碳氧比能譜測井詳解課件

碳氧比能譜測井Carbon/oxygen(C/O)spectrallogging碳氧比能譜測井Carbon/oxygen(C/O)1學(xué)習(xí)參考書1.丁次乾.礦場地球物理[M].東營,中國石油大學(xué)出版社,19962.<<測井學(xué)>>編寫組.測井學(xué)[M].北京,石油工業(yè)出版社,19983.黃隆基.核測井原理[M].東營，石油大學(xué)出版社，2000碳氧比能譜測井學(xué)習(xí)參考書1.丁次乾.礦場地球物理[M].東營,中國石油大2碳氧比能譜測井學(xué)習(xí)內(nèi)容1.方法特點(diǎn)2.脈沖中子源在地層中激發(fā)的伽馬射線3.伽馬能譜的數(shù)據(jù)采集和處理4.碳氧比的計(jì)算、飽和度和孔隙度解釋模型5.碳氧比能譜測井資料的應(yīng)用碳氧比能譜測井學(xué)習(xí)內(nèi)容1.方法特點(diǎn)2.脈沖中子源在地層中激3碳氧比能譜測井學(xué)習(xí)內(nèi)容1.方法特點(diǎn)2.脈沖中子源在地層中激發(fā)的伽馬射線3.伽馬能譜的數(shù)據(jù)采集和處理4.碳氧比的計(jì)算、飽和度和孔隙度解釋模型5.碳氧比能譜測井資料的應(yīng)用碳氧比能譜測井學(xué)習(xí)內(nèi)容1.方法特點(diǎn)2.脈沖中子源在地層中激4碳氧比能譜測井是一種脈沖中子測井方法。其探測深度較淺，約21.3cm。主要用于套管井測井，克服了目前電測井不能用于評價(jià)套管井中地層含油性的困難，它是套管井評價(jià)地層巖性、含油性和孔隙度的新方法。其理論基礎(chǔ)是快中子的非彈性散射理論。1.方法特點(diǎn)當(dāng)高能快中子射入地層之后，與地層中元素的原子核發(fā)生非彈性散射，致使原子核處于激發(fā)狀態(tài)。當(dāng)原子核從激發(fā)狀態(tài)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，將會放射出具有一定能量的伽馬射線。對于不同元素的原子核來說，其非彈性散射伽馬射線的能量不一樣。因此可對地層中的非彈性散射伽馬射線進(jìn)行能量和強(qiáng)度分析(即能譜分析)，來確定地層中存在那些元素及含量。碳氧比能譜測井是一種脈沖中子測井方法。其探測深度較淺5石油是碳?xì)浠衔铮缓踉?；而水是氫氧化合物，不含碳元素。故在含油巖層中碳的含量比含水巖層要多，而含水巖層中氧的含量比含油巖層多。因此可選取碳元素及氧元素分別作為油和水的指示元素。1.方法特點(diǎn)

當(dāng)快中子與碳元素和氧元素原子核發(fā)生非彈性散射時(shí)，這兩種元素不但具有較大的宏觀非彈性散射截面，而且放射出非彈性散射伽馬射線能量較高，差別也較大(碳的散射伽馬射線能量4.43MeV，氧的散射伽馬射線能量為6.13MeV)，有利于作能譜分析?；谏鲜鲈?，分別對不同地層進(jìn)行能譜分析，就可以由碳元素和氧元素的含量及其比值來劃分水淹層、確定油和水的含量。石油是碳?xì)浠衔?，不含氧元素；而水是氫氧化合物，不?碳氧比能譜測井學(xué)習(xí)內(nèi)容1.方法特點(diǎn)2.脈沖中子源在地層中激發(fā)的伽馬射線3.伽馬能譜的數(shù)據(jù)采集和處理4.碳氧比的計(jì)算、飽和度和孔隙度解釋模型5.碳氧比能譜測井資料的應(yīng)用碳氧比能譜測井學(xué)習(xí)內(nèi)容1.方法特點(diǎn)2.脈沖中子源在地層中激7脈沖中子源以一定脈沖寬度和重復(fù)周期向地層發(fā)射中子束。能量為14MeV的中子進(jìn)入地層，首先與地層中某些核素原子核發(fā)生非彈性散射，并發(fā)射非彈性散射γ射線，不同元素原子核的非彈性散射伽馬射線的能量不一樣。在中子發(fā)射后的10-8～10-6s時(shí)間間隔內(nèi)，非彈性散射是中子能量損失的主要方式。(1)快中子激發(fā)的γ射線序列

2.脈沖中子源在地層中激發(fā)的伽馬射線脈沖中子源以一定脈沖寬度和重復(fù)周期向地層發(fā)射中子束。8可以認(rèn)為：非彈性散射和由此引發(fā)的光子發(fā)射是在發(fā)射中子的持續(xù)期內(nèi)進(jìn)行的，并且當(dāng)中子發(fā)射停止時(shí)這一過程也立即終止。在隨后的脈沖間隔里，即在中子發(fā)射后的10-6～10-3s的時(shí)間內(nèi)，主要作用過程是彈性散射，中子熱化并產(chǎn)生俘獲輻射。所以利用時(shí)間門可以把非彈性散射γ射線與俘獲輻射γ射線區(qū)別開。(1)快中子激發(fā)的γ射線序列

