脉冲中子全谱饱和度测井在青海油田的应用

张洪，邱金权，张智峰，王青川，谢飞，甘常建

（青海油田测试公司，青海 茫崖816499）

0 引 言

青海油田油气藏类型丰富，地质特征复杂，中子寿命饱和度测井技术的应用存在一定局限性，如在尕斯油田淡水水淹、昆北低矿化度及涩北气田高矿化度、高泥质、低电阻率地区出现了油、气、水层的Σ（热中子宏观俘获截面）差异不明显，油、气、水储层认识不清的问题。

脉冲中子全谱饱和度测井（Pulsed Neutron Full－spectra Saturation Logging，PSSL）是以核物理理论为基础的一种新型脉冲中子测井方法，集合了碳氧比、氯能谱、中子寿命及氧活化等一系列能谱与时间谱测井，具有录取信息量丰富、辅助手段多（重新计算岩性剖面、建立可动油水模型、相渗模型、厚层细分、薄层识别）等特点，多种测井信息互相佐证，消除多解性，能较好解决目前油田饱和度计算存在的问题，其提供的资料解释成果更加符合油田开发实际［1］。

2011年青海油田引进西安奥华公司的脉冲中子全谱饱和度测井（以下简称PSSL），通过近20余井次的应用，基本解决了目前饱和度测井面临的问题，尤其在复杂淡水水淹、低矿化度油藏以及复杂气层测井上取得了良好的应用效果，为有效识别水淹层，充分动用潜力层提供了科学依据，是目前油田饱和度测井手段的有效补充。

1 脉冲中子全谱饱和度测井技术

1．1 饱和度测井技术

套管井饱和度核测井技术根据测量对象的不同可分为碳氧比能谱测井和中子寿命测井2个大类。碳氧比能谱测井包括普通碳氧比测井（单源距）、斯伦贝谢公司RST测井［2］、哈里伯顿公司的RMT测井［3］、阿特拉斯公司的 RPM 测井［4］以及康普乐公司的PND－S测井［5］；中子寿命测井包括传统的中子寿命测井［6］、注硼中子寿命测井［7］以及 HOTWELL公司的PNN 测井［8］等（见表1）。

套管井饱和度核测井早期仅有中子寿命测井一种测井方法，如今已有多种元素为探测目标的测井技术，测井方法从单一元素探测到全谱测量，如大庆测试公司研发的 PNST［9－10］、西安奥华公司研发的脉冲中子全谱饱和度测井（PSSL）等都实现了单一元素探测到全谱全过程测量，其测量精度高，有多种测量模式，一次下井可以完成全部能谱测量。

表1 仪器性能指标对比表

1．2 脉冲中子全谱饱和度测井原理及技术特点

1．2．1 测井原理

通过脉冲中子源向地层中发射高频、低频的14MeV中子流，与地层原子核发生各种反应，生成具有一定能量和时间分布的伽马谱或热中子谱，分别记录非弹性散射次生伽马能谱、中子俘获次生伽马能谱、（超）热中子次生伽马时间谱、连续活化能谱的全谱信息，其中90%的时间测量的是碳氧比能谱和氯能谱、4%的时间测量热中子寿命、6%的时间测量活化伽马能谱。碳氧比组合中子寿命模式可以同时得到非弹和俘获曲线，如碳氧比曲线、中子寿命曲线，可以满足不同地质条件下的饱和度测井；自然伽马能谱模式可以与其他模式组合测井，是划分岩性、计算泥质含量以及进行地层对比的有效手段；活化水流模式可以得到长、短源距活化氧2条曲线，可以直接显示井眼中或井眼附近水泥环、地层中的水流流动特征；利用采集的数据信息还可以实现孔隙度计算，真正实现多功能脉冲中子能谱测井。

1．2．2 仪器结构及技术特性

PSSL脉冲中子全谱饱和度测井仪主要由遥测短节、探测发射短节构成。遥测短节自上而下依次为CCL短节、温度探头、GR探头；探测发射短节自上而下依次为远探头、近探头、屏蔽体、靶极。远探头距离靶极555mm，近探头距离靶极278mm，仪器外径89mm，仪器总长度5．22mm。最上端设计了2种转换短节，一种是可以转换成现场生产测井常用的外径为38mm的单芯马龙头连接头；另一种是可转换成配接多芯电缆的马龙头连接头。

PSSL脉冲中子全谱饱和度测井具有测井模式丰富（见表2）、多信息剩余油评价（碳氧比、碳钙比、碳氢比、氯能谱、中子寿命）和良好的动态识别（活化氧、活化硅、井温、套后自然伽马）特性，能更加全面反映单井生产动态。

