PNN測(cè)井技術(shù)(原理)

1、新一代套管井儲(chǔ)層評(píng)價(jià)技術(shù)脈沖中子中子（PNN）測(cè)井PNN（Pulse Neutron Neutron）測(cè)井儀是奧地利Hotwell公司研制開(kāi)發(fā)的一種用于油田生產(chǎn)開(kāi)發(fā)的飽和度測(cè)井儀器。目前該儀器已經(jīng)在歐洲、南、北美洲、中東、北非和亞洲18個(gè)國(guó)家廣泛應(yīng)用，取得了較好的使用效果。油田進(jìn)入高含水的中、后開(kāi)發(fā)期，一方面迫切需要了解單井、區(qū)域上的儲(chǔ)層的剩余油分布，尋找潛力油層，調(diào)整作業(yè)方案；另一方面，許多老井，由于受當(dāng)時(shí)條件的限制，缺少必要的測(cè)井資料，而無(wú)法對(duì)儲(chǔ)層性質(zhì)進(jìn)行重新認(rèn)識(shí)。油井生產(chǎn)之前都會(huì)下套管進(jìn)行固井。因?yàn)樘坠艿奈锢硖匦?，很多裸眼井中的測(cè)井方法受到了限制，不能用于套管井的地層評(píng)價(jià)。目前套管井中使

2、用最多的飽和度測(cè)井方法都是基于中子壽命測(cè)井原理的，如目前油田內(nèi)常見(jiàn)的碳氧比測(cè)井、中子壽命測(cè)井、硼中子測(cè)井、PND測(cè)井等等。PNN測(cè)井同樣基于這個(gè)原理。與目前國(guó)內(nèi)使用的其他飽和度測(cè)井方式比較，PNN測(cè)井的一個(gè)最大不同是：不同于其他方法中通過(guò)地層對(duì)中子的俘獲放射出的伽馬射線進(jìn)行記錄分析來(lái)進(jìn)行飽和度的解析。PNN是通過(guò)對(duì)地層中還沒(méi)有被地層俘獲的熱中子來(lái)進(jìn)行記錄和分析，從而得到飽和度的解析。探測(cè)熱中子法，沒(méi)有了探測(cè)伽馬方法存在的本底值影響，同時(shí)在低礦化度與低孔隙度地層保持了相對(duì)較高的記數(shù)率，削減了統(tǒng)計(jì)起伏的影響。同時(shí)，PNN還有一套獨(dú)特的數(shù)據(jù)處理方法，能夠最大程度的去除井眼影響，保證了Sigma（地層

3、俘獲截面）曲線的準(zhǔn)確性，精度可以達(dá)到0.1俘獲截面單位。這種方式使得PNN在低孔隙度、低礦化度地層（目前大多數(shù)油田生產(chǎn)的難點(diǎn)）相對(duì)其他測(cè)井方式具有更高的分辨率。同時(shí)，PNN還具有施工簡(jiǎn)單，不需要特殊的作業(yè)準(zhǔn)備，可以過(guò)油管測(cè)量、儀器不需刻度，操作維修簡(jiǎn)單、記錄原始數(shù)據(jù)、最大程度去除井眼影響等等多方面的優(yōu)勢(shì)。一、 PNN測(cè)井原理PNN是脈沖中子中子（Pulse Neutron Neutron）儀器的簡(jiǎn)稱(chēng)，使用中子發(fā)生器向地層發(fā)射14.1MeV的快中子，經(jīng)過(guò)一系列的非彈性碰撞（10-810-7s）和彈性碰撞（10-610-3 s），當(dāng)中子的能量與組成地層的原子處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，中子處于熱中子能量級(jí)，

