PNST-3D剩余油飽和度測井儀的設計

呂俊濤，董建華，歐昊達，梁慶寶，韋成海

(1.大慶油田有限責任公司測試技術服務分公司 黑龍江 大慶 163453；2.東北石油大學石油工程學院 黑龍江 大慶 163318)

0 引 言

隨著油田進入開發中后期含水率的不斷提高，如何有效監測地層剩余油飽和度變化及動態評價地層水淹情況，是油井動態評價的主要任務。油田開發技術不斷進步,水平井開采技術日臻完善,在生產中獲得了明顯的經濟效益。所以，對于了解水平井及大斜度井的井下儲層情況和剩余油分布等非常重要。

剩余油飽和度測井方法目前主要有過套管電阻率測井、碳氧比測井、中子壽命測井、中子伽馬注釓測-注-測測井、脈沖中子-中子測井等。國外各大測井公司的脈沖中子綜合測井儀主要有斯倫貝謝RST、哈里伯頓RMT、貝克休斯RPM等。如表1所示，這些儀器均集成了多種脈沖中子測井功能并且直徑小。但由于引進的RMT等儀器中子管的限制及儀器的老化已陸續停用。大慶油田的脈沖中子全譜測井儀PNST其90 mm的外徑不能適應水平井、大斜度井套后剩余油監測需求，且國內尚無可用技術，因此研制了PNST-3D測井儀。在現有PNST基礎上，將儀器外徑縮小至54 mm，同時保證現有技術的耐溫耐壓、測井速度、測井功能、測量精度等性能指標能滿足實際生產需要。

1 PNST-3D測井原理及設計

1.1 測井原理

中子發生器每隔一定時間發射一定寬度的高能中子脈沖來照射地層，中子與地層中的碳、氧、硅、鈣等元素發生非彈性散射，并不斷被井眼和地層俘獲，產生特征伽馬射線[1]。通過記錄這些伽馬射線的能譜和時間譜來計算地層含油飽和度，評價油層水淹狀況及進行剩余油評價。

1.2 傳感器結構設計

探測器系統主要由采集電路及BGO伽馬射線探測器構成，數據采集電路部分主要功能是對伽馬射線能譜、時間譜及中子脈沖幅度譜、時間譜的采集，同時實現不同的中子爆發、采集時序，完成長、短源距光電倍增管自動穩譜高壓的控制，完成井下儀器和地面采集板之間的通訊和傳輸等功能。

表1 各大公司脈沖中子測井儀功能對比

水平井井眼周圍環境復雜，管柱、滯油、油層等均會對測井響應造成影響，采用三探頭的BGO探測器結構，通過不同源距的測井信息綜合分析，能消除井眼影響，提高較遠處地層的測井響應。通過蒙特卡羅數值模擬確定探測器的源距分別為30、50、70 cm，近探測器主要響應井眼，中、遠探測器響應地層信息。水平井套后剩余油測井儀結構如圖1所示。理論研究表明，源距越大，探測深度越深，此外超遠探測器在低孔隙度條件下對含氣飽和度變化更靈敏。因此，對雙源距有效信息匹配方法進行拓展，應用于三探測器系統，便可以有效獲取來自水平井周圍地層的相關信息，提高低孔隙度時氣水層判別能力，實現脈沖中子-密度-孔隙度測井功能，能在深層氣、頁巖氣測井中識別和評價氣層。

圖1 水平井套后剩余油測井儀結構圖

1.3 屏蔽體結構設計

中子發生器發射的快中子向四周發射，中子源和探測器之間的屏蔽體阻隔中子，使更多的快中子以垂直地層的角度進入地層。通過屏蔽結構優化設計，降低了井眼效應，增大了儀器探測深度。根據試驗數據及蒙特卡羅數值模擬結果進行綜合分析,通過數值模擬優化設計了屏蔽體厚度，如圖2所示。

圖2 MCNP屏蔽率模擬結果

1.4 中子發生器設計

中子發生器部分主要由小直徑高壓倍加器、小直徑變壓器和小直徑靶壓變換器和中子管組成，采用27 mm的小直徑自成靶中子管，產額可達到2×108個/s。變壓器的磁芯選取非晶態合金材料以提高綜合性能。通過自動控制及采集電路實現對中子管參數的采集以及對中子發生器的自動控制。

1.5 PNST-3D測井儀性能指標

2 試驗刻度

PNST-3D儀器在大慶油田檢測中心地層參數試驗室分別進行了油砂、水砂試驗標定。試驗模型水砂井單體井筒直徑1.8 m，筒高1.6 m，套管材質為鐵，外徑140.2 mm，壁厚6.4 mm，水砂井中井筒內地層骨架是石英砂，孔隙流體是清水，孔隙度從下往上逐漸增加。油砂井結構與水砂井結構完全一致。井筒內地層骨架是石英砂，孔隙流體是0號柴油。

