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1、新一代套管井储层评价测井技术新一代套管井储层评价测井技术脉冲中子脉冲中子中子（中子（PNNPNN）测井）测井江油科技服务有限公司江油科技服务有限公司电话：电话：139729224511397292245120052005 年年 1 1 月月 5 5 日日套管井储层剩余油测井概述套管井储层剩余油测井概述油田进入高含水中、后开发期，一方面迫切需要了解单井井周和开发区块上的储层剩余油分布，寻找潜力油层，调整作业方案；另一方面，许多老井由于受当时条件的限制，缺少必要的测井资料，而无法对储层性质进行重新认识。常规的套管井储层评价测井方法主要有中子寿命测井和碳氧比（C/O）能谱测井以及两种方法的组合（PN
2、D、RST、RMT） 。众所周知，上述方法均是通过测量、解析高能中子与地层发生非弹性散射、俘获反应所释放出的次生伽马射线来实现的。由于受储层本身存在的自然伽马和延迟伽马的影响，效果均不是很好。中子寿命测井记录的是热中子与地层俘获反应释放出的伽马射线强度，通过仪器中的伽马探头（碘化钠晶体）计数率换算出地层的宏观俘获截面。地层的热中子宏观俘获截面大小与地层水的矿化度高低有关，只有在高矿化度（10万 ppm 以上）地层水条件下，才能用该方法获得较满意的储层剩余油饱和度。由于不只是有热中子被俘获才产生伽马射线，在仪器的四周还存在其他的核反应，这些核反应同样可以产生伽马射线，还有地层中本身存在的伽马射线
3、，所有这些伽马射线都必须与热中子俘获伽马分开，才能获得良好的测井处理结果。实际上要做到这一点是很困难的。在低矿化度（5 万 ppm 以下）地层水条件下采用的注硼（钆）中子寿命测井是以硼（钆）元素作为示踪剂，人为提高含水层位的热中子俘获截面的一种工艺方法，只能对已射孔层进行水淹评价，这种方法的工艺较复杂，要求地面动力配合进行压井、洗井、替液、闷井。此外，硼（钆）中子寿命测井侧重于在工艺上将油水层的曲线特征分开。在层间矛盾不突出的射孔层应用效果较好，基本能够达到替液前后两次俘获截面测井曲线的离差幅度与射孔层可动水饱和度成正比。但对于层间矛盾突出的射孔层该测试技术符合率不高。C/O 能谱测井虽然不受
4、地层水矿化度的影响，但由于存在着受井筒内流体影响严重、测井前必须洗井，仪器直径（89mm）偏大，必须起出油管才能测井，以及计数率低，统计误差偏大，且只有当储层孔隙度大于20%的条件下才能应用等问题，在一定程度上限制了 C/O 测井的应用。而奥地利 HOTWELL 公司推出的脉冲中子中子测井克服了上述测量方法的不足，采用独特的测量方式，即用仪器中的中子探测器（氦三管）直接测量高能脉冲中子发射后，地层中热中子数量随时间的变化关系，通过特有的处理手段和解释方法，在不洗井、不关井条件下成功地实现了过套管或过油管的储层监测，为油田的后期开发及剩余油开采提供了一种非常重要的监测手段。PNN 测井原理测井原
5、理PNN（Pusle Neutron Neutron）是脉冲中子中子仪器的简称，使用中子发生器向地层发射 14MeV 的快中子，经过一系列的非弹性碰撞（10-8-10-7s）和弹性碰撞（10-8-10-7s） ，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，此时它的能量是 0.025eV，速度 2.2105cm/s，与地层原子核反应主要是俘获反应。表 1.地层元素将 2Mev 的中子衰减到 0.025ev 的热中子所需的平均碰撞次数元氢铍硼碳氮氧钠镁铝硅硫氯钾钙铁镉钡快中子复合核。激发态靶核.基态发射伽马射线发射中子轻核重核弹性碰撞 弹性碰撞回到基态热中子俘获 发射伽马图 1.中
