碳捕集和封存CCS已经成为世界公认的能实现减碳的重要手段之一，多个国家正在或计划开展更多的项目以实现碳中和目标。CCS测量、监测和验证（MMV）计划中一项重要工作就是在注入井和监测井中进行时间推移测井，定期监测CO2饱和度变化以及在何处发生了变化，从而得知CO2羽流如何运移，并为油藏模型提供有价值的校准数据。同时，通过监测CO2是否沿井周向上运移到注入层以外，可识别井筒完整性问题。
然而CO2饱和度测井面临诸多挑战：
新井可能在井筒附近有滤液、混合矿化度和冲刷剩余油气；
新射孔井可能有钻井液或压井液侵入，使实际测量的结果进一步复杂化；
常规中子脉冲测井对井筒中CO2的响应，校正过程复杂化，影响测量的准确性；
CO2 减慢或捕获中子的能力非常低，并且 CO2 的西格玛响应接近于零；
当井筒流体为超临界CO2时，没有氢原子来慢化中子，探测器计数率急剧增加；
监测期内井筒和地层中复杂的压力和温度变化，CO2的相态、密度等也会发生变化；
井筒环境复杂性等。
一旦开始注入CO2，CCS 项目的地下就是一个动态且复杂的地方。人们很容易将盐水层中的CO2封存视为简单的两相系统，很容易认为常用的单一测量（例如西格玛）足以解决CO2饱和度问题。这是一个陷阱，在某些常见情况下可能会导致完全错误的解释。因此需要新技术来获取多种脉冲中子测量，例如孔隙度、西格玛和快中子截面等，每种测量对孔隙空间中存在的不同相都具有敏感性，这样不仅会带来更稳健的解释，而且还使我们能够检测和诊断一些问题。
PNX脉冲星是斯伦贝谢最新一代的过油管多功能脉冲中子测井仪器，主要用于套管井，也适用于裸眼井。PNX一趟测井，能同时提供西格玛（Sigma）、含氢指数（HI）、碳氧比（C/O）、地层元素和矿物、总有机碳（TOC），以及全新的快中子截面（FNXS）测量。PNX商业化后至今已在全球为103个油田客户提供测井服务超过1000+口，包括在老油田进行剩余油气饱和度评价；在非常规储层及煤岩气， PNX与TBDS（Thrubit偶极声波）组成套后小金刚组合，用爬行器传输进行安全高效的套后储层综合评价，指导多段压裂设计；在多个CCS项目中，PNX被用来进行时间推移 CO2饱和度监测。
那么，PNX与常规脉冲中子技术相比，做了哪些升级？具有哪些测量优势呢？
仪器硬件优化升级
高中子输出 (3.5亿个/秒)；
— 智能型脉冲中子管（Smart-PNG）
高精度探测器和计数电子器件；
— 溴化镧（LaBr3）的远、近探测器
— 深探测器 - 钇铝钙钛矿（YAP）
优化的脉冲序列；
不使用化学源，更安全；
测量点靠近仪器底部；
NACE防腐设计, 可用于H2S、CO2环境。
技术优势
适用测井条件范围大
— 43mm直径，可过油管测井
— 裸眼井、套管井均适用
— 自补偿环境校正，适用多种井筒条件
— 可同时采集时间域和能量域数据
— 一趟测井采集参数多，节省作业时间
— 耐温175℃，耐压138MPa
— 加保温瓶，耐温230℃，耐压172MPa
全面的井下环境校正
— 输入参数少，只需输入井眼尺寸
— 1,611 种不同的中子罐环境刻度
— MCNP 建模数据库：~150,000 点
独立的地层属性和流体性质测量
— 碳氧比（C/O）
— 西格玛（Sigma）
— 中子孔隙度(TPHI)
— 快中子散射截面（FNXS)
— 元素、矿物含量和岩石骨架参数
— 总有机碳(TOC)