4、此時(shí)它的能量是0.025eV左右，速度2.2105cm/s，直到被地層俘獲。PNN儀器利用兩個(gè)探測(cè)器（即長(zhǎng)、短源距探測(cè)器）記錄從快中子束發(fā)射30s后的1800s時(shí)間內(nèi)的熱中子記數(shù)率，每個(gè)探測(cè)器均將其時(shí)譜記錄分成60道，每道30s，根據(jù)各道記錄的熱中子記數(shù)生成熱中子時(shí)間衰減譜，從而可以有效地求取地層的宏觀俘獲截面。同時(shí)利用兩個(gè)中子探測(cè)器上得到的中子記數(shù)的比值就可以計(jì)算儲(chǔ)層含氫指數(shù)。據(jù)此在低礦化度地層水條件下，分辨近井地帶的油水分布，計(jì)算含油飽和度、劃分水淹級(jí)別、求取儲(chǔ)層孔隙度、計(jì)算儲(chǔ)層內(nèi)泥質(zhì)含量及主要礦物含量等等。與傳統(tǒng)的中子壽命測(cè)井相比，中子壽命測(cè)井記錄的是熱中子與地層俘獲反應(yīng)釋放出的伽馬射線

5、，反推熱中子的時(shí)間壽命，而PNN直接記錄俘獲反應(yīng)前后熱中子記數(shù)率。二、 PNN系統(tǒng)描述PNN系統(tǒng)有二個(gè)主要的部分組成：井下儀器部分和地面數(shù)據(jù)采集部分。二者組成一個(gè)系統(tǒng)，不可分割。事實(shí)上，PNN系統(tǒng)可以配接在任何一種測(cè)井單元上，需要測(cè)井單元提供深度編碼信號(hào)和測(cè)井電纜。PNN測(cè)井基本標(biāo)準(zhǔn)測(cè)速為2-3米/每分鐘。（一）地面數(shù)據(jù)采集部分地面單元的主要構(gòu)成是：地面數(shù)據(jù)采集面板,包括各種信號(hào)接口、地面供電電源、通訊增益調(diào)節(jié)用于數(shù)據(jù)采集處理的計(jì)算機(jī)（二）井下儀器部分井下儀器至少應(yīng)包含四個(gè)獨(dú)立的部分，組合在一起進(jìn)行測(cè)井。如果增加其它的探測(cè)器，可以擴(kuò)大測(cè)井功能，但基本的井下單元應(yīng)包括：通訊短節(jié)（含CCL以及井眼

6、溫度探頭和儀器保溫瓶溫度探頭）自然伽馬短節(jié)中子探測(cè)器短節(jié)中子發(fā)生器短節(jié)儀器外徑為43毫米，連接長(zhǎng)度為5.7米。除中子發(fā)生器短節(jié)的耐溫為150外，其余三個(gè)短節(jié)耐溫都為200。（三）PNN儀器的應(yīng)用： 確定套管后流體的分布。 確定套管后的孔隙度。 確定套管后的飽和度。（四）測(cè)井采集軟件PNN現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集需要使用HOTWELL公司的HWPNN軟件或者WARRIOR 測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)原始數(shù)據(jù)的采集。（五）數(shù)據(jù)處理在正確的測(cè)井采集完成后，下一步要做的是對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理。通過(guò)采用不同的處理程序，可以計(jì)算出所需要的不同參數(shù)，如：，值等，這些值被輸出到不同的物理輸出通道。使用這些參數(shù)，可以定

7、性或定量地解釋測(cè)量結(jié)果。1數(shù)據(jù)處理原理PNN系統(tǒng)測(cè)量二個(gè)探測(cè)器的熱中子衰減譜，每個(gè)探測(cè)器的熱中子記數(shù)又按照時(shí)間分布分成60個(gè)時(shí)間道，每個(gè)時(shí)間道是30us，共1800 us。2.指數(shù)衰減地層與中子管發(fā)射出來(lái)的14MeV高能中子發(fā)生反應(yīng)，而熱中子的數(shù)量在二個(gè)探測(cè)器以60道的時(shí)區(qū)進(jìn)行采樣記錄。所有測(cè)量的數(shù)據(jù)被記錄下來(lái)，以便在測(cè)井作業(yè)完成后的任何時(shí)間進(jìn)行處理。這是PNN系統(tǒng)的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)閿?shù)據(jù)處理與解釋需要后來(lái)才能提供的其他一些信息，如：儲(chǔ)層內(nèi)流體的一些信息與分布情況。發(fā)射出來(lái)的中子在與地層中的物質(zhì)多次碰撞后，迅速衰減到熱中子能級(jí)，之后被地層中的元素所吸收，吸收的速度取決于v*abs,其中v表示熱

