CN101135733A - 脉冲中子双谱-示踪剩余油饱和度测井方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种脉冲中子双谱－示踪剩余油饱和度测井方法，包括以下步骤：1]在向目的层渗入示踪剂之前先用脉冲中子双谱饱和度测井仪采集测井基值数据；2]使含钆示踪剂渗入地层，测渗后数据；3]使示踪剂挤入地层，测驱替后数据；4]数据处理与解释。本发明优点：本发明优选含钆水溶性示踪剂，用脉冲中子双谱流体饱和度测井仪采集渗入钆示踪剂之前和之后的数据，用多尺度分析和数据融合方法使两类数据携带的信息在优选的尺度上优势互补，对地层做全面描述，能更全面地反映地层的特性，更准确地识别油、气、水层，提高了区分油水层的能力。使用本发明方法，还可以减少示踪剂的用量。

Description

脉冲中子双谱-示踪剩余油饱和度测井方法

技术领域

本发明涉及一种脉冲中子双谱-示踪测井方法。

背景技术

热中子寿命测井区分油水层的根据，是地层水的热中子宏观俘获截面比原油大。在其它条件相同的情况下，俘获截面越大表明含水饱和度越高。

纯地层热中子宏观截面为：

∑＝∑_ma(1-+)+∑_wS_w+∑_h(1-S_w)     (1)

式中，∑_ma、∑_w和∑_h分别为岩石骨架、地层水和油气的热中子宏观俘获截面，为孔隙度，S_w为含水饱和度。宏观俘获截面的单位为c.u.，lc.u.＝10^-3cm^-1。

若原油的宏观截面为∑_h＝21c.u.，而地层水的宏观截面为：

∑_w＝22.1+0.4×kppmNaCl      (2)

则当地层水饱和度为100％时，地层的热中子宏观俘获截面最大，此时有

∑^max＝∑_ma(1-)+∑_w      (3)

而当Sw＝0时，地层的热中子宏观俘获截面最小，此时有

∑^min＝∑_ma(1-)+∑_h(4)

油水层宏观截面最大差值为

Δ∑＝(∑_w-∑_h)(5)

(5)式表明，水和油宏观截面差值和孔隙度的乘积决定了含水饱和度由100％降为0％所对应的宏观俘获截面变化范围，可见地层水矿化度要足够高是寿命测井区分油水层的先决条件。

直到目前，测量中子寿命的方法是用脉冲中子测井仪记录俘获伽马时间谱，解谱则可得到热中子寿命或宏观俘获截面。用这种方法做定量解释应使可信系数

$C=(1-\frac{{\mathrm{\Σ}}^{\min }}{{\mathrm{\Σ}}^{\max }})\×1.33>0.5---\left(6\right)$

式(6)中，∑^min和∑^max分别由(3)和(4)式计算。

设∑_ma＝8c.u.，∑_h＝21c.u.，∑_w＝22.1+0.04×kppmNaCl，对给定的孔隙度计算出可信系数C与地层水热中子宏观截面∑_w的关系曲线，如图1所示。从图1中看出，当孔隙度从35％降到7％时，要求∑_w从40c.u.升高到100c.u.，对应的矿化度范围在(50k-200k)ppmNaCl之内，才能满足(6)式的关系。对孔隙度大于10％的储油层，地层水宏观截面∑_w≥70c.u.，矿化度不低于120kppmNaCl则可得到定量解释的要求。

在

$0.5\≥C=(1-\frac{{\mathrm{\Σ}}^{\min }}{{\mathrm{\Σ}}^{\max }})\×1.33>0.3---\left(7\right)$

的范围内为一过渡区，定量解释精确度较低。C若低于0.3，则仅能做定性解释。

中高含水期水驱开发油藏，若注入水为淡水，孔隙水的热中子宏观俘获截面与原油差别太小，往往难以区分。为克服这一困难，人为向地层注入或渗入热中子俘获截面大的水溶性示踪剂，提高水的俘获截面，增大水与油的差别以便于区分。在中国各大油田普遍采用了“测-注-测”或“测-渗-测”技术，即采用只测量俘获伽马射线的测井仪器在采油井先测一条俘获伽马计数率或∑曲线，称之为“基线”。而后注入含硼或钆的水溶性示踪剂以改变水的热中子宏观截面，再测一次计数率或∑曲线。比较前后两次测量数据，就可识别油层的水淹程度和剩余油的分布。“测-注-测”或“测-渗-测”技术的缺点是：丢失了中子与地层相互作用过程中在发生俘获辐射核反应之前的所有信息；具有较大的多解性；示踪剂用量较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用中子与地层相互作用全过程各个阶段生成的所有信息，限制地球物理方法的多解性并降低示踪剂用量和作业成本的脉冲中子双谱-示踪剩余油饱和度测井方法，以解决现有测井方法无法解决的丢失信息、具有较大的多解性、示踪剂用量较大的技术问题。

本发明的技术解决方案是：

一种脉冲中子双谱-示踪剩余油饱和度测井方法，包括以下步骤：

1]测基值数据：在向目的层渗入示踪剂之前先用脉冲中子双谱饱和度测井仪采集测井基值数据；所述测井基值数据包括热中子时间谱、俘获伽马时间谱；

2]使示踪剂渗入地层：准备水溶性示踪剂，按设定的示踪剂目标浓度和施工涉及的井眼和地层孔隙流体体积，计算出配制浓度和所需示踪剂总量，将配制好的示踪剂注入井眼替换掉原有的井眼流体，在主要目的层段尽可能保持压力平衡，使示踪剂通过扩散渗入地层，逐步使地层水中示踪剂的浓度与井眼内流体平衡，流体饱和度份额基本保持原状；

