PNN測井解釋的影響因素分析及其應用

王友春

(中海油田服務股份有限公司 上海 200120)

PNN測井解釋的影響因素分析及其應用

王友春

(中海油田服務股份有限公司 上海 200120)

脈沖中子測井技術是當前確定油藏剩余油飽和度分布規律、了解注水和產液剖面、調整注采方案、提高采收率的主要手段，在油田得到廣泛推廣應用。首先介紹PNN測井技術的理論基礎和測井儀器的工作原理；其次針對實際地區PNN測井的測量結果誤差，分析影響PNN測井解釋結果的影響因素；最后結合PNN技術、產出剖面綜合檢測氣水界面位置,通過確定油氣田的準確氣水界面，長期跟蹤氣水界面變化，能準確判斷開發過程中水淹情況，對油田后期生產開發有著重要的現實意義。

PNN測井技術；測井儀器；影響因素；氣水界面

0 引 言

隨著我國油田進入高含水開發后期，常規生產測井技術很難滿足開發的需求，高水平的油藏動態監測技術對石油開發具有重要的應用意義。脈沖中子測井技術是當前確定油藏剩余油飽和度分布規律、了解注水和產液剖面、調整注采方案、提高采收率的主要手段[1-3]。PNN(Pulsed Neutron-Neutron)測井儀是脈沖中子-中子儀器的簡稱，它是通過遠、近兩個He-3計數管探測熱中子，由熱中子的時間譜求出地層的宏觀截面，進而求取含水飽和度的新一代套管井儲層評價測井技術[4,5]；同時，PNN測井技術能在低礦化度地層水條件下，分辨近井地帶的油水分布，計算含油飽和度，劃分水淹級別，求取儲層孔隙度，計算儲層內泥質含量及主要礦物含量等[5]。國內外脈沖中子測井技術已在油田實際生產中得到廣泛應用。

1 PNN測井的理論基礎

PNN測井基本原理是利用脈沖中子發生器向地層發射能量為14.3MeV的快中子，經過一系列的非彈性碰撞(主要發生在中子后10-8～10-7s)和彈性碰撞(10-6～10-3s)過程，當中子能量與組成地層的原子處于熱平衡狀態時，中子不再減速，變為熱中子此時它的能量是0.025 eV，熱中子在地層中擴散并與原子核發生俘獲輻射核反應[5]。

所謂彈性散射，是指中子與原子核發生碰撞后，系統的總動能不變，中子所損失的動能全部轉變為反沖核的動能，而反沖核仍處于基態。由加速器中子源發射的能量為14.3 MeV的中子射入地層后，再經一兩次非彈性散射損失了大部分能量，就進入了以彈性散射為主的相互作用階段。彈性散射主要發生在中子發射后的10-6～10-3s之間。

靶核俘獲一個熱中子而變為激發態的復核，然后復核放出一個或幾個光子，回到基態，這就是輻射俘獲核反應。輻射俘獲截面隨中子能量的變化，遵守1/v定律，v是中子速度(探測深度：30～40 cm)。中子壽命測井和PNN測井均是建立在此理論之上的。

2 PNN測井儀器工作原理

PNN測井儀器包括井下儀器和地面儀器兩個部分。

1)地面系統采用美國科學數據公司生產的柜式機Warrior地面測井系統，主要由供電系統、通信設備、深度編碼器、采集控制計算機組成。該系統適用于大多數套管井及裸眼井測井。同時還配備了HOTWELL公司專門為PNN測試而制造的便攜系統，該便攜系統由一個相當于手提箱大小的采集箱與一個筆記本電腦構成。

2)井下儀器由4個短節組成：通訊及套管接箍探測部分(COMM+CCL)，自然伽馬探測部分(GR)，中子探測部分(DETECTOR)和中子發生器部分(GEN)。中子源是窄脈沖寬間隔中子發生器，探測器是兩個He-3正比計數器，其短源距SS為425 mm，長源距LS為745 mm。

PNN技術指標：

直徑：42.8 mm；長度：5.69 m；耐壓：103 MPa；耐溫：150℃；探頭：He-3探測器；脈沖中子源頻率：13 Hz；測井速度：1.5～2.0 m/min；源輸出：1.5×108中子/秒；適應最小套管內徑：47.6 mm。

中子壽命測井也叫熱中子衰減時間測井，測井記錄的是熱中子在地層中的壽命(即中子壽命)，該方法是高礦化度地區最常用的脈沖中子測井方法。目前由于新的測試工藝產生，該方法也可以應用于低礦化度地區的測井。

