呂俊濤

(大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司　黑龍江　大慶　163453)

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脈沖中子全譜測(cè)井技術(shù)及其在冀東油田的應(yīng)用

呂俊濤

(大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司黑龍江大慶163453)

摘要：介紹了脈沖中子全譜測(cè)井儀(PNST)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、測(cè)量原理及技術(shù)指標(biāo)。脈沖中子全譜測(cè)井能同時(shí)完成雙源距碳氧比、中子壽命、脈沖中子-中子和能譜水流測(cè)井功能。其測(cè)井資料不但能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)地層剩余油氣飽和度、判斷出水層位，還能識(shí)別低電阻率油層、氣層及評(píng)價(jià)壓裂效果等。該儀器在冀東油田已應(yīng)用27井次，依據(jù)PNST測(cè)井資料增油降水措施有效率達(dá)95%以上。冀東油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的統(tǒng)計(jì)分析表明，該儀器具有測(cè)量剩余油飽和度精確性高，應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)，能為高含水后期油藏監(jiān)測(cè)，為堵水、補(bǔ)孔、壓裂等方案的制訂提供有效的資料。

關(guān)鍵詞：脈沖中子全譜測(cè)井儀；剩余油飽和度；壓裂評(píng)價(jià)；氣層識(shí)別 ；動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

0引言

冀東油田進(jìn)入高含水開發(fā)后期，綜合含水在90 %以上，測(cè)準(zhǔn)地層的剩余油情況至關(guān)重要，影響到二次開發(fā)的成敗。目前,研究剩余油主要是通過完井的水淹層測(cè)井解釋資料及生產(chǎn)井的各種動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)資料來進(jìn)行綜合分析,但由于水淹層測(cè)井解釋資料只能反映完井時(shí)的水淹狀況,而動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)資料雖能反映目前油層的動(dòng)用狀況,但大部分資料都是合層測(cè)試,并不能完全反映單個(gè)油層的動(dòng)用狀況,而且并不是所有的井或?qū)佣季哂羞@種資料。因此,只憑這些資料很難弄清每個(gè)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(diǎn)。而地層參數(shù)測(cè)井的首要任務(wù)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(wěn)產(chǎn)和提高油田的開發(fā)效益。目前國內(nèi)地層參數(shù)測(cè)井主要是過套管電阻率、PNN、C/O等，這些技術(shù)都有測(cè)量參數(shù)單一、測(cè)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(cè)井儀(PNST)通過合理的傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)，優(yōu)化綜合時(shí)序發(fā)生器、自動(dòng)穩(wěn)譜等技術(shù)，一次下井能同時(shí)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(xiàng)測(cè)井功能。并且，測(cè)井資料能提供巖性、泥質(zhì)含量、孔隙度、飽和度、層位產(chǎn)水、產(chǎn)氣、水淹等級(jí)等解釋信息，指導(dǎo)油田堵水、補(bǔ)孔、壓裂、調(diào)剖、新井射孔等，為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)油藏、改造油藏、利用油藏提供了可靠的依據(jù)。

1儀器的組成結(jié)構(gòu)

脈沖中子全譜測(cè)井儀(PNST)攜帶一個(gè)14 MeV脈沖中子發(fā)生器、兩個(gè)BGO閃爍晶體伽馬射線探測(cè)器和一個(gè)3He熱中子探測(cè)器。儀器的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。主要包括三個(gè)部分：1)BGO數(shù)控采集、控制、傳輸電路；2)探測(cè)器系統(tǒng)(BGO探測(cè)器+3He探測(cè)器+中子發(fā)生器)； 3)3He信號(hào)采集及中子發(fā)生器參數(shù)采集系統(tǒng)。

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(zhì)量90 kg，耐溫150℃，耐壓80 MPa，測(cè)速70～120 m/ h，孔隙度10%以上，飽和度精度誤差7%。在井內(nèi)清水、140 mm外徑套管、30 mm厚水泥環(huán)、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(cè)深度分別為0.17 m與0.28 m[2]。

圖1　脈沖中子全譜測(cè)井儀結(jié)構(gòu)示意圖

2測(cè)量原理及測(cè)井模式

2.1測(cè)量原理

PNST的脈沖中子發(fā)生器每隔一定時(shí)間發(fā)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(shù)。高能中子脈沖發(fā)射后，首先與井眼和地層物質(zhì)發(fā)生非彈散射反應(yīng)，這時(shí)主要產(chǎn)生非彈散射伽馬射線；經(jīng)過約510-6s后，中子被慢化，并不斷被井眼和地層俘獲，產(chǎn)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(yīng)產(chǎn)生。伽馬射線能譜與時(shí)間譜是伽馬射線計(jì)數(shù)按能量與時(shí)間分布的譜圖，熱中子時(shí)間譜是熱中子計(jì)數(shù)隨時(shí)間變化的譜圖[3，4]。

