马射线的强度就可测定岩性的密度。现在采用的补偿地层密度测井仪(FDC),其结构如图所示,通常用铯作为伽马射线源,它放出能量为0.661MeV 的单色伽马射线,装有长、短源距两个探测器,源和探测器装在同一滑板上,利用推靠器把滑板压向井壁,滑板上部有犁形结构,测井时滑板可切入泥饼,以减弱泥饼的影响。

利用长、短两个探测器可以对泥饼影响进行校正。长源距探测器反映地层的变化,短源距探测器主要反映泥饼的影响,根据长、短源距计数率对地层和泥饼的响应绘制了"脊肋图"(图2)。1

图中的实线称为“脊线”，如果井眼光滑并且不存在泥饼时，长、短源距计数率的交会点即落在脊线上，根据该点的位置即可得出地层的密度ρb。如果有泥饼时,长、短源距探测器计数率的交会点偏离脊线,如图中与脊线斜交的线,称为"肋线"。对于普通钻井液,泥饼的影响使交会点向脊线的右侧偏离;如果钻井液中含有重晶石,泥饼密度大,使交会点向左偏离脊线。补偿地层密度测井就是根据脊胁图的关系,自动对泥饼影响进行校正,密度测井上直接显示出地层密度ρb 的值。

2、应用

补偿地层测井曲线右侧的密度校正值Δρ曲线用来表示测井曲线的质量,不代表真正的校正值,利用Δρ曲线与井径曲线配合,即可判断测井质量是否可靠。

(1)确定地层孔隙度。根据测出的地层密度值pb 值,利用下式可求得地层孔隙度。

式中

ΦD——密度测井求得的孔隙度；

ρma——岩石骨架的密度值；

ρf 一一岩石孔隙度所含流体的密度值。

(2)划分含气地层。对于含气地层,体积密度pb 值降低,使孔隙度增大,而中子曲线因气层含氢时降低,使孔隙度变小,所以利用密度测井和中子测井曲线重合可划分气层。另外也可根据中子测井和密度测井交会图来划分含气地层。

岩性密度测井1、原理

岩性密度测井是在补偿地层密度的基础上发展起来的,除利用康普顿效应求地层密度外,还利用光电效应来划分岩性。

由伽马源射出的伽马射线穿入地层时,经多次碰撞,能量降低,低能量伽马射线与地层中的元素发生光电效应,伽马射线被原子吸收,并放出光电子,此时原子对伽马射线的吸收截面称为光电吸收截面(τ)。τ与原子序数Z 的关系可用下式表示:

式中

τ 一一原子序数;

k 一一与入射伽马射线能量有关的系数。

为了同时记录pe 用pb 曲线,根据伽马射线能谱分析,在岩性密度测井仪中,设计了长、短源距探测器的能量窗口(如图),对长源距探测器开有高能窗口(H)和低能窗(S),高能窗口在康普顿散射区内获得地层密度pb 信息:在低能窗口内获得光电吸收的信息,即反映岩石成分的Pe 信息。短源距探测器只设高能窗口(H)。利用这样的设置,岩性密度测井可给出地层密度pb 有效光电吸收截面指数Pe 曲线。

2、应用

(1)划分岩性。有效光电吸收截面指数与岩石的成分密切相关,不同岩石的Pe 值有明显差别,而且孔隙度对Pe 的影响很小。

(2)如果岩石骨架由两种矿物成分组成,可确定岩石孔隙度和有关组分的百分含量。

(3)如果岩石由三种骨架矿物组成,可用三矿物分析图,确定各矿物的含量。2

应用1.确定岩层的孔隙度，是密度测井的主要应用。

2.识别气层，气层处中子伽马测井显示出很高的计数率值。

3.判断岩性，密度测井和中子测井曲线重叠可是识别气层，判断岩性。

4.密度－中子测井交会图法确定岩性求孔隙度。

5.确定油水界面：在停产井中，气、油、水会按密度分离，此时，利用压差密度曲线可以准确划分流体界面。水层中的中子伽马测井计数率值大于油层的中子伽马测井计数率值，但只有在地层水矿化度比较高的情况下，才能利用中子伽马测井曲线划分油水界面，区分油水层。

6.识别流体类型：一般而言，在射开层段的边缘上，压差密度计读数的变化表明可能有流体进入井筒内；如果有明显数量的自由气进入油、水液柱中，测值会变低；如果有水进人油或气相中，测值会变高。但要特别注意将流体进入与井筒内流体界面处发生的密度变化区分开。