2.脈沖中子源在地層中激發(fā)的伽馬射線碳氧比γ能譜測井，就是對地層中先后產(chǎn)生的這兩種γ射線做能譜分析，求出碳氧比值，進(jìn)而確定含油飽和度?？梢哉J(rèn)為：非彈性散射和由此引發(fā)的光子發(fā)射是在發(fā)射中子9(2)快中子非彈性散射γ射線

①非彈性散射γ射線

2.脈沖中子源在地層中激發(fā)的伽馬射線地層中能與快中子發(fā)生非彈性散射而產(chǎn)生γ射線的核素主要是12C、160、28Si和40Ca。右表給出這四種核素的有關(guān)數(shù)據(jù)。(2)快中子非彈性散射γ射線2.脈沖中子源在地層中激發(fā)的伽馬10①非彈性散射γ射線

表中第一列給出的γ射線能量，就是非彈性散射γ初始數(shù)據(jù)譜。從表中可以看出，油氣儲層中最顯著的譜線是6.13MeV、4.43MeV、3.73MeV和1.78MeV,它們分別是16O,12C,40Ca和28Si的特征譜線。在測井中，選用這四種核素分別作為碳、氧、鈣和硅元素的指示核素，因而這四條譜線也就是對應(yīng)的幾種元素的特征譜線，見右上圖。(2)快中子非彈性散射γ射線①非彈性散射γ射線表中第一列給出的γ射線能11②非彈性散射γ射線儀器譜

地層快中子非彈性散射γ射線計(jì)數(shù)，主要包括碳、氧、硅、鈣的貢獻(xiàn)。下圖分別給出能量為14MeV的中子與12C、160、28Si、40Ca發(fā)生非彈性散射產(chǎn)生的γ射線譜，譜圖是用NaI(TI)閃爍計(jì)數(shù)γ譜儀測定的。(2)快中子非彈性散射γ射線

圖中所示碳和氧的能譜圖中可明顯地看到各自的全能峰、單逃逸峰和雙逃逸峰，而硅和鈣的譜圖特征峰不夠顯著。②非彈性散射γ射線儀器譜地層快中子非彈性散射γ射線計(jì)12實(shí)際測量時(shí)候，可選取四個(gè)特征譜段（能窗），使每個(gè)譜段的計(jì)數(shù)盡可能多地反映其中一種核素的貢獻(xiàn)，以便于處理。②非彈性散射γ射線儀器譜(2)快中子非彈性散射γ射線實(shí)際測量時(shí)候，可選取四個(gè)特征譜段（能窗），使每個(gè)譜段的13(3)俘獲γ能譜2.脈沖中子源在地層中激發(fā)的伽馬射線圖中縱線可分出H、Si、Ca、CI和Fe的計(jì)數(shù)窗?？芍簹涮卣鞣逶?.23MeV處顯示清楚；硅兩個(gè)全能峰位分別在3.54MeV和4.93MeV；鈣在6.42MeV和4.42MeV處的兩個(gè)峰也較明顯；如地層水為鹽水，則氯的最明顯的全能蜂在6.11MeV，強(qiáng)烈影響鈣能窗計(jì)數(shù)，從而干擾用硅鈣比區(qū)分砂巖和石灰?guī)r。譜分析將嚴(yán)重受地層水礦化度影響。下圖是用BGO閃爍晶體，測到的俘獲伽馬能譜圖。(3)俘獲γ能譜2.脈沖中子源在地層中激發(fā)的伽馬射線14(3)俘獲γ能譜脈沖中子源在地層中激發(fā)的各種γ射線的時(shí)間分布圖。從圖中可知，測量時(shí)要用時(shí)間門控制測量快中子非彈性散射γ射線，然后再根據(jù)能譜分析來確定射線的引起元素種類和元素含量。2.脈沖中子源在地層中激發(fā)的伽馬射線(3)俘獲γ能譜脈沖中子源在地層中激發(fā)的各種γ射線的15碳氧比能譜測井學(xué)習(xí)內(nèi)容1.方法特點(diǎn)2.脈沖中子源在地層中激發(fā)的伽馬射線3.伽馬能譜的數(shù)據(jù)采集和處理4.碳氧比的計(jì)算、飽和度和孔隙度解釋模型5.碳氧比能譜測井資料的應(yīng)用碳氧比能譜測井學(xué)習(xí)內(nèi)容1.方法特點(diǎn)2.脈沖中子源在地層中激163.伽馬能譜的數(shù)據(jù)采集和處理

右圖為用MCNP程序(MonteCarlo中子一伽馬輸運(yùn)程序)模擬碳氧比能譜測井得出的C/O與源距的關(guān)系（模擬模型為高1m的均質(zhì)地層等）。

從圖中①、②和③三條曲線可以看出：

★當(dāng)源距小于25cm時(shí)，碳氧比值受井眼內(nèi)流體性質(zhì)影響很大；

★當(dāng)源距增大時(shí)井眼影響雖緩慢減小，但直到超過70cm時(shí)還存在。(1)源距選擇和譜數(shù)據(jù)的采集3.伽馬能譜的數(shù)據(jù)采集和處理右圖為用MCNP程17(1)源距選擇和譜數(shù)據(jù)的采集曲線④因地層和井內(nèi)流體差別不大，反映的只是比值的基值，無明顯變化。單探測器儀器主要考慮減小井的影響，源距應(yīng)在統(tǒng)計(jì)精度允許的前提下盡量選大一些，如40～50cm。3.伽馬能譜的數(shù)據(jù)采集和處理