表2 PSSL脉冲中子全谱饱和度测量模式

2 仪器性能试验

在实验室的刻度井中对脉冲中子全谱饱和度测井仪器的碳氧比测井性能进行了检验，做了12个刻度试验井，1～10号刻度试验井模拟孔隙度均为30%时含油饱和度分别在0、25%、50%、67%、100%下有水泥环和无水泥环的地层；11、12号刻度试验井模拟含油饱和度均为50%时孔隙度分别为15%及20%条件下的地层。通过在各刻度试验井中测量得到的碳氧比等参数的测量值比较来看（见表3、表4），在孔隙度为30%时，远近碳氧比测量值随饱和度递增而增大，相同饱和度下有无水泥环测量值差异较小，硅钙比、钙硅比等测量值误差均较低；在含油饱和度为50%时，各测量值受孔隙度大小影响，随孔隙度增大而增大。

表3 不同含油饱和度下碳氧比等参数测量数值表（孔隙度为30%）

表4 不同孔隙度下碳氧比等参数测量数值表（含油饱和度为50%）

3 脉冲中子全谱饱和度测井资料解释

3．1 解释模型

脉冲中子全谱饱和度测井解释模型分为静态解释模型和动态解释模型［1］。静态解释模型主要是指重新认识岩性剖面，PSSL脉冲中子全谱软件可以对岩性剖面进行重新计算。利用自然伽马、自然电位、硅钙比曲线确定泥质含量；利用声波测井和硅钙比曲线确定钙质含量；利用声波测井、密度测井、中子测井值的最小值确定总孔隙度，再由体积模型计算有效孔隙度。动态解释模型主要是指计算可动油和可动水饱和度、油水相渗透率以及产水率。

3．2 厚层细分和薄层识别

脉冲中子全谱饱和度测井解释软件具有裸眼井测井分层和自动分层2种分层解释功能。裸眼井分层解释可以按条件自动增补新的未解释层；自动分层功能采用泥质含量、孔隙度、渗透率等曲线为分层标志，可限制最小分层厚度和最小分层参数等；可以对储层厚度大于0．8m的地层定量解释、厚度0．5～0．8m的地层半定量解释。

3．3 定性分析

3．3．1 油、水层识别方法

（1）碳氧比曲线。将实测碳氧比曲线、纯水层碳氧比曲线、纯油层碳氧比曲线叠合后判断含油性，一般油层上碳氧比曲线与纯油层碳氧比曲线重合，与纯水层碳氧比曲线之间包络面积大；水层碳氧比与纯水层碳氧比曲线之间几乎没有包络面积。通常认为碳氧比值高含油好，碳氧比值低含油性差。

（2）碳氧比与硅钙比（钙硅比）曲线叠合法。碳氧比与硅钙比（钙硅比）曲线叠合，两条曲线间所包围的面积正是储层含油饱和度及含油量相对大小的直观显示。通常是在泥岩段或标准水层处叠合，根据2条曲线包络面积的特征定性判断油层或水淹层。

（3）中子寿命曲线。该曲线是直观反应地层含油的曲线，在中高矿化度地层水地区应用效果更好。通常宏观俘获截面低值为油层反映，高值则为水层反映。

（4）利用自然伽马测井曲线进行判断。测井自然伽马曲线与裸眼井自然伽马曲线重叠，如果在储层段出现自然放射性异常高值或低值，可以判断此处可能水淹。

（5）根据井温曲线进行判断。水淹层在井温曲线上显示为负异常。

（6）根据氯能谱曲线判断。利用氯能谱曲线（俘获Cl／Si曲线）计算地层水矿化度，在注淡水情况下，地层矿化度明显降低，可以有效识别水淹层。

3．3．2 气、水层识别方法

（1）中子寿命曲线。中子寿命测井适合中、高矿化度测井，该仪器外径89mm，同样套管尺寸下探测深度大，更能反映地层真实信息。理论上气层的Σ值为（0～12）×10－3cm－1，地层水的Σ值为（22～120）×10－3cm－1，两者差异较大，能很好地区分气、水层。

（2）NCNI（俘获谱总计数率／非弹谱总计数率）与活化硅曲线叠合法。气层含氢量低，减速能力弱，其NCNI（俘获谱／非弹谱）与活化硅均为高值；而水层减速能力强，NCNI（俘获谱／非弹谱）与活化硅均为低值。因而NCNI、活化硅以适当比例在泥岩段重合，二者的幅值及其幅度差是气水的很好指示。

