我国脉冲中子测井技术发展综述

　第４３卷增刊原子能科学技术Ｖｏｌ．４３，Ｓｕｐｐｌ．　２００９年１２月ＡｔｏｍｉｃＥｎｅｒｇｙＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＤｅｃ．２００９我国脉冲中子测井技术发展综述张　锋（中国石油大学（华东）地球资源与信息学院，山东青岛　２６６５５５）摘要：脉冲中子测井是以脉冲中子源产生快中子，与井眼和地层物质元素原子核发生作用，通过记录γ射线或热中子，从而进行含油饱和度、孔隙度及水流量等地质和工程参数确定的测井技术。概述了国外几种饱和度测井和氧活化水流测井技术及国内对仪器的引进和应用情况，总结了国内中子寿命和碳氧比能谱测井仪的研发历程，并对我国脉冲中子测井技术的发展前景和突破口进行了阐述。关键词：脉冲中子测井技术；技术引进；自主研发中图分类号：Ｐ６３１．８１７　　　文献标志码：Ａ　　　文章编号：１０００６９３１（２００９）Ｓ００１１６０８犛狌犿犿犪狉狔狅犳犇犲狏犲犾狅狆犿犲狀狋犳狅狉犘狌犾狊犲犱犖犲狌狋狉狅狀犠犲犾犾犔狅犵犵犻狀犵犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔犻狀犗狌狉犆狅狌狀狋狉狔ＺＨＡＮＧＦｅｎｇ（犆狅犾犾犲犵犲狅犳犌犲狅犚犲狊狅狌狉犮犲狊犪狀犱犐狀犳狅狉犿犪狋犻狅狀，犆犺犻狀犪犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔狅犳犘犲狋狉狅犾犲狌犿，犙犻狀犵犱犪狅２６６５５５，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋：　Ｔｈｅｐｕｌｓｅｄｎｅｕｔｒｏｎｗｅｌｌｌｏｇｇｉｎｇｉｓａｌｏｇｇｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｔｈａｔｔｈｅｇｅｏｌｏｇｉｃａｌａｎｄｐｒｏｊｅｃｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｏｉｌｓａｔｕｒａｔｉｏｎ，ｐｏｒｏｓｉｔｙａｎｄｗａｔｅｒｆｌｏｗｃａｎｂｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｂｙｒｅｃｏｒｄｉｎｇｇａｍｍａｒａｙｏｒｔｈｅｒｍａｌｎｅｕｔｒｏｎ，ｗｈｉｃｈａｒｅｐｒｏｄｕｃｅｄｔｈｒｏｕｇｈｒｅａｃｔｉｏｎｏｆｆａｓｔｎｅｕｔｒｏｎｓｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙｐｕｌｓｅｄｎｅｕｔｒｏｎｓｏｕｒｃｅｗｉｔｈｎｕｃｌｅｉｉｎｂｏｒｅｈｏｌｅａｎｄｆｏｒｍａｔｉｏｎｍａｔｅｒｉａｌ．Ｓｅｖｅｒａｌｋｉｎｄｓｏｆｌｏｇｇｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｔｏｄｅｔｅｒｍｉｎｅｏｉｌｓａｔｕｒａｔｉｏｎａｎｄｏｘｙｇｅｎａｃｔｉｖａｔｉｏｎｗａｔｅｒｆｌｏｗ，ａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｅｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓｉｎｄｏｍｅｓｔｉｃ，ｗｅｒｅｓｋｅｔｃｈｅｄｏｕｔ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｎｅｕｔｒｏｎｌｉｆｅｔｉｍｅａｎｄｃａｒｂｏｎｏｘｙｇｅｎｒａｔｉｏｓｐｅｃｔｒｕｍｌｏｇｇｉｎｇｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｉｎｄｏｍｅｓｔｉｃｗｅｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ，ａｎｄｔｈｅｐｒｏｓｐｅｃｔａｎｄｂｒｅａｋｔｈｒｏｕｇｈｉｎｐｕｌｓｅｄｎｅｕｔｒｏｎｗｅｌｌｌｏｇｇｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｏｕｒｃｏｕｎｔｒｙｗｅｒｅｅｌａｂｏｒａｔｅｄ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ｐｕｌｓｅｄｎｅｕｔｒｏｎｗｅｌｌｌｏｇｇｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ；ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ收稿日期：２００９０９０３；修回日期：２００９１０２５基金项目：国家自然科学基金资助项目（４０７７４０５８）；山东省自然科学基金资助项目作者简介：张　锋（１９７０—），男，山东莒南人，副教授，博士，从事核测井方法基础研究、核测井资料处理及蒙特卡罗模拟等工作　　随着我国油田进入高含水开发后期，开采难度越来越大，常规生产测井技术已不能满足需求，高水平的油藏动态监测技术对石油开发具有重要的应用意义，而脉冲中子测井技术则是当前确定油藏剩余油饱和度分布规律、了解注水和产液剖面、调整注采方案、提高采收率的主要手段。国内测井行业在引进国外脉冲中子测井仪器进行油田服务的同时，业已开展大量的研发工作，脉冲中子测井技术已在油田实际生产中得到广泛应用。１　脉冲中子测井技术［１２］脉冲中子测井是以脉冲中子与地层相互作用为物理基础的核测井方法，通过在井眼（或探孔）中井下中子发生器产生快中子，快中子进入井眼、地层后与原子核发生非弹性散射、弹性散射、辐射俘获和中子活化反应，利用γ或中子探测器记录γ能谱、γ或热中子时间谱等信息资源来进行地层参数评价，主要包括脉冲中子饱和度测井、脉冲中子氧活化水流测井以及脉冲中子孔隙度测井等技术。１１　脉冲中子饱和度测井脉冲中子饱和度测井又分为碳氧比能谱测井和中子寿命（宏观俘获截面Σ）测井，这是１种利用脉冲中子源，以一定的脉冲宽度和重复周期向地层发射中子束，通过测量非弹性散射γ能谱和热中子或γ时间谱来确定地层含油饱和度的测井技术。１）碳氧比能谱测井碳和氧分别是原油和水的指示元素，地层中能与快中子发生非弹性散射而产生γ射线的核素主要为１２Ｃ、１６Ｏ、２８Ｓｉ和４０Ｃａ，发生非弹性散射产生的γ射线能量分别为４．４３、６．１３、１．７８和３．７３ＭｅＶ。根据不同反应的时间分布，按时间先后，仪器开有脉冲门、俘获门等，分别接收非弹性散射γ射线和俘获γ射线，利用多道脉冲幅度分析器进行γ能谱分析，测量非弹性散射γ射线和俘获γ射线的强度，进而确定地层中存在的各种核素及其浓度，获取含油饱和度等地层参数。