雙探測器儀器：長源距探測器與單晶儀器相同，主要反映地層的性質(zhì)；短源距探測器主要反映井眼內(nèi)流體的性質(zhì)，源距應(yīng)在儀器結(jié)構(gòu)允許的條件下盡可能短一些，如20cm。(1)源距選擇和譜數(shù)據(jù)的采集曲線④因地層和井內(nèi)流體18(2)典型儀器（RST）簡介在碳氧比能譜測井儀器中，斯侖貝謝雙源距過油管碳氧比剩余油飽和度測井儀較有代表性，現(xiàn)作簡要介紹。3.伽馬能譜的數(shù)據(jù)采集和處理

①下井儀結(jié)構(gòu)右圖是外徑63.5mm的RST下井儀結(jié)構(gòu)示意圖。脈沖中子源重復(fù)周期100微秒。兩個(gè)GSO閃爍探測器，分別偏靠井壁和井眼，源距和結(jié)構(gòu)都使短源距探測器對井眼流體敏感而長源距探測器對地層敏感。(2)典型儀器（RST）簡介在碳氧比能譜測井儀器中，19(2)典型儀器（RST）簡介②工作模式

A.非彈一俘獲模式(IC)在中子發(fā)射持續(xù)期內(nèi)采集快中子非彈性散射γ射線譜，解譜得碳和氧的產(chǎn)額，進(jìn)而求出地層含油飽和度和井眼內(nèi)流體持油率。而在中子發(fā)射間隔期內(nèi)測量俘獲γ譜，解譜求出地層的巖性、孔隙度和視地層水礦化度。(2)典型儀器（RST）簡介②工作模式20(2)典型儀器（RST）簡介②工作模式B.俘獲一Σ模式(CS)同時(shí)測量俘獲γ譜和計(jì)數(shù)率隨時(shí)間的衰減，解俘獲γ能譜得元素產(chǎn)額，提供巖性、孔隙度和視地層水礦化度，而由衰減曲線求得地層熱中子宏觀俘獲截面Σ。C.SIGMA模式快速(1800ft／h)測量熱中子宏觀俘獲截面Σ。(2)典型儀器（RST）簡介②工作模式C.SIGMA模式21

③探測深度斯侖貝謝的RST雙探測器儀器，長、短源距探測范圍有一定的差別。見右圖。雙探測器儀器解釋模型是一組聯(lián)立方程，通過解此方程來確定不同探測深度的探測對象的飽和度或孔隙度等特征。(2)典型儀器（RST）簡介③探測深度(2)典型儀器（RST）簡介22碳氧比能譜測井學(xué)習(xí)內(nèi)容1.方法特點(diǎn)2.脈沖中子源在地層中激發(fā)的伽馬射線3.伽馬能譜的數(shù)據(jù)采集和處理4.碳氧比的計(jì)算、飽和度和孔隙度解釋模型5.碳氧比能譜測井資料的應(yīng)用碳氧比能譜測井學(xué)習(xí)內(nèi)容1.方法特點(diǎn)2.脈沖中子源在地層中激234.碳氧比的計(jì)算、飽和度和孔隙度解釋模型(1)單位體積地層中的碳和氧原子數(shù)及其比值①純砂巖

碳氧原子數(shù)比為

從上式和右圖可以看出：

A.當(dāng)孔隙度大時(shí)，曲線的斜率大，測定含油飽和度的靈敏度高；B.對孔隙度相同的地層，含油飽和度高時(shí)靈敏度高；C.孔隙度高和含油飽和度也高的地層對碳氧比測井有利，可達(dá)到較高的精度；D.低孔隙度高含水地層對測井不利，得不到理想的效果。4.碳氧比的計(jì)算、飽和度和孔隙度解釋模型(1)單位體積地層中24(1)單位體積地層中的碳和氧原子數(shù)及其比值

②純石灰?guī)r碳氧原子數(shù)比為從上式和右圖可以看出：

A.當(dāng)含油飽和度為零時(shí)，碳氧原子數(shù)比為O.333，比孔隙度為35％和含油飽和度高達(dá)90％的純砂巖還要高；B.當(dāng)含油飽和度達(dá)到20％時(shí)，孔隙度不同的各條曲線交于一點(diǎn)，將曲線簇分成兩部分；(1)單位體積地層中的碳和氧原子數(shù)及其比值②純石灰?guī)r25(1)單位體積地層中的碳和氧原子數(shù)及其比值

②純石灰?guī)r

C.當(dāng)含油飽和度小于20％時(shí)，對應(yīng)于同一含油飽和度，孔隙度大的地層碳氧原子數(shù)比值低；D.當(dāng)含油飽和度大于20％時(shí)，對應(yīng)于同一含油飽和度，孔隙度大的地層碳氧原子數(shù)比值高。

由以上分析可知，識別巖性對做好碳氧比能譜測井定量解釋非常重要。(1)單位體積地層中的碳和氧原子數(shù)及其比值②純石灰?guī)r26碳氧比能譜測井資料解釋主要是求含油飽和度S0(亦即剩余油飽和度)，其解釋模型是建立在單位體積地層為油和巖石骨架中碳原子數(shù)目與水和巖石骨架中氧原子的數(shù)目之比，即碳、氧原子密度之比。這個(gè)比值與含油飽和度、孔隙度有一定的關(guān)系。在實(shí)際解釋中是用模型井得出的經(jīng)驗(yàn)公式。4.碳氧比的計(jì)算、飽和度和孔隙度解釋模型(2)含油飽和度解釋模型式中(C/O)W為水層中的碳氧比值；(C/O)O為油層中的碳氧比值；C/O為目的層測得的碳氧比值。碳氧比能譜測井資料解釋主要是求含油飽和度S0(亦即剩27上式僅對油水層孔隙度與巖性基本一致時(shí)適用。4.碳氧比的計(jì)算、飽和度和孔隙度解釋模型(2)含油飽和度解釋模型在儲集層孔隙度與巖性變化時(shí)，應(yīng)考慮測得的Si/Ca，可按下式求SO