8、中子的速度（在給定的溫度下是一個(gè)常數(shù)），abs是地層的視俘獲截面。如果只存在中子俘獲反應(yīng)，那么中子的數(shù)量呈指數(shù)衰減。井筒與套管的衰減區(qū) 1000地層衰減區(qū) 100 油 10水1 0400 80012001800上圖闡述了油與水在衰減率上的差別，這是因?yàn)樗姆@截面比油的俘獲截面要大，所以在水中熱中子的衰減速度要快。中子在任何一個(gè)時(shí)間的數(shù)量可以表達(dá)成為這樣一個(gè)公式：N1 = N0*e (-v*abs*t1)其中:N1t1 時(shí)刻單位體積內(nèi)的熱中子數(shù)量。N0t=0時(shí)刻單位體積內(nèi)熱中子的數(shù)量。t1時(shí)間。abs地層單位體積的總俘獲截面(v=2200m/s, 75oF)。同樣對(duì)另一時(shí)刻有：N2 = N0*

9、e (-v*abs*t2)那么測(cè)量二個(gè)時(shí)間的熱中子數(shù)量，就可以計(jì)算出熱中子的衰減速度：N1/N2 = e (-v*abs*(t2-t1)取以為低的對(duì)數(shù)，v=2200m/s，t的單位為us，的單位為cm-1abs10.5/t*log10(N1/N2)由于衰減是指數(shù)衰減，所以也可以用另外一種形式來(lái)表示，即時(shí)間衰減指數(shù)，int，這個(gè)時(shí)間是指中子數(shù)量從最初衰減到原始值的所需的時(shí)間。Nt = N0*e -t/intint = 1/vabs時(shí)間衰減指數(shù)與溫度無(wú)關(guān)，它被稱(chēng)為中子的衰減時(shí)間或中子壽命。如果時(shí)間以u(píng)s為單位，v=0.22cm/us，則有：int = 4.55/abs（1/cm）由于abs的傳統(tǒng)單

10、位是1/1000cm，所以以上等式改寫(xiě)為：int = 4550/abs（c.u.）這個(gè)公式可以用來(lái)做與之間的相關(guān)運(yùn)算。（六）解釋利用PNN的數(shù)據(jù)，可以做油、氣、水分布的定性和定量的解釋。對(duì)于定量解釋來(lái)說(shuō)，通常需要用戶提供裸眼井的測(cè)井解釋結(jié)果作為一組輸入?yún)?shù)帶入到PNN定量解釋模塊中，并結(jié)合PNN的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合解釋就會(huì)得到比較精確的飽和度的定量解釋結(jié)果。需要指出的是，對(duì)于一些年代久遠(yuǎn)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)不全的井，僅僅利用PNN測(cè)量得到的數(shù)據(jù)也可以進(jìn)行飽和度的定量解釋?zhuān)⒌玫捷^好的解釋結(jié)果。針對(duì)不同的用途，HOTWELL提供了一套完整的PNN數(shù)據(jù)采集處理解釋模塊，它們是：1） HWPNN-PNN采集軟件-包含

11、快速的sigma值計(jì)算，它提供所有處理解釋所需要的基本數(shù)據(jù)。2） HWComb-ASCII文件的轉(zhuǎn)換，同時(shí)可以簡(jiǎn)單地進(jìn)行質(zhì)量檢查，消除通訊噪聲對(duì)數(shù)據(jù)的影響。3） HWCMan-這是一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的基本數(shù)據(jù)處理模塊，為分析中心提供不同的文件數(shù)據(jù)格式，對(duì)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾，深度匹配，快速SIGMA計(jì)算，井眼校正，泥質(zhì)含量校正，不同曲線之間的處理。它可以進(jìn)行泥質(zhì)含量與孔隙度的計(jì)算。4） HWProc-這是一個(gè)PNN處理工作中廣泛使用的一個(gè)模塊：4種模式的SIGMA處理/計(jì)算-PNN矩陣計(jì)算-SIGMA，比值與計(jì)數(shù)比值成像的制作與演示，原始數(shù)據(jù)與過(guò)濾數(shù)據(jù)的瀏覽與成像瀏覽。5） HWQuant-這是PNN的定量

