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1、碳氧比能谱测井,Carbon/oxygen (C/O) spectral logging,学习参考书,1.丁次乾. 矿场地球物理M.东营,中国石油大学出版社,1996 2.编写组. 测井学M. 北京,石油工业出版社,1998 3.黄隆基. 核测井原理M.东营，石油大学出版社，2000,碳氧比能谱测井,碳氧比能谱测井,学习内容,1.方法特点,2.脉冲中子源在地层中激发的伽马射线,3.伽马能谱的数据采集和处理,4.碳氧比的计算、饱和度和孔隙度解释模型,5.碳氧比能谱测井资料的应用,碳氧比能谱测井,学习内容,1.方法特点,2.脉冲中子源在地层中激发的伽马射线,3.伽马能谱的数据采集和处理,4.碳氧比
2、的计算、饱和度和孔隙度解释模型,5.碳氧比能谱测井资料的应用,碳氧比能谱测井是一种脉冲中子测井方法。其探测深度较浅，约21.3 cm。主要用于套管井测井，克服了目前电测井不能用于评价套管井中地层含油性的困难，它是套管井评价地层岩性、含油性和孔隙度的新方法。其理论基础是快中子的非弹性散射理论。,1.方法特点,当高能快中子射入地层之后，与地层中元素的原子核发生非弹性散射，致使原子核处于激发状态。当原子核从激发状态恢复到稳定状态时，将会放射出具有一定能量的伽马射线。对于不同元素的原子核来说，其非弹性散射伽马射线的能量不一样。因此可对地层中的非弹性散射伽马射线进行能量和强度分析(即能谱分析)，来确定地
3、层中存在那些元素及含量。,石油是碳氢化合物，不含氧元素；而水是氢氧化合物，不含碳元素。故在含油岩层中碳的含量比含水岩层要多，而含水岩层中氧的含量比含油岩层多。因此可选取碳元素及氧元素分别作为油和水的指示元素。,1.方法特点,当快中子与碳元素和氧元素原子核发生非弹性散射时，这两种元素不但具有较大的宏观非弹性散射截面，而且放射出非弹性散射伽马射线能量较高，差别也较大(碳的散射伽马射线能量4.43MeV，氧的散射伽马射线能量为6.13MeV)，有利于作能谱分析。基于上述原理，分别对不同地层进行能谱分析，就可以由碳元素和氧元素的含量及其比值来划分水淹层、确定油和水的含量。,碳氧比能谱测井,学习内容,1
4、.方法特点,2.脉冲中子源在地层中激发的伽马射线,3.伽马能谱的数据采集和处理,4.碳氧比的计算、饱和度和孔隙度解释模型,5.碳氧比能谱测井资料的应用,脉冲中子源以一定脉冲宽度和重复周期向地层发射中子束。能量为14MeV的中子进入地层，首先与地层中某些核素原子核发生非弹性散射，并发射非弹性散射射线，不同元素原子核的非弹性散射伽马射线的能量不一样。在中子发射后的10-810-6s时间间隔内，非弹性散射是中子能量损失的主要方式。,(1)快中子激发的射线序列,2.脉冲中子源在地层中激发的伽马射线,可以认为：非弹性散射和由此引发的光子发射是在发射中子的持续期内进行的，并且当中子发射停止时这一过程也立即
5、终止。在随后的脉冲间隔里，即在中子发射后的10-610-3s的时间内，主要作用过程是弹性散射，中子热化并产生俘获辐射。所以利用时间门可以把非弹性散射射线与俘获辐射射线区别开。,(1)快中子激发的射线序列,2.脉冲中子源在地层中激发的伽马射线,碳氧比能谱测井，就是对地层中先后产生的这两种射线做能谱分析，求出碳氧比值，进而确定含油饱和度。,(2)快中子非弹性散射射线 非弹性散射射线,2.脉冲中子源在地层中激发的伽马射线,地层中能与快中子发生非弹性散射而产生射线的核素主要是12C、160、28Si和40Ca。右表给出这四种核素的有关数据。, 非弹性散射射线,表中第一列给出的射线能量，就是非弹性散射初
