脈沖中子全譜測井技術及其在冀東油田的應用

呂俊濤

(大慶油田有限責任公司測試技術服務分公司　黑龍江　大慶　163453)

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脈沖中子全譜測井技術及其在冀東油田的應用

呂俊濤

(大慶油田有限責任公司測試技術服務分公司黑龍江大慶163453)

摘要：介紹了脈沖中子全譜測井儀(PNST)的結構、特點、測量原理及技術指標。脈沖中子全譜測井能同時完成雙源距碳氧比、中子壽命、脈沖中子-中子和能譜水流測井功能。其測井資料不但能準確評價地層剩余油氣飽和度、判斷出水層位，還能識別低電阻率油層、氣層及評價壓裂效果等。該儀器在冀東油田已應用27井次，依據PNST測井資料增油降水措施有效率達95%以上。冀東油田現場應用的統計分析表明，該儀器具有測量剩余油飽和度精確性高，應用范圍廣等特點，能為高含水后期油藏監測，為堵水、補孔、壓裂等方案的制訂提供有效的資料。

關鍵詞：脈沖中子全譜測井儀；剩余油飽和度；壓裂評價；氣層識別 ；動態監測

0引言

冀東油田進入高含水開發后期，綜合含水在90 %以上，測準地層的剩余油情況至關重要，影響到二次開發的成敗。目前,研究剩余油主要是通過完井的水淹層測井解釋資料及生產井的各種動態監測資料來進行綜合分析,但由于水淹層測井解釋資料只能反映完井時的水淹狀況,而動態監測資料雖能反映目前油層的動用狀況,但大部分資料都是合層測試,并不能完全反映單個油層的動用狀況,而且并不是所有的井或層都具有這種資料。因此,只憑這些資料很難弄清每個小層剩余油分布狀況,從而給高含水后期剩余油潛力分析帶來了難點。而地層參數測井的首要任務是判斷油層水淹狀況、高含水層、在老井中尋找潛力油層，確保了油田的穩產和提高油田的開發效益。目前國內地層參數測井主要是過套管電阻率、PNN、C/O等，這些技術都有測量參數單一、測量精度不高和使用范圍窄等問題，并且解釋符合率不是很高。

脈沖中子全譜測井儀(PNST)通過合理的傳感器結構設計和電路設計，優化綜合時序發生器、自動穩譜等技術，一次下井能同時完成雙源距碳氧比、中子壽命、脈沖中子-中子、能譜水流等4項測井功能。并且，測井資料能提供巖性、泥質含量、孔隙度、飽和度、層位產水、產氣、水淹等級等解釋信息，指導油田堵水、補孔、壓裂、調剖、新井射孔等，為進一步認識油藏、改造油藏、利用油藏提供了可靠的依據。

1儀器的組成結構

脈沖中子全譜測井儀(PNST)攜帶一個14 MeV脈沖中子發生器、兩個BGO閃爍晶體伽馬射線探測器和一個3He熱中子探測器。儀器的總體結構如圖1所示[1]。主要包括三個部分：1)BGO數控采集、控制、傳輸電路；2)探測器系統(BGO探測器+3He探測器+中子發生器)； 3)3He信號采集及中子發生器參數采集系統。

PNST適用于套管外徑為140～244 mm的套管井，外徑89 mm，長4.5 m，質量90 kg，耐溫150℃，耐壓80 MPa，測速70～120 m/ h，孔隙度10%以上，飽和度精度誤差7%。在井內清水、140 mm外徑套管、30 mm厚水泥環、200 mm直徑鉆孔、35%孔隙度石英砂巖地層條件下，PNST全譜儀長源距、短源距碳氧比曲線的縱向分辨率分別為0.5 m與0.8 m，地層探測深度分別為0.17 m與0.28 m[2]。

圖1　脈沖中子全譜測井儀結構示意圖

2測量原理及測井模式

2.1測量原理

PNST的脈沖中子發生器每隔一定時間發射一定寬度的高能中子脈沖來照射地層，通過研究中子與地層的相互作用來確定地層參數。高能中子脈沖發射后，首先與井眼和地層物質發生非彈散射反應，這時主要產生非彈散射伽馬射線；經過約510-6s后，中子被慢化，并不斷被井眼和地層俘獲，產生俘獲伽馬射線；10-3s后記錄的伽馬射線則主要由活化反應產生。伽馬射線能譜與時間譜是伽馬射線計數按能量與時間分布的譜圖，熱中子時間譜是熱中子計數隨時間變化的譜圖[3，4]。

