中石化胜利油田分公司油藏动态监测中心孤东监测项目部  谭海洲

摘 要：随着油田进入高含水开发后期,常规生产测井技术很难满足开发的需求,高水平的油藏动态监测技术对石油开发具有重要的应用意义。脉冲中子测井技术是当前确定油藏剩余油饱和度分布规律、了解注水和产液剖面、调整注采方案、提高采收率的主要手段。PNN测井仪是脉冲中子-中子仪器的简称,它是通过远、近两个He-3计数管探测热中子,由热中子的时间谱求出地层的宏观截面,进而求取含水饱和度的新一代套管井储层评价测井技术；同时,PNN测井技术能在低矿化度地层水条件下,分辨近井地带的油水分布,计算含油饱和度,划分水淹级别,求取储层孔隙度,计算储层内泥质含量及主要矿物含量等，国内外脉冲中子测井技术已在油田实际生产中得到广泛应用。
关键词：油田开发后期；动态监测；PNN测井；解释影响因素；校正方法
        脉冲中子测井技术是当前确定油藏剩余油饱和度分布规律、了解注水和产液剖面、调整注采方案、提高采收率的主要手段,在油田得到广泛推广应用。首先介绍PNN测井技术的理论基础和测井仪器的工作原理；其次针对实际地区PNN测井的测量结果误差,分析影响PNN测井解释结果的影响因素；最后结合PNN技术、产出剖面综合检测油水界面位置,通过确定油气田的准确油水界面,长期跟踪油水界面变化,能准确判断开发过程中水淹情况,对油田后期生产开发有着重要的现实意义。
        1.PNN测井的理论基础
        PNN测井基本原理是利用脉冲中子发生器向地层发射能量为14.3MeV的快中子,经过一系列的非弹性碰撞(主要发生在中子后10-8~10-7s)和弹性碰撞(10-6~10-3s)过程,当中子能量与组成地层的原子处于热平衡状态时,中子不再减速,变为热中子此时它的能量是0.025eV,热中子在地层中扩散并与原子核发生俘获辐射核反应。所谓弹性散射,是指中子与原子核发生碰撞后,系统的总动能不变,中子所损失的动能全部转变为反冲核的动能,而反冲核仍处于基态。由加速器中子源发射的能量为14.3MeV的中子射入地层后,再经一两次非弹性散射损失了大部分能量,进入以弹性散射为主的相互作用阶段。弹性散射主要发生在中子发射后的10-6~10-3s之间。靶核俘获一个热中子而变为激发态的复核,然后复核放出一个或几个光子,回到基态,这就是辐射俘获核反应。辐射俘获截面随中子能量的变化,遵守1/v定律,v是中子速度(探测深度:30~40cm)。中子寿命测井和PNN测井均是建立在此理论之上的。
        2.PNN测井仪器工作原理
       NN测井仪器包括井下仪器和地面仪器两个部分。1)地面系统采用柜式机Warrior地面测井系统,主要由供电系统、通信设备、深度编码器、采集控制计算机组成。该系统适用于大多数套管井及裸眼井测井。同时还配备了HOTWELL公司专门为PNN测试而制造的便携系统,该便携系统由一个相当于手提箱大小的采集箱与一个笔记本电脑构成。2)井下仪器由4个短节组成:通讯及套管接箍探测部分(COMM+CCL),自然伽马探测部分(GR),中子探测部分(DETECTOR)和中子发生器部分(GEN)。中子源是窄脉冲宽间隔中子发生器,探测器是两个He-3正比计数器,其短源距SS为425mm,长源距LS为745mm。中子寿命测井也叫热中子衰减时间测井,测井记录的是热中子在地层中的寿命(即中子寿命),该方法是高矿化度地区最常用的脉冲中子测井方法。目前由于新的测试工艺产生,该方法也可以应用于低矿化度地区的测井。测井仪器向地层发射快中子(14.3MeV),经过一系列的非弹性与弹性碰撞后逐渐损失能量(称做慢化),当中子的能量与组成地层的原子处于热平衡状态时,中子不再减速,此时它的能量达到约0.025eV、速度2.2×105cm/s,与地层原子核反应主要是俘获反应。中子寿命测井记录热中子在地层中存在的时间,即中子在地层中从变成热中子的瞬间起,到被地层吸收时刻止,所经过的平均时间,它与物质宏观俘获截面Σ及热中子速度v的关系为:

        式中:τ为热中子寿命；Σ为地层热中子俘获截面,c.u.；v为热中子的速度,它与地层的绝对温度的关系为:

        T等于摄氏温度加上273。当温度为25℃时,v=2.2。测井常用10-3·cm-1作为宏观俘获截面的单位,叫俘获单位,记作c.u.。

        过套管储层参数测井仪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,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,采用He-3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。仪器工作在脉冲中子俘获方式时,N对应的是两个不同时刻两道测量门测得的俘获伽马射线的计数率；仪器工作在脉冲中子-中子方式时,N对应的使两个不同时刻两道测量门测得的热中子的计数率。地层的宏观俘获截面的计算公式为:

        式中,Σ为地层的俘获截面,c.u.；N1为t1时刻的记数值；N2为t2时刻的记数值。本研究区块采用PNNG全谱剩余油饱和度生产测井仪(脉冲中子-中子和脉冲中子-伽马测井仪),可使用伽马探测器探头,既中子寿命模式,配接奥地利HOTWELL公司PNN测井仪,分别完成PNN(中子探测器探头)测井、PNNG(伽马探测器探头)测井、SWFL(能谱水流)测井。
        3.PNN测井解释的影响因素分析
        根据油田矿化度及孔隙度资料,使用伽马探测器,即PNNG模式。该方法与传统中子寿命测井方法相比,采用中子管靶压稳压技术,保证了中子产额的稳定性,能自动跟踪地层宏观俘获截面的变化,采用可变周期等宽门方案,通过横向纵向滤波、曲线拟合法可直观得到中子产生的伽马射线衰减时间谱,测量精度高,重复性好。M油田N地区孔隙度在1.0%~16.16%,平均5.07%,总体属于低孔低渗和低孔特低渗储层。A井L层系气层孔隙度在4.9%~15.7%分布,平均9.0%,而俘获截面值受到骨架影响在20.3~25.9c.u分布,相对偏大,第5、6、7三道曲线所示,故不满足仪器测量原理中定量解释要求。通过B井PNNG和PNN测井资料对比,发现PNNG测井俘获截面相较存在整体偏移,校正处理以泥岩段为基准整体减小4c.u.,校正后曲线,两年重合度明显提高。经计算对比,发现4c.u.在本井引起气层段平均饱和度由45.6%下降到16.7%,两者间相对误差达63.4%。这种测量误差将会直接导致错误的解释结论。
        可以得到:PNN测量结果的影响因素很多,除了如流体性质—油、气、水、水的成分、矿化度；岩石骨架成分及其含量,有无诸如氯、硼、铁等特殊元素；储层孔隙度；裸眼井还是套管井,固井质量如何等核心因素外,PNN测井解释的结果更容易受骨架、仪器的测量误差、资料大幅度斜漂等因素影响。这些也很重要,测井解释过程中需要重视。
        4.结束语
        1)PNN测井仪是一种以中子探测器测量热中子时间谱,通过获取地层宏观吸收截面来确定含水饱和度的小直径脉冲中子测井仪。PNN测量结果的影响因素很多,除了如流体性质—油、气、水、水的成分、矿化度岩石骨架成分及其含量,有无诸如氯、硼、铁等特殊元素；储层孔隙度；裸眼井还是套管井,固井质量如何等核心因素外,PNN测井解释的结果更容易受骨架、仪器的测量误差、资料大幅度斜漂等因素影响。2)高含水开发后期,PNN测井技术应用很广泛,能够较好地满足目前动态监测需求。通过结合产出剖面和PNN测井剖面综合比较可以准确确定油水界面,长期跟踪同一井油水界面变化,可以判断该区实际水淹情况,为开发提供依据。
参考文献
[1]张锋.脉冲中子测井技术发展综述[J].原子能科学技术,2009,43(S0):116-123.
[2]陈猛.基于PNN测井剩余油饱和度监测技术研究[D].湖北荆州:长江大学,2013.