PNN測井技術(shù)(原理)

1、新一代套管井儲層評價技術(shù)脈沖中子中子（PNN）測井PNN（Pulse Neutron Neutron）測井儀是奧地利Hotwell公司研制開發(fā)的一種用于油田生產(chǎn)開發(fā)的飽和度測井儀器。目前該儀器已經(jīng)在歐洲、南、北美洲、中東、北非和亞洲18個國家廣泛應(yīng)用，取得了較好的使用效果。油田進入高含水的中、后開發(fā)期，一方面迫切需要了解單井、區(qū)域上的儲層的剩余油分布，尋找潛力油層，調(diào)整作業(yè)方案；另一方面，許多老井，由于受當時條件的限制，缺少必要的測井資料，而無法對儲層性質(zhì)進行重新認識。油井生產(chǎn)之前都會下套管進行固井。因為套管的物理特性，很多裸眼井中的測井方法受到了限制，不能用于套管井的地層評價。目前套管井中使

2、用最多的飽和度測井方法都是基于中子壽命測井原理的，如目前油田內(nèi)常見的碳氧比測井、中子壽命測井、硼中子測井、PND測井等等。PNN測井同樣基于這個原理。與目前國內(nèi)使用的其他飽和度測井方式比較，PNN測井的一個最大不同是：不同于其他方法中通過地層對中子的俘獲放射出的伽馬射線進行記錄分析來進行飽和度的解析。PNN是通過對地層中還沒有被地層俘獲的熱中子來進行記錄和分析，從而得到飽和度的解析。探測熱中子法，沒有了探測伽馬方法存在的本底值影響，同時在低礦化度與低孔隙度地層保持了相對較高的記數(shù)率，削減了統(tǒng)計起伏的影響。同時，PNN還有一套獨特的數(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）曲線的準確性，精度可以達到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）相對其他測井方式具有更高的分辨率。同時，PNN還具有施工簡單，不需要特殊的作業(yè)準備，可以過油管測量、儀器不需刻度，操作維修簡單、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。一、 PNN測井原理PNN是脈沖中子中子（Pulse Neutron Neutron）儀器的簡稱，使用中子發(fā)生器向地層發(fā)射14.1MeV的快中子，經(jīng)過一系列的非彈性碰撞（10-810-7s）和彈性碰撞（10-610-3 s），當中子的能量與組成地層的原子處于熱平衡狀態(tài)時，中子處于熱中子能量級，

4、此時它的能量是0.025eV左右，速度2.2105cm/s，直到被地層俘獲。PNN儀器利用兩個探測器（即長、短源距探測器）記錄從快中子束發(fā)射30s后的1800s時間內(nèi)的熱中子記數(shù)率，每個探測器均將其時譜記錄分成60道，每道30s，根據(jù)各道記錄的熱中子記數(shù)生成熱中子時間衰減譜，從而可以有效地求取地層的宏觀俘獲截面。同時利用兩個中子探測器上得到的中子記數(shù)的比值就可以計算儲層含氫指數(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，計算含油飽和度、劃分水淹級別、求取儲層孔隙度、計算儲層內(nèi)泥質(zhì)含量及主要礦物含量等等。與傳統(tǒng)的中子壽命測井相比，中子壽命測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。二者組成一個系統(tǒng)，不可分割。事實上，PNN系統(tǒng)可以配接在任何一種測井單元上，需要測井單元提供深度編碼信號和測井電纜。PNN測井基本標準測速為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)采集處理的計算機（二）井下儀器部分井下儀器至少應(yīng)包含四個獨立的部分，組合在一起進行測井。如果增加其它的探測器，可以擴大測井功能，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)中子探測器短節(jié)中子發(fā)生器短節(jié)儀器外徑為43毫米，連接長度為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）測井采集軟件PNN現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集需要使用HOTWELL公司的HWPNN軟件或者WARRIOR 測井數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行現(xiàn)場原始數(shù)據(jù)的采集。（五）數(shù)據(jù)處理在正確的測井采集完成后，下一步要做的是對測量數(shù)據(jù)進行進一步的處理。通過采用不同的處理程序，可以計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、性或定量地解釋測量結(jié)果。1數(shù)據(jù)處理原理PNN系統(tǒng)測量二個探測器的熱中子衰減譜，每個探測器的熱中子記數(shù)又按照時間分布分成60個時間道，每個時間道是30us，共1800 us。2.指數(shù)衰減地層與中子管發(fā)射出來的14MeV高能中子發(fā)生反應(yīng)，而熱中子的數(shù)量在二個探測器以60道的時區(qū)進行采樣記錄。所有測量的數(shù)據(jù)被記錄下來，以便在測井作業(yè)完成后的任何時間進行處理。這是PNN系統(tǒng)的另外一個優(yōu)點，因為數(shù)據(jù)處理與解釋需要后來才能提供的其他一些信息，如：儲層內(nèi)流體的一些信息與分布情況。發(fā)射出來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，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，這是因為水的俘獲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。中子在任何一個時間的數(shù)量可以表達成為這樣一個公式：N1 = N0*e (-v*abs*t1)其中:N1t1 時刻單位體積內(nèi)的熱中子數(shù)量。N0t=0時刻單位體積內(nèi)熱中子的數(shù)量。t1時間。abs地層單位體積的總俘獲截面(v=2200m/s, 75oF)。同樣對另一時刻有：N2 = N0*