3]测渗后数据：在向目的层渗入示踪剂之后采集渗后测井数据，所述渗后测井数据包括热中子时间谱、俘获伽马时间谱；

4]使示踪剂挤入地层：加大注入压力，使示踪剂挤入地层，驱替探测范围内的可动油和可动水；

5]测驱替后数据：在向目的层挤入示踪剂之后采集驱替后测井数据，所述驱替后测井数据包括热中子时间谱、俘获伽马时间谱；

6]数据处理与解释：

6.1]处理测井基值数据：

6.1.1]处理测井基值数据中的热中子时间谱，得到宏观俘获截面∑₁₁；

6.1.2]处理测井基值数据中俘获伽马时间谱，得到宏观俘获截面∑₁₂；

6.1.3]由宏观俘获截面∑₁₁和∑₁₂取加权平均值得到地层的基值∑₁；

6.2]处理渗后测井数据：

6.2.1]处理渗后测井数据中的热中子时间谱，得到宏观俘获截面∑₂₁；

6.2.2]处理渗后测井数据中俘获伽马时间谱，得到宏观俘获截面∑₂₂；

6.2.3]由宏观俘获截面∑₂₁和∑₂₂，取加权平均值得到地层的基值∑₂；

6.3]处理驱替后测井数据：

6.3.1]处理驱替后测井数据中的热中子时间谱，得到宏观俘获截面∑₃₁；

6.3.2]处理驱替后测井数据中俘获伽马时间谱，得到宏观俘获截面∑₃₂；

6.3.3]由宏观俘获截面∑₃₁和∑₃₂，取加权平均值得到地层的基值∑₃；

6.4]由以下四个公式构成一组联立方程，解出S_wi、S_wm、S_oi和S_om：

∑₁＝∑_ma(1--V_sh)+∑_wiS_wi+∑ _wm1 S _wm+∑_oS_oi+∑_oS_om+∑_shV_sh

∑₂＝∑_ma(1--V_sh)+∑_wiS_wi+∑ _wm2 S _wm+∑_oS_oi+∑_oS_om+∑_shV_sh

∑₃＝∑_ma(1--V_sh)+∑_wiS_wi+∑ _wm2 S _wm+∑ _o S _oi+∑_wm2S_om+∑_shV_sh

S_wi+S_wm+S_oi+S_om＝1

式中∑_ma、∑_wi、∑_wm1、∑_o和∑_sh分别为岩石骨架、地层束缚水、地层可动水、原油和泥质的宏观截面，c.u.；、S_wi、S_wm、S_oi、S_cm和V_sh分别为孔隙度、束缚水饱和度、可动水饱和度、残余油饱和度、剩余可动油饱和度和泥质体积含量。

上述测井基值数据、渗后测井数据、驱替后测井数据还分别包括自然伽马总计数率、俘获伽马能谱、自然伽马能谱、井温、压力及套管接箍数据的一种或多种。

上述处理测井基值数据中的热中子时间谱，还可得到热中子总计数率N₁₁，中子寿命τ₁₁，∑₁₁分布/τ₁₁分布；所述处理测井基值数据中俘获伽马时间谱：还可得到俘获伽马总计数率N₁₂，中子寿命τ₁₂，∑₁₂分布/τ₁₂分布；

所述处理渗后测井数据中的热中子时间谱，还可得到热中子总计数率N₂₁，中子寿命τ₂₁，∑₂₁分布/τ₂₁分布；所述处理渗后测井数据中的俘获伽马时间谱，还可得到俘获伽马总计数率N₂₂，中子寿命τ₂₂，∑₂₂分布/τ₂₂分布；

所述处理驱替后测井数据中的热中子时间谱，还可得到热中子总计数率N₃₁，中子寿命τ₃₁，∑₃₁分布/τ₃₁分布；所述处理驱替后测井数据中的俘获伽马时间谱，还可得到俘获伽马总计数率N₃₂，中子寿命τ₃₂，∑₃₂分布/τ₃₂分布。

上述处理俘获伽马能谱，可计算出地层中氢、氯、硅、钙、氯、铁元素特征能窗计数率；所述处理自然伽马能谱，可得到自然伽马总计数率GR和铀、钍、钾含量。

上述示踪剂目标浓度的范围是根据配制浓度、目的层段的厚度、在探测范围内的孔隙体积、井眼内保持的示踪剂体积和施工过程示踪剂的损失量来计算的。

上述数据综合处理和解释还包括定性识别水淹层的步骤：注入示踪剂前：相对于含油饱和度高的地层，水淹级别高的部分热中子总计数率N₁₁降低，而俘获伽马总计数率N₁₂升高，俘获截面∑₁₁、∑₁₂和∑₁增高；井眼流体对地层影响明显，τ₁或∑₁分布多呈双峰特征；

渗入示踪剂后：相对于含油饱和度高的地层，水淹级别高的部分热中子总计数率N₂₁显著降低，而俘获伽马总计数率N₂₂显著升高，俘获截面∑₂₁、∑₂₂、∑₂明显增高；井眼流体对油层的影响容易消除，τ₂或∑₂分布多呈单峰特征；