6、子与地层元素的相互作用快中子中能中子慢中子热中子热中子俘获图 2.中子的能量损失与生命旅程时间.微秒1101ev100ev10000ev中子能量.eV多次碰撞后变成热中子继续碰撞后热中子被俘获素原子序数1456781112131415171920264856碰撞次数188610511413015021522725026129732936237151410281252表 2.地层元素与 0.025ev 的热中子发生俘获反应的数据元 素碳硼锂钠镁铝硅铁钙氯钾硫原子量1210623242728564035.53932俘获截面0.003759710.5340.0630.2350.1602.620.43
7、33.62.100.512发出俘获伽马能量4.945Mev5.26Mev5.12Mev3.982Mev3.916Mev7.724Mev4.934Mev7.646Mev6.42Mev6.116.627.417.79Mev5.385.705.757.77Mev5.424.87Mev1. 快中子与地层元素的多次碰撞变成热中子的速度因素-地层含氢指数 N快中子与地层元素的原子核发生非弹性和弹性碰撞造成它的能量损失，而影响中子能量损失的主要因素是地层元素的原子核质量。与一般物体发生弹性碰撞一样，如果被碰的粒子质量远大于中子的质量，发生碰撞后的中子质量基本上没有损失，但中子的运动方向会改变；如果被碰的粒子
8、质量接近中子的质量时，中子的能量会大幅度衰减。由于中子与氢元素的质量很接近，所以在快中子的减速过程中，氢是最重要的元素（见表 1） 。在富含氢的地层中，快中子在短时间内大量的变成热中子，热中子被地层的其他元素俘获而大量消失，因此，在离中子源较远的探测器中测量到的中子计数率较低；在少氢的地层中，快中子在较长的时间内才能大量变成热中子而被地层其他元素俘获，在中子探测器中测量的中子计数率较高。PNN 测井通过长、短源距探测器的中子计数率变化，换算出地层的含氢指数 N（定义为单位体积地层中的氢元素数量，将单位体积淡水的含氢指数刻度为 1） ，根据所测的含氢指数可计算地层的孔隙度。如果地层中含大量气体，
9、中子的计数率会变的很高（比低孔隙度地层可能还高） ，这是因为气体中的氢密度很小缘故，这也可以用来检测气层。2.热中子继续碰撞地层元素被俘获的几率因素-地层宏观俘获截面 sigma当快中子经多次碰撞变为热中子后，热中子在继续碰撞地层元素的过程中组常见的核反应是热中子的俘获，一个原子在俘获一个热中子后，产生一个新的同位素，这个同位素可以立即释放出具有特征能量值的伽马射线（称为俘获伽马射线） ，在地层中不同的元素对热中子具有差异极大的俘获能力（见表 2） ，其中的硼、锂、氯元素是热中子的强俘获剂，氢、碳、氧和钙、硅、钾、铁、硫等元素是热中子的弱俘获剂，因此，根据俘获截面测井可辩别含氯水层、盐岩层与油
10、气层，也可根据硼、锂含量多少区分泥岩、页岩、砂岩和其它化学岩及蒸发岩。热中子的俘获反应被应用在中子寿命和氯能谱测井中，中子寿命测井用俘获伽马射线计数率换算出地层的热中子寿命和地层宏观俘获截面 sigma ，氯能谱测井通过能谱开窗测量地层的含氯指数，计算地层的视矿化度，PNN 测井除了计算其他参数外，用此原理测量俘获热中子的速率来换算出了测点的地层宏观俘获截面 sigma 值。sigma 值被定义为单位体积的地层内所有矿物质俘获热中子的几率之和。测点中的 sigma 值是中子源到探测器的一段地层俘获热中子的能力之和，值越高，表明地层俘获热中子能力越强，表 3 列出了几种常见地层矿物和流体的宏观俘
11、获截面参数。从表 3 可看出，砂泥岩地层中对热中子俘获最有效的地层元素是氯、锂、硼，它们大多存在于地层骨架中，在泥质地层骨架中存在锂和硼，但在地层孔隙流体中大多存在氯离子。表 3.一些常见矿物、流体的宏观俘获截面（C.U）物质名称理论计算 sigma 物质名称理论计算 sigma石英（SiO2）4.26硼（B）99405方解石（CaCO3）7.07镉（Cd）113315白云石（Mg.CaCO3）4.70谈水（H2O）22硬石膏（CaSO4）12.5盐水（H2O.CL）30-130石膏（CaSO4.2H2O）18.4原油16-22菱镁矿（MgCO3）1.44天然气5-16铁（Fe）2.62长石砂