PNX 技术的优势不仅在于改进的硬件和自补偿校正环境算法，可实现精确的西格玛和中子孔隙度测量，以实现监测项目和复杂环境的连续性。同时，增加了第三个独立测量 - FNXS 快中子截面，其对 CO2 敏感，对地层水矿化度（扩散侵入流体）不太敏感，并且与氢指数无关，从而实现更可靠的 CO2 饱和度和井筒完整性监测。PNX测量物理量经过了充分表征，并可在模拟软件（SNUPAR 核响应参数程序）中进行描述，以定义 CO2 与原生天然气或原油以及水的测井响应方程和端点，同时考虑它们随温度和压力的变化。多参数的线性体积解释模型，降低了解释过程中的多解性与不确定性。PNX精确测量的捕获和非弹性元素能谱以及C/O，提供了精确的孔隙度和基质参数及校正。岩性信息对于储层模型更新很有用。
不同矿物和流体的测井响应对比 ▲
交会解释图版 ▲
案例分享
伊利诺州的IBDP项目是在美国能源部“区域CCS伙伴计划” 资助下开展的，是美国第一个利用工业源的CO2开展CCS的百万吨级的完整先导示范项目，从压缩、脱水、到管道输送超临界CO2到包含三口井（一口注入井及两口监测井）的封存场地。注入期间3年，注入量1000 吨/天。
从CO2注入前开始，注入井（CCS1）和监测井（VW1）分别进行了连续多年的时间推移CO2饱和度监测，分别采用了前一代脉冲中子RSTPro和PNX仪器。注入井中的一系列脉冲中子（RSTPro,PNX）解释成果提供了清晰、即时的饱和度垂直剖面及其在井生命周期内的变化。注入于 2011 年 11 月开始，第二次脉冲中子测井于 2012 年 3 月采集。在整个射孔层段以及顶部上方 60 英尺处立即出现明显的CO2饱和度。在注入期结束之前的五个年份中，CO2饱和度非常稳定。可重复的结果给出了很高的可信度：测量的饱和度代表了在油藏条件和给定注入压力（比油藏压力高出约 350 psi）下将出现的最大 CO2饱和度。射孔段平均CO2饱和度达44%，与岩心的相对渗透率实验结果高度吻合。由于注入时间相对较短，随后在注入停止后持续数年进行多次时间推移测井，因此有机会观察随着羽流消散并远离井筒时饱和度的变化。到2018年5月，注水间隔饱和度已达到稳定值。55 英尺射孔段中残余CO2饱和度平均为 17%。
注入井时间推移CO2饱和度变化，图中红色为CO2，深兰色为储层盐水，浅兰色为测试注入的淡盐水 ▲
可达到的最大CO2饱和度是储存效率的重要组成部分 （在孔隙尺度上的测量）。但是CCS规模的存储效率又如何呢？到目前为止，只有数值模拟可以告诉我们羽流将如何扩散或运移，以及它将呈现什么样的几何形状。在监测井中采集的脉冲中子测井（RSTPro和PNX）提供了捕获CO2运移垂直剖面的方法。下图详细展示了监测井 VW1 中采集的一系列时间推移测井成果，该监测井距离 CCS1 1029 英尺，位于构造上方约 50 英尺处。从 2012 年 3 月记录的注入开始后的第一个CO2饱和度剖面开始，首先获得的见解之一是CO2到达监测井的速度之快，是原始模拟中没有预料到的。第二个见解是CO2运移几何形态。三个连续的高孔渗砂体被具有较高毛细管压力和较低渗透性的薄地层隔开，形成挡板，对远离井周的CO2移动施加强有力的控制。CO2的首次到达发生在测量深度 6950 英尺以下的中间区域；该气柱最初只有几英尺厚，随着时间的推移，其高度向下增长。四个月之后，到达 6980 英尺以下的第二个层。随着时间的推移，气柱变厚，饱和度增加。到 2013 年，CO2的痕迹开始出现在深度稍浅的多孔地层中。另一项值得注意的观察结果是，2014 年 12 月，即停止注入之后，最早突破的砂层的CO2饱和度峰值为 48%。
监测井注入井时间推移CO2饱和度变化 ▲
时间推移CO2饱和度监测数据对数值模拟油藏模型调整和历史拟合非常有价值，为准确模拟CO2羽流运移提供了校准数据，同时也是提高动态油藏模型的准确性和预测能力的重要资料。下图为用测井数据历史拟合后，数值模拟显示注入开始后 1 年和 5 年的时间切片，CO2羽流运移路径和波及范围一目了然。