挤入示踪剂后：相对于含油饱和度高的地层，水淹级别高的部分热中子总计数率N₃₁进一步降低，而俘获伽马总计数率N₃₂进一步升高，俘获截面∑₃₁、∑₃₂、∑₃明显增高；井眼流体对地层的影响容易消除，τ₃或∑₃分布多呈单峰特征。

上述数据综合处理和解释还包括计算可动流体饱和度：

1]计算可动水相对体积：

2]计算剩余可动油相对体积：

3]计算残余油的相对体积：

将S_wi+S_wm+S_oi+S_om＝1，

以及S_wi＝(1-S_wm-S_oi-S_om)，以及

代入

∑₁＝∑_ma(1-)+∑_wiS_wi+∑ _wm1 S _wm+∑_oS_oi+∑_oS_om+∑_shV_sh

可计算出残余油的相对体积S_oi；

4]计算束缚水相对体积：

S_wi＝(1-S_wm-S_oi-S_om)

5]计算含水饱和度S_w，含油饱和度S_o，原始可动油饱和度：

束缚水饱和度与可动水饱和度相加，可得含水饱和度S_w；残余油饱和度与可动油饱和度相加可得含油饱和度S_o；可动水饱和度与可动油饱和度相加，可得可动流体饱和度。

上述数据综合处理和解释还包括绘制测井图像、测井曲线、进行地质解释的步骤：

1]所述的测井图像包括深度-寿命或深度-∑彩色图像；

2]所述的测井曲线包括注硼或钆前、渗硼或钆后、挤硼或钆后热中子寿命或宏观俘获截面曲线叠合图；热中子和俘获伽马总计数率N₁、N₂和N₃曲线叠合图；钆氢能窗计数比R₁、R₂和R₃曲线叠合图；S_wi、S_wm、S_oi和S_om叠合图；裸眼井和实时油、气、水饱和度S_W2＝S_wi+S_wm或S₀₂＝S_oi+S_om曲线；

3]所述进行地质解释的步骤包括根据裸眼井含水饱和度S_w1和渗钆后实时含水饱和度S_W2之差，并集合其它数据判断油层水淹程度。

上述示踪剂为高截面稀土元素示踪剂或含硼示踪剂。

上述高截面稀土元素示踪剂包括含钆示踪剂；所述含钆示踪剂为钆络合物。

本发明优点：

本发明优选含钆水溶性示踪剂，用脉冲中子双谱流体饱和度测井仪采集数据。在向目的层渗入钆示踪剂之前先采集一组基值，包括热中子时间谱、俘获伽马时间谱、俘获伽马能谱和自然伽马能谱。在向目的层渗入钆示踪剂之后再采集一组实时值，同样包括热中子时间谱、俘获伽马时间谱、俘获伽马能谱和自然伽马能谱。

热中子时间谱只反映快中子慢化和热中子被俘获的过程，不包含与自然伽马、中子活化和俘获伽马的产额及伽马射线与周围介质相互作用过程的信息，而俘获伽马时间谱却包含中子和伽马与周围介质相互作用全过程的所有信息。对渗入钆示踪剂之前采集到的中子谱和伽马谱进行处理，用多尺度分析和数据融合方法使两类数据携带的信息在优选的尺度上优势互补，对地层做全面描述，能更全面地反映地层的特性，更准确地识别油、气、水层，提高了区分油水层的能力。

使用本发明方法，可以减少示踪剂的用量。相对于硼示踪剂来说，钆示踪剂的热中子俘获截面大，相应示踪剂的用量减小。另外，现有测井方法只测一组数据，而本发明方法可测两组不同的数据，测量精确度高，数据起伏小，相应也可降低钆示踪剂的用量。

附图说明

图1是纯地层寿命测井可信系数与地层水热中子宏观俘获截面的关系曲线，孔隙度范围＝(5-35)％，∑_w＝(22.1-140)c.u.，用此图可估算示踪剂的目标浓度；

图2是三乙二胺合钆络合离子结构图；

图3是目标浓度与配制浓度示意图，孔隙度取30％，则井眼内流体与地层环形区流体体积之比为1∶10.5。若可动水饱和度为35％，则井眼内流体与地层环形区俘获截面可改变的流体体积之比为1∶3.7，配制浓度大约在环形区被稀释4倍。

具体实施方式

本发明的核心技术是用脉冲中子双谱饱和度测井仪，在套管井中分别采集渗钆前、渗钆后和挤钆后的三组热中子和俘获伽马双时间谱，经综合处理得到精确度高的剩余油气和含水饱和度。

下面以水溶性钆示踪剂为例，说明本发明方法的具体步骤：

1、计算水溶性钆示踪剂的目标浓度、配制浓度和总用量。

钆Gd属于稀土元素中的钇组元素。天然Gd有7种核素，其中¹⁵⁵Gd和¹⁵⁷Gd俘获辐射核反应截面特别大，钆元素的中子特性主要决定于这两个核素。Gd原子核热中子俘获截面的加权平均值高达49000靶(b)。只要有微量的钆渗入地层，孔隙水和地层的热中子宏观俘获截面、热中子寿命、中子伽马能谱和强度都会发生明显变化。质量相同的钆，热中子俘获截面是淡水的8456倍，而其光子产额是淡水的8456×3＝25368倍。

