脈沖中子全譜飽和度測(cè)井在青海油田的應(yīng)用

張洪，邱金權(quán)，張智峰，王青川，謝飛，甘常建

（青海油田測(cè)試公司，青海 茫崖816499）

0 引 言

青海油田油氣藏類(lèi)型豐富，地質(zhì)特征復(fù)雜，中子壽命飽和度測(cè)井技術(shù)的應(yīng)用存在一定局限性，如在尕斯油田淡水水淹、昆北低礦化度及澀北氣田高礦化度、高泥質(zhì)、低電阻率地區(qū)出現(xiàn)了油、氣、水層的Σ（熱中子宏觀俘獲截面）差異不明顯，油、氣、水儲(chǔ)層認(rèn)識(shí)不清的問(wèn)題。

脈沖中子全譜飽和度測(cè)井（Pulsed Neutron Full－spectra Saturation Logging，PSSL）是以核物理理論為基礎(chǔ)的一種新型脈沖中子測(cè)井方法，集合了碳氧比、氯能譜、中子壽命及氧活化等一系列能譜與時(shí)間譜測(cè)井，具有錄取信息量豐富、輔助手段多（重新計(jì)算巖性剖面、建立可動(dòng)油水模型、相滲模型、厚層細(xì)分、薄層識(shí)別）等特點(diǎn)，多種測(cè)井信息互相佐證，消除多解性，能較好解決目前油田飽和度計(jì)算存在的問(wèn)題，其提供的資料解釋成果更加符合油田開(kāi)發(fā)實(shí)際［1］。

2011年青海油田引進(jìn)西安奧華公司的脈沖中子全譜飽和度測(cè)井（以下簡(jiǎn)稱(chēng)PSSL），通過(guò)近20余井次的應(yīng)用，基本解決了目前飽和度測(cè)井面臨的問(wèn)題，尤其在復(fù)雜淡水水淹、低礦化度油藏以及復(fù)雜氣層測(cè)井上取得了良好的應(yīng)用效果，為有效識(shí)別水淹層，充分動(dòng)用潛力層提供了科學(xué)依據(jù)，是目前油田飽和度測(cè)井手段的有效補(bǔ)充。

1 脈沖中子全譜飽和度測(cè)井技術(shù)

1．1 飽和度測(cè)井技術(shù)

套管井飽和度核測(cè)井技術(shù)根據(jù)測(cè)量對(duì)象的不同可分為碳氧比能譜測(cè)井和中子壽命測(cè)井2個(gè)大類(lèi)。碳氧比能譜測(cè)井包括普通碳氧比測(cè)井（單源距）、斯倫貝謝公司RST測(cè)井［2］、哈里伯頓公司的RMT測(cè)井［3］、阿特拉斯公司的 RPM 測(cè)井［4］以及康普樂(lè)公司的PND－S測(cè)井［5］；中子壽命測(cè)井包括傳統(tǒng)的中子壽命測(cè)井［6］、注硼中子壽命測(cè)井［7］以及 HOTWELL公司的PNN 測(cè)井［8］等（見(jiàn)表1）。

套管井飽和度核測(cè)井早期僅有中子壽命測(cè)井一種測(cè)井方法，如今已有多種元素為探測(cè)目標(biāo)的測(cè)井技術(shù)，測(cè)井方法從單一元素探測(cè)到全譜測(cè)量，如大慶測(cè)試公司研發(fā)的 PNST［9－10］、西安奧華公司研發(fā)的脈沖中子全譜飽和度測(cè)井（PSSL）等都實(shí)現(xiàn)了單一元素探測(cè)到全譜全過(guò)程測(cè)量，其測(cè)量精度高，有多種測(cè)量模式，一次下井可以完成全部能譜測(cè)量。

表1 儀器性能指標(biāo)對(duì)比表

1．2 脈沖中子全譜飽和度測(cè)井原理及技術(shù)特點(diǎn)

