脉冲中子全谱测井技术及其在冀东油田的应用

吕俊涛

(大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司　黑龙江　大庆　163453)



脉冲中子全谱测井技术及其在冀东油田的应用

吕俊涛

(大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司黑龙江大庆163453)

摘要：介绍了脉冲中子全谱测井仪(PNST)的结构、特点、测量原理及技术指标。脉冲中子全谱测井能同时完成双源距碳氧比、中子寿命、脉冲中子-中子和能谱水流测井功能。其测井资料不但能准确评价地层剩余油气饱和度、判断出水层位，还能识别低电阻率油层、气层及评价压裂效果等。该仪器在冀东油田已应用27井次，依据PNST测井资料增油降水措施有效率达95%以上。冀东油田现场应用的统计分析表明，该仪器具有测量剩余油饱和度精确性高，应用范围广等特点，能为高含水后期油藏监测，为堵水、补孔、压裂等方案的制订提供有效的资料。

关键词：脉冲中子全谱测井仪；剩余油饱和度；压裂评价；气层识别 ；动态监测

0引言

冀东油田进入高含水开发后期，综合含水在90 %以上，测准地层的剩余油情况至关重要，影响到二次开发的成败。目前,研究剩余油主要是通过完井的水淹层测井解释资料及生产井的各种动态监测资料来进行综合分析,但由于水淹层测井解释资料只能反映完井时的水淹状况,而动态监测资料虽能反映目前油层的动用状况,但大部分资料都是合层测试,并不能完全反映单个油层的动用状况,而且并不是所有的井或层都具有这种资料。因此,只凭这些资料很难弄清每个小层剩余油分布状况,从而给高含水后期剩余油潜力分析带来了难点。而地层参数测井的首要任务是判断油层水淹状况、高含水层、在老井中寻找潜力油层，确保了油田的稳产和提高油田的开发效益。目前国内地层参数测井主要是过套管电阻率、PNN、C/O等，这些技术都有测量参数单一、测量精度不高和使用范围窄等问题，并且解释符合率不是很高。

脉冲中子全谱测井仪(PNST)通过合理的传感器结构设计和电路设计，优化综合时序发生器、自动稳谱等技术，一次下井能同时完成双源距碳氧比、中子寿命、脉冲中子-中子、能谱水流等4项测井功能。并且，测井资料能提供岩性、泥质含量、孔隙度、饱和度、层位产水、产气、水淹等级等解释信息，指导油田堵水、补孔、压裂、调剖、新井射孔等，为进一步认识油藏、改造油藏、利用油藏提供了可靠的依据。

1仪器的组成结构

脉冲中子全谱测井仪(PNST)携带一个14 MeV脉冲中子发生器、两个BGO闪烁晶体伽马射线探测器和一个3He热中子探测器。仪器的总体结构如图1所示[1]。主要包括三个部分：1)BGO数控采集、控制、传输电路；2)探测器系统(BGO探测器+3He探测器+中子发生器)； 3)3He信号采集及中子发生器参数采集系统。

PNST适用于套管外径为140～244 mm的套管井，外径89 mm，长4.5 m，质量90 kg，耐温150℃，耐压80 MPa，测速70～120 m/ h，孔隙度10%以上，饱和度精度误差7%。在井内清水、140 mm外径套管、30 mm厚水泥环、200 mm直径钻孔、35%孔隙度石英砂岩地层条件下，PNST全谱仪长源距、短源距碳氧比曲线的纵向分辨率分别为0.5 m与0.8 m，地层探测深度分别为0.17 m与0.28 m[2]。

图1　脉冲中子全谱测井仪结构示意图

2测量原理及测井模式

2.1测量原理

PNST的脉冲中子发生器每隔一定时间发射一定宽度的高能中子脉冲来照射地层，通过研究中子与地层的相互作用来确定地层参数。高能中子脉冲发射后，首先与井眼和地层物质发生非弹散射反应，这时主要产生非弹散射伽马射线；经过约510-6s后，中子被慢化，并不断被井眼和地层俘获，产生俘获伽马射线；10-3s后记录的伽马射线则主要由活化反应产生。伽马射线能谱与时间谱是伽马射线计数按能量与时间分布的谱图，热中子时间谱是热中子计数随时间变化的谱图[3，4]。

