碳氧比能譜測(cè)井詳解教學(xué)課件

碳氧比能譜測(cè)井Carbon/oxygen(C/O)spectrallogging2020/10/161學(xué)習(xí)參考書1.丁次乾.礦場(chǎng)地球物理[M].東營(yíng),中國(guó)石油大學(xué)出版社,19962.<<測(cè)井學(xué)>>編寫組.測(cè)井學(xué)[M].北京,石油工業(yè)出版社,19983.黃隆基.核測(cè)井原理[M].東營(yíng)，石油大學(xué)出版社，2000碳氧比能譜測(cè)井2020/10/162碳氧比能譜測(cè)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(cè)井資料的應(yīng)用2020/10/163碳氧比能譜測(cè)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(cè)井資料的應(yīng)用2020/10/164碳氧比能譜測(cè)井是一種脈沖中子測(cè)井方法。其探測(cè)深度較淺，約21.3cm。主要用于套管井測(cè)井，克服了目前電測(cè)井不能用于評(píng)價(jià)套管井中地層含油性的困難，它是套管井評(píng)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(huì)放射出具有一定能量的伽馬射線。對(duì)于不同元素的原子核來(lái)說(shuō)，其非彈性散射伽馬射線的能量不一樣。因此可對(duì)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(lái)確定地層中存在那些元素及含量。2020/10/165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恚謩e對(duì)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(lái)劃分水淹層、確定油和水的含量。2020/10/166碳氧比能譜測(cè)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(cè)井資料的應(yīng)用2020/10/167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2020/10/168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(guò)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(guò)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(kāi)。(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(cè)井，就是對(duì)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。2020/10/169(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)。2020/10/1610①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(chǔ)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(cè)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(duì)應(yīng)的幾種元素的特征譜線，見(jiàn)右上圖。(2)快中子非彈性散射γ射線2020/10/1611②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(cè)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。2020/10/1612實(shí)際測(cè)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2020/10/1613(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(cè)到的俘獲伽馬能譜圖。2020/10/1614(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(cè)量時(shí)要用時(shí)間門控制測(cè)量快中子非彈性散射γ射線，然后再根據(jù)能譜分析來(lái)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2020/10/1615碳氧比能譜測(cè)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(cè)井資料的應(yīng)用2020/10/16163.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(cè)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(guò)70cm時(shí)還存在。(1)源距選擇和譜數(shù)據(jù)的采集2020/10/1617(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(wú)明顯變化。單探測(cè)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(cè)器儀器：長(zhǎng)源距探測(cè)器與單晶儀器相同，主要反映地層的性質(zhì)；短源距探測(cè)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。2020/10/1618(2)典型儀器（RST）簡(jiǎn)介在碳氧比能譜測(cè)井儀器中，斯侖貝謝雙源距過(guò)油管碳氧比剩余油飽和度測(cè)井儀較有代表性，現(xiàn)作簡(jiǎn)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(cè)器，分別偏靠井壁和井眼，源距和結(jié)構(gòu)都使短源距探測(cè)器對(duì)井眼流體敏感而長(zhǎng)源距探測(cè)器對(duì)地層敏感。2020/10/1619(2)典型儀器（RST）簡(jiǎn)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(cè)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。2020/10/1620(2)典型儀器（RST）簡(jiǎn)介②工作模式B.俘獲一Σ模式(CS)同時(shí)測(cè)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(cè)量熱中子宏觀俘獲截面Σ。2020/10/1621

③探測(cè)深度斯侖貝謝的RST雙探測(cè)器儀器，長(zhǎng)、短源距探測(cè)范圍有一定的差別。見(jiàn)右圖。雙探測(cè)器儀器解釋模型是一組聯(lián)立方程，通過(guò)解此方程來(lái)確定不同探測(cè)深度的探測(cè)對(duì)象的飽和度或孔隙度等特征。(2)典型儀器（RST）簡(jiǎn)介2020/10/1622碳氧比能譜測(cè)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(cè)井資料的應(yīng)用2020/10/16234.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(cè)定含油飽和度的靈敏度高；B.對(duì)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(duì)碳氧比測(cè)井有利，可達(dá)到較高的精度；D.低孔隙度高含水地層對(duì)測(cè)井不利，得不到理想的效果。2020/10/1624(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；2020/10/1625(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(duì)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(duì)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(shí)別巖性對(duì)做好碳氧比能譜測(cè)井定量解釋非常重要。2020/10/1626碳氧比能譜測(cè)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(cè)得的碳氧比值。2020/10/1627上式僅對(duì)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(chǔ)集層孔隙度與巖性變化時(shí)，應(yīng)考慮測(cè)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。2020/10/1628碳氧比測(cè)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(cè)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(chǔ)層總孔隙度解釋模型砂巖石灰?guī)r2020/10/1629碳氧比能譜測(cè)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(cè)井資料的應(yīng)用2020/10/1630由于碳氧比能譜測(cè)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(píng)價(jià)水淹層，因而它在油田開(kāi)發(fā)中得到廣泛應(yīng)用。5.碳氧比能譜測(cè)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(cè)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(lái)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(píng)價(jià)。注水井的注水層，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的注水和水洗滌后，用C/O測(cè)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。2020/10/1631

(3)劃分水淹層含油砂巖和含水砂巖的C／O的相對(duì)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(cè)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(cè)試均證明A、B段已水淹。2020/10/1632

(3)劃分水淹層

5.碳氧比能譜測(cè)井資料的應(yīng)用實(shí)例2

右圖為碳氧比能譜測(cè)井評(píng)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(cè)井評(píng)價(jià)水淹層2020/10/1633(4)由C/O時(shí)間推移測(cè)井。監(jiān)測(cè)油、水的運(yùn)移狀態(tài)

5.碳氧比能譜測(cè)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(kāi)發(fā)中油、水的運(yùn)動(dòng)情況，專門開(kāi)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(duì)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(cè)井，跟蹤監(jiān)測(cè)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(duì)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(cè)井資料數(shù)據(jù)處理成果圖。2020/10/16345.碳氧比能譜測(cè)井資料的應(yīng)用由圖可見(jiàn)，在注水井開(kāi)發(fā)不同階段，即無(wú)水期一低含水期一中含水期一高含水期，碳氧比測(cè)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(guò)程。(4)由C/O時(shí)間推移測(cè)井。監(jiān)測(cè)油、水的運(yùn)移狀態(tài)

2020/10/1635(5)碳氧比能譜測(cè)井預(yù)測(cè)產(chǎn)能按照達(dá)西定律，對(duì)于一個(gè)儲(chǔ)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(chǔ)集層的有效厚