¹⁵⁷Gd俘获辐射γ光子的能区主要在0-9MeV的范围内，而H只产生能量为2.23MeV的光子，若在2.23-3MeV之间选定一阈值将能谱分成两个能区，对能量较低的能区所有核素都有贡献，而能量较高的能区不包含氢的贡献。如取2.8MeV为界，钆和相关元素在高能段伽马产额的份额列于表1。

表1钆和相关元素能量大于2.8MeV的俘获伽马辐射产额份额

元素	H	Si	Ca	Mg	C	O	Cl	Fe	Gd	B
											份额>2.8MeV	0	0.6	0.6				0.5	0.7	0.3	0

可选1.5-2.8MeV做为氢能窗，窗计数为NG₁，包含氯和钙的影响但钆的贡献不大；而选2.8-7.5MeV为钆能窗，窗计数为NG₂，包含硅、钙、氯、铁的影响但与氢无关。比值NG₂/NG₁将与含钆水溶液饱和度相关。

图1是纯地层寿命测井可信系数与地层水热中子宏观俘获截面的关系曲线，孔隙度范围＝(5-35)％，∑_w＝(22.1-140)c.u.，用此图可估算示踪剂的目标浓度。

钆示踪剂的目标浓度：为满足(6)式的关系，对孔隙度在35％-5％的储油层，孔隙水的热中子宏观截面∑_w应在40-120c.u.之间。淡水的∑_w为22.1c.u.，注钆产生的截面增量为20-100c.u.。每毫克钆的截面为187c.u.，钆的目标浓度为0.11-1.8mg/cm³。

例如孔隙度大于10％的储油层，要求地层水截面∑_w≥70c.u.。每毫克钆的截面为187c.u.，对传统测-渗-测技术，当∑_w<70c.u.时，加入钆的量要使∑_w提高到70c.u.，钆的目标浓度应达到

(70-22.1)c.u.cm^-3/(187c.u./mg)＝0.26mg/cm³       (8)

钆的配制浓度，应保证配置的示踪剂在目的层段井眼和地层孔隙流体中稀释之后，仍能达到目标浓度。

图3为目标浓度与配制浓度示意图，若井眼半径为10cm，径向探测深度50cm，孔隙度取30％，则井眼内流体与地层环形区流体体积之比为1∶10.5。若可动水饱和度为35％，则井眼内流体与地层环形区俘获截面可改变的流体体积之比为1∶3.7。配制浓度大约在环形区被稀释4倍。

根据配制浓度、目的层段的厚度、在探测范围内的孔隙体积、井眼内保持的示踪剂体积和施工过程示踪剂的损失量计算出钆的用量。

钆元素的氧化物、氢氧化物和氯化物都不能直接用做水示踪剂，现在能用的是它的一种“络合物”。钆的络合物中心离子是Gd³⁺，而配位体是中性分子或负离子。在络合物中，若配位体同时有两个或两个以上的配位原子与一个中心离子成键，则称之为螯合物。螯合物的配位体称为螯合剂，螯合物特性主要决定于螯合剂。制备或选择适合测井用的示踪剂，关键是要筛选出合适的螯合剂。

用于测井的钆示踪剂，是三氯三乙二胺合钆络合物，其配位体是乙二胺分子(H₂N-CH₂-CH₂-NH₂，简写为”en”)，结构式为Gd(en)₃Cl₃或[Gd(en)₃Cl₂]Cl。络离子的结构如附图2所示，三个乙二胺分子环绕着钆离子，而与氯的负离子结合较弱。三氯三乙二胺合钆络合物，中心离子Gd³⁺被螯合剂紧密包围，稳定性强，能与水或醇混溶，耐温150℃，耐压140Mpa，适于做水示踪剂。

钆的原子量为157.2，而三氯三乙二胺合钆的分子量为443.655，质量比为1∶2.8。前面计算出的钆的用量，换算为钆络合物示踪剂的用量时应乘以2.8。

2、渗钆前数据采集和处理。

据井眼、地质条件和测井目的制定施工方案，选择测井模式。用脉冲中子双谱饱和度测井仪，在渗钆前、渗钆后和挤钆后采集3组热中子时间谱、俘获伽马时间谱、俘获伽马能谱、自然伽马能谱和井温、压力及套管接箍等辅助数据。

2.1]在向目的层渗入钆示踪剂之前先用脉冲中子双谱饱和度测井仪采集一组基值数据。

2.1.1]脉冲中子双谱饱和度测井仪可选用三种测量模式：NTS模式-只采集热中子时间谱；CTS模式-只采集俘获伽马时间谱；DTS模式-同时采集热中子时间谱和俘获伽马时间谱间即双谱采集模式。通常采用双谱采集模式，即同时采集热中子时间谱和俘获伽马时间谱。

2.1.2]测井基值数据可包括热中子时间谱、俘获伽马时间谱、热中子总计数率N₁₁、俘获伽马总计数率N₁₂、自然伽马总计数率GR₁，还可包括俘获伽马能谱、自然伽马能谱和井温、压力及套管接箍等辅助数据。