9、e (-v*abs*t2)那么測量二個時間的熱中子數(shù)量，就可以計算出熱中子的衰減速度：N1/N2 = e (-v*abs*(t2-t1)取以為低的對數(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表示，即時間衰減指數(shù)，int，這個時間是指中子數(shù)量從最初衰減到原始值的所需的時間。Nt = N0*e -t/intint = 1/vabs時間衰減指數(shù)與溫度無關(guān)，它被稱為中子的衰減時間或中子壽命。如果時間以us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，所以以上等式改寫為：int = 4550/abs（c.u.）這個公式可以用來做與之間的相關(guān)運算。（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。對于定量解釋來說，通常需要用戶提供裸眼井的測井解釋結(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)進行綜合解釋就會得到比較精確的飽和度的定量解釋結(jié)果。需要指出的是，對于一些年代久遠測井數(shù)據(jù)不全的井，僅僅利用PNN測量得到的數(shù)據(jù)也可以進行飽和度的定量解釋，并得到較好的解釋結(jié)果。針對不同的用途，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，同時可以簡單地進行質(zhì)量檢查，消除通訊噪聲對數(shù)據(jù)的影響。3） HWCMan-這是一個現(xiàn)場的基本數(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，對測井數(shù)據(jù)進行過濾，深度匹配，快速SIGMA計算，井眼校正，泥質(zhì)含量校正，不同曲線之間的處理。它可以進行泥質(zhì)含量與孔隙度的計算。4） HWProc-這是一個PNN處理工作中廣泛使用的一個模塊：4種模式的SIGMA處理/計算-PNN矩陣計算-SIGMA，比值與計數(shù)比值成像的制作與演示，原始數(shù)據(jù)與過濾數(shù)據(jù)的瀏覽與成像瀏覽。5） HWQuant-這是PNN的定量

12、解釋模塊。它通過不同曲線的交匯，求的正確的解釋參數(shù)?？梢詫羌軆?nèi)5種以上的礦物進行定量解釋。一個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與其他中子壽命測井儀器的比較 PNN系統(tǒng)除了具有地面系統(tǒng)操作簡便，可配接任何測井單元，下井儀維修簡便的特點外，不受射孔與否的影響可全井段測量，對比其他傳統(tǒng)的中子壽命測井還具有以下很多優(yōu)勢：1 不同于傳統(tǒng)的中子壽命測井方法，PNN記錄的是地層中沒有被地層俘獲的熱中子的記數(shù)，從而消除掉了傳統(tǒng)測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)中子壽命測井方法中，現(xiàn)場操作工程師很難預(yù)測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)場采集過程中應(yīng)用任何控制，PNN利用數(shù)據(jù)處理過程中特殊的成像識別方法，可以盡可能的去除掉復雜的井眼條件造成的影響，而利用真正來自地層的數(shù)據(jù)進行地層的SIGMA計算，從而將井眼影響降到最低。3 對于低礦化度、低孔隙度地層，PNN比傳統(tǒng)的中子壽命測井更具優(yōu)越性。因為低礦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，使得伽馬探測器得到的記數(shù)率很低，統(tǒng)計起伏比較大。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)計起伏加上無法消除的本底影響，使得傳統(tǒng)的伽馬探測方法很難應(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因為記錄的是中子，所以在低礦化度情況下，地層中俘獲的中子少，剩下的中子反而多，因此就會得到較高的記數(shù)率，統(tǒng)計起伏較小。這樣即便油水的SIGMA差異小，但是較小的統(tǒng)計起伏還是可以幫助把油水區(qū)分開來。而且，在極端的情況下，PNN還可以停機測量，把統(tǒng)計起伏造成的影響降到最低，而伽馬測井方法因為存在活化地層的原因無法進行停機測量。參見下圖：高礦化度水PNN 測試 TD 測試 理論測試 地層飽和狀態(tài) 油油低礦化度水4因為PNN是用時間記錄道中記錄的中子衰減譜來計算地層的SIGMA，所以儀器無須刻度，既省卻了復雜的前期準備，也避免了因為刻