式中K與XIW根據(jù)試驗(yàn)求得，通常取K=O.8，XIW=2.3562。解釋時(shí)要進(jìn)行孔隙度和泥質(zhì)含量校正。各油田根據(jù)地質(zhì)特點(diǎn)，上述公式將各有變化。上式僅對油水層孔隙度與巖性基本一致時(shí)適用。428碳氧比測井中的C/I曲線記錄的是地層俘獲伽馬總計(jì)數(shù)率與非彈性散射伽馬總計(jì)數(shù)率之比值，它與補(bǔ)償中子測井曲線相似，能較好的反映地層的總孔隙度。

4.碳氧比的計(jì)算、飽和度和孔隙度解釋模型(3)儲層總孔隙度解釋模型砂巖石灰?guī)r碳氧比測井中的C/I曲線記錄的是地層俘獲伽馬總計(jì)數(shù)率29碳氧比能譜測井學(xué)習(xí)內(nèi)容1.方法特點(diǎn)2.脈沖中子源在地層中激發(fā)的伽馬射線3.伽馬能譜的數(shù)據(jù)采集和處理4.碳氧比的計(jì)算、飽和度和孔隙度解釋模型5.碳氧比能譜測井資料的應(yīng)用碳氧比能譜測井學(xué)習(xí)內(nèi)容1.方法特點(diǎn)2.脈沖中子源在地層中激30由于碳氧比能譜測井能在套管井中較好地區(qū)分油層和水層，確定油層剩余油飽和度，評價(jià)水淹層，因而它在油田開發(fā)中得到廣泛應(yīng)用。5.碳氧比能譜測井資料的應(yīng)用應(yīng)用分為5點(diǎn)

(1)定量計(jì)算含油飽和度(剩余油飽和度)不同的含油飽和度，碳氧比能譜測井得到的C、O比值是不一樣的，所以根據(jù)含油飽和度與C/O的關(guān)系式來定量計(jì)算含油飽和度(剩余油飽和度)。

(2)確定殘余油飽和度殘余油飽和度是一個(gè)重要的參數(shù)，常用于三次采油和采收率的評價(jià)。注水井的注水層，經(jīng)過長時(shí)間的注水和水洗滌后，用C/O測井計(jì)算的含油飽和度相當(dāng)于產(chǎn)層的殘余油飽和度Sor。由于碳氧比能譜測井能在套管井中較好地區(qū)分油層和水層，31

(3)劃分水淹層含油砂巖和含水砂巖的C／O的相對差別在28％以上，油層水淹后，水淹部分C／O明顯下降。5.碳氧比能譜測井資料的應(yīng)用實(shí)例1

如右圖所示，圖中標(biāo)有A、B的兩段油層已被水淹，其C/O曲線值明顯低于未被水淹部分的C/O值。由C/O計(jì)算得到的含水飽和度分別高達(dá)76．9％和82．9％，測試均證明A、B段已水淹。(3)劃分水淹層5.碳氧比能譜測井資料的應(yīng)用實(shí)例132

(3)劃分水淹層

5.碳氧比能譜測井資料的應(yīng)用實(shí)例2

右圖為碳氧比能譜測井評價(jià)水淹層的另一實(shí)例。從圖中各曲線可以清楚看出，1290m以上為弱水淹；1290～1296m為注入水強(qiáng)水淹區(qū)，1296m以下為底水。弱水淹強(qiáng)水淹底水用碳氧比測井評價(jià)水淹層(3)劃分水淹層5.碳氧比能譜測井資料的應(yīng)用實(shí)例233(4)由C/O時(shí)間推移測井。監(jiān)測油、水的運(yùn)移狀態(tài)

5.碳氧比能譜測井資料的應(yīng)用新試3試8試11試6試7觀1井勝利油田為了研究孤東油田在注水開發(fā)中油、水的運(yùn)動(dòng)情況，專門開辟了一個(gè)小井距的實(shí)驗(yàn)區(qū)。按五點(diǎn)法布置井網(wǎng)，中心有一口采油井(試7井)，正方形的四個(gè)頂點(diǎn)布四口注水井(新試3，試6，試8，試11)。對位于試7與試6井間的孤東觀1井在不同時(shí)間進(jìn)行了碳氧比測井，跟蹤監(jiān)測油層剩余油飽和度的變化，觀察注水波及程度和研究驅(qū)油效率，對提高采收率起了重要作用。下圖為觀1井在不同時(shí)期的碳氧比測井資料數(shù)據(jù)處理成果圖。(4)由C/O時(shí)間推移測井。監(jiān)測油、水的運(yùn)移狀態(tài)5.345.碳氧比能譜測井資料的應(yīng)用由圖可見，在注水井開發(fā)不同階段，即無水期一低含水期一中含水期一高含水期，碳氧比測井能明顯反映出油層含油飽和度逐漸降低，產(chǎn)水率漸升過程。(4)由C/O時(shí)間推移測井。監(jiān)測油、水的運(yùn)移狀態(tài)