測井儀器向地層發射快中子(14.3 MeV)，經過一系列的非彈性與彈性碰撞后逐漸損失能量(稱做慢化)，當中子的能量與組成地層的原子處于熱平衡狀態時，中子不再減速，此時它的能量達到約0.025 eV、速度2.2×105cm/s，與地層原子核反應主要是俘獲反應。中子壽命測井記錄熱中子在地層中存在的時間，即中子在地層中從變成熱中子的瞬間起，到被地層吸收時刻止，所經過的平均時間，它與物質宏觀俘獲截面Σ及熱中子速度v的關系為：

式中：τ為熱中子壽命；Σ為地層熱中子俘獲截面，c.u.；v為熱中子的速度，它與地層的絕對溫度的關系為：

T等于攝氏溫度加上273。當溫度為25℃時，v=2.2×105cm/s。測井常用10-3·cm-1作為宏觀俘獲截面的單位，叫俘獲單位，記作c.u.。

過套管儲層參數測井儀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，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，采用He-3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。

儀器工作在脈沖中子俘獲方式時，N對應的是兩個不同時刻兩道測量門測得的俘獲伽馬射線的計數率；儀器工作在脈沖中子-中子方式時，N對應的使兩個不同時刻兩道測量門測得的熱中子的計數率。地層的宏觀俘獲截面的計算公式為：

式中，Σ為地層的俘獲截面，c.u.；N1為t1時刻的記數值；N2為t2時刻的記數值。

本研究區塊采用奧華公司生產的PNNG全譜剩余油飽和度生產測井儀(脈沖中子-中子和脈沖中子-伽馬測井儀)，可使用伽馬探測器探頭，既中子壽命模式，配接奧地利HOTWELL公司PNN測井儀，分別完成PNN(中子探測器探頭)測井、PNNG(伽馬探測器探頭)測井、SWFL(能譜水流)測井。

3 PNN測井解釋的影響因素分析

根據M油田礦化度及孔隙度資料，使用伽馬探測器，即PNNG模式。該方法與傳統中子壽命測井方法相比，采用中子管靶壓穩壓技術，保證了中子產額的穩定性，能自動跟蹤地層宏觀俘獲截面的變化，采用可變周期等寬門方案，通過橫向縱向濾波、曲線擬合法可直觀得到中子產生的伽馬射線衰減時間譜，測量精度高，重復性好。

M油田N地區孔隙度在1.0%～16.16%，平均5.07%，總體屬于低孔低滲和低孔特低滲儲層。如圖1所示，A井L層系氣層孔隙度在4.9%～15.7%分布，平均9.0%，而俘獲截面值受到骨架影響在20.3～25.9 c.u分布，相對偏大，見圖1中第5、6、7三道曲線所示，故不滿足儀器測量原理中定量解釋要求。

如圖2所示，通過B井2012年PNNG和2011年PNN測井資料對比，發現2012年PNNG測井俘獲截面相較2011年存在整體偏移，校正處理以泥巖段為基準整體減小4 c.u.，圖2第6道為校正后曲線，兩年重合度明顯提高，第7道為解釋飽和度曲線道。經計算對比，發現4 c.u. 在本井引起氣層段平均飽和度由45.6%下降到16.7%，兩者間相對誤差達63.4%。這種測量誤差將會直接導致錯誤的解釋結論。

如圖3所示，通過C井2012年PNN和2011年PNN測井資料對比，發現2012年測量值從下至上存在大幅度斜漂，底部基本重合，見圖3第6道曲線，頂部最大偏移量達10.7 c.u.不同深度偏移不一致，難以校正。建議應加強測井資料的原始質量控制，從源頭保證解釋符合率。

圖1 A井PNN測井資料解釋分析圖

圖2 B井2012年PNNG和2011年PNN對比圖

圖3 C井2012年和2011年PNN對比圖

由此可以得到：PNN測量結果的影響因素很多，除了如流體性質——油、氣、水、水的成分、礦化度；巖石骨架成分及其含量，有無諸如氯、硼、鐵等特殊元素；儲層孔隙度；裸眼井還是套管井，固井質量如何等核心因素外，PNN測井解釋的結果更容易受骨架、儀器的測量誤差、資料大幅度斜漂等因素影響。這些也很重要，測井解釋過程中需要重視。

