中子伽馬曲線受到自然伽馬污染影響分析及消除原理

梁 坤，陳 鑫，趙 莉

(中石化中原石油工程有限公司地球物理測井公司 河南 濮陽 457001)

0 引 言

隨著油田開發(fā)進(jìn)入中后期,由于天然能量不足,必須進(jìn)行人工補(bǔ)充能量開發(fā)。由于長期注水沖刷、污水回注、工程施工、套管腐蝕破損等原因,使得部分開采區(qū)塊地層自然伽馬污染日趨嚴(yán)重，并呈現(xiàn)逐年增加的趨勢。自然伽馬本底高,其強(qiáng)度高于原始地層幾倍以至幾十倍的情況屢見不鮮,據(jù)統(tǒng)計(jì)油井的20%～30%目的層自然伽馬強(qiáng)度超過600 API,個(gè)別井甚至超過6 000 API。受污染井使用常規(guī)自然伽馬測井所測的自磁曲線嚴(yán)重失真，已與原始地層無明顯對應(yīng)規(guī)律關(guān)系。為了克服這一問題，往往會采用測量中子伽馬曲線進(jìn)行校深，但當(dāng)井內(nèi)自然伽馬污染強(qiáng)度較大時(shí)(一般是自然伽馬強(qiáng)度超過600 API)，中子伽馬測井曲線也會受到嚴(yán)重干憂，使所測出的資料同樣嚴(yán)重失真，亦與地層無對應(yīng)關(guān)系，影響油層動態(tài)描述以及射孔深度定位，這也是目前國內(nèi)各大油田進(jìn)入中后期開發(fā)后生產(chǎn)上所面臨的技術(shù)難題。

1 中子伽馬曲線受到自然伽馬污染影響分析

在無污染井段可利用中子伽馬測井曲線與自然伽馬測井曲線進(jìn)行地層巖性對比，確定目的層。但在油井開發(fā)后期，由于長期注水沖刷、污水回注、工程施工、套管腐蝕破損等原因使井內(nèi)放射性污染殘留增加，中子伽馬測井曲線不能真實(shí)地反映地層次生伽馬強(qiáng)度，導(dǎo)致中子伽馬測井曲線受到自然伽馬污染而失真，中子伽馬測井曲線無法用于校深。

1.1 自然伽馬測井儀器探測的計(jì)數(shù)與地層放射性強(qiáng)度的關(guān)系

依據(jù)地層放射性元素釋放出伽馬源伽馬射線，經(jīng)測量通道到達(dá)自然伽馬儀器探測器的射線強(qiáng)度為[1-5]：

I=I0e-μρL

(1)

式中，I0為伽馬源處的伽馬射線強(qiáng)度；I為探測器處的伽馬射線強(qiáng)度；μ為康普頓吸收系數(shù)，cm2/g；ρ為介質(zhì)密度，g/cm3；L為源距長度，10～40 cm。

公式(1)中，康普頓吸收系數(shù)μ主要與元素的荷質(zhì)比有關(guān)，對于低原子序數(shù)元素，即氫、氧、碳、鈉等元素的康普頓吸收系數(shù)相差較小，即油、氣、水和鹽水的康普頓吸收系數(shù)基本相等；井眼介質(zhì)密度ρ對于油水井為0.9～1.1之間，大致是一個(gè)穩(wěn)定的常數(shù)；采樣通道長度L是對于某探測器來說也是一個(gè)常數(shù)，因此e-μρl可用一個(gè)常數(shù)K來表示，K稱為儀器測量系數(shù)，公式(1)可以用公式(2)來表示[2-9]：

I=K×I0

(2)

即伽馬探測的計(jì)數(shù)與環(huán)境中的伽馬強(qiáng)度I0成正比關(guān)系。

自然伽馬儀器在測井過程中，測量曲線反應(yīng)的是井眼里的伽馬強(qiáng)度。伽馬測量計(jì)數(shù)與井眼中的自然伽馬強(qiáng)度Q自成正比關(guān)系，見公式(3)

I自=K自×Q自

(3)

式中，I自為伽馬儀器測量計(jì)數(shù)；K自為伽馬儀器的測量系數(shù)；Q自為井眼里的自然伽馬強(qiáng)度。

1.2 中子伽馬測井儀器探測的計(jì)數(shù)與地層放射性強(qiáng)度的關(guān)系

中子伽馬儀器在測井過程中，測量曲線反映的應(yīng)該是地層自然伽馬強(qiáng)度Q自和由于快中子與井眼地層元素的散射和俘獲作用而產(chǎn)生的次生伽馬強(qiáng)度Q次。見公式(4)[3-6]：

IN=KN×(Q次+Q自)=KN×Q次+KN×Q自=IN次+IN自

(4)