5.碳氧比能譜測井資料的應(yīng)用由圖可見，在注水井開發(fā)不35(5)碳氧比能譜測井預(yù)測產(chǎn)能按照達(dá)西定律，對于一個(gè)儲集層的平面徑向流的穩(wěn)態(tài)滲流，有式中Q-流量；r-井眼半徑；h-儲集層的有效厚度；φ-儲集層的孔隙度；K-儲集層的滲透率；μ-流體的粘度；△P/△L-壓力梯度。設(shè)井壁處壓力梯度為常數(shù)，φ為常數(shù)，并令則有，式中CF稱為地層系數(shù)，它度量流體在地層中的流動(dòng)性。這說明產(chǎn)量等于地層系數(shù)乘以一個(gè)常數(shù)。設(shè)流體只有油和水，則其產(chǎn)量分別為5.碳氧比能譜測井資料的應(yīng)用(5)碳氧比能譜測井預(yù)測產(chǎn)能按照達(dá)西定律，對于一個(gè)36式中，下標(biāo)O和W分別代表油和水，而KO和KW分別為油和水的有效滲透率，并有(5)碳氧比能譜測井預(yù)測產(chǎn)能式中，K為絕對滲透率，Kro和Krw分別為油和水的相對滲透率。這里，可用碳氧比能譜測井來求取油和水的相對滲透率（通過求含水和含油飽和度等來求），從而求得產(chǎn)層產(chǎn)能。5.碳氧比能譜測井資料的應(yīng)用式中，下標(biāo)O和W分別代表油和水，而KO和KW分別為油37在解釋碳氧比能譜測井時(shí)，應(yīng)注意環(huán)境影響。儀器的源距不同，井眼和地層條件不同，探測深度也不盡相同，但一般不超過30cm。國內(nèi)外模型實(shí)驗(yàn)都證明了這一點(diǎn)。若水侵入油層深度超過20cm，用碳氧比已很難將油層和水層區(qū)別開。在裸眼井中，侵入帶一般都超過這一范圍，故得不到可靠資料。已射孔的套管井，除侵入影響外還有套管和水泥環(huán)的影響，情況更為復(fù)雜。值得指出……碳氧比能譜測井對未射孔的套管井，為使侵入帶消失，需要等適當(dāng)?shù)臅r(shí)間。此時(shí)井眼中流體的類型仍直接影響測得的碳氧比值，而水泥環(huán)對碳氧比及硅鈣比都有影響。在解釋碳氧比能譜測井時(shí)，應(yīng)注意環(huán)境影響。值得指出……38THEENDTHEEND39碳氧比能譜測井Carbon/oxygen(C/O)spectrallogging碳氧比能譜測井Carbon/oxygen(C/O)40學(xué)習(xí)參考書1.丁次乾.礦場地球物理[M].東營,中國石油大學(xué)出版社,19962.<<測井學(xué)>>編寫組.測井學(xué)[M].北京,石油工業(yè)出版社,19983.黃隆基.核測井原理[M].東營，石油大學(xué)出版社，2000碳氧比能譜測井學(xué)習(xí)參考書1.丁次乾.礦場地球物理[M].東營,中國石油大41碳氧比能譜測井學(xué)習(xí)內(nèi)容1.方法特點(diǎn)2.脈沖中子源在地層中激發(fā)的伽馬射線3.伽馬能譜的數(shù)據(jù)采集和處理4.碳氧比的計(jì)算、飽和度和孔隙度解釋模型5.碳氧比能譜測井資料的應(yīng)用碳氧比能譜測井學(xué)習(xí)內(nèi)容1.方法特點(diǎn)2.脈沖中子源在地層中激42碳氧比能譜測井學(xué)習(xí)內(nèi)容1.方法特點(diǎn)2.脈沖中子源在地層中激發(fā)的伽馬射線3.伽馬能譜的數(shù)據(jù)采集和處理4.碳氧比的計(jì)算、飽和度和孔隙度解釋模型5.碳氧比能譜測井資料的應(yīng)用碳氧比能譜測井學(xué)習(xí)內(nèi)容1.方法特點(diǎn)2.脈沖中子源在地層中激43碳氧比能譜測井是一種脈沖中子測井方法。其探測深度較淺，約21.3cm。主要用于套管井測井，克服了目前電測井不能用于評價(jià)套管井中地層含油性的困難，它是套管井評價(jià)地層巖性、含油性和孔隙度的新方法。其理論基礎(chǔ)是快中子的非彈性散射理論。1.方法特點(diǎn)當(dāng)高能快中子射入地層之后，與地層中元素的原子核發(fā)生非彈性散射，致使原子核處于激發(fā)狀態(tài)。當(dāng)原子核從激發(fā)狀態(tài)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，將會放射出具有一定能量的伽馬射線。對于不同元素的原子核來說，其非彈性散射伽馬射線的能量不一樣。因此可對地層中的非彈性散射伽馬射線進(jìn)行能量和強(qiáng)度分析(即能譜分析)，來確定地層中存在那些元素及含量。碳氧比能譜測井是一種脈沖中子測井方法。其探測深度較淺44石油是碳?xì)浠衔?，不含氧元素；而水是氫氧化合物，不含碳元素。故在含油巖層中碳的含量比含水巖層要多，而含水巖層中氧的含量比含油巖層多。因此可選取碳元素及氧元素分別作為油和水的指示元素。1.方法特點(diǎn)