1．2．1 測(cè)井原理

通過(guò)脈沖中子源向地層中發(fā)射高頻、低頻的14MeV中子流，與地層原子核發(fā)生各種反應(yīng)，生成具有一定能量和時(shí)間分布的伽馬譜或熱中子譜，分別記錄非彈性散射次生伽馬能譜、中子俘獲次生伽馬能譜、（超）熱中子次生伽馬時(shí)間譜、連續(xù)活化能譜的全譜信息，其中90%的時(shí)間測(cè)量的是碳氧比能譜和氯能譜、4%的時(shí)間測(cè)量熱中子壽命、6%的時(shí)間測(cè)量活化伽馬能譜。碳氧比組合中子壽命模式可以同時(shí)得到非彈和俘獲曲線(xiàn)，如碳氧比曲線(xiàn)、中子壽命曲線(xiàn)，可以滿(mǎn)足不同地質(zhì)條件下的飽和度測(cè)井；自然伽馬能譜模式可以與其他模式組合測(cè)井，是劃分巖性、計(jì)算泥質(zhì)含量以及進(jìn)行地層對(duì)比的有效手段；活化水流模式可以得到長(zhǎng)、短源距活化氧2條曲線(xiàn)，可以直接顯示井眼中或井眼附近水泥環(huán)、地層中的水流流動(dòng)特征；利用采集的數(shù)據(jù)信息還可以實(shí)現(xiàn)孔隙度計(jì)算，真正實(shí)現(xiàn)多功能脈沖中子能譜測(cè)井。

1．2．2 儀器結(jié)構(gòu)及技術(shù)特性

PSSL脈沖中子全譜飽和度測(cè)井儀主要由遙測(cè)短節(jié)、探測(cè)發(fā)射短節(jié)構(gòu)成。遙測(cè)短節(jié)自上而下依次為CCL短節(jié)、溫度探頭、GR探頭；探測(cè)發(fā)射短節(jié)自上而下依次為遠(yuǎn)探頭、近探頭、屏蔽體、靶極。遠(yuǎn)探頭距離靶極555mm，近探頭距離靶極278mm，儀器外徑89mm，儀器總長(zhǎng)度5．22mm。最上端設(shè)計(jì)了2種轉(zhuǎn)換短節(jié)，一種是可以轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)測(cè)井常用的外徑為38mm的單芯馬龍頭連接頭；另一種是可轉(zhuǎn)換成配接多芯電纜的馬龍頭連接頭。

PSSL脈沖中子全譜飽和度測(cè)井具有測(cè)井模式豐富（見(jiàn)表2）、多信息剩余油評(píng)價(jià)（碳氧比、碳鈣比、碳?xì)浔?、氯能譜、中子壽命）和良好的動(dòng)態(tài)識(shí)別（活化氧、活化硅、井溫、套后自然伽馬）特性，能更加全面反映單井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)。

表2 PSSL脈沖中子全譜飽和度測(cè)量模式

2 儀器性能試驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室的刻度井中對(duì)脈沖中子全譜飽和度測(cè)井儀器的碳氧比測(cè)井性能進(jìn)行了檢驗(yàn)，做了12個(gè)刻度試驗(yàn)井，1～10號(hào)刻度試驗(yàn)井模擬孔隙度均為30%時(shí)含油飽和度分別在0、25%、50%、67%、100%下有水泥環(huán)和無(wú)水泥環(huán)的地層；11、12號(hào)刻度試驗(yàn)井模擬含油飽和度均為50%時(shí)孔隙度分別為15%及20%條件下的地層。通過(guò)在各刻度試驗(yàn)井中測(cè)量得到的碳氧比等參數(shù)的測(cè)量值比較來(lái)看（見(jiàn)表3、表4），在孔隙度為30%時(shí)，遠(yuǎn)近碳氧比測(cè)量值隨飽和度遞增而增大，相同飽和度下有無(wú)水泥環(huán)測(cè)量值差異較小，硅鈣比、鈣硅比等測(cè)量值誤差均較低；在含油飽和度為50%時(shí)，各測(cè)量值受孔隙度大小影響，隨孔隙度增大而增大。