2.2]处理基值数据，包括：

2.2.1]处理热中子时间谱：可得到热中子总计数率N₁₁，宏观俘获截面∑₁₁，中子寿命τ₁₁，∑₁₁分布/τ₁₁分布。

对每一时间谱做深度-时间二维滤波，对俘获伽马能谱和自然伽马能谱做能量-深度二维-滤波。滤波的方法包括Kalman滤波、多点拟合滤波、多点平滑滤波或多尺度滤波。

τ分布比单一的τ值更能反映地层的全貌，用τ分布特征峰或选定的门宽Δτ内的平均值求地层中子寿命更能反映地层核参数的统计特性。

2.2.2]处理俘获伽马时间谱：可得到俘获伽马总计数率N₁₂，宏观俘获截面∑₁₂，中子寿命τ₁₂，∑₁₂分布/τ₁₂分布。

2.2.3]处理俘获伽马能谱：可分解出地层中氢、氯、硅、钙、氯、铁等元素对伽马谱的贡献份额。用硅钙比可了解岩性，用氢(硅+钙)比可估算含氢指数，用氯氢比可了解水的矿化度。

2.2.4]处理自然伽马能谱：可得到自然伽马总计数率GR和铀、钍、钾含量。GR和铀曲线的异常增高，往往能指示水淹程度。

2.2.5]对由两个时间谱得到的宏观俘获截面∑₁₁和∑₁₂，中子寿命τ₁₁和τ₁₂，取加权平均值得到地层的基值∑₁和τ₁。∑₁的统计精度比∑₁₁和∑₁₂都要好，从而提高了对油和水的分辨能力。此时，含油、气层的宏观俘获截面为式(9)，即

∑₁＝∑_ma(1--V_sh)+∑_wiS_wi+∑ _wm1 S _wm+∑_oS_oi+∑_oS_om+∑_shV_sh(9)

式中，∑_ma、∑_wi、∑_wm1、∑_o和∑_sh分别为岩石骨架、地层束缚水、地层可动水、原油和泥质的宏观截面，c.u.；、S_wi、S_wm、S_oi、S_om和V_sh分别为孔隙度、束缚水饱和度、可动水饱和度、残余油饱和度、剩余可动油饱和度和泥质体积含量，而含水饱和度S_w＝S_wi+S_wm，含油饱和度S_o＝S_oi+S_om。

3、配制和注入含钆示踪剂。

孔隙度取30％，则井眼内流体与地层环形区流体体积之比为1∶10.5。若可动水饱和度为35％，则井眼内流体与地层环形区俘获截面可改变的流体体积之比为1∶3.7。配制浓度大约在环形区被稀释4倍。

按设定的示踪剂目标浓度，和施工涉及的井眼和地层孔隙流体体积，计算出配制浓度和所需示踪剂总量，将配制好的示踪剂注入井眼。替换掉原有的井眼流体后，在主要目的层段尽可能保持压力平衡，使含钆示踪剂通过扩散渗入而不是挤入地层，逐步使地层中水中钆的浓度与井眼内流体平衡，而流体饱和度份额仍基本保持原状。

4、采集和处理示踪剂渗入后数据。

在向目的层渗入钆示踪剂之后采集第一组目标值，包括热中子时间谱、俘获伽马时间谱、俘获伽马能谱和自然伽马能谱。

4.1]处理热中子时间谱：可得到热中子总计数率N₂₁，宏观俘获截面∑₂₁，中子寿命τ₂₁，∑₂₁分布/τ₂₁分布。

4.2]处理俘获伽马时间谱：可得到俘获伽马总计数率N₂₂，宏观俘获截面∑₂₂，中子寿命τ₂₂，∑₂₂分布/τ₂₂分布。

4.3]处理俘获伽马能谱：可分解出地层中氢、氯、硅、钙、氯、铁和钆元素对伽马谱的贡献份额。同样，用硅钙比可了解岩性，用氢(硅+钙)比可估算含氢指数，用氯氢比可了解水的矿化度，这几个比值与注钆前应该一致。对前后两个俘获伽马谱进行比较，可准确了解钆进入的层位和渗入的相对数量。

4.4]处理自然伽马能谱：可得到自然伽马总计数率GR₂和铀、钍、钾含量。比较前后两次测得的GR曲线，可检测井眼环境的变化，采用GR₁和GR₂的平均值，可使自然伽马曲线的统计精确度明显提高。

4.5]对由两个时间谱得到的宏观俘获截面∑₂₁和∑₂₂，中子寿命τ₂₁和τ₂₂，取加权平均值得到地层的基值∑₂和τ₂。∑₂的统计精度比∑₂₁和∑₂₂都要好，从而提高了对油和水的分辨能力。此时，含油、气层的宏观俘获截面为

∑₂＝∑_ma(1--V_sh)+∑_wiS_wi+∑ _wm2 S _wm+∑_oS_oi+∑_oS_om+∑_shV_sh(10)

式中，∑_ma、∑_wi、∑_wm2、∑_o和∑_sh分别为岩石骨架、地层束缚水、钆示踪可动水、原油和泥质的宏观截面，c.u.；、S_wi、S_wm、S_oi、S_om和V_sh分别为孔隙度、束缚水饱和度、可动水饱和度、残余油饱和度、可动油饱和度和泥质含量，而含水饱和度S_w＝S_wi+S_wm，含油饱和度S_o＝S_oi+S_om。

5、压力加大使示踪剂挤入地层。

若注入压力加大，使示踪剂挤入而不是渗入地层，则可驱替探测范围内的可动油和可动水。在向目的层挤入钆示踪剂之后采集一组目标值，包括热中子时间谱、俘获伽马时间谱、俘获伽马能谱和自然伽马能谱。