PNST同时记录非弹、俘获、活化三种伽马射线能谱实现了双源距碳氧比、中子寿命、能谱，水流测井功能，以及热中子时间谱实现脉冲中子-中子(PNN)测井功能。PNST使用了中子产额全自动控制与稳定技术，提高了测井质量。PNST所测曲线丰富，包括碳氧比、地层俘获截面、近远计数比、氧活化指数等曲线。主要用于剩余油评价，在缺少裸眼井测井资料时也能独立地套后评价地层参数，能提供储层岩性、渗透性、泥质含量、孔隙度、饱和度等解释信息，能识别气层，能指示测井时正在产水的层[5，6]。脉冲电子全谱测井仪功能框图如图2所示。

图2　脉冲中子全谱测井仪功能框图

PNST有多种测井模式，针对每种测井模式对应着特有的中子爆发时序及能谱与时间谱采集方案[7]。

2.2碳氧比模式测井

常用的碳氧比测井模式下发射10 kHz中子脉冲，每50 ms内分别用45 ms、2 ms和3 ms的时间(占测井时间的90%、4%和6%)来执行双源距碳氧比测井，同时兼顾中子寿命和能谱水流测井任务。分别累积非弹与俘获能谱、俘获时间谱、活化能谱等相关测井数据，从非弹净谱中提取O、C、Ca、Si等元素的产额(该元素对能谱贡献的权重)并计算C/O与Ca/Si比值，从俘获能谱中提取H、Si、Cl、Ca、Fe等一系列元素的产额，并计算出指示砂泥岩剖面岩性的Si/(Si+Ca)、指示孔隙度的H/(Si+Ca)、指示地层水矿化度的Cl/H等曲线，成为碳氧比测井资料解释的基础。剩余油饱和度解释在赫佐格公式的基础上，综合考虑套管外径、套管壁厚、水泥环厚度、井眼持油率、孔隙度和含油饱和度等因素，根据蒙特卡罗数值模拟结果，建立了新的碳氧比解释模型，提高了解释精度。

2.3中子寿命测井

中子寿命测井测定脉冲中子源造成的热中子分布随时间的变化，算出地层热中子宏观俘获截面。PNST采用两种方法测量宏观俘获截面：一种是脉冲中子俘获方式(PNC)，采用BGO探测器，通过测量热中子被俘获后释放的伽马射线的记数求得宏观俘获截面。一种是脉冲中子-中子方式(PNN)，采用3He探测器，通过测量地层中没有被俘获的热中子数来求得宏观俘获截面。

中子寿命测井模式发射1 kHz中子脉冲，分别用94%和6%的时间执行中子寿命测井，同时兼顾能谱水流测井任务。从远、近两个伽马时间谱处理出F和N，经过热中子扩散校正，获得地层热中子宏观俘获截面FM数据，这是中子寿命测井；热中子探测器测量时间谱(覆盖0～1 000s，100道)，从中子时间谱处理出地层热中子宏观俘获截面PNN数据，这是脉冲中子-中子(PNN)测井。同时测量FM与PNN的原因是，在较低和较高伽马本底地层，PNN的测量误差比较小，其它条件下FM的测量误差比较小。

在高矿化度地层水地区可利用中子寿命和PNN测井信息解释套管井剩余油气饱和度，中子寿命剩余油气饱和度解释采用常规的体积模型。另外，双伽马探头的计数率计算出近/远非弹比值RIN与近/远俘获比值(在碳氧比和中子寿命测井模式下该比值分别称为RCAP和RTMD，二者等价)，以及远伽马探头非弹/俘获比值RIC，它们都是孔隙度指示曲线。RIN与地层密度大致呈反比关系，可计算类似密度孔隙度。RCAP与地层含氢指数成正比，可计算类似中子孔隙度。反向覆盖的这两条曲线在气层处有明显分离，可指示气层。

2.4能谱水流测井

PNST测井仪在10 kHz与1 kHz中子脉冲过后，在3 ms的中子脉冲停歇期间，井眼和地层中的Si、Al、Fe、O等多种元素能被高能中子活化，释放出活化伽马射线。测量活化能谱(也称本底能谱，覆盖0～8.9 MeV能量范围，分256道)，这样记录到的活化伽马射线主要来自Si、O元素。氧活化伽马射线中有能量较高(6.12 MeV、7.13 MeV)的特征射线，容易从能谱中提取出来，O能窗计数率称为氧活化指数OAI。