6、始数据谱。从表中可以看出，油气储层中最显著的谱线是6.13MeV、4.43MeV、3.73MeV和1.78MeV,它们分别是16O,12C,40Ca和28Si的特征谱线。在测井中，选用这四种核素分别作为碳、氧、钙和硅元素的指示核素，因而这四条谱线也就是对应的几种元素的特征谱线，见右上图。,(2)快中子非弹性散射射线,非弹性散射射线仪器谱,地层快中子非弹性散射射线计数，主要包括碳、氧、硅、钙的贡献。下图分别给出能量为14 MeV的中子与12C、160、28Si、40Ca发生非弹性散射产生的射线谱，谱图是用NaI(TI)闪烁计数谱仪测定的。,(2)快中子非弹性散射射线,图中所示碳和氧的能谱图中可明
7、显地看到各自的全能峰、单逃逸峰和双逃逸峰，而硅和钙的谱图特征峰不够显著。,实际测量时候，可选取四个特征谱段（能窗），使每个谱段的计数尽可能多地反映其中一种核素的贡献，以便于处理。,非弹性散射射线仪器谱,(2)快中子非弹性散射射线,(3)俘获能谱,2.脉冲中子源在地层中激发的伽马射线,图中纵线可分出H、Si、Ca、CI和Fe的计数窗。可知：氢特征峰在2.23 MeV处显示清楚；硅两个全能峰位分别在3.54MeV和4.93MeV；钙在6.42MeV和4.42MeV处的两个峰也较明显；如地层水为盐水，则氯的最明显的全能蜂在6.11MeV，强烈影响钙能窗计数，从而干扰用硅钙比区分砂岩和石灰岩。谱分析将
8、严重受地层水矿化度影响。,下图是用BGO闪烁晶体，测到的俘获伽马能谱图。,(3)俘获能谱,脉冲中子源在地层中激发的各种射线的时间分布图。从图中可知，测量时要用时间门控制测量快中子非弹性散射射线，然后再根据能谱分析来确定射线的引起元素种类和元素含量。,2.脉冲中子源在地层中激发的伽马射线,碳氧比能谱测井,学习内容,1.方法特点,2.脉冲中子源在地层中激发的伽马射线,3.伽马能谱的数据采集和处理,4.碳氧比的计算、饱和度和孔隙度解释模型,5.碳氧比能谱测井资料的应用,3.伽马能谱的数据采集和处理,右图为用MCNP程序(Monte Carlo中子一伽马输运程序)模拟碳氧比能谱测井得出的C/O与源距的
9、关系（模拟模型为高1m的均质地层等）。从图中、和三条曲线可以看出：当源距小于25cm时，碳氧比值受井眼内流体性质影响很大；当源距增大时井眼影响虽缓慢减小，但直到超过70cm时还存在。,(1) 源距选择和谱数据的采集,(1) 源距选择和谱数据的采集,曲线因地层和井内流体差别不大，反映的只是比值的基值，无明显变化。单探测器仪器主要考虑减小井的影响，源距应在统计精度允许的前提下尽量选大一些，如4050 cm。,3.伽马能谱的数据采集和处理,双探测器仪器：长源距探测器与单晶仪器相同，主要反映地层的性质；短源距探测器主要反映井眼内流体的性质，源距应在仪器结构允许的条件下尽可能短一些，如20cm。,(2)
10、典型仪器（RST）简介,在碳氧比能谱测井仪器中，斯仑贝谢双源距过油管碳氧比剩余油饱和度测井仪较有代表性，现作简要介绍。,3.伽马能谱的数据采集和处理,下井仪结构右图是外径63.5mm的RST下井仪结构示意图。脉冲中子源重复周期100微秒。两个GSO闪烁探测器，分别偏靠井壁和井眼，源距和结构都使短源距探测器对井眼流体敏感而长源距探测器对地层敏感。,(2) 典型仪器（RST）简介,工作模式A.非弹一俘获模式(IC)在中子发射持续期内采集快中子非弹性散射射线谱，解谱得碳和氧的产额，进而求出地层含油饱和度和井眼内流体持油率。而在中子发射间隔期内测量俘获谱，解谱求出地层的岩性、孔隙度和视地层水矿化度。,
11、(2) 典型仪器（RST）简介,工作模式B.俘获一模式(CS)同时测量俘获谱和计数率随时间的衰减，解俘获能谱得元素产额，提供岩性、孔隙度和视地层水矿化度，而由衰减曲线求得地层热中子宏观俘获截面。,C.SIGMA模式 快速(1800 fth)测量热中子宏观俘获截面。, 探测深度斯仑贝谢的RST双探测器仪器，长、短源距探测范围有一定的差别。见右图。双探测器仪器解释模型是一组联立方程，通过解此方程来确定不同探测深度的探测对象的饱和度或孔隙度等特征。,(2) 典型仪器（RST）简介,碳氧比能谱测井,学习内容,1.方法特点,2.脉冲中子源在地层中激发的伽马射线,3.伽马能谱的数据采集和处理,4.碳氧比的