表3 不同含油飽和度下碳氧比等參數(shù)測(cè)量數(shù)值表（孔隙度為30%）

表4 不同孔隙度下碳氧比等參數(shù)測(cè)量數(shù)值表（含油飽和度為50%）

3 脈沖中子全譜飽和度測(cè)井資料解釋

3．1 解釋模型

脈沖中子全譜飽和度測(cè)井解釋模型分為靜態(tài)解釋模型和動(dòng)態(tài)解釋模型［1］。靜態(tài)解釋模型主要是指重新認(rèn)識(shí)巖性剖面，PSSL脈沖中子全譜軟件可以對(duì)巖性剖面進(jìn)行重新計(jì)算。利用自然伽馬、自然電位、硅鈣比曲線(xiàn)確定泥質(zhì)含量；利用聲波測(cè)井和硅鈣比曲線(xiàn)確定鈣質(zhì)含量；利用聲波測(cè)井、密度測(cè)井、中子測(cè)井值的最小值確定總孔隙度，再由體積模型計(jì)算有效孔隙度。動(dòng)態(tài)解釋模型主要是指計(jì)算可動(dòng)油和可動(dòng)水飽和度、油水相滲透率以及產(chǎn)水率。

3．2 厚層細(xì)分和薄層識(shí)別

脈沖中子全譜飽和度測(cè)井解釋軟件具有裸眼井測(cè)井分層和自動(dòng)分層2種分層解釋功能。裸眼井分層解釋可以按條件自動(dòng)增補(bǔ)新的未解釋層；自動(dòng)分層功能采用泥質(zhì)含量、孔隙度、滲透率等曲線(xiàn)為分層標(biāo)志，可限制最小分層厚度和最小分層參數(shù)等；可以對(duì)儲(chǔ)層厚度大于0．8m的地層定量解釋、厚度0．5～0．8m的地層半定量解釋。

3．3 定性分析

3．3．1 油、水層識(shí)別方法

（1）碳氧比曲線(xiàn)。將實(shí)測(cè)碳氧比曲線(xiàn)、純水層碳氧比曲線(xiàn)、純油層碳氧比曲線(xiàn)疊合后判斷含油性，一般油層上碳氧比曲線(xiàn)與純油層碳氧比曲線(xiàn)重合，與純水層碳氧比曲線(xiàn)之間包絡(luò)面積大；水層碳氧比與純水層碳氧比曲線(xiàn)之間幾乎沒(méi)有包絡(luò)面積。通常認(rèn)為碳氧比值高含油好，碳氧比值低含油性差。

（2）碳氧比與硅鈣比（鈣硅比）曲線(xiàn)疊合法。碳氧比與硅鈣比（鈣硅比）曲線(xiàn)疊合，兩條曲線(xiàn)間所包圍的面積正是儲(chǔ)層含油飽和度及含油量相對(duì)大小的直觀顯示。通常是在泥巖段或標(biāo)準(zhǔn)水層處疊合，根據(jù)2條曲線(xiàn)包絡(luò)面積的特征定性判斷油層或水淹層。

（3）中子壽命曲線(xiàn)。該曲線(xiàn)是直觀反應(yīng)地層含油的曲線(xiàn)，在中高礦化度地層水地區(qū)應(yīng)用效果更好。通常宏觀俘獲截面低值為油層反映，高值則為水層反映。

（4）利用自然伽馬測(cè)井曲線(xiàn)進(jìn)行判斷。測(cè)井自然伽馬曲線(xiàn)與裸眼井自然伽馬曲線(xiàn)重疊，如果在儲(chǔ)層段出現(xiàn)自然放射性異常高值或低值，可以判斷此處可能水淹。

（5）根據(jù)井溫曲線(xiàn)進(jìn)行判斷。水淹層在井溫曲線(xiàn)上顯示為負(fù)異常。

（6）根據(jù)氯能譜曲線(xiàn)判斷。利用氯能譜曲線(xiàn)（俘獲Cl／Si曲線(xiàn)）計(jì)算地層水礦化度，在注淡水情況下，地層礦化度明顯降低，可以有效識(shí)別水淹層。