测井时PNST伽马探测器位于中子发生器上方，近、远氧活化指数NOAI曲线、FOAI曲线能指示测井仪附近向上的水流。在低水流速度(<5 mm/s)区，氧活化指数随水流速度增大变化不明显，接近0；随着水流速度继续增大，氧活化指数开始明显增大。氧活化指数常用于证实套管内、外存在水流，观测油井进水口，指示测井时出水层位，综合其他解释结果指导封堵措施。

3应用实例

目前,在冀东油田完成了27 口PNST测井，取得了较好的应用效果，其中26口井已经见效，1口井正在实施作业措施。

3.1低电阻率油层识别

冀东油田高尚堡油田高浅南区是复杂断块区低电阻率油藏、高电阻率水层并存，单井纵向电性差别大，油层识别难度大。泥质砂岩储层中低阻油气层非常发育，初期开发时由于认识上的局限，完井时很多油层测井解释为水层，而且经过长时间的开发后，很多油层已经水淹，钻井时裸眼井测井曲线已经不能准确反映地层目前的流体状况，因此老井进行挖潜上产难度很大。为了提高产量，需要对老井目前的水淹情况进行重新认识，而PNST是一种套管井含油饱和度监测的有效手段，并且PNST测井不受地层水矿化度的影响。

高XX-X5井测井前日产液120.9 t、日产油0.12 t，含水已达99.9%。实施PNST测井，资料如图3所示。解释结果显示18号生产层远探测器碳氧比值(FCOR)较低，含油饱和度在30%左右，表明该层水淹严重，解释为高水淹层；19号层(1 925.0～1 942.0 m)碳氧比值较高，解释含油饱和度最大为56%，剩余油较多，解释为中水淹层。对该井封堵18号层，射开19号潜力层上部(1 925～1 928 m)。措施后日产量10.2 t，含水1.1%。

3.2中深层井测井

传统碳氧比测井技术对中深层低孔隙度层饱和度因其孔隙度低，评价精度较低，仪器耐温耐压指标低，而全谱测井仪150℃的耐温、80 MPa的耐压，孔隙度测试精度误差可控制到1.5%，饱和度测试精度误差控制到7%，能够满足中深、深层油藏的饱和度监测需求。

PNST技术应用于高5-XX，高5-XX井59b号层上部(3 358.4～3 360.5 m)、62a号层上部(3 376.8～3 379.0 m)剩余油饱和度较高，评价为本井较好的挖潜层。该井根据监测结果实施补孔措施作业显著效果，日增油4 t。这是冀东陆上油田首次应用PNST技术在中深层油藏取得的成功，为下步挖潜陆上油田中深、深层油藏提供了技术支持。

3.3压裂评价

示踪陶粒砂是一种陶粒支撑剂，生产该种支撑剂颗粒时在其中注入各种稀土金属材料。该示踪陶粒砂具有高中子俘获截面和中子伽马反应截面。示踪陶粒砂本身不含放射性材料，并且不存在残留污染，对作业管柱不污染，不存在放射性返排液，示踪陶粒砂的比重和颗粒度能够与所跟踪的介质的比重和颗粒度相匹配，因此可以对完井作业进行更精确的测试分析。

PNST使用两个BGO(锗酸铋)晶体探测器记录俘获伽马计数随时间衰减情况，提取俘获伽马计数率和地层热中子俘获截面曲线。由于压裂支撑剂中含有可探测物质，压裂后支撑剂所处位置的俘获伽马计数率降低，俘获截面略有增加。将压裂前的测井曲线作为基线，压裂后测井曲线与之对比，能辨认示踪陶粒支撑剂的存在，解释裂缝的最小缝高。

图3　高XX-X5井PNST测井解释成果图

3He探测器记录热中子随时间变化的时间谱，提取热中子计数率和热中子俘获截面曲线。示踪陶粒砂中含有高热中子俘获截面物质，能够明显增大地层的热中子俘获截面，且降低热中子计数率。对比压裂前后测井曲线，也能辨认示踪陶粒支撑剂的存在。