當(dāng)快中子與碳元素和氧元素原子核發(fā)生非彈性散射時(shí)，這兩種元素不但具有較大的宏觀非彈性散射截面，而且放射出非彈性散射伽馬射線能量較高，差別也較大(碳的散射伽馬射線能量4.43MeV，氧的散射伽馬射線能量為6.13MeV)，有利于作能譜分析。基于上述原理，分別對不同地層進(jìn)行能譜分析，就可以由碳元素和氧元素的含量及其比值來劃分水淹層、確定油和水的含量。石油是碳?xì)浠衔?，不含氧元素；而水是氫氧化合物，不?5碳氧比能譜測井學(xué)習(xí)內(nèi)容1.方法特點(diǎn)2.脈沖中子源在地層中激發(fā)的伽馬射線3.伽馬能譜的數(shù)據(jù)采集和處理4.碳氧比的計(jì)算、飽和度和孔隙度解釋模型5.碳氧比能譜測井資料的應(yīng)用碳氧比能譜測井學(xué)習(xí)內(nèi)容1.方法特點(diǎn)2.脈沖中子源在地層中激46脈沖中子源以一定脈沖寬度和重復(fù)周期向地層發(fā)射中子束。能量為14MeV的中子進(jìn)入地層，首先與地層中某些核素原子核發(fā)生非彈性散射，并發(fā)射非彈性散射γ射線，不同元素原子核的非彈性散射伽馬射線的能量不一樣。在中子發(fā)射后的10-8～10-6s時(shí)間間隔內(nèi)，非彈性散射是中子能量損失的主要方式。(1)快中子激發(fā)的γ射線序列

2.脈沖中子源在地層中激發(fā)的伽馬射線脈沖中子源以一定脈沖寬度和重復(fù)周期向地層發(fā)射中子束。47可以認(rèn)為：非彈性散射和由此引發(fā)的光子發(fā)射是在發(fā)射中子的持續(xù)期內(nèi)進(jìn)行的，并且當(dāng)中子發(fā)射停止時(shí)這一過程也立即終止。在隨后的脈沖間隔里，即在中子發(fā)射后的10-6～10-3s的時(shí)間內(nèi)，主要作用過程是彈性散射，中子熱化并產(chǎn)生俘獲輻射。所以利用時(shí)間門可以把非彈性散射γ射線與俘獲輻射γ射線區(qū)別開。(1)快中子激發(fā)的γ射線序列

2.脈沖中子源在地層中激發(fā)的伽馬射線碳氧比γ能譜測井，就是對地層中先后產(chǎn)生的這兩種γ射線做能譜分析，求出碳氧比值，進(jìn)而確定含油飽和度?？梢哉J(rèn)為：非彈性散射和由此引發(fā)的光子發(fā)射是在發(fā)射中子48(2)快中子非彈性散射γ射線

①非彈性散射γ射線

2.脈沖中子源在地層中激發(fā)的伽馬射線地層中能與快中子發(fā)生非彈性散射而產(chǎn)生γ射線的核素主要是12C、160、28Si和40Ca。右表給出這四種核素的有關(guān)數(shù)據(jù)。(2)快中子非彈性散射γ射線2.脈沖中子源在地層中激發(fā)的伽馬49①非彈性散射γ射線

表中第一列給出的γ射線能量，就是非彈性散射γ初始數(shù)據(jù)譜。從表中可以看出，油氣儲層中最顯著的譜線是6.13MeV、4.43MeV、3.73MeV和1.78MeV,它們分別是16O,12C,40Ca和28Si的特征譜線。在測井中，選用這四種核素分別作為碳、氧、鈣和硅元素的指示核素，因而這四條譜線也就是對應(yīng)的幾種元素的特征譜線，見右上圖。(2)快中子非彈性散射γ射線①非彈性散射γ射線表中第一列給出的γ射線能50②非彈性散射γ射線儀器譜

地層快中子非彈性散射γ射線計(jì)數(shù)，主要包括碳、氧、硅、鈣的貢獻(xiàn)。下圖分別給出能量為14MeV的中子與12C、160、28Si、40Ca發(fā)生非彈性散射產(chǎn)生的γ射線譜，譜圖是用NaI(TI)閃爍計(jì)數(shù)γ譜儀測定的。(2)快中子非彈性散射γ射線

圖中所示碳和氧的能譜圖中可明顯地看到各自的全能峰、單逃逸峰和雙逃逸峰，而硅和鈣的譜圖特征峰不夠顯著。②非彈性散射γ射線儀器譜地層快中子非彈性散射γ射線計(jì)51實(shí)際測量時(shí)候，可選取四個(gè)特征譜段（能窗），使每個(gè)譜段的計(jì)數(shù)盡可能多地反映其中一種核素的貢獻(xiàn)，以便于處理。②非彈性散射γ射線儀器譜(2)快中子非彈性散射γ射線實(shí)際測量時(shí)候，可選取四個(gè)特征譜段（能窗），使每個(gè)譜段的52(3)俘獲γ能譜2.脈沖中子源在地層中激發(fā)的伽馬射線圖中縱線可分出H、Si、Ca、CI和Fe的計(jì)數(shù)窗?？芍簹涮卣鞣逶?.23MeV處顯示清楚；硅兩個(gè)全能峰位分別在3.54MeV和4.93MeV；鈣在6.42MeV和4.42MeV處的兩個(gè)峰也較明顯；如地層水為鹽水，則氯的最明顯的全能蜂在6.11MeV，強(qiáng)烈影響鈣能窗計(jì)數(shù)，從而干擾用硅鈣比區(qū)分砂巖和石灰?guī)r。譜分析將嚴(yán)重受地層水礦化度影響。下圖是用BGO閃爍晶體，測到的俘獲伽馬能譜圖。(3)俘獲γ能譜2.脈沖中子源在地層中激發(fā)的伽馬射線53(3)俘獲γ能譜脈沖中子源在地層中激發(fā)的各種γ射線的時(shí)間分布圖。從圖中可知，測量時(shí)要用時(shí)間門控制測量快中子非彈性散射γ射線，然后再根據(jù)能譜分析來確定射線的引起元素種類和元素含量。2.脈沖中子源在地層中激發(fā)的伽馬射線(3)俘獲γ能譜脈沖中子源在地層中激發(fā)的各種γ射線的54碳氧比能譜測井學(xué)習(xí)內(nèi)容1.方法特點(diǎn)2.脈沖中子源在地層中激發(fā)的伽馬射線3.伽馬能譜的數(shù)據(jù)采集和處理4.碳氧比的計(jì)算、飽和度和孔隙度解釋模型5.碳氧比能譜測井資料的應(yīng)用碳氧比能譜測井學(xué)習(xí)內(nèi)容1.方法特點(diǎn)2.脈沖中子源在地層中激553.伽馬能譜的數(shù)據(jù)采集和處理