5.1]处理热中子时间谱：可得到热中子总计数率N₃₁，宏观俘获截面∑₃₁，中子寿命τ₃₁，∑₃₁分布/τ₃₁分布。

5.2]处理俘获伽马时间谱：可得到俘获伽马总计数率N₃₂，宏观俘获截面∑₃₂，中子寿命τ₃₂，∑₃₂分布/τ₃₂分布。

5.3]处理俘获伽马能谱：可分解出地层中氢、氯、硅、钙、氯、铁和钆元素对伽马谱的贡献份额。同样，用硅钙比可了解岩性，用氢(硅+钙)比可估算含氢指数，用氯氢比可了解水的矿化度，这几个比值与注钆前应该一致。对前后两个俘获伽马谱进行比较，可准确了解钆进入的层位和渗入的相对数量。

5.4]处理自然伽马能谱：可得到自然伽马总计数率GR₂和铀、钍、钾含量。比较前后两次测得的GR曲线，可检测井眼环境的变化，采用GR₁和GR₂的平均值，可使自然伽马曲线的统计精确度明显提高。

5.5]对由两个时间谱得到的宏观俘获截面∑₃₁和∑₃₂，中子寿命τ₃₁和τ₃₂，取加权平均值得到地层的基值∑₃和τ₃。∑₃的统计精度比∑₃₁和∑₃₂都要好，从而提高了对油和水的分辨能力。此时(9)式中右边第4项表示的可动油也被含钆的示踪取代，此时测得的宏观俘获截面为∑₃＝∑_ma(1--V_sh)+∑_wiS_wi+∑ _wm2 S _wm+∑_oS_oi+∑ _wm2 S _om+∑_shV_sh(11)

式中，∑_ma、∑_wi、∑_wm2、∑_o和∑_sh分别为岩石骨架、地层束缚水、钆示踪可动水、原油和泥质的宏观截面，c.u.；、S_wi、S_wm、S_oi、S_om和V_sh分别为孔隙度、束缚水饱和度、可动水饱和度、残余油饱和度、可动油饱和度和泥质含量，而含水饱和度S_w＝S_wi+S_wm，含油饱和度S_o＝S_oi+S_om。

6、数据综合处理和解释。

6.1]定性识别水淹层

注钆前：相对于含油饱和度高的地层，水淹级别高的部分热中子总计数率N₁₁降低，而俘获伽马总计数率N₁₂升高，俘获截面∑₁₁、∑₁₂和∑₁都有所增高。井眼流体的热中子寿命τ₁与地层相比还不够短，影响比较明显，τ₁或∑₁分布多呈双峰特征。

渗钆后：相对于含油饱和度高的地层，水淹级别高的部分热中子总计数率N₂₁显著降低，而俘获伽马总计数率N₂₂显著升高，俘获截面∑₂₁、∑₂₂、∑₂明显增高。井眼流体热中子寿命比油层短得多，对指数衰减曲线的影响容易消除，τ₂或∑₂分布多呈单峰特征。

挤钆后：相对于含油饱和度高的地层，水淹级别高的部分热中子总计数率N₃₁进一步降低，而俘获伽马总计数率N32进一步显著升高，俘获截面∑₃₁、∑₃₂、∑₃明显增高。井眼流体热中子寿命比地层短得多，对指数衰减曲线的影响容易消除，τ₃或∑₃分布多呈单峰特征。

6.2]定量计算水淹层剩余油饱和度和可动水相对体积：

由(9)、(10)、(11)和(12)式构成一组联立方程：

∑1＝∑_ma(1--V_sh)+∑_wiS_wi+∑ _wm1 S _wm+∑_oS_oi+∑_oS_om+∑_shV_sh(9)

∑₂＝∑_ma(1--V_sh)+∑_wiS_wi+∑ _wm2 S _wm+∑_oS_oi+∑_oS_om+∑_shV_sh(10)

∑₃＝∑_ma(1--V_sh)+∑_wiS_wi+∑ _wm2 S _wm+∑_oS_oi+∑_wm2S_om+∑_shV_sh(11)

S_wi+S_wm+S_oi+S_om＝1(12)

可解出S_wi、S_wm、S_oi和S_om4个未知数。

先看(9)、(10)式，因钆在压力平衡下渗入地层只能使可动水的俘获截面由∑_wm1提高到∑_wm2，而其余各项均保持不变，两式相减得

∑₂-∑₁＝(∑_wm2-∑_wm1)S_wm(13)

由此可求出可动水相对体积。

式中，孔隙度可用其它测井方法求得，∑_wm1和∑_wm2可分别在注钆前和注钆后用∑-交会图的水线获得。

加压将示踪剂挤入地层，原来被可动水占据的孔隙空间物理参数不变，而可动油被宏观截面仍为∑_wm2的钆示踪液置换。(11)式与(10)式相减得

∑₃-∑₂＝(∑_wm2-∑_om)S_om(15)

由(15)式得剩余可动油相对体积

由(12)式得

S_wi＝(1-S_wm-S_oi-S_om)(17)

将(12)、(16)和(17)式代入(9)、(10)或(11)任何一式右端，即可求出残余油的相对体积S_oi，再用(17)式求出束缚水相对体积S_wi。束缚水饱和度与可动水饱和度相加，得含水饱和度S_w，束缚油饱和度与可动油饱和度相加可得含油饱和度S_o。可动水饱和度与可动油饱和度相加，可得原始可动油饱和度。