式中，IN為中子伽馬儀器測量計(jì)數(shù)；KN為中子伽馬儀器測量系數(shù)；Q次為井眼里的次生伽馬強(qiáng)度；Q自為井眼里的伽馬強(qiáng)度；IN次為次生伽馬強(qiáng)度導(dǎo)致的中子伽馬儀器測量計(jì)數(shù)；IN自為自然伽馬強(qiáng)度導(dǎo)致的中子伽馬儀器測量計(jì)數(shù)。

1.3 中子伽馬曲線受到自然伽馬污染影響原理

理想情況下，中子伽馬測量的僅僅是次生伽馬射線。但實(shí)際測井中，中子伽馬測井也同時(shí)測量到地層的自然伽馬射線。中子伽馬儀器的測量的不僅包括次生伽馬射線，也包括自然伽馬射線。在實(shí)際測井中，大多數(shù)井眼中Q自≈1/15×Q次,因此Q自對IN的影響可以忽略，即IN=KN×(Q次+Q自)≈KN×Q次=IN次。此時(shí)自然伽馬強(qiáng)度對中子伽馬測井曲線幾乎沒有干擾，對資料解釋不會有影響[4]。

由于主要采取水驅(qū)油方式進(jìn)行開采,加之長期注水沖刷、污水回注、工程施工、套管腐蝕破損等原因,使得中原油田部分開采區(qū)塊地層自然伽馬污染。放射性污染物附著在井壁上，產(chǎn)生伽馬射線。此時(shí)中子伽馬儀器測量的伽馬射線除了次生伽馬射線，還有地層自然伽馬射線和井眼放射性污染物伽馬射線。此時(shí)自然伽馬射線強(qiáng)度與井眼放射性污染物伽馬射線強(qiáng)度相當(dāng)，自然伽馬測井曲線受到影響，不能用于測井解釋，只能用中子伽馬測井資料。此時(shí)自然伽馬射線強(qiáng)度相比較次生伽馬強(qiáng)度仍然可以忽略。

由于地層放射性鹽類隨著溫度、壓力、流速及地球化學(xué)條件的變化，放射性鹽以不可逆的方式沉淀在水泥環(huán)和套管上，不溶于水的放射性重晶石(Ba(Ra)SO4)微晶以懸浮物的形式，在動力流動的條件下，被膠體溶液帶走，在采油或注水的過程中，通過滲透性儲集層，最后沉淀在射孔井段的套管上，或者沉積在鄰井采油而本井尚未射開的同一層位的套管上，這就形成了放射性元素聚集，導(dǎo)致井內(nèi)放射性污染嚴(yán)重。放射性污染產(chǎn)生的伽馬射線強(qiáng)度達(dá)到300 API時(shí)，Q自增大。當(dāng)Q自超過300 API的時(shí)候，Q自≈1/3×Q次，也就是說中子伽馬測井曲線測量值有三分之一來自于自然伽馬，對中子伽馬測井?dāng)?shù)據(jù)產(chǎn)生較大影響。 當(dāng)放射性污染嚴(yán)重時(shí)，Q自能達(dá)到幾千API，Q自大于Q次，自然伽馬強(qiáng)度對中子伽馬測井曲線影響嚴(yán)重，中子伽馬測井曲線嚴(yán)重失真，不能反映地層元素產(chǎn)生的次生伽馬強(qiáng)度規(guī)律，導(dǎo)致測井失敗。

2 中子伽馬曲線受到自然伽馬污染影響消除原理

為了消除伽馬污染對中子伽馬測井的影響，需要將Q自去除，中子伽馬測井曲線包含的自然伽馬強(qiáng)度響應(yīng)部分進(jìn)行消除，得到真實(shí)的次生伽馬強(qiáng)度Q次響應(yīng)曲線[7]。

2.1 一次測井消除自然伽馬污染影響

由公式(4)可推出：

IN= KN×Q次+ KN×Q自=IN次+IN自，

則IN次=IN-IN自=IN-KN×Q自

(5)

對于自然伽馬儀器：

I自=K自×Q自，則Q自=I自/K自，代入公式(5)得：

IN次=IN- KN×I自/K自=IN-I自/(K自/KN)

(6)

由于K自和KN分別是自然伽馬和中子伽馬儀器的儀器系數(shù)，對于某支儀器來講，K自和KN均為常數(shù)，令K自/KN=A，代入公式(6)得：

IN次=IN-I自/A

(7)

式中:IN次為次生伽馬強(qiáng)度導(dǎo)致的中子伽馬儀器測量計(jì)數(shù)；IN為中子伽馬儀器測量計(jì)數(shù)；I自為自然伽馬儀器測量計(jì)數(shù)；A為自然伽馬污染影響消除校正系數(shù)。