12、计算、饱和度和孔隙度解释模型,5.碳氧比能谱测井资料的应用,4.碳氧比的计算、饱和度和孔隙度解释模型,(1)单位体积地层中的碳和氧原子数及其比值, 纯砂岩 碳氧原子数比为,从上式和右图可以看出：A.当孔隙度大时，曲线的斜率大，测定含油饱和度的灵敏度高；B.对孔隙度相同的地层，含油饱和度高时灵敏度高；C.孔隙度高和含油饱和度也高的地层对碳氧比测井有利，可达到较高的精度；D.低孔隙度高含水地层对测井不利，得不到理想的效果。,(1)单位体积地层中的碳和氧原子数及其比值, 纯石灰岩碳氧原子数比为,从上式和右图可以看出：A.当含油饱和度为零时，碳氧原子数比为O.333，比孔隙度为35和含油饱和度高达90
13、的纯砂岩还要高；B.当含油饱和度达到20时，孔隙度不同的各条曲线交于一点，将曲线簇分成两部分；,(1)单位体积地层中的碳和氧原子数及其比值,纯石灰岩,C.当含油饱和度小于20时，对应于同一含油饱和度，孔隙度大的地层碳氧原子数比值低；D.当含油饱和度大于20时，对应于同一含油饱和度，孔隙度大的地层碳氧原子数比值高。由以上分析可知，识别岩性对做好碳氧比能谱测井定量解释非常重要。,碳氧比能谱测井资料解释主要是求含油饱和度S0(亦即剩余油饱和度)，其解释模型是建立在单位体积地层为油和岩石骨架中碳原子数目与水和岩石骨架中氧原子的数目之比，即碳、氧原子密度之比。这个比值与含油饱和度、孔隙度有一定的关系。在
14、实际解释中是用模型井得出的经验公式。,4.碳氧比的计算、饱和度和孔隙度解释模型,(2)含油饱和度解释模型,式中(C/O)W为水层中的碳氧比值；(C/O)O为油层中的碳氧比值；C/O为目的层测得的碳氧比值。,上式仅对油水层孔隙度与岩性基本一致时适用。,4.碳氧比的计算、饱和度和孔隙度解释模型,(2)含油饱和度解释模型,在储集层孔隙度与岩性变化时，应考虑测得的Si/Ca，可按下式求SO式中K与XIW根据试验求得，通常取K=O.8，XIW=2.3562。解释时要进行孔隙度和泥质含量校正。各油田根据地质特点，上述公式将各有变化。,碳氧比测井中的C/I曲线记录的是地层俘获伽马总计数率与非弹性散射伽马总计
15、数率之比值，它与补偿中子测井曲线相似，能较好的反映地层的总孔隙度。,4.碳氧比的计算、饱和度和孔隙度解释模型,(3)储层总孔隙度解释模型,碳氧比能谱测井,学习内容,1.方法特点,2.脉冲中子源在地层中激发的伽马射线,3.伽马能谱的数据采集和处理,4.碳氧比的计算、饱和度和孔隙度解释模型,5.碳氧比能谱测井资料的应用,由于碳氧比能谱测井能在套管井中较好地区分油层和水层，确定油层剩余油饱和度，评价水淹层，因而它在油田开发中得到广泛应用。,5.碳氧比能谱测井资料的应用,应用分为5点,(1)定量计算含油饱和度(剩余油饱和度)不同的含油饱和度，碳氧比能谱测井得到的C、O比值是不一样的，所以根据含油饱和度
16、与C/O的关系式来定量计算含油饱和度(剩余油饱和度)。(2)确定残余油饱和度残余油饱和度是一个重要的参数，常用于三次采油和采收率的评价。注水井的注水层，经过长时间的注水和水洗涤后，用C/O测井计算的含油饱和度相当于产层的残余油饱和度Sor。,(3)划分水淹层含油砂岩和含水砂岩的CO的相对差别在28以上，油层水淹后，水淹部分CO明显下降。,5.碳氧比能谱测井资料的应用,实例1 如右图所示，图中标有A、B的两段油层已被水淹，其C/O曲线值明显低于未被水淹部分的C/O值。由C/O计算得到的含水饱和度分别高达769和829，测试均证明A、B段已水淹。,(3)划分水淹层,5.碳氧比能谱测井资料的应用,实例2 右图为碳氧比能谱测井评价水淹层的另一实例。从图中各曲线可以清楚看出，1290m以上为弱水淹；12901296m为注入水强水淹区，1296m以下为底水。,用碳氧比测井评价水淹层,