7、显示测井图像和测井曲线。

7.1]测井图像主要指深度-寿命或深度-∑彩色图像：中子寿命τ与热中子宏观俘获截面∑成反比，τ分布很容易转变为∑分布。经时间-寿命或时间-截面域的转换，在每个采样点上都得到三条τ或∑分布曲线，在被测剖面上得到三幅深度-寿命或深度-∑二维平面上的数字图像。用色柱标定信号幅度，得到三幅反映地层特性随深度变化的τ或∑分布彩色图像。比较渗钆前、渗钆后和挤钆后得到的三个τ分布图像，可识别水淹程度不同的地层。7.2]测井曲线包括：渗钆前、渗钆后和挤钆后热中子寿命或宏观俘获截面曲线叠合图；即∑₁、∑₂和∑₃曲线叠合图；热中子和俘获伽马总计数率N₁、N₂和N₃曲线叠合图；钆氢能窗计数比R₁、R₂和R₃曲线叠合图；S_wi、S_wm、S_oi和S_om叠合图；裸眼井和实时油、气、水饱和度S_W2＝S_wi+S_wm或S₀₂＝S_oi+S_om曲线

8、进行地质解释。

主要根据裸眼井含水饱和度S_w1和渗钆后实时含水饱和度S_W2之差，并集合其它数据判断油层水淹程度。渗钆后实时含水饱和度S_W2的最小值为S_wi，此时水淹级别为零；S_W2的最大值为1-S_wi，S_W2越大水淹级别越高。

Claims (10)

1.一种脉冲中子双谱示踪剩余油饱和度测井方法，其特征在于：其包括以下步骤：

1]测基值数据：在向目的层渗入示踪剂之前先用脉冲中子双谱饱和度测井仪采集测井基值数据；所述测井基值数据包括热中子时间谱、俘获伽马时间谱；

2]使示踪剂渗入地层：准备水溶性示踪剂，按设定的示踪剂目标浓度和施工涉及的井眼和地层孔隙流体体积，计算出配制浓度和所需示踪剂总量，将配制好的示踪剂注入井眼替换掉原有的井眼流体，在主要目的层段尽可能保持压力平衡，使示踪剂通过扩散渗入地层，逐步使地层水中示踪剂的浓度与井眼内流体平衡，流体饱和度份额基本保持原状；

3]测渗后数据：在向目的层渗入示踪剂之后采集渗后测井数据，所述渗后测井数据包括热中子时间谱、俘获伽马时间谱；

4]使示踪剂挤入地层：加大注入压力，使示踪剂挤入地层，驱替探测范围内的可动油和可动水；

5]测驱替后数据：在向目的层挤入示踪剂之后采集驱替后测井数据，所述驱替后测井数据包括热中子时间谱、俘获伽马时间谱；

6]数据处理与解释：

6.1]处理测井基值数据：

6.1.1]处理测井基值数据中的热中子时间谱，得到宏观俘获截面∑₁₁；

6.1.2]处理测井基值数据中俘获伽马时间谱，得到宏观俘获截面∑₁₂；

6.1.3]由宏观俘获截面∑₁₁和∑₁₂取加权平均值得到地层的基值∑₁；

6.2]处理渗后测井数据：

6.2.1]处理渗后测井数据中的热中子时间谱，得到宏观俘获截面∑₂₁；

6.2.2]处理渗后测井数据中俘获伽马时间谱，得到宏观俘获截面∑₂₂；

6.2.3]由宏观俘获截面∑₂₁和∑₂₂，取加权平均值得到地层的基值∑₂；

6.3]处理驱替后测井数据：

6.3.1]处理驱替后测井数据中的热中子时间谱，得到宏观俘获截面∑₃₁；

6.3.2]处理驱替后测井数据中俘获伽马时间谱，得到宏观俘获截面∑₃₂；

6.3.3]由宏观俘获截面∑₃₁和∑₃₂，取加权平均值得到地层的基值∑₃；

6.4]由以下四个公式构成一组联立方程，解出S_wi、S_wm、S_oi和S_om：

∑₁＝∑_ma(1--V_sh)+∑_wiS_wi+∑_wm1S_wm+∑_oS_oi+∑_oS_om+∑_shV_sh

∑₂＝∑_ma(1--V_sh)+∑_wiS_wi+∑_wm2S_wm+∑_oS_oi+∑_oS_om+∑_shV_sh

∑₃＝∑_ma(1--V_sh)+∑_wiS_wi+∑_wm2S_wm+∑_oS_oi+∑_wm2S_om+∑_shV_sh

S_wi+S_wm+S_oi+S_om＝1

式中∑_ma、∑_wi、∑_wm1、∑_o和∑_sh分别为岩石骨架、地层束缚水、地层可动水、原油和泥质的宏观截面，c.u.；、S_wi、S_wm、S_oi、S_om和V_sh分别为孔隙度、束缚水饱和度、可动水饱和度、残余油饱和度、剩余可动油饱和度和泥质体积含量。

2.根据权利要求1所述的脉冲中子双谱-示踪剩余油饱和度测井方法，其特征在于：所述测井基值数据、渗后测井数据、驱替后测井数据还分别包括自然伽马总计数率、俘获伽马能谱、自然伽马能谱、井温、压力及套管接箍数据的一种或多种。