12、解釋模塊。它通過(guò)不同曲線的交匯，求的正確的解釋參數(shù)?？梢詫?duì)骨架內(nèi)5種以上的礦物進(jìn)行定量解釋。一個(gè)圖示性的定量解釋軟件很好地反應(yīng)了烴的飽和度。6） HWpresenta解釋成果出圖、打印管理模塊。三、PNN與其他中子壽命測(cè)井儀器的比較 PNN系統(tǒng)除了具有地面系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便，可配接任何測(cè)井單元，下井儀維修簡(jiǎn)便的特點(diǎn)外，不受射孔與否的影響可全井段測(cè)量，對(duì)比其他傳統(tǒng)的中子壽命測(cè)井還具有以下很多優(yōu)勢(shì)：1 不同于傳統(tǒng)的中子壽命測(cè)井方法，PNN記錄的是地層中沒(méi)有被地層俘獲的熱中子的記數(shù)，從而消除掉了傳統(tǒng)測(cè)量伽馬的方法中的本底影響。在記數(shù)率較低的情況下，仍然可以用于解釋。2 每口井、甚至一口井中不同的層段內(nèi)的井

13、眼影響是不一樣的。因此，傳統(tǒng)中子壽命測(cè)井方法中，現(xiàn)場(chǎng)操作工程師很難預(yù)測(cè)井眼影響并選擇合適的采集控制避免其影響，一旦控制不好，解釋數(shù)據(jù)必然受到影響。但是，PNN則不需要在現(xiàn)場(chǎng)采集過(guò)程中應(yīng)用任何控制，PNN利用數(shù)據(jù)處理過(guò)程中特殊的成像識(shí)別方法，可以盡可能的去除掉復(fù)雜的井眼條件造成的影響，而利用真正來(lái)自地層的數(shù)據(jù)進(jìn)行地層的SIGMA計(jì)算，從而將井眼影響降到最低。3 對(duì)于低礦化度、低孔隙度地層，PNN比傳統(tǒng)的中子壽命測(cè)井更具優(yōu)越性。因?yàn)榈偷V化度地層的俘獲能力小，因此被地層俘獲的中子就少，產(chǎn)生的俘獲伽馬射線就少，使得伽馬探測(cè)器得到的記數(shù)率很低，統(tǒng)計(jì)起伏比較大。而恰恰在低礦化度情況下，低礦化度的地層水的S

14、IGMA值與油的SIGMA值差異很小，高的統(tǒng)計(jì)起伏加上無(wú)法消除的本底影響，使得傳統(tǒng)的伽馬探測(cè)方法很難應(yīng)用于這種情況的地層。碳氧比儀器雖然受礦化度影響小，但是要求地層的孔隙度要足夠高，一般要求大于20%。PNN因?yàn)橛涗浀氖侵凶樱栽诘偷V化度情況下，地層中俘獲的中子少，剩下的中子反而多，因此就會(huì)得到較高的記數(shù)率，統(tǒng)計(jì)起伏較小。這樣即便油水的SIGMA差異小，但是較小的統(tǒng)計(jì)起伏還是可以幫助把油水區(qū)分開(kāi)來(lái)。而且，在極端的情況下，PNN還可以停機(jī)測(cè)量，把統(tǒng)計(jì)起伏造成的影響降到最低，而伽馬測(cè)井方法因?yàn)榇嬖诨罨貙拥脑驘o(wú)法進(jìn)行停機(jī)測(cè)量。參見(jiàn)下圖：高礦化度水PNN 測(cè)試 TD 測(cè)試 理論測(cè)試 地層飽和狀態(tài) 油油低礦化度水4因?yàn)镻NN是用時(shí)間記錄道中記錄的中子衰減譜來(lái)計(jì)算地層的SIGMA，所以?xún)x器無(wú)須刻度，既省卻了復(fù)雜的前期準(zhǔn)備，也避免了因?yàn)榭?/p>