4 通過PNN、產出剖面綜合檢測氣水界面

PNN、產出剖面綜合解釋監測井氣水界面變化，通過產出剖面溫度異常識別出水點，通過產出剖面密度曲線和PNN俘獲截面曲線重疊監測氣水界面逐年變化過程。

M油田N地區P氣田有三套含氣層系，目前主要開采的層組屬于常溫異常高壓氣藏。但隨著開采深入，地層壓力逐漸變小，底水不斷上升。因此有效地監測P氣田氣水界面的變化情況顯得尤為重要。如圖4所示，通過結合產出剖面和PNN測井剖面綜合比較，D井2009年氣水界面為3 827 m, 2010年氣水界面為3 803 m, 2011年氣水界面為3 788 m, 2012年氣水界面為3 775 m。隨著逐年開采，D井氣水界面抬升速度放緩,水侵速度變慢。

圖4 D井氣水界面逐年對比圖

M油田N地區Q氣田為塊狀底水凝析氣藏，其白堊系為主要產氣層段。但隨著開采深入，地層壓力逐漸變小，底水不斷上升。因此有效地監測Q氣田氣水界面的變化情況顯得尤為重要。如圖5所示，通過結合產出剖面和PNN測井剖面綜合比較，E井2009年(圖5左)氣水界面為4 765 m, 2010年(圖5中)氣水界面為4 763 m, 2012年(圖5右)氣水界面為4 757.5 m。通過長期跟蹤E井氣水界面變化，認為該區塊存在一定程度水淹。

5 結束語

1)PNN測井儀是一種以中子探測器測量熱中子時間譜，通過獲取地層宏觀吸收截面來確定含水飽和度的小直徑脈沖中子測井儀。PNN測量結果的影響因素很多，除了如流體性質——油、氣、水、水的成分、礦化度；巖石骨架成分及其含量，有無諸如氯、硼、鐵等特殊元素；儲層孔隙度；裸眼井還是套管井，固井質量如何等核心因素外，PNN測井解釋的結果更容易受骨架、儀器的測量誤差、資料大幅度斜漂等因素影響。

2)高含水開發后期，PNN測井技術應用很廣泛，能夠較好地滿足目前動態監測需求。通過結合產出剖面和PNN測井剖面綜合比較可以準確確定氣水界面，長期跟蹤同一井氣水界面變化，可以判斷該區實際水淹情況，為開發提供依據。

[1] 張 鋒．我國脈沖中子測井技術發展綜述[J]．原子能科學技術，2009，43(S0)：116-123．

[2] 胡玲妹,劉存輝,徐建平，等．PNN飽和度測井技術在大港油田的應用[J]．石油鉆采工藝，2009，31(S1)：57-62．

[3] 趙國海，王志敏，董社霞，等．脈沖中子-中子(PNN)測井技術[J]．石油機械，2005，33(8)：75-78．

[4] 易娟子,戴家才,孔玉霞．脈沖中子-中子(PNN)測井技術及應用效果分析[J]．石油儀器，2009，23(5)：65-67．

[5] 陳 猛．基于PNN測井剩余油飽和度監測技術研究[D]．湖北荊州:長江大學，2013．

Analysis of Influencing Factors of PNN Logging Interpretation and Its Application

WANG Youchun

(ChinaOilfieldServicesLimited,Shanghai200120,China)

Currently, Pulse Neutron Neutron (PNN) logging technology is the main widely-used method to determine the residual oil saturation distribution, to understand the profile of water injection and liquid-producing, to adjust the injection plan, and to improve the recovery rate. First, an introduction of theoretical basis of PNN logging technology and working principle of the logging equipment is given; second, for the error of the measurement results of PNN logging in the actual area, the factors influencing the PNN logging interpretation results are analyzed. Finally, gas-water interface position is detected by the combining the use of PNN technology and production profile. Through determining the accurate gas water interface of oil and gas field, the gas water interface can be tracked for a long time, which can help accurately determine the water flooding situation. Thus, PNN logging technology has a great significance in the later development and production phase of oilfields.

PNN logging technology; logging equipment; influence factors; gas-water interface

王友春，男，1982年生，工程師，2005年畢業于中國石油大學(華東)勘查技術與工程專業，現主要從事現場生產測井作業及分析工作。E-mail：3122074297@qq.com

P631.84

A

2096-0077(2017)04-0085-05

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.04.022

2016-09-21 編輯：馬小芳)