PNST-3D剩余油饱和度测井仪的设计

吕俊涛，董建华，欧昊达，梁庆宝，韦成海

(1.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；2.东北石油大学石油工程学院 黑龙江 大庆 163318)

0 引 言

随着油田进入开发中后期含水率的不断提高，如何有效监测地层剩余油饱和度变化及动态评价地层水淹情况，是油井动态评价的主要任务。油田开发技术不断进步,水平井开采技术日臻完善,在生产中获得了明显的经济效益。所以，对于了解水平井及大斜度井的井下储层情况和剩余油分布等非常重要。

剩余油饱和度测井方法目前主要有过套管电阻率测井、碳氧比测井、中子寿命测井、中子伽马注钆测-注-测测井、脉冲中子-中子测井等。国外各大测井公司的脉冲中子综合测井仪主要有斯伦贝谢RST、哈里伯顿RMT、贝克休斯RPM等。如表1所示，这些仪器均集成了多种脉冲中子测井功能并且直径小。但由于引进的RMT等仪器中子管的限制及仪器的老化已陆续停用。大庆油田的脉冲中子全谱测井仪PNST其90 mm的外径不能适应水平井、大斜度井套后剩余油监测需求，且国内尚无可用技术，因此研制了PNST-3D测井仪。在现有PNST基础上，将仪器外径缩小至54 mm，同时保证现有技术的耐温耐压、测井速度、测井功能、测量精度等性能指标能满足实际生产需要。

1 PNST-3D测井原理及设计

1.1 测井原理

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，中子与地层中的碳、氧、硅、钙等元素发生非弹性散射，并不断被井眼和地层俘获，产生特征伽马射线[1]。通过记录这些伽马射线的能谱和时间谱来计算地层含油饱和度，评价油层水淹状况及进行剩余油评价。

1.2 传感器结构设计

探测器系统主要由采集电路及BGO伽马射线探测器构成，数据采集电路部分主要功能是对伽马射线能谱、时间谱及中子脉冲幅度谱、时间谱的采集，同时实现不同的中子爆发、采集时序，完成长、短源距光电倍增管自动稳谱高压的控制，完成井下仪器和地面采集板之间的通讯和传输等功能。

表1 各大公司脉冲中子测井仪功能对比

水平井井眼周围环境复杂，管柱、滞油、油层等均会对测井响应造成影响，采用三探头的BGO探测器结构，通过不同源距的测井信息综合分析，能消除井眼影响，提高较远处地层的测井响应。通过蒙特卡罗数值模拟确定探测器的源距分别为30、50、70 cm，近探测器主要响应井眼，中、远探测器响应地层信息。水平井套后剩余油测井仪结构如图1所示。理论研究表明，源距越大，探测深度越深，此外超远探测器在低孔隙度条件下对含气饱和度变化更灵敏。因此，对双源距有效信息匹配方法进行拓展，应用于三探测器系统，便可以有效获取来自水平井周围地层的相关信息，提高低孔隙度时气水层判别能力，实现脉冲中子-密度-孔隙度测井功能，能在深层气、页岩气测井中识别和评价气层。

图1 水平井套后剩余油测井仪结构图

1.3 屏蔽体结构设计

中子发生器发射的快中子向四周发射，中子源和探测器之间的屏蔽体阻隔中子，使更多的快中子以垂直地层的角度进入地层。通过屏蔽结构优化设计，降低了井眼效应，增大了仪器探测深度。根据试验数据及蒙特卡罗数值模拟结果进行综合分析,通过数值模拟优化设计了屏蔽体厚度，如图2所示。

图2 MCNP屏蔽率模拟结果

1.4 中子发生器设计

中子发生器部分主要由小直径高压倍加器、小直径变压器和小直径靶压变换器和中子管组成，采用27 mm的小直径自成靶中子管，产额可达到2×108个/s。变压器的磁芯选取非晶态合金材料以提高综合性能。通过自动控制及采集电路实现对中子管参数的采集以及对中子发生器的自动控制。

1.5 PNST-3D测井仪性能指标

2 试验刻度

PNST-3D仪器在大庆油田检测中心地层参数试验室分别进行了油砂、水砂试验标定。试验模型水砂井单体井筒直径1.8 m，筒高1.6 m，套管材质为铁，外径140.2 mm，壁厚6.4 mm，水砂井中井筒内地层骨架是石英砂，孔隙流体是清水，孔隙度从下往上逐渐增加。油砂井结构与水砂井结构完全一致。井筒内地层骨架是石英砂，孔隙流体是0号柴油。