PNST同時(shí)記錄非彈、俘獲、活化三種伽馬射線能譜實(shí)現(xiàn)了雙源距碳氧比、中子壽命、能譜，水流測(cè)井功能，以及熱中子時(shí)間譜實(shí)現(xiàn)脈沖中子-中子(PNN)測(cè)井功能。PNST使用了中子產(chǎn)額全自動(dòng)控制與穩(wěn)定技術(shù)，提高了測(cè)井質(zhì)量。PNST所測(cè)曲線豐富，包括碳氧比、地層俘獲截面、近遠(yuǎn)計(jì)數(shù)比、氧活化指數(shù)等曲線。主要用于剩余油評(píng)價(jià)，在缺少裸眼井測(cè)井資料時(shí)也能獨(dú)立地套后評(píng)價(jià)地層參數(shù)，能提供儲(chǔ)層巖性、滲透性、泥質(zhì)含量、孔隙度、飽和度等解釋信息，能識(shí)別氣層，能指示測(cè)井時(shí)正在產(chǎn)水的層[5，6]。脈沖電子全譜測(cè)井儀功能框圖如圖2所示。

圖2　脈沖中子全譜測(cè)井儀功能框圖

PNST有多種測(cè)井模式，針對(duì)每種測(cè)井模式對(duì)應(yīng)著特有的中子爆發(fā)時(shí)序及能譜與時(shí)間譜采集方案[7]。

2.2碳氧比模式測(cè)井

常用的碳氧比測(cè)井模式下發(fā)射10 kHz中子脈沖，每50 ms內(nèi)分別用45 ms、2 ms和3 ms的時(shí)間(占測(cè)井時(shí)間的90%、4%和6%)來執(zhí)行雙源距碳氧比測(cè)井，同時(shí)兼顧中子壽命和能譜水流測(cè)井任務(wù)。分別累積非彈與俘獲能譜、俘獲時(shí)間譜、活化能譜等相關(guān)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，從非彈凈譜中提取O、C、Ca、Si等元素的產(chǎn)額(該元素對(duì)能譜貢獻(xiàn)的權(quán)重)并計(jì)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(chǎn)額，并計(jì)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(cè)井資料解釋的基礎(chǔ)。剩余油飽和度解釋在赫佐格公式的基礎(chǔ)上，綜合考慮套管外徑、套管壁厚、水泥環(huán)厚度、井眼持油率、孔隙度和含油飽和度等因素，根據(jù)蒙特卡羅數(shù)值模擬結(jié)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(cè)井

中子壽命測(cè)井測(cè)定脈沖中子源造成的熱中子分布隨時(shí)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(cè)量宏觀俘獲截面：一種是脈沖中子俘獲方式(PNC)，采用BGO探測(cè)器，通過測(cè)量熱中子被俘獲后釋放的伽馬射線的記數(shù)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(cè)器，通過測(cè)量地層中沒有被俘獲的熱中子數(shù)來求得宏觀俘獲截面。

中子壽命測(cè)井模式發(fā)射1 kHz中子脈沖，分別用94%和6%的時(shí)間執(zhí)行中子壽命測(cè)井，同時(shí)兼顧能譜水流測(cè)井任務(wù)。從遠(yuǎn)、近兩個(gè)伽馬時(shí)間譜處理出F和N，經(jīng)過熱中子擴(kuò)散校正，獲得地層熱中子宏觀俘獲截面FM數(shù)據(jù)，這是中子壽命測(cè)井；熱中子探測(cè)器測(cè)量時(shí)間譜(覆蓋0～1 000s，100道)，從中子時(shí)間譜處理出地層熱中子宏觀俘獲截面PNN數(shù)據(jù)，這是脈沖中子-中子(PNN)測(cè)井。同時(shí)測(cè)量FM與PNN的原因是，在較低和較高伽馬本底地層，PNN的測(cè)量誤差比較小，其它條件下FM的測(cè)量誤差比較小。

在高礦化度地層水地區(qū)可利用中子壽命和PNN測(cè)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(guī)的體積模型。另外，雙伽馬探頭的計(jì)數(shù)率計(jì)算出近/遠(yuǎn)非彈比值RIN與近/遠(yuǎn)俘獲比值(在碳氧比和中子壽命測(cè)井模式下該比值分別稱為RCAP和RTMD，二者等價(jià))，以及遠(yuǎn)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(guān)系，可計(jì)算類似密度孔隙度。RCAP與地層含氫指數(shù)成正比，可計(jì)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(cè)井