PNST同時記錄非彈、俘獲、活化三種伽馬射線能譜實現了雙源距碳氧比、中子壽命、能譜，水流測井功能，以及熱中子時間譜實現脈沖中子-中子(PNN)測井功能。PNST使用了中子產額全自動控制與穩定技術，提高了測井質量。PNST所測曲線豐富，包括碳氧比、地層俘獲截面、近遠計數比、氧活化指數等曲線。主要用于剩余油評價，在缺少裸眼井測井資料時也能獨立地套后評價地層參數，能提供儲層巖性、滲透性、泥質含量、孔隙度、飽和度等解釋信息，能識別氣層，能指示測井時正在產水的層[5，6]。脈沖電子全譜測井儀功能框圖如圖2所示。

圖2　脈沖中子全譜測井儀功能框圖

PNST有多種測井模式，針對每種測井模式對應著特有的中子爆發時序及能譜與時間譜采集方案[7]。

2.2碳氧比模式測井

常用的碳氧比測井模式下發射10 kHz中子脈沖，每50 ms內分別用45 ms、2 ms和3 ms的時間(占測井時間的90%、4%和6%)來執行雙源距碳氧比測井，同時兼顧中子壽命和能譜水流測井任務。分別累積非彈與俘獲能譜、俘獲時間譜、活化能譜等相關測井數據，從非彈凈譜中提取O、C、Ca、Si等元素的產額(該元素對能譜貢獻的權重)并計算C/O與Ca/Si比值，從俘獲能譜中提取H、Si、Cl、Ca、Fe等一系列元素的產額，并計算出指示砂泥巖剖面巖性的Si/(Si+Ca)、指示孔隙度的H/(Si+Ca)、指示地層水礦化度的Cl/H等曲線，成為碳氧比測井資料解釋的基礎。剩余油飽和度解釋在赫佐格公式的基礎上，綜合考慮套管外徑、套管壁厚、水泥環厚度、井眼持油率、孔隙度和含油飽和度等因素，根據蒙特卡羅數值模擬結果，建立了新的碳氧比解釋模型，提高了解釋精度。

2.3中子壽命測井

中子壽命測井測定脈沖中子源造成的熱中子分布隨時間的變化，算出地層熱中子宏觀俘獲截面。PNST采用兩種方法測量宏觀俘獲截面：一種是脈沖中子俘獲方式(PNC)，采用BGO探測器，通過測量熱中子被俘獲后釋放的伽馬射線的記數求得宏觀俘獲截面。一種是脈沖中子-中子方式(PNN)，采用3He探測器，通過測量地層中沒有被俘獲的熱中子數來求得宏觀俘獲截面。

中子壽命測井模式發射1 kHz中子脈沖，分別用94%和6%的時間執行中子壽命測井，同時兼顧能譜水流測井任務。從遠、近兩個伽馬時間譜處理出F和N，經過熱中子擴散校正，獲得地層熱中子宏觀俘獲截面FM數據，這是中子壽命測井；熱中子探測器測量時間譜(覆蓋0～1 000s，100道)，從中子時間譜處理出地層熱中子宏觀俘獲截面PNN數據，這是脈沖中子-中子(PNN)測井。同時測量FM與PNN的原因是，在較低和較高伽馬本底地層，PNN的測量誤差比較小，其它條件下FM的測量誤差比較小。

在高礦化度地層水地區可利用中子壽命和PNN測井信息解釋套管井剩余油氣飽和度，中子壽命剩余油氣飽和度解釋采用常規的體積模型。另外，雙伽馬探頭的計數率計算出近/遠非彈比值RIN與近/遠俘獲比值(在碳氧比和中子壽命測井模式下該比值分別稱為RCAP和RTMD，二者等價)，以及遠伽馬探頭非彈/俘獲比值RIC，它們都是孔隙度指示曲線。RIN與地層密度大致呈反比關系，可計算類似密度孔隙度。RCAP與地層含氫指數成正比，可計算類似中子孔隙度。反向覆蓋的這兩條曲線在氣層處有明顯分離，可指示氣層。

2.4能譜水流測井

PNST測井儀在10 kHz與1 kHz中子脈沖過后，在3 ms的中子脈沖停歇期間，井眼和地層中的Si、Al、Fe、O等多種元素能被高能中子活化，釋放出活化伽馬射線。測量活化能譜(也稱本底能譜，覆蓋0～8.9 MeV能量范圍，分256道)，這樣記錄到的活化伽馬射線主要來自Si、O元素。氧活化伽馬射線中有能量較高(6.12 MeV、7.13 MeV)的特征射線，容易從能譜中提取出來，O能窗計數率稱為氧活化指數OAI。

測井時PNST伽馬探測器位于中子發生器上方，近、遠氧活化指數NOAI曲線、FOAI曲線能指示測井儀附近向上的水流。在低水流速度(<5 mm/s)區，氧活化指數隨水流速度增大變化不明顯，接近0；隨著水流速度繼續增大，氧活化指數開始明顯增大。氧活化指數常用于證實套管內、外存在水流，觀測油井進水口，指示測井時出水層位，綜合其他解釋結果指導封堵措施。