在中子伽馬測井中，可以分別測得IN和I自，只要得到系數(shù)A，代入公式(7)， 即可實(shí)現(xiàn)對自然伽馬污染影響的消除，得到完全由地層元素產(chǎn)生的次生伽馬強(qiáng)度、反應(yīng)真實(shí)地層特性的中子伽馬響應(yīng)曲線。這里將系數(shù)A稱為自然伽馬污染影響消除校正系數(shù)[3]。

這樣，在一次下井取得IN和I自后，通過公式(7)，便可得到消除伽馬污染的中子伽馬測量曲線IN次。公式(7)即為消除中子伽馬測井曲線中伽馬污染的計(jì)算公式。

2.2 二次下井消除自然伽馬污染影響

利用中子伽馬儀器二次下井消除中子伽馬測井曲線中伽馬污染影響,從公式(2-5) ：IN次=IN-IN自可以看出，我們可以分兩次下井，第一次下井，中子伽馬儀器不安裝中子源，測得IN自這條曲線；第二次下井，中子伽馬儀器安裝中子源，測得IN這條曲線，將IN和IN自這兩條曲線進(jìn)行相減，便可得到消除伽馬污染的中子伽馬測量曲線IN次[8]。

3 實(shí) 例

濮8-4井是2002年部署在濮城構(gòu)造濮67斷塊的一口定向開發(fā)井，自生產(chǎn)以來一直采用注水開發(fā)的方式進(jìn)行開采。進(jìn)行TCP―油管輸送射孔時(shí)，實(shí)測自然伽馬曲線顯示射孔層段嚴(yán)重污染，自然伽馬曲線數(shù)值在61～2 640 cps之間，在2 820 m附近最大值達(dá)到2 640 cps，喪失了與組合自然伽馬的對應(yīng)性，導(dǎo)致射孔時(shí)無法校深及跟蹤定位。測量中子伽馬以便校深射孔，中子伽馬曲線數(shù)值在297～999.7 cps之間，同自然伽馬一致在2 820 m附近數(shù)值達(dá)到最大。實(shí)測測井曲線與組合常規(guī)測井曲線對應(yīng)性較差，如圖1所示。

圖1 濮8-4井實(shí)測測井曲線與組合常規(guī)測井曲線對比圖

鑒于射孔和實(shí)驗(yàn)要求，我們對實(shí)測曲線進(jìn)行了消除污染校正。校正結(jié)果顯示，采用一次測井污染消除方法(IN次=IN-IG/A)得到校正曲線數(shù)值在68.9～410 cps之間,對應(yīng)實(shí)測中子伽馬最大值處，數(shù)值明顯降低，為372.3 cps左右，相對降幅達(dá)62.7%，且與組合常規(guī)曲線有了較好的對應(yīng)性。采用二次測井污染消除方法(IN次=IN-IN自)得到校正曲線數(shù)值在220.6～486.7 cps之間,對應(yīng)實(shí)測中子伽馬最大值處，數(shù)值亦明顯降低，為361 cps左右，相對降幅達(dá)63.8%，同樣與組合常規(guī)曲線有了較好的對應(yīng)性,如圖2所示。

圖2 濮8-4井校正曲線與組合常規(guī)測井曲線對比圖

4 結(jié) 論

通過分析中子伽馬受到自然伽馬的污染原因，中子伽馬測井曲線不能真實(shí)的地反映地層次生伽馬強(qiáng)度，提出了消除自然伽馬污染對中子伽馬測井的影響的原理，從而在理論上為高伽馬污染中子伽馬測井資料校正提供了依據(jù)。在研究過程中，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1) 在油井開發(fā)后期，由于長期注水沖刷、污水回注、工程施工、套管腐蝕破損等原因，井內(nèi)放射性污染殘留增加，中子伽馬測井曲線不能真實(shí)地反映地層次生伽馬強(qiáng)度，無法用于校深。

2) 當(dāng)放射性污染嚴(yán)重時(shí)，自然伽馬強(qiáng)度對中子伽馬測井曲線影響嚴(yán)重，中子伽馬測井曲線嚴(yán)重失真，不能反映地層元素產(chǎn)生的次生伽馬強(qiáng)度規(guī)律，導(dǎo)致測井失敗。

3) 為了消除伽馬污染對中子伽馬測井的影響，需要將自然伽馬射線強(qiáng)度去除，將中子伽馬測井曲線包含的自然伽馬強(qiáng)度響應(yīng)部分進(jìn)行消除，得到真實(shí)的次生伽馬強(qiáng)度響應(yīng)曲線。

4) 分別提出了利用一次測井和二次測井消除自然伽馬污染影響的方法。對濮8-4井測得的中子伽馬進(jìn)行消除污染校正，校正結(jié)果與常規(guī)測井結(jié)果比對具有較好的對應(yīng)性。