PNST測(cè)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(cè)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(jì)數(shù)率稱為氧活化指數(shù)OAI。

測(cè)井時(shí)PNST伽馬探測(cè)器位于中子發(fā)生器上方，近、遠(yuǎn)氧活化指數(shù)NOAI曲線、FOAI曲線能指示測(cè)井儀附近向上的水流。在低水流速度(<5 mm/s)區(qū)，氧活化指數(shù)隨水流速度增大變化不明顯，接近0；隨著水流速度繼續(xù)增大，氧活化指數(shù)開始明顯增大。氧活化指數(shù)常用于證實(shí)套管內(nèi)、外存在水流，觀測(cè)油井進(jìn)水口，指示測(cè)井時(shí)出水層位，綜合其他解釋結(jié)果指導(dǎo)封堵措施。

3應(yīng)用實(shí)例

目前,在冀東油田完成了27 口PNST測(cè)井，取得了較好的應(yīng)用效果，其中26口井已經(jīng)見效，1口井正在實(shí)施作業(yè)措施。

3.1低電阻率油層識(shí)別

冀東油田高尚堡油田高淺南區(qū)是復(fù)雜斷塊區(qū)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(shí)別難度大。泥質(zhì)砂巖儲(chǔ)層中低阻油氣層非常發(fā)育，初期開發(fā)時(shí)由于認(rèn)識(shí)上的局限，完井時(shí)很多油層測(cè)井解釋為水層，而且經(jīng)過長時(shí)間的開發(fā)后，很多油層已經(jīng)水淹，鉆井時(shí)裸眼井測(cè)井曲線已經(jīng)不能準(zhǔn)確反映地層目前的流體狀況，因此老井進(jìn)行挖潛上產(chǎn)難度很大。為了提高產(chǎn)量，需要對(duì)老井目前的水淹情況進(jìn)行重新認(rèn)識(shí)，而PNST是一種套管井含油飽和度監(jiān)測(cè)的有效手段，并且PNST測(cè)井不受地層水礦化度的影響。

高XX-X5井測(cè)井前日產(chǎn)液120.9 t、日產(chǎn)油0.12 t，含水已達(dá)99.9%。實(shí)施PNST測(cè)井，資料如圖3所示。解釋結(jié)果顯示18號(hào)生產(chǎn)層遠(yuǎn)探測(cè)器碳氧比值(FCOR)較低，含油飽和度在30%左右，表明該層水淹嚴(yán)重，解釋為高水淹層；19號(hào)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(duì)該井封堵18號(hào)層，射開19號(hào)潛力層上部(1 925～1 928 m)。措施后日產(chǎn)量10.2 t，含水1.1%。

3.2中深層井測(cè)井

傳統(tǒng)碳氧比測(cè)井技術(shù)對(duì)中深層低孔隙度層飽和度因其孔隙度低，評(píng)價(jià)精度較低，儀器耐溫耐壓指標(biāo)低，而全譜測(cè)井儀150℃的耐溫、80 MPa的耐壓，孔隙度測(cè)試精度誤差可控制到1.5%，飽和度測(cè)試精度誤差控制到7%，能夠滿足中深、深層油藏的飽和度監(jiān)測(cè)需求。

PNST技術(shù)應(yīng)用于高5-XX，高5-XX井59b號(hào)層上部(3 358.4～3 360.5 m)、62a號(hào)層上部(3 376.8～3 379.0 m)剩余油飽和度較高，評(píng)價(jià)為本井較好的挖潛層。該井根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)施補(bǔ)孔措施作業(yè)顯著效果，日增油4 t。這是冀東陸上油田首次應(yīng)用PNST技術(shù)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(shù)支持。

3.3壓裂評(píng)價(jià)

示蹤陶粒砂是一種陶粒支撐劑，生產(chǎn)該種支撐劑顆粒時(shí)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(yīng)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(duì)作業(yè)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(zhì)的比重和顆粒度相匹配，因此可以對(duì)完井作業(yè)進(jìn)行更精確的測(cè)試分析。

PNST使用兩個(gè)BGO(鍺酸鉍)晶體探測(cè)器記錄俘獲伽馬計(jì)數(shù)隨時(shí)間衰減情況，提取俘獲伽馬計(jì)數(shù)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(cè)物質(zhì)，壓裂后支撐劑所處位置的俘獲伽馬計(jì)數(shù)率降低，俘獲截面略有增加。將壓裂前的測(cè)井曲線作為基線，壓裂后測(cè)井曲線與之對(duì)比，能辨認(rèn)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(cè)井解釋成果圖