3應用實例

目前,在冀東油田完成了27 口PNST測井，取得了較好的應用效果，其中26口井已經見效，1口井正在實施作業措施。

3.1低電阻率油層識別

冀東油田高尚堡油田高淺南區是復雜斷塊區低電阻率油藏、高電阻率水層并存，單井縱向電性差別大，油層識別難度大。泥質砂巖儲層中低阻油氣層非常發育，初期開發時由于認識上的局限，完井時很多油層測井解釋為水層，而且經過長時間的開發后，很多油層已經水淹，鉆井時裸眼井測井曲線已經不能準確反映地層目前的流體狀況，因此老井進行挖潛上產難度很大。為了提高產量，需要對老井目前的水淹情況進行重新認識，而PNST是一種套管井含油飽和度監測的有效手段，并且PNST測井不受地層水礦化度的影響。

高XX-X5井測井前日產液120.9 t、日產油0.12 t，含水已達99.9%。實施PNST測井，資料如圖3所示。解釋結果顯示18號生產層遠探測器碳氧比值(FCOR)較低，含油飽和度在30%左右，表明該層水淹嚴重，解釋為高水淹層；19號層(1 925.0～1 942.0 m)碳氧比值較高，解釋含油飽和度最大為56%，剩余油較多，解釋為中水淹層。對該井封堵18號層，射開19號潛力層上部(1 925～1 928 m)。措施后日產量10.2 t，含水1.1%。

3.2中深層井測井

傳統碳氧比測井技術對中深層低孔隙度層飽和度因其孔隙度低，評價精度較低，儀器耐溫耐壓指標低，而全譜測井儀150℃的耐溫、80 MPa的耐壓，孔隙度測試精度誤差可控制到1.5%，飽和度測試精度誤差控制到7%，能夠滿足中深、深層油藏的飽和度監測需求。

PNST技術應用于高5-XX，高5-XX井59b號層上部(3 358.4～3 360.5 m)、62a號層上部(3 376.8～3 379.0 m)剩余油飽和度較高，評價為本井較好的挖潛層。該井根據監測結果實施補孔措施作業顯著效果，日增油4 t。這是冀東陸上油田首次應用PNST技術在中深層油藏取得的成功，為下步挖潛陸上油田中深、深層油藏提供了技術支持。

3.3壓裂評價

示蹤陶粒砂是一種陶粒支撐劑，生產該種支撐劑顆粒時在其中注入各種稀土金屬材料。該示蹤陶粒砂具有高中子俘獲截面和中子伽馬反應截面。示蹤陶粒砂本身不含放射性材料，并且不存在殘留污染，對作業管柱不污染，不存在放射性返排液，示蹤陶粒砂的比重和顆粒度能夠與所跟蹤的介質的比重和顆粒度相匹配，因此可以對完井作業進行更精確的測試分析。

PNST使用兩個BGO(鍺酸鉍)晶體探測器記錄俘獲伽馬計數隨時間衰減情況，提取俘獲伽馬計數率和地層熱中子俘獲截面曲線。由于壓裂支撐劑中含有可探測物質，壓裂后支撐劑所處位置的俘獲伽馬計數率降低，俘獲截面略有增加。將壓裂前的測井曲線作為基線，壓裂后測井曲線與之對比，能辨認示蹤陶粒支撐劑的存在，解釋裂縫的最小縫高。

圖3　高XX-X5井PNST測井解釋成果圖

3He探測器記錄熱中子隨時間變化的時間譜，提取熱中子計數率和熱中子俘獲截面曲線。示蹤陶粒砂中含有高熱中子俘獲截面物質，能夠明顯增大地層的熱中子俘獲截面，且降低熱中子計數率。對比壓裂前后測井曲線，也能辨認示蹤陶粒支撐劑的存在。

南堡X-斜X井脈沖中子全譜測井資料如圖4所示，對比壓裂前、后的示蹤陶粒砂檢測曲線差異，53號層砂巖厚度12 m，油層厚9.8 m。壓裂時采用示蹤陶粒，PNST測井資料顯示：壓后歸一化近遠探測器伽馬計數率均有所增加，近探測器增加明顯，能指示含示蹤陶粒砂壓裂地層。圖4表明示蹤陶粒進入地層，壓裂最小縫高為9 m，與設計相符。該井壓裂前日產液8 t，日產油6.74 t，日產氣1 500 m3,含水15.8%；壓裂后，該井日產液17.1 t，日產油16.57 t，日產氣3 805 m3,含水3.1%，表明壓裂成功。