3．3．2 氣、水層識(shí)別方法

（1）中子壽命曲線(xiàn)。中子壽命測(cè)井適合中、高礦化度測(cè)井，該儀器外徑89mm，同樣套管尺寸下探測(cè)深度大，更能反映地層真實(shí)信息。理論上氣層的Σ值為（0～12）×10－3cm－1，地層水的Σ值為（22～120）×10－3cm－1，兩者差異較大，能很好地區(qū)分氣、水層。

（2）NCNI（俘獲譜總計(jì)數(shù)率／非彈譜總計(jì)數(shù)率）與活化硅曲線(xiàn)疊合法。氣層含氫量低，減速能力弱，其N(xiāo)CNI（俘獲譜／非彈譜）與活化硅均為高值；而水層減速能力強(qiáng)，NCNI（俘獲譜／非彈譜）與活化硅均為低值。因而NCNI、活化硅以適當(dāng)比例在泥巖段重合，二者的幅值及其幅度差是氣水的很好指示。

（3）長(zhǎng)源距與短源距俘獲計(jì)數(shù)率曲線(xiàn)疊合法。地層含氣時(shí)熱中子衰減時(shí)間長(zhǎng)，造成長(zhǎng)、短源距探測(cè)器上的計(jì)數(shù)率曲線(xiàn)有較大的差異。當(dāng)離差大時(shí)為氣層顯示，基本重合為水層。

（4）地層水礦化度曲線(xiàn)。氯能譜測(cè)井反映地層水礦化度，在氣井中，水層氯離子明顯比氣層氯離子濃度高，能很好地區(qū)分氣水層。

3．4 定量計(jì)算

在中、高地層水礦化度地區(qū)，利用中子壽命測(cè)井Σ曲線(xiàn)計(jì)算含水飽和度

式中，Σma、Σh、Σsh、Σw分別為骨架、油、泥質(zhì)和地層水的宏觀俘獲截面，×10－3cm－1。

在低地層水礦化度、礦化度變化或礦化度不明的地區(qū)，用碳氧比測(cè)井曲線(xiàn)確定剩余油飽和度：

采用赫爾佐格公式［11］計(jì)算剩余油飽和度

式中，CO為碳氧比；a為每立方厘米油中碳原子數(shù)目；b為每立方厘米巖石骨架中碳原子數(shù)目；c為每立方厘米水中氧原子數(shù)目；d為每立方厘米巖石骨架中氧原子數(shù)目；φ為地層孔隙度；So為含油飽和度；Nc／No為碳和氧的原子密度比；Bc為井眼中碳密度的貢獻(xiàn)；Bo為井眼中氧密度的貢獻(xiàn)。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4．1 復(fù)雜水淹層應(yīng)用

尕斯庫(kù)勒油田進(jìn)入注水開(kāi)發(fā)中后期，水淹日益嚴(yán)重，尤其對(duì)于淡水水淹（地層水礦化度15．68～18．22×104mg／L，注入水礦化度5×104mg／L），常規(guī)中子壽命測(cè)井很難有效識(shí)別油水層。如淡水水淹層Σ值與油層相近，甚至出現(xiàn)低于油層的個(gè)別情況。應(yīng)用脈沖中子全譜飽和度測(cè)井中的碳氧比測(cè)井模式，由于其不受地層淡水水淹影響，能較好的識(shí)別出水淹層和未動(dòng)用潛力層。

A井為尕斯庫(kù)勒油田一口采油井。根據(jù)脈沖中子全譜飽和度測(cè)井資料分析（見(jiàn)圖1），Ⅲ－10小層滲透性較好，碳氧比曲線(xiàn)與純油層碳氧比曲線(xiàn)包絡(luò)面積大，碳氧比與硅鈣比曲線(xiàn)同樣有很大包絡(luò)面積，為油層顯示；Ⅴ－25、Ⅴ－26小層碳氧比曲線(xiàn)與純油層碳氧比曲線(xiàn)有很大離差，且碳氧比與硅鈣比曲線(xiàn)基本重合，伽馬曲線(xiàn)高值反向，且溫度有異常，綜合判斷為強(qiáng)水淹層；活化水流曲線(xiàn)顯示在1580m非射孔處有出液點(diǎn)，該處活化氧遠(yuǎn)近計(jì)數(shù)率曲線(xiàn)高值且有離差，溫度曲線(xiàn)異常，分析為套管破損，地層出液。后期將Ⅴ－25、Ⅴ－26小層封堵后，綜合含水從98%降低到65%，產(chǎn)油量從0．77m3／d增加到6．89m3／d，累計(jì)增油1035．56m3／d。

