PNST-3D剩余油飽和度測(cè)井儀的設(shè)計(jì)

呂俊濤，董建華，歐昊達(dá)，梁慶寶，韋成海

(1.大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江 大慶 163453；2.東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院 黑龍江 大慶 163318)

0 引 言

隨著油田進(jìn)入開發(fā)中后期含水率的不斷提高，如何有效監(jiān)測(cè)地層剩余油飽和度變化及動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)地層水淹情況，是油井動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)的主要任務(wù)。油田開發(fā)技術(shù)不斷進(jìn)步,水平井開采技術(shù)日臻完善,在生產(chǎn)中獲得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。所以，對(duì)于了解水平井及大斜度井的井下儲(chǔ)層情況和剩余油分布等非常重要。

剩余油飽和度測(cè)井方法目前主要有過套管電阻率測(cè)井、碳氧比測(cè)井、中子壽命測(cè)井、中子伽馬注釓測(cè)-注-測(cè)測(cè)井、脈沖中子-中子測(cè)井等。國(guó)外各大測(cè)井公司的脈沖中子綜合測(cè)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(cè)井功能并且直徑小。但由于引進(jìn)的RMT等儀器中子管的限制及儀器的老化已陸續(xù)停用。大慶油田的脈沖中子全譜測(cè)井儀PNST其90 mm的外徑不能適應(yīng)水平井、大斜度井套后剩余油監(jiān)測(cè)需求，且國(guó)內(nèi)尚無可用技術(shù)，因此研制了PNST-3D測(cè)井儀。在現(xiàn)有PNST基礎(chǔ)上，將儀器外徑縮小至54 mm，同時(shí)保證現(xiàn)有技術(shù)的耐溫耐壓、測(cè)井速度、測(cè)井功能、測(cè)量精度等性能指標(biāo)能滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。

1 PNST-3D測(cè)井原理及設(shè)計(jì)

1.1 測(cè)井原理

中子發(fā)生器每隔一定時(shí)間發(fā)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(fā)生非彈性散射，并不斷被井眼和地層俘獲，產(chǎn)生特征伽馬射線[1]。通過記錄這些伽馬射線的能譜和時(shí)間譜來計(jì)算地層含油飽和度，評(píng)價(jià)油層水淹狀況及進(jìn)行剩余油評(píng)價(jià)。

1.2 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

探測(cè)器系統(tǒng)主要由采集電路及BGO伽馬射線探測(cè)器構(gòu)成，數(shù)據(jù)采集電路部分主要功能是對(duì)伽馬射線能譜、時(shí)間譜及中子脈沖幅度譜、時(shí)間譜的采集，同時(shí)實(shí)現(xiàn)不同的中子爆發(fā)、采集時(shí)序，完成長(zhǎng)、短源距光電倍增管自動(dòng)穩(wěn)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?shù)裙δ堋?/p>

表1 各大公司脈沖中子測(cè)井儀功能對(duì)比

水平井井眼周圍環(huán)境復(fù)雜，管柱、滯油、油層等均會(huì)對(duì)測(cè)井響應(yīng)造成影響，采用三探頭的BGO探測(cè)器結(jié)構(gòu)，通過不同源距的測(cè)井信息綜合分析，能消除井眼影響，提高較遠(yuǎn)處地層的測(cè)井響應(yīng)。通過蒙特卡羅數(shù)值模擬確定探測(cè)器的源距分別為30、50、70 cm，近探測(cè)器主要響應(yīng)井眼，中、遠(yuǎn)探測(cè)器響應(yīng)地層信息。水平井套后剩余油測(cè)井儀結(jié)構(gòu)如圖1所示。理論研究表明，源距越大，探測(cè)深度越深，此外超遠(yuǎn)探測(cè)器在低孔隙度條件下對(duì)含氣飽和度變化更靈敏。因此，對(duì)雙源距有效信息匹配方法進(jìn)行拓展，應(yīng)用于三探測(cè)器系統(tǒng)，便可以有效獲取來自水平井周圍地層的相關(guān)信息，提高低孔隙度時(shí)氣水層判別能力，實(shí)現(xiàn)脈沖中子-密度-孔隙度測(cè)井功能，能在深層氣、頁(yè)巖氣測(cè)井中識(shí)別和評(píng)價(jià)氣層。

圖1 水平井套后剩余油測(cè)井儀結(jié)構(gòu)圖

1.3 屏蔽體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中子發(fā)生器發(fā)射的快中子向四周發(fā)射，中子源和探測(cè)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(jìn)入地層。通過屏蔽結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低了井眼效應(yīng)，增大了儀器探測(cè)深度。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及蒙特卡羅數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行綜合分析,通過數(shù)值模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)了屏蔽體厚度，如圖2所示。

圖2 MCNP屏蔽率模擬結(jié)果

1.4 中子發(fā)生器設(shè)計(jì)

中子發(fā)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(chǎn)額可達(dá)到2×108個(gè)/s。變壓器的磁芯選取非晶態(tài)合金材料以提高綜合性能。通過自動(dòng)控制及采集電路實(shí)現(xiàn)對(duì)中子管參數(shù)的采集以及對(duì)中子發(fā)生器的自動(dòng)控制。