3.4氣層識別

當地層中含氣時，由于天然氣中碳元素相對較少，PNST測井獲得的碳氧比值較低，與水層相近，因此僅依靠碳氧比值的信息易錯解釋為水層。但是地層中天然氣的含氫指數比較低、俘獲截面較小，因此氣層的中子減速能力也低，氣層處近、遠俘獲伽馬的計數率增大，且遠俘獲伽馬計數增大更多。由于計數率數值變化較大，在曲線疊合處理時誤差較大，通常采用計數率比值來識別氣層。PNST測井獲得的曲線在氣層處的主要特征如下：近遠探測器非彈計數率比值RIN與近遠俘獲伽馬計數率RCAP明顯降低，近俘獲非彈伽馬計數率比值NCI與遠俘獲非彈伽馬計數率比值均升高，且FCI升高更明顯。

柳XX-XX井解釋結果圖如圖5所示，結果顯示，綜合考慮非彈、俘獲信息，11號層上部FCI和NCI明顯增大，且FCI增大更多，RIN和RCAP都明顯降低，符合氣層特征，因此11號層應為油氣同層。對該井已射開的生產層位進行了封堵，對潛力層11號層進行了補孔作業，該井日產液11.5 t，日產油5.31 t，日產氣256 m3，含水53.8%。

4結束語

1)脈沖中子全譜測井實現從單一方法到全譜測量，處理過程中以碳氧比曲線為主計算儲層含油飽和度，綜合考慮中子伽馬俘獲截面、中子-中子俘獲截面、氧活化指數等PNST測試輔助曲線，并與實際生產動態相結合，能夠準確判斷儲層水淹情況，為制訂下一步開發方案提供依據。

2)PNST測井適用于評價低阻油藏。低阻油層發育，由于認識上的局限，完井解釋漏失很多油層，PNST測井不受其影響。

3)可通過壓裂前后全譜測井，近遠探測器伽馬計數的變化評價壓裂效果，為地質專家采取下一步措施提供了有力的技術支持。

圖4　南堡X-斜X井PNST測井解釋成果圖

圖5　冀東油田陸上柳XX-XX井PNST測井解釋成果圖

4)在復雜氣層識別方面，綜合考慮全譜測井獲得的非彈、俘獲信息，取得了良好的效果。

參 考 文 獻

[1] 鄭華,董建華,劉憲偉.PNST脈沖中子全譜測井儀[J].測井技術，2011，35(1)：83-88.

[2] 鄭華.PNST脈沖中子全譜測井儀在大慶油田的應用[J].測井技術，2013，37(5)：541-546.

[3] 鄭華.脈沖中子伽馬綜合測井[J].大慶石油地質與開發,2007,26(6):124-130.

[4] 闕源,董建華,劉繼春,等.適用于脈沖中子-中子測井儀的采集電路設計[J].同位素,2008,21(3):135-139.

[5] 韋成海.基于C8051F060的脈沖中子-熱中子采集電路設計[J].同位素,2008,21(3):184-189.

[6] 呂俊濤.脈沖中子發生器高壓控制系統的自動控制設計[J].同位素，2008，21(3)：155-160.

[7] 韓東慶,董建華.脈沖中子綜合時序發生器的設計[J].同位素，2006，19(4)：198-203.

Pulsed Neutron Spectral Logging Technology and Its Application in Jidong Oilfield

LV Juntao

(Logging and Testing Services Company,Daqing Qilfield Co.Ltd.,Daqing,Heilongjiang 163453,China)

Abstract：This paper introduces the pulsed neutron spectral tool’s structure,performance,measuring principe and technical specifications.Pulsed neutron spectral tool (PNST) has the ability to carry out dual-spaced carbon/ oxygen logging,neutron lifetime logging,pulse neutron-neutron logging and spectral water flow logging simultaneously.Its log interpretation can not only accurately assess the remaining oil saturations of formation,judge the water layer,but also recognize low resistivity oil and gas reservoirs,and evaluate fracturing effect.This tool was utilized in 27 wells in Jidong oilfield.With its oil saturation interpretation,95% workover jobs of water shut-off,re-perforation or well stimulation achieved the desired results.The statistical analyses of the application in Jidong oilfield have demonstrated that the tool has the advantage of high accuracy of remaining oil saturations,wide range of application,which helps provide effective means for dynamic monitoring of oilfield development of water plugging,reperforating and fracting in late development stage of oilfield development.Key words：pulsed neutron spectral tool;remaining oil saturation;fracturing evaluation;gas reservoir identification;dynamic monitoring.

第一作者簡介：呂俊濤，男，1972年生，高級工程師，1995年畢業于大慶石油學院礦場地球物理專業，現在大慶油田有限責任公司測試技術服務分公司從事核測井儀器研發工作。E-mail：1538399878@qq.com

中圖法分類號：P631.8+17

文獻標識碼：A

文章編號：2096-0077(2016)03-0053-05

(收稿日期：2015-12-06編輯：高紅霞)

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