4．2 低礦化度地區(qū)應(yīng)用

昆北、柴北緣油氣藏等油田礦化度較低，一般低于5×104mg／L，中子壽命測(cè)井時(shí)油水層Σ值相近，不易區(qū)分。利用脈沖中子全譜飽和度測(cè)井中的碳氧比測(cè)井模式，由于不受地層水礦化度影響，在該類(lèi)地區(qū)應(yīng)用效果良好。B井為昆北油田一口采油井，根據(jù)脈沖中子全譜飽和度測(cè)井資料分析（見(jiàn)圖2），Ⅰ－5小層滲透性較好，碳氧比曲線(xiàn)與純油層碳氧比曲線(xiàn)包絡(luò)面積大，計(jì)算含油飽和度53%，解釋為油層。該層射孔后日產(chǎn)油6．05m3，含水2．32%。

4．3 復(fù)雜氣層應(yīng)用

澀北氣田儲(chǔ)層具有高泥質(zhì)含量、束縛水高礦化度、低電阻率等特點(diǎn)，常規(guī)中子壽命測(cè)井曲線(xiàn)分層能力較差，很難有效識(shí)別氣層。

C井為澀北氣田一口氣井，前期進(jìn)行常規(guī)中子壽命測(cè)井，Σ曲線(xiàn)起伏不明顯。后期開(kāi)展PSSL脈沖中子全譜飽和度測(cè)井，從測(cè)井資料分析（見(jiàn)圖3），碳氧比曲線(xiàn)分層能力較差，但中子壽命模式求取的Σ曲線(xiàn)識(shí)別氣水能力較好。80號(hào)小層Σ低值，NCNI曲線(xiàn)和活化硅曲線(xiàn)同時(shí)變大，計(jì)算含氣飽和度65%，解釋為氣層；3號(hào)小層Σ高值，NCNI曲線(xiàn)和活化硅曲線(xiàn)和圍巖相似，計(jì)算含氣飽和度20%，解釋為水層。

圖1 A井PSSL脈沖中子全譜飽和度測(cè)井成果圖

圖2 B井PSSL脈沖中子全譜飽和度測(cè)井成果圖

圖3 C井PSSL脈沖中子全譜飽和度測(cè)井成果圖

5 結(jié) 論

（1）脈沖中子全譜飽和度測(cè)井是以求取多種信息為探測(cè)目標(biāo)的測(cè)井技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了從單一方法到全譜全過(guò)程測(cè)量。儀器一次下井可以完成多種能譜與時(shí)間譜測(cè)量，測(cè)量精度高，是進(jìn)行套管井飽和度測(cè)井的理想測(cè)井技術(shù)之一。

（2）在脈沖中子全譜飽和度測(cè)井解釋方法上形成了定性、定量、動(dòng)靜態(tài)資料充分結(jié)合的綜合解釋分析方法，各方法相互驗(yàn)證、動(dòng)靜結(jié)合、新老對(duì)比，消除多解性和不確定性，使得解釋結(jié)論更加可靠，為提高資料解釋準(zhǔn)確度和符合率提供有力保障。

（3）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，脈沖中子全譜飽和度測(cè)井不僅能滿(mǎn)足常規(guī)條件下的飽和度測(cè)井，而且可以滿(mǎn)足復(fù)雜地層條件下的飽和度測(cè)井，尤其在復(fù)雜水淹層識(shí)別，低礦化度地區(qū)以及復(fù)雜氣藏氣層的應(yīng)用方面都取得了良好的應(yīng)用效果。

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