南堡X-斜X井脉冲中子全谱测井资料如图4所示，对比压裂前、后的示踪陶粒砂检测曲线差异，53号层砂岩厚度12 m，油层厚9.8 m。压裂时采用示踪陶粒，PNST测井资料显示：压后归一化近远探测器伽马计数率均有所增加，近探测器增加明显，能指示含示踪陶粒砂压裂地层。图4表明示踪陶粒进入地层，压裂最小缝高为9 m，与设计相符。该井压裂前日产液8 t，日产油6.74 t，日产气1 500 m3,含水15.8%；压裂后，该井日产液17.1 t，日产油16.57 t，日产气3 805 m3,含水3.1%，表明压裂成功。

3.4气层识别

当地层中含气时，由于天然气中碳元素相对较少，PNST测井获得的碳氧比值较低，与水层相近，因此仅依靠碳氧比值的信息易错解释为水层。但是地层中天然气的含氢指数比较低、俘获截面较小，因此气层的中子减速能力也低，气层处近、远俘获伽马的计数率增大，且远俘获伽马计数增大更多。由于计数率数值变化较大，在曲线叠合处理时误差较大，通常采用计数率比值来识别气层。PNST测井获得的曲线在气层处的主要特征如下：近远探测器非弹计数率比值RIN与近远俘获伽马计数率RCAP明显降低，近俘获非弹伽马计数率比值NCI与远俘获非弹伽马计数率比值均升高，且FCI升高更明显。

柳XX-XX井解释结果图如图5所示，结果显示，综合考虑非弹、俘获信息，11号层上部FCI和NCI明显增大，且FCI增大更多，RIN和RCAP都明显降低，符合气层特征，因此11号层应为油气同层。对该井已射开的生产层位进行了封堵，对潜力层11号层进行了补孔作业，该井日产液11.5 t，日产油5.31 t，日产气256 m3，含水53.8%。

4结束语

1)脉冲中子全谱测井实现从单一方法到全谱测量，处理过程中以碳氧比曲线为主计算储层含油饱和度，综合考虑中子伽马俘获截面、中子-中子俘获截面、氧活化指数等PNST测试辅助曲线，并与实际生产动态相结合，能够准确判断储层水淹情况，为制订下一步开发方案提供依据。

2)PNST测井适用于评价低阻油藏。低阻油层发育，由于认识上的局限，完井解释漏失很多油层，PNST测井不受其影响。

3)可通过压裂前后全谱测井，近远探测器伽马计数的变化评价压裂效果，为地质专家采取下一步措施提供了有力的技术支持。

图4　南堡X-斜X井PNST测井解释成果图

图5　冀东油田陆上柳XX-XX井PNST测井解释成果图

4)在复杂气层识别方面，综合考虑全谱测井获得的非弹、俘获信息，取得了良好的效果。

参 考 文 献

[1] 郑华,董建华,刘宪伟.PNST脉冲中子全谱测井仪[J].测井技术，2011，35(1)：83-88.

[2] 郑华.PNST脉冲中子全谱测井仪在大庆油田的应用[J].测井技术，2013，37(5)：541-546.

[3] 郑华.脉冲中子伽马综合测井[J].大庆石油地质与开发,2007,26(6):124-130.

[4] 阙源,董建华,刘继春,等.适用于脉冲中子-中子测井仪的采集电路设计[J].同位素,2008,21(3):135-139.

[5] 韦成海.基于C8051F060的脉冲中子-热中子采集电路设计[J].同位素,2008,21(3):184-189.

[6] 吕俊涛.脉冲中子发生器高压控制系统的自动控制设计[J].同位素，2008，21(3)：155-160.

[7] 韩东庆,董建华.脉冲中子综合时序发生器的设计[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.

第一作者简介：吕俊涛，男，1972年生，高级工程师，1995年毕业于大庆石油学院矿场地球物理专业，现在大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司从事核测井仪器研发工作。E-mail：1538399878@qq.com

中图法分类号：P631.8+17

文献标识码：A

文章编号：2096-0077(2016)03-0053-05

(收稿日期：2015-12-06编辑：高红霞)

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