碳氧比能谱测井主要用在孔隙水的矿化度低、不稳定或未知条件下，在套管井中确定地层的含油饱和度，特别是测定注水开发油层的剩余油饱和度。另外，利用碳氧比能谱测井还可划分水淹层，指示岩性、孔隙度、泥质和地层水矿化度等参数。２）中子寿命测井高矿化度地层水热中子宏观俘获截面比石英、白云石和方解石等孔隙性岩石骨架矿物大１个数量级，是淡水或原油截面的２～５倍，利用热中子寿命可确定含水饱和度。测井时，用脉冲中子源向地层发射１４ＭｅＶ中子，测量经地层慢化而又返回井眼内的热中子或俘获γ射线，根据计数率随时间的衰减，计算出地层的热中子宏观俘获截面Σ或寿命τ，可在裸眼井，特别是套管井中获得地层的含水饱和度。另外，可划分油、水、气层，监测油、水或气、水界面的变化，应用于孔隙度等的求取。１２　脉冲中子氧活化水流测井水中稳定核素１６Ｏ与１４ＭｅＶ中子发生（ｎ，ｐ）反应，转变为放射性核素１６Ｎ。１６Ｎ的半衰期为７．１３ｓ，释放出的γ射线能量为７．１２和６．１３ＭｅＶ。这些高能γ射线能穿透井中的流体、油管、套管和水泥环，如果高能脉冲中子发生器到γ射线探测器的距离为犛，水流从发生器到探测器经历时间为狋，那么，水的流动速度则为狏＝犛／狋。在流动截面已知情况下，即可准确计算出各层的分层注入量。１３　脉冲中子孔隙度测井斯仑贝谢公司于１９９１年研制出了可投入实用的加速器型超热中子孔隙度测井仪ＡＰＳ［３］。ＡＰＳ使用了由近、中、远３个超热中子探测器和１个热中子探测器组成的阵列探头，集补偿超热中子孔隙度、超热中子寿命及热中子寿命于一体，除了利用短源距测量结果来改善补偿超热中子测井的薄层分辨能力外，还利用了有时间延迟功能的脉冲中子中子测量，具有更好的薄层分辨性能的优点。２　国外脉冲中子测井技术的进展２１　国外研发的脉冲中子测井仪［４１０］目前，国外的发展趋势是缩小仪器直径，采用高效晶体和多个探头以及１支仪器兼容中子寿命测井、碳氧比测井和元素测井等多种测量功能，将仪器通过油管下入井内，在套管内可测定剩余油饱和度，评价油层水淹情况，还可测得地层孔隙度等地层参数。１）储层饱和度仪ＲＳＴ和ＲＳＴＰｒｏ１９９１年，斯仑贝谢公司推出了新一代脉冲中子能谱仪器———储层饱和度仪（ＲＳＴ）。１９９９年，又推出了ＲＳＴＰｒｏ仪器。ＲＳＴ具有非弹７１１增刊　　张　锋：我国脉冲中子测井技术发展综述性俘获、俘获Σ等３种测量模式，其中，非弹性俘获模式的每个周期中包含１个脉冲中子发射和３个采集时间门；俘获Σ模式的每个测量周期含有２个脉冲（１个长脉冲和１个短脉冲），它是通过ＧＳＯ闪烁晶体探头测量快中子与地层核素发生的非弹性散射、俘获自然释放出来的次生γ射线，以进行能谱分析和热中子衰减时间分析，求取储层的Ｃ／Ｏ比和宏观俘获截面Σ的测井方法。２）ＲＭＴ测井仪ＲＭＴ测井仪是哈利伯顿公司生产的新型脉冲中子测井仪，其主要技术特点是双脉冲中子发射、多种测量模式，非弹性模式（Ｃ／Ｏ测井模式）脉冲中子发射频率为１０ｋＨｚ；俘获模式（ＴＭＤＬ多门热中子衰减时间测井模式）脉冲中子发射频率为８００Ｈｚ。仪器外径为５４ｍｍ，可在内径为６１～２４４ｍｍ的油管或套管内测井。３）ＲＰＭ测井仪ＲＰＭ测井仪是阿特拉斯公司生产的小直径脉冲中子测井仪，它可实现脉冲中子俘获（ＰＮＣ）测量、脉冲中子能谱（Ｃ／Ｏ）测量、脉冲中子持率（ＰＮＨＩ）测量、中子活化水流测量和示踪测量（ＰＲＩＳＭ），其中，中子活化水流测量又包括含水量（ＨＹＤＬ）测量和环空水流（ＡＦＬ）测量。