右圖為用MCNP程序(MonteCarlo中子一伽馬輸運(yùn)程序)模擬碳氧比能譜測井得出的C/O與源距的關(guān)系（模擬模型為高1m的均質(zhì)地層等）。

從圖中①、②和③三條曲線可以看出：

★當(dāng)源距小于25cm時(shí)，碳氧比值受井眼內(nèi)流體性質(zhì)影響很大；

★當(dāng)源距增大時(shí)井眼影響雖緩慢減小，但直到超過70cm時(shí)還存在。(1)源距選擇和譜數(shù)據(jù)的采集3.伽馬能譜的數(shù)據(jù)采集和處理右圖為用MCNP程56(1)源距選擇和譜數(shù)據(jù)的采集曲線④因地層和井內(nèi)流體差別不大，反映的只是比值的基值，無明顯變化。單探測器儀器主要考慮減小井的影響，源距應(yīng)在統(tǒng)計(jì)精度允許的前提下盡量選大一些，如40～50cm。3.伽馬能譜的數(shù)據(jù)采集和處理

雙探測器儀器：長源距探測器與單晶儀器相同，主要反映地層的性質(zhì)；短源距探測器主要反映井眼內(nèi)流體的性質(zhì)，源距應(yīng)在儀器結(jié)構(gòu)允許的條件下盡可能短一些，如20cm。(1)源距選擇和譜數(shù)據(jù)的采集曲線④因地層和井內(nèi)流體57(2)典型儀器（RST）簡介在碳氧比能譜測井儀器中，斯侖貝謝雙源距過油管碳氧比剩余油飽和度測井儀較有代表性，現(xiàn)作簡要介紹。3.伽馬能譜的數(shù)據(jù)采集和處理

①下井儀結(jié)構(gòu)右圖是外徑63.5mm的RST下井儀結(jié)構(gòu)示意圖。脈沖中子源重復(fù)周期100微秒。兩個(gè)GSO閃爍探測器，分別偏靠井壁和井眼，源距和結(jié)構(gòu)都使短源距探測器對井眼流體敏感而長源距探測器對地層敏感。(2)典型儀器（RST）簡介在碳氧比能譜測井儀器中，58(2)典型儀器（RST）簡介②工作模式

A.非彈一俘獲模式(IC)在中子發(fā)射持續(xù)期內(nèi)采集快中子非彈性散射γ射線譜，解譜得碳和氧的產(chǎn)額，進(jìn)而求出地層含油飽和度和井眼內(nèi)流體持油率。而在中子發(fā)射間隔期內(nèi)測量俘獲γ譜，解譜求出地層的巖性、孔隙度和視地層水礦化度。(2)典型儀器（RST）簡介②工作模式59(2)典型儀器（RST）簡介②工作模式B.俘獲一Σ模式(CS)同時(shí)測量俘獲γ譜和計(jì)數(shù)率隨時(shí)間的衰減，解俘獲γ能譜得元素產(chǎn)額，提供巖性、孔隙度和視地層水礦化度，而由衰減曲線求得地層熱中子宏觀俘獲截面Σ。C.SIGMA模式快速(1800ft／h)測量熱中子宏觀俘獲截面Σ。(2)典型儀器（RST）簡介②工作模式C.SIGMA模式60

③探測深度斯侖貝謝的RST雙探測器儀器，長、短源距探測范圍有一定的差別。見右圖。雙探測器儀器解釋模型是一組聯(lián)立方程，通過解此方程來確定不同探測深度的探測對象的飽和度或孔隙度等特征。(2)典型儀器（RST）簡介③探測深度(2)典型儀器（RST）簡介61碳氧比能譜測井學(xué)習(xí)內(nèi)容1.方法特點(diǎn)2.脈沖中子源在地層中激發(fā)的伽馬射線3.伽馬能譜的數(shù)據(jù)采集和處理4.碳氧比的計(jì)算、飽和度和孔隙度解釋模型5.碳氧比能譜測井資料的應(yīng)用碳氧比能譜測井學(xué)習(xí)內(nèi)容1.方法特點(diǎn)2.脈沖中子源在地層中激624.碳氧比的計(jì)算、飽和度和孔隙度解釋模型(1)單位體積地層中的碳和氧原子數(shù)及其比值①純砂巖