1.5 PNST-3D測(cè)井儀性能指標(biāo)

2 試驗(yàn)刻度

PNST-3D儀器在大慶油田檢測(cè)中心地層參數(shù)試驗(yàn)室分別進(jìn)行了油砂、水砂試驗(yàn)標(biāo)定。試驗(yàn)?zāi)Ｐ退熬畣误w井筒直徑1.8 m，筒高1.6 m，套管材質(zhì)為鐵，外徑140.2 mm，壁厚6.4 mm，水砂井中井筒內(nèi)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(jié)構(gòu)與水砂井結(jié)構(gòu)完全一致。井筒內(nèi)地層骨架是石英砂，孔隙流體是0號(hào)柴油。

利用實(shí)際測(cè)井儀在模擬井的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，建立了蒙特卡羅模擬模型，對(duì)測(cè)井響應(yīng)進(jìn)行了模擬并通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)獲得了實(shí)用的井內(nèi)滯油校正圖版，如圖3所示；標(biāo)準(zhǔn)譜如圖4所示；探測(cè)器C/O隨地層孔隙度、含油飽和度變化的理論規(guī)律，如圖5所示。

3 測(cè)井模式及應(yīng)用范圍

水平井剩余油測(cè)井儀有多種測(cè)井模式，針對(duì)每種測(cè)井模式對(duì)應(yīng)著特有的中子爆發(fā)時(shí)序及能譜與時(shí)間譜采集方案[2]。碳氧比模式下，每50 ms內(nèi)分別用45 ms、2 ms和3 ms的時(shí)間執(zhí)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(shí)間執(zhí)行中子壽命、能譜水流測(cè)井任務(wù)。

圖3 水平井條件下井內(nèi)滯油校正圖板

3.1 C/O測(cè)井模式

C/O測(cè)井的理論基礎(chǔ)是快中子非彈性散射理論，通過測(cè)量中子在地層中誘發(fā)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(shù)。

1)測(cè)井資料用于確定油水界面、劃水淹層、計(jì)算剩余油飽和度，可為油層產(chǎn)能接替、水淹狀況評(píng)價(jià)及剩余油分布規(guī)律研究提供技術(shù)手段，為區(qū)域開發(fā)方案調(diào)整提供理論依據(jù)。

2)尋找和評(píng)價(jià)漏失油氣層。對(duì)于技術(shù)發(fā)展水平落后或疏忽、漏判導(dǎo)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(cè)井模式

中子壽命測(cè)井也叫熱中子衰減時(shí)間測(cè)井，是高礦化度地區(qū)最常用的脈沖中子測(cè)井方法。在高礦化度地層水地區(qū)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(shí)測(cè)和模擬不同孔隙度油砂巖遠(yuǎn)探頭非彈能譜

圖5 實(shí)測(cè)和模擬遠(yuǎn)探頭C/O值與孔隙度、含油飽和度扇形圖

對(duì)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(cè)-注-測(cè)方法，產(chǎn)油層被水淹或存在水淹部位，在測(cè)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(cè)曲線。根據(jù)2次測(cè)井資料計(jì)算出剩余油飽和度[3]。

1)劃分油水層及油水或氣水界面動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，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(guī)律，準(zhǔn)確劃分水淹級(jí)別，尋找潛力層。

3.3 OAI測(cè)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(cè)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(jì)數(shù)率稱為氧活化指數(shù)OAI。

直觀準(zhǔn)確確定竄槽井段、指示出水層位。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

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

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

圖6 高107*井PNST-3D儀器重復(fù)性對(duì)比圖

圖7 高107*井PNST-3D與PNST測(cè)井解釋對(duì)比圖

5 結(jié) 論

PNST-3D測(cè)井儀在繼承PNST脈沖中子全譜測(cè)井儀功能的基礎(chǔ)上，通過蒙特卡羅數(shù)值模擬重新設(shè)計(jì)了三探頭的探測(cè)器結(jié)構(gòu)、優(yōu)化屏蔽體尺寸等并建立了相應(yīng)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(chǔ)層含油飽和度、評(píng)價(jià)水淹等級(jí)，為儲(chǔ)層剩余油分布提供資料。目前在國(guó)內(nèi)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(shí)踐技術(shù)的不斷更新，實(shí)際應(yīng)用的不斷擴(kuò)展，該技術(shù)也必將不斷走向成熟，應(yīng)用前景十分廣闊。

[1] 呂俊濤. 脈沖中子全譜測(cè)井技術(shù)及其在冀東油田的應(yīng)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(shí)序發(fā)生器的設(shè)計(jì)[J].同位素,2006,19(4):198-203.

[3] 張鐵軒. 剩余油飽和度的測(cè)井評(píng)價(jià)方法[J].科技導(dǎo)報(bào)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(chǎn)測(cè)井技術(shù)[J]．測(cè)井技術(shù).2009,33(1):72-74.