４）ＰＮＤＳ测井仪康普乐公司生产的ＰＮＤＳ测井仪采用两种脉冲发射方式向地层发射高能快中子，一种采用固定频率（１４２８Ｈｚ）发射，通过非弹γ能谱求取ＣＡＴＯ来确定含油饱和度；另一种采用伺服发射方式（２００～１０００Ｈｚ），即脉冲中子发射序列先以１４２８Ｈｚ频率发射，初步确定地层的热中子寿命，然后确定相应的频率（２００～１０００Ｈｚ）来发射中子，通过俘获γ时间谱求取热中子寿命τ。５）ＰＮＮ测井仪ＰＮＮ（ｐｕｌｓｅｄｎｅｕｔｒｏｎｎｅｕｔｒｏｎ）测井仪是脉冲中子中子测井仪的简称，由奥地利ＨＯＴＷＥＬＬ公司生产。该测井仪是通过远和近两支３Ｈｅ计数管探测热中子，由热中子的时间谱求出地层的宏观截面、进而求取含水饱和度的新一代的套管井储层评价测井仪器。２２　国外脉冲中子测井仪的引进及其在我国油田开发中的应用从２０世纪９０年代末期开始，除了斯伦贝谢公司因仪器封锁外，国内多家测井公司从国外引进了上述脉冲中子饱和度测井仪，如中石化胜利测井公司引进了ＰＮＤＳ测井仪，中海油服油田事业部引进了ＲＰＭ测井仪，中油国际、华北油田和大庆油田测井公司分别引进了ＲＭＴ测井仪，大港油田股份公司测试公司和中海油服油田事业部分别引进了ＰＮＮ测井仪。引进的国外脉冲中子测井仪在国内、外油田开发中发挥了重要作用。袁秀婷等［１１］利用ＰＮＤ测井技术在碳酸盐岩储层饱和度评价方面得以应用；梁军彬［１２］根据ＰＮＤＳ测井仪在特高含水油田进行定量求取剩余油饱和度、指导制定补孔措施、识别和重新认识气层、定量评价储层动用程度、指导井组注采调整方面得到了有效应用。张唯聪等［１３］利用ＲＭＴ测井技术在松辽盆地、渤海湾地区和西部油田中进行了油藏剩余油监测，在判断岩性、反映层内水淹差异、指示产层出砂、识别含气层位、确定堵水层位、识别油水界面和再挖潜老井方面取得了较好效果；范小秦等［１４］在低渗透率砾岩储层中利用ＲＭＴ测井技术能够很好地判断岩性与储层物性和油水层、识别低电阻率油层和水淹层、确定注水受效层位、在稠油开发区确定蒸汽驱油效果，该技术更适合低孔隙度、低渗透率、有多种混合水注入的砾岩储层；徐静等［１５］在水淹层评价中利用ＲＭＴ测井技术准确提供地层的孔隙度、渗透率、含油饱和度等诸多地层参数。黄志洁等［１６１７］利用ＲＰＭ测井技术在海上油田监测中来判断水淹层位、确定油水界面及饱和度、识别气层，同时定期动态监测与生产动态相结合，了解储层的动用情况，为挖潜、调整提供依据。张予生［１２］和邹军［１８］对ＰＮＮ测井技术在国内的应用状况做了介绍。另外，斯伦贝谢公司利用他们的ＲＳＴ饱和度测井仪在国内从事技术服务。３　我国脉冲中子饱和度测井仪器的研发进展３１　中子寿命测井仪器１９７５年，西安石油仪器总厂研制的ＦＣ７３１型中子寿命测井仪现场试验成功，并通过石油８１１原子能科学技术　　第４３卷部鉴定，至１９７８年，已累计生产２５套仪器。１９８４年，ＦＣ８４１型过油管中子寿命测井仪投入现场使用。１９９３年，西安石油仪器总厂ＳＫＣ数控测井系统中的ＳＭＪＡ中子寿命测井仪通过科研鉴定。１９９５年，ＳＫＣ数控测井系统中的ＳＭＪＢ中子寿命测井仪通过科研鉴定，至２００３年，ＳＭＪ系列产品已累计生产４１套。２０世纪９０年代末期［１９］，西安石油