12、岩8-10石盐（NaCl）756灰岩12PNNPNN 测井仪器测井仪器PNN 仪器长 6.78m，外径 45mm，耐温 135，耐压 80 Mpa，最大测速 400m/h，可连续工作 2 小时，探测深度 0.5m，纵向分辨率 0.4m，利用两个探测器（即长、短源距探测器）记录从快中子束发射 30s 后的 1800s 时间的热中子记数率,每个探测器均将其时谱记录分成 60 道,每道 30s,根据各道记录的热中子数量可以有效地求取地层的宏观俘获截面及储层含氢指数.据此在中-高矿化度地层水条件下,该项测井能分辨近井地带的油水分布,计算储层的含油饱和度,划分水淹级别,求取储层孔隙度,计算储层内泥质含量
13、及主要矿物含量等.PNNPNN 测井资料解释测井资料解释PNN 测井资料解释的地质模型是体积组分模型，地质基础是地层的孔隙度与地层的含氢指数成正比，与探测器附近中子的密度成反比；地层的含水饱和度与地层的含氯量成正比，与地层的俘获截面成反比。据此得到如下计算公式：泥质含量计算：Vsh=（GR-GRma）/（GRsh- GRma）孔隙度计算：=（N-Nma）/（1-Nma）- Vsh（Nsh-Nma）/（1-Nma）含水饱和度计算：Sw=（-ma-h+ma）/（w-h）- Vsh（sh-ma）/（w-h）其中，带角标 sh 代表泥质、ma 代表砂岩骨架、w 代表地层水、h 代表油气，不带角标的 G
14、R、N、均表示测井值。PNNPNN 测井应用实例测井应用实例1.1. 侧钻井的水淹评价与饱和度监测侧钻井的水淹评价与饱和度监测文明寨油田的明 94 侧钻井于 2003 年 5 月 13 日完井，2003 年 6 月 5 日射开 9、10 号层生产，2004 年 12 月 5 日日产油 1.0 吨，含水 96.6%。2005图图 3.3.明明 94c94c 井井 PNNPNN 饱和度测井成果图饱和度测井成果图年 11 月 30 日进行 PNN 饱和度测井，测井显示（见图 3）9、10、12 号层中水淹，含油饱和度为 27.8%、24.3%和 23.6%，而 11 号层为弱水淹，含油饱和度为 38
15、.7%。2005 年 12 月 18 日补孔 11 号层后合采，日产油升至 8.6 吨，含水降到 75%，见到了好的措施效果。2.2.更新井的水淹评价与饱和度监测更新井的水淹评价与饱和度监测卫城油田的一口更新井-新卫 115 井于 2003 年 6 月 6 日完井，2004 年 6 2003.12.5射孔，射孔，2004 年年 12月含水月含水96.6%2004.12.18补孔合采，日油8.6t，含水 75%2003 年 6月 12 日射开，2004 年12 月日产油 2.9 吨，含水 55%2004 年 12月 11 日补孔合采，日产油 12.5 吨，含水 74%图图 4.4. 新卫新卫 1
16、15115 井井 PNNPNN 饱和度测井成果图饱和度测井成果图月 12 日射开 37、38、45、46、47 和 48 号层生产，2004 年 12 月日产油 2.9 吨，含水 55%，2004 年 12 月 3 日进行 PNN 饱和度测井，测井显示（见图 4）34、35、42、43、44、63 和 64 号层为弱水淹，2004 年 12 月 11 日补孔后合采，日产油 12.5 吨，含水 74%。3.3.加密井的水淹评价与饱和度监测加密井的水淹评价与饱和度监测明 400 井是文明寨油田的一口加密井，于 2004 年 11 月 25 日完井，2004 年 12 月 4 日进行 PNN 饱和度测井，测井显示，23、24、25、28、31、32 和 35 号层为中低水淹，剩余油饱和度在 33.245.2%。2004 年 12 月 8 日射开 28、31、32 和 35 号层合采，日产油 11.5 吨，含水 68%。图图 5.5. 明明 400400 井井 PNNPN