利用实际测井仪在模拟井的测井数据，建立了蒙特卡罗模拟模型，对测井响应进行了模拟并通过现场实测获得了实用的井内滞油校正图版，如图3所示；标准谱如图4所示；探测器C/O随地层孔隙度、含油饱和度变化的理论规律，如图5所示。

3 测井模式及应用范围

水平井剩余油测井仪有多种测井模式，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[2]。碳氧比模式下，每50 ms内分别用45 ms、2 ms和3 ms的时间执行碳氧比、中子寿命、活化能谱等。中子寿命模式下分别用94%和6%的时间执行中子寿命、能谱水流测井任务。

图3 水平井条件下井内滞油校正图板

3.1 C/O测井模式

C/O测井的理论基础是快中子非弹性散射理论，通过测量中子在地层中诱发的非弹性散射伽马射线及俘获伽马射线的能谱来分析并确定地层岩性和含油饱和度等参数。

1)测井资料用于确定油水界面、划水淹层、计算剩余油饱和度，可为油层产能接替、水淹状况评价及剩余油分布规律研究提供技术手段，为区域开发方案调整提供理论依据。

2)寻找和评价漏失油气层。对于技术发展水平落后或疏忽、漏判导致遗失的油气层和多年开采后重新饱和的油气层。

3.2 中子寿命测井模式

中子寿命测井也叫热中子衰减时间测井，是高矿化度地区最常用的脉冲中子测井方法。在高矿化度地层水地区Cl离子的吸收截面大，可利用中子寿命信息解释套管井剩余油气饱和度。

图4 实测和模拟不同孔隙度油砂岩远探头非弹能谱

图5 实测和模拟远探头C/O值与孔隙度、含油饱和度扇形图

对淡水油田，油和水的俘获截面相近，无法用其判断油水层。采用注钆测-注-测方法，产油层被水淹或存在水淹部位，在测完基线之后注入钆/硼水溶液，使油层的水淹部位注入钆/硼离子，再测曲线。根据2次测井资料计算出剩余油饱和度[3]。

1)划分油水层及油水或气水界面动态监测，矿化度较高的水层有比油层大的俘获截面。

2)分析油藏的水淹规律，准确划分水淹级别，寻找潜力层。

3.3 OAI测井模式

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。在10 kHz与1 kHz中子脉冲过后，在3 ms的中子脉冲停歇期间，测量活化能谱，记录到的活化伽马射线主要来自Si、O元素。O能窗计数率称为氧活化指数OAI。

直观准确确定窜槽井段、指示出水层位。

4 现场试验

高107*井为大庆油田采油一厂新加密井，尚未射孔。PNST-3D测井仪与PNST全谱测井仪进行重复性试验及对比试验。图6为仪器在该井中的两次重复性试验，蓝色与棕色分别代表仪器的两次测井曲线。测井资料显示仪器的远近探测器的碳氧比值、硅钙比值重复性良好，误差较小，解释结果完全一致。

图7是高107*井水平井剩余油测井仪PNST-3D与PNST全谱测井仪解释成果对比图，其中蓝色曲线为水平井剩余油测井仪PNST-3D曲线，棕色为PNST测井曲线，从图中可以看出，水平井剩余油测井仪的硅钙比曲线比PNST测井曲线略高，碳氧比值略低，其一致性效果较好。从解释结果上看，两种仪器的解释结果基本一致，能够在特殊条件下替代PNST全谱测井仪。

图6 高107*井PNST-3D仪器重复性对比图

图7 高107*井PNST-3D与PNST测井解释对比图

5 结 论

PNST-3D测井仪在继承PNST脉冲中子全谱测井仪功能的基础上，通过蒙特卡罗数值模拟重新设计了三探头的探测器结构、优化屏蔽体尺寸等并建立了相应的解释图版。适用于在水平井、大斜度井条件下寻找油气层、确定储层含油饱和度、评价水淹等级，为储层剩余油分布提供资料。目前在国内还属于起步阶段，随着研究人员的不断努力，方法的不断完善，实践技术的不断更新，实际应用的不断扩展，该技术也必将不断走向成熟，应用前景十分广阔。

[1] 吕俊涛. 脉冲中子全谱测井技术及其在冀东油田的应用[J].石油管材与仪器,2016,2(9):53-57.

[2] 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.

[3] 张铁轩. 剩余油饱和度的测井评价方法[J].科技导报2010,28(8):104-109.

[4] 宋秋菊,金友春，刘印堂，等．水平井水力输送法找水生产测井技术[J]．测井技术.2009,33(1):72-74.