（3）长源距与短源距俘获计数率曲线叠合法。地层含气时热中子衰减时间长，造成长、短源距探测器上的计数率曲线有较大的差异。当离差大时为气层显示，基本重合为水层。

（4）地层水矿化度曲线。氯能谱测井反映地层水矿化度，在气井中，水层氯离子明显比气层氯离子浓度高，能很好地区分气水层。

3．4 定量计算

在中、高地层水矿化度地区，利用中子寿命测井Σ曲线计算含水饱和度

式中，Σma、Σh、Σsh、Σw分别为骨架、油、泥质和地层水的宏观俘获截面，×10－3cm－1。

在低地层水矿化度、矿化度变化或矿化度不明的地区，用碳氧比测井曲线确定剩余油饱和度：

采用赫尔佐格公式［11］计算剩余油饱和度

式中，CO为碳氧比；a为每立方厘米油中碳原子数目；b为每立方厘米岩石骨架中碳原子数目；c为每立方厘米水中氧原子数目；d为每立方厘米岩石骨架中氧原子数目；φ为地层孔隙度；So为含油饱和度；Nc／No为碳和氧的原子密度比；Bc为井眼中碳密度的贡献；Bo为井眼中氧密度的贡献。

4 现场应用

4．1 复杂水淹层应用

尕斯库勒油田进入注水开发中后期，水淹日益严重，尤其对于淡水水淹（地层水矿化度15．68～18．22×104mg／L，注入水矿化度5×104mg／L），常规中子寿命测井很难有效识别油水层。如淡水水淹层Σ值与油层相近，甚至出现低于油层的个别情况。应用脉冲中子全谱饱和度测井中的碳氧比测井模式，由于其不受地层淡水水淹影响，能较好的识别出水淹层和未动用潜力层。

A井为尕斯库勒油田一口采油井。根据脉冲中子全谱饱和度测井资料分析（见图1），Ⅲ－10小层渗透性较好，碳氧比曲线与纯油层碳氧比曲线包络面积大，碳氧比与硅钙比曲线同样有很大包络面积，为油层显示；Ⅴ－25、Ⅴ－26小层碳氧比曲线与纯油层碳氧比曲线有很大离差，且碳氧比与硅钙比曲线基本重合，伽马曲线高值反向，且温度有异常，综合判断为强水淹层；活化水流曲线显示在1580m非射孔处有出液点，该处活化氧远近计数率曲线高值且有离差，温度曲线异常，分析为套管破损，地层出液。后期将Ⅴ－25、Ⅴ－26小层封堵后，综合含水从98%降低到65%，产油量从0．77m3／d增加到6．89m3／d，累计增油1035．56m3／d。

4．2 低矿化度地区应用

昆北、柴北缘油气藏等油田矿化度较低，一般低于5×104mg／L，中子寿命测井时油水层Σ值相近，不易区分。利用脉冲中子全谱饱和度测井中的碳氧比测井模式，由于不受地层水矿化度影响，在该类地区应用效果良好。B井为昆北油田一口采油井，根据脉冲中子全谱饱和度测井资料分析（见图2），Ⅰ－5小层渗透性较好，碳氧比曲线与纯油层碳氧比曲线包络面积大，计算含油饱和度53%，解释为油层。该层射孔后日产油6．05m3，含水2．32%。

4．3 复杂气层应用

涩北气田储层具有高泥质含量、束缚水高矿化度、低电阻率等特点，常规中子寿命测井曲线分层能力较差，很难有效识别气层。

C井为涩北气田一口气井，前期进行常规中子寿命测井，Σ曲线起伏不明显。后期开展PSSL脉冲中子全谱饱和度测井，从测井资料分析（见图3），碳氧比曲线分层能力较差，但中子寿命模式求取的Σ曲线识别气水能力较好。80号小层Σ低值，NCNI曲线和活化硅曲线同时变大，计算含气饱和度65%，解释为气层；3号小层Σ高值，NCNI曲线和活化硅曲线和围岩相似，计算含气饱和度20%，解释为水层。

图1 A井PSSL脉冲中子全谱饱和度测井成果图

图2 B井PSSL脉冲中子全谱饱和度测井成果图

图3 C井PSSL脉冲中子全谱饱和度测井成果图

5 结 论

（1）脉冲中子全谱饱和度测井是以求取多种信息为探测目标的测井技术，实现了从单一方法到全谱全过程测量。仪器一次下井可以完成多种能谱与时间谱测量，测量精度高，是进行套管井饱和度测井的理想测井技术之一。

（2）在脉冲中子全谱饱和度测井解释方法上形成了定性、定量、动静态资料充分结合的综合解释分析方法，各方法相互验证、动静结合、新老对比，消除多解性和不确定性，使得解释结论更加可靠，为提高资料解释准确度和符合率提供有力保障。

（3）通过现场应用，脉冲中子全谱饱和度测井不仅能满足常规条件下的饱和度测井，而且可以满足复杂地层条件下的饱和度测井，尤其在复杂水淹层识别，低矿化度地区以及复杂气藏气层的应用方面都取得了良好的应用效果。

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