碳氧原子數(shù)比為

從上式和右圖可以看出：

A.當(dāng)孔隙度大時(shí)，曲線的斜率大，測定含油飽和度的靈敏度高；B.對孔隙度相同的地層，含油飽和度高時(shí)靈敏度高；C.孔隙度高和含油飽和度也高的地層對碳氧比測井有利，可達(dá)到較高的精度；D.低孔隙度高含水地層對測井不利，得不到理想的效果。4.碳氧比的計(jì)算、飽和度和孔隙度解釋模型(1)單位體積地層中63(1)單位體積地層中的碳和氧原子數(shù)及其比值

②純石灰?guī)r碳氧原子數(shù)比為從上式和右圖可以看出：

A.當(dāng)含油飽和度為零時(shí)，碳氧原子數(shù)比為O.333，比孔隙度為35％和含油飽和度高達(dá)90％的純砂巖還要高；B.當(dāng)含油飽和度達(dá)到20％時(shí)，孔隙度不同的各條曲線交于一點(diǎn)，將曲線簇分成兩部分；(1)單位體積地層中的碳和氧原子數(shù)及其比值②純石灰?guī)r64(1)單位體積地層中的碳和氧原子數(shù)及其比值

②純石灰?guī)r

C.當(dāng)含油飽和度小于20％時(shí)，對應(yīng)于同一含油飽和度，孔隙度大的地層碳氧原子數(shù)比值低；D.當(dāng)含油飽和度大于20％時(shí)，對應(yīng)于同一含油飽和度，孔隙度大的地層碳氧原子數(shù)比值高。

由以上分析可知，識別巖性對做好碳氧比能譜測井定量解釋非常重要。(1)單位體積地層中的碳和氧原子數(shù)及其比值②純石灰?guī)r65碳氧比能譜測井資料解釋主要是求含油飽和度S0(亦即剩余油飽和度)，其解釋模型是建立在單位體積地層為油和巖石骨架中碳原子數(shù)目與水和巖石骨架中氧原子的數(shù)目之比，即碳、氧原子密度之比。這個(gè)比值與含油飽和度、孔隙度有一定的關(guān)系。在實(shí)際解釋中是用模型井得出的經(jīng)驗(yàn)公式。4.碳氧比的計(jì)算、飽和度和孔隙度解釋模型(2)含油飽和度解釋模型式中(C/O)W為水層中的碳氧比值；(C/O)O為油層中的碳氧比值；C/O為目的層測得的碳氧比值。碳氧比能譜測井資料解釋主要是求含油飽和度S0(亦即剩66上式僅對油水層孔隙度與巖性基本一致時(shí)適用。4.碳氧比的計(jì)算、飽和度和孔隙度解釋模型(2)含油飽和度解釋模型在儲集層孔隙度與巖性變化時(shí)，應(yīng)考慮測得的Si/Ca，可按下式求SO

式中K與XIW根據(jù)試驗(yàn)求得，通常取K=O.8，XIW=2.3562。解釋時(shí)要進(jìn)行孔隙度和泥質(zhì)含量校正。各油田根據(jù)地質(zhì)特點(diǎn)，上述公式將各有變化。上式僅對油水層孔隙度與巖性基本一致時(shí)適用。467碳氧比測井中的C/I曲線記錄的是地層俘獲伽馬總計(jì)數(shù)率與非彈性散射伽馬總計(jì)數(shù)率之比值，它與補(bǔ)償中子測井曲線相似，能較好的反映地層的總孔隙度。

4.碳氧比的計(jì)算、飽和度和孔隙度解釋模型(3)儲層總孔隙度解釋模型砂巖石灰?guī)r碳氧比測井中的C/I曲線記錄的是地層俘獲伽馬總計(jì)數(shù)率68碳氧比能譜測井學(xué)習(xí)內(nèi)容1.方法特點(diǎn)2.脈沖中子源在地層中激發(fā)的伽馬射線3.伽馬能譜的數(shù)據(jù)采集和處理4.碳氧比的計(jì)算、飽和度和孔隙度解釋模型5.碳氧比能譜測井資料的應(yīng)用碳氧比能譜測井學(xué)習(xí)內(nèi)容1.方法特點(diǎn)2.脈沖中子源在地層中激69由于碳氧比能譜測井能在套管井中較好地區(qū)分油層和水層，確定油層剩余油飽和度，評價(jià)水淹層，因而它在油田開發(fā)中得到廣泛應(yīng)用。5.碳氧比能譜測井資料的應(yīng)用應(yīng)用分為5點(diǎn)

(1)定量計(jì)算含油飽和度(剩余油飽和度)不同的含油飽和度，碳氧比能譜測井得到的C、O比值是不一樣的，所以根據(jù)含油飽和度與C/O的關(guān)系式來定量計(jì)算含油飽和度(剩余油飽和度)。

(2)確定殘余油飽和度殘余油飽和度是一個(gè)重要的參數(shù)，常用于三次采油和采收率的評價(jià)。注水井的注水層，經(jīng)過長時(shí)間的注水和水洗滌后，用C/O測井計(jì)算的含油飽和度相當(dāng)于產(chǎn)層的殘余油飽和度Sor。由于碳氧比能譜測井能在套管井中較好地區(qū)分油層和水層，70

(3)劃分水淹層含油砂巖和含水砂巖的C／O的相對差別在28％以上，油層水淹后，水淹部分C／O明顯下降。5.碳氧比