3He探測(cè)器記錄熱中子隨時(shí)間變化的時(shí)間譜，提取熱中子計(jì)數(shù)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(zhì)，能夠明顯增大地層的熱中子俘獲截面，且降低熱中子計(jì)數(shù)率。對(duì)比壓裂前后測(cè)井曲線，也能辨認(rèn)示蹤陶粒支撐劑的存在。

南堡X-斜X井脈沖中子全譜測(cè)井資料如圖4所示，對(duì)比壓裂前、后的示蹤陶粒砂檢測(cè)曲線差異，53號(hào)層砂巖厚度12 m，油層厚9.8 m。壓裂時(shí)采用示蹤陶粒，PNST測(cè)井資料顯示：壓后歸一化近遠(yuǎn)探測(cè)器伽馬計(jì)數(shù)率均有所增加，近探測(cè)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(jìn)入地層，壓裂最小縫高為9 m，與設(shè)計(jì)相符。該井壓裂前日產(chǎn)液8 t，日產(chǎn)油6.74 t，日產(chǎn)氣1 500 m3,含水15.8%；壓裂后，該井日產(chǎn)液17.1 t，日產(chǎn)油16.57 t，日產(chǎn)氣3 805 m3,含水3.1%，表明壓裂成功。

3.4氣層識(shí)別

當(dāng)?shù)貙又泻瑲鈺r(shí)，由于天然氣中碳元素相對(duì)較少，PNST測(cè)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(cuò)解釋為水層。但是地層中天然氣的含氫指數(shù)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(yuǎn)俘獲伽馬的計(jì)數(shù)率增大，且遠(yuǎn)俘獲伽馬計(jì)數(shù)增大更多。由于計(jì)數(shù)率數(shù)值變化較大，在曲線疊合處理時(shí)誤差較大，通常采用計(jì)數(shù)率比值來識(shí)別氣層。PNST測(cè)井獲得的曲線在氣層處的主要特征如下：近遠(yuǎn)探測(cè)器非彈計(jì)數(shù)率比值RIN與近遠(yuǎn)俘獲伽馬計(jì)數(shù)率RCAP明顯降低，近俘獲非彈伽馬計(jì)數(shù)率比值NCI與遠(yuǎn)俘獲非彈伽馬計(jì)數(shù)率比值均升高，且FCI升高更明顯。

柳XX-XX井解釋結(jié)果圖如圖5所示，結(jié)果顯示，綜合考慮非彈、俘獲信息，11號(hào)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(hào)層應(yīng)為油氣同層。對(duì)該井已射開的生產(chǎn)層位進(jìn)行了封堵，對(duì)潛力層11號(hào)層進(jìn)行了補(bǔ)孔作業(yè)，該井日產(chǎn)液11.5 t，日產(chǎn)油5.31 t，日產(chǎn)氣256 m3，含水53.8%。

4結(jié)束語

1)脈沖中子全譜測(cè)井實(shí)現(xiàn)從單一方法到全譜測(cè)量，處理過程中以碳氧比曲線為主計(jì)算儲(chǔ)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(shù)等PNST測(cè)試輔助曲線，并與實(shí)際生產(chǎn)動(dòng)態(tài)相結(jié)合，能夠準(zhǔn)確判斷儲(chǔ)層水淹情況，為制訂下一步開發(fā)方案提供依據(jù)。

2)PNST測(cè)井適用于評(píng)價(jià)低阻油藏。低阻油層發(fā)育，由于認(rèn)識(shí)上的局限，完井解釋漏失很多油層，PNST測(cè)井不受其影響。

3)可通過壓裂前后全譜測(cè)井，近遠(yuǎn)探測(cè)器伽馬計(jì)數(shù)的變化評(píng)價(jià)壓裂效果，為地質(zhì)專家采取下一步措施提供了有力的技術(shù)支持。

圖4　南堡X-斜X井PNST測(cè)井解釋成果圖

圖5　冀東油田陸上柳XX-XX井PNST測(cè)井解釋成果圖

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

參 考 文 獻(xiàn)

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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(jí)工程師，1995年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院礦場(chǎng)地球物理專業(yè)，現(xiàn)在大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司從事核測(cè)井儀器研發(fā)工作。E-mail：1538399878@qq.com

中圖法分類號(hào)：P631.8+17

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2096-0077(2016)03-0053-05

(收稿日期：2015-12-06編輯：高紅霞)

·儀器設(shè)備與應(yīng)用·