利用實際測井儀在模擬井的測井數據，建立了蒙特卡羅模擬模型，對測井響應進行了模擬并通過現場實測獲得了實用的井內滯油校正圖版，如圖3所示；標準譜如圖4所示；探測器C/O隨地層孔隙度、含油飽和度變化的理論規律，如圖5所示。

3 測井模式及應用范圍

水平井剩余油測井儀有多種測井模式，針對每種測井模式對應著特有的中子爆發時序及能譜與時間譜采集方案[2]。碳氧比模式下，每50 ms內分別用45 ms、2 ms和3 ms的時間執行碳氧比、中子壽命、活化能譜等。中子壽命模式下分別用94%和6%的時間執行中子壽命、能譜水流測井任務。

圖3 水平井條件下井內滯油校正圖板

3.1 C/O測井模式

C/O測井的理論基礎是快中子非彈性散射理論，通過測量中子在地層中誘發的非彈性散射伽馬射線及俘獲伽馬射線的能譜來分析并確定地層巖性和含油飽和度等參數。

1)測井資料用于確定油水界面、劃水淹層、計算剩余油飽和度，可為油層產能接替、水淹狀況評價及剩余油分布規律研究提供技術手段，為區域開發方案調整提供理論依據。

2)尋找和評價漏失油氣層。對于技術發展水平落后或疏忽、漏判導致遺失的油氣層和多年開采后重新飽和的油氣層。

3.2 中子壽命測井模式

中子壽命測井也叫熱中子衰減時間測井，是高礦化度地區最常用的脈沖中子測井方法。在高礦化度地層水地區Cl離子的吸收截面大，可利用中子壽命信息解釋套管井剩余油氣飽和度。

圖4 實測和模擬不同孔隙度油砂巖遠探頭非彈能譜

圖5 實測和模擬遠探頭C/O值與孔隙度、含油飽和度扇形圖

對淡水油田，油和水的俘獲截面相近，無法用其判斷油水層。采用注釓測-注-測方法，產油層被水淹或存在水淹部位，在測完基線之后注入釓/硼水溶液，使油層的水淹部位注入釓/硼離子，再測曲線。根據2次測井資料計算出剩余油飽和度[3]。

1)劃分油水層及油水或氣水界面動態監測，礦化度較高的水層有比油層大的俘獲截面。

2)分析油藏的水淹規律，準確劃分水淹級別，尋找潛力層。

3.3 OAI測井模式

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。在10 kHz與1 kHz中子脈沖過后，在3 ms的中子脈沖停歇期間，測量活化能譜，記錄到的活化伽馬射線主要來自Si、O元素。O能窗計數率稱為氧活化指數OAI。

直觀準確確定竄槽井段、指示出水層位。

4 現場試驗

高107*井為大慶油田采油一廠新加密井，尚未射孔。PNST-3D測井儀與PNST全譜測井儀進行重復性試驗及對比試驗。圖6為儀器在該井中的兩次重復性試驗，藍色與棕色分別代表儀器的兩次測井曲線。測井資料顯示儀器的遠近探測器的碳氧比值、硅鈣比值重復性良好，誤差較小，解釋結果完全一致。

圖7是高107*井水平井剩余油測井儀PNST-3D與PNST全譜測井儀解釋成果對比圖，其中藍色曲線為水平井剩余油測井儀PNST-3D曲線，棕色為PNST測井曲線，從圖中可以看出，水平井剩余油測井儀的硅鈣比曲線比PNST測井曲線略高，碳氧比值略低，其一致性效果較好。從解釋結果上看，兩種儀器的解釋結果基本一致，能夠在特殊條件下替代PNST全譜測井儀。

圖6 高107*井PNST-3D儀器重復性對比圖

圖7 高107*井PNST-3D與PNST測井解釋對比圖

5 結 論

PNST-3D測井儀在繼承PNST脈沖中子全譜測井儀功能的基礎上，通過蒙特卡羅數值模擬重新設計了三探頭的探測器結構、優化屏蔽體尺寸等并建立了相應的解釋圖版。適用于在水平井、大斜度井條件下尋找油氣層、確定儲層含油飽和度、評價水淹等級，為儲層剩余油分布提供資料。目前在國內還屬于起步階段，隨著研究人員的不斷努力，方法的不斷完善，實踐技術的不斷更新，實際應用的不斷擴展，該技術也必將不斷走向成熟，應用前景十分廣闊。

[1] 呂俊濤. 脈沖中子全譜測井技術及其在冀東油田的應用[J].石油管材與儀器,2016,2(9):53-57.

[2] 韓東慶,董建華. 脈沖中子綜合時序發生器的設計[J].同位素,2006,19(4):198-203.

[3] 張鐵軒. 剩余油飽和度的測井評價方法[J].科技導報2010,28(8):104-109.

[4] 宋秋菊,金友春，劉印堂，等．水平井水力輸送法找水生產測井技術[J]．測井技術.2009,33(1):72-74.