3.根据权利要求2所述的脉冲中子双谱-示踪剩余油饱和度测井方法，其特征在于：所述处理测井基值数据中的热中子时间谱，还可得到热中子总计数率N₁₁，中子寿命τ₁₁，∑₁₁分布/τ₁₁分布；所述处理测井基值数据中俘获伽马时间谱：还可得到俘获伽马总计数率N₁₂，中子寿命τ₁₂，∑₁₂分布/τ₁₂分布；

所述处理渗后测井数据中的热中子时间谱，还可得到热中子总计数率N₂₁，中子寿命τ₂₁，∑₂₁分布/τ₂₁分布；所述处理渗后测井数据中的俘获伽马时间谱，还可得到俘获伽马总计数率N₂₂，中子寿命τ₂₂，∑₂₂分布/τ₂₂分布；

所述处理驱替后测井数据中的热中子时间谱，还可得到热中子总计数率N₃₁，中子寿命τ₃₁，∑₃₁分布/τ₃₁分布；所述处理驱替后测井数据中的俘获伽马时间谱，还可得到俘获伽马总计数率N₃₂，中子寿命τ₃₂，∑₃₂分布/τ₃₂分布。

4.根据权利要求2所述的脉冲中子双谱-示踪剩余油饱和度测井方法，其特征在于：所述处理俘获伽马能谱，可计算出地层中氢、氯、硅、钙、氯、铁元素特征能窗计数率；所述处理自然伽马能谱，可得到自然伽马总计数率GR和铀、钍、钾含量。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的脉冲中子双谱-示踪剩余油饱和度测井方法，其特征在于：所述示踪剂目标浓度的范围是根据配制浓度、目的层段的厚度、在探测范围内的孔隙体积、井眼内保持的示踪剂体积和施工过程示踪剂的损失量来计算的。

6.根据权利要求5所述的脉冲中子双谱-示踪剩余油饱和度测井方法，其特征在于：所述数据综合处理和解释还包括定性识别水淹层的步骤：注入示踪剂前：相对于含油饱和度高的地层，水淹级别高的部分热中子总计数率N₁₁降低，而俘获伽马总计数率N₁₂升高，俘获截面∑₁₁、∑₁₂和∑₁增高；井眼流体对地层影响明显，τ₁或∑₁分布多呈双峰特征；

渗入示踪剂后：相对于含油饱和度高的地层，水淹级别高的部分热中子总计数率N₂₁显著降低，而俘获伽马总计数率N₂₂显著升高，俘获截面∑₂₁、∑₂₂、∑₂明显增高；井眼流体对油层的影响容易消除，τ₂或∑₂分布多呈单峰特征；

挤入示踪剂后：相对于含油饱和度高的地层，水淹级别高的部分热中子总计数率N₃₁进一步降低，而俘获伽马总计数率N₃₂进一步升高，俘获截面∑₃₁、∑₃₂、∑₃明显增高；井眼流体对地层的影响容易消除，τ₃或∑₃分布多呈单峰特征。

7.根据权利要求5所述的脉冲中子双谱-示踪剩余油饱和度测井方法，其特征在于：所述数据综合处理和解释还包括计算可动流体饱和度：

1]计算可动水相对体积：

2]计算剩余可动油相对体积：

3]计算残余油的相对体积：

将S_wi+S_wm+S_oi+S_om＝1，

以及S_wi＝(1-S_wm-S_oi-S_om)，以及

代入

∑_l＝∑_ma(1-)+∑_wiS_wi+∑_wm1S_wm+∑_oS_oi+∑_oS_om+∑_shV_sh

可计算出残余油的相对体积S_oi；

4]计算束缚水相对体积：

S_wi＝(1-S_wm-S_oi-S_om)

5]计算含水饱和度S_w，含油饱和度S_o，原始可动油饱和度：

束缚水饱和度与可动水饱和度相加，可得含水饱和度S_w；残余油饱和度与可动油饱和度相加可得含油饱和度S_o；可动水饱和度与可动油饱和度相加，可得可动流体饱和度。

8.根据权利要求5所述的脉冲中子双谱-示踪剩余油饱和度测井方法，其特征在于：所述数据综合处理和解释还包括绘制测井图像、测井曲线、进行地质解释的步骤：

1]所述的测井图像包括深度-寿命或深度-∑彩色图像；

2]所述的测井曲线包括注硼或钆前、渗硼或钆后、挤硼或钆后热中子寿命或宏观俘获截面曲线叠合图；热中子和俘获伽马总计数率N₁、N₂和N₃曲线叠合图；钆氢能窗计数比R₁、R₂和R₃曲线叠合图；S_wi、S_wm、S_oi和S_om叠合图；裸眼井和实时油、气、水饱和度S_W2＝S_wi+S_wm或S₀₂＝S_oi+S_om曲线；

3]所述进行地质解释的步骤包括根据裸眼井含水饱和度S_w1和渗钆后实时含水饱和度S_W2之差，并集合其它数据判断油层水淹程度。

9.根据权利要求5所述的脉冲中子双谱-示踪剩余油饱和度测井方法，其特征在于：所述示踪剂为高截面稀土元素示踪剂或含硼示踪剂。

10.根据权利要求9所述的脉冲中子双谱-示踪剩余油饱和度测井方法，其特征在于：所述高截面稀土元素示踪剂包括含钆示踪剂；所述含钆示踪剂为钆络合物。

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