基于中子自屏蔽校正的氯氫比確定含油飽和度的改進(jìn)方法

張鋒 尚偉征 范繼林 魯保平

摘要：提出用鐵的俘獲伽馬射線標(biāo)記中子自屏蔽校正因子并組合氯氫比確定含油飽和度的方法。利用蒙特卡羅方法建立井筒-地層模型，模擬不同孔隙度和地層水礦化度條件下的俘獲伽馬能譜，研究中子自屏蔽因子及含油飽和度測(cè)井響應(yīng)，并通過模擬實(shí)例來驗(yàn)證該方法。結(jié)果表明：鐵標(biāo)記中子自屏蔽校正后的氯氫比隨孔隙度增加而增大，孔隙度相同時(shí)與含水飽和度呈線性變化關(guān)系，相對(duì)靈敏度可提高到1倍以上，能夠解決常規(guī)氯氫比確定含油飽和度靈敏度下降的問題；計(jì)算含油飽和度誤差降低，為高礦化度水地層脈沖中子俘獲測(cè)井定量評(píng)價(jià)含油飽和度提供一種新方法。

關(guān)鍵詞：伽馬能譜； 氯氫比； 中子自屏蔽； 含油飽和度； 蒙特卡羅模擬

中圖分類號(hào)：P 631.817?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

引用格式：張鋒，尚偉征，范繼林，等.基于中子自屏蔽校正的氯氫比確定含油飽和度的改進(jìn)方法［J］.中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2023，47（4）：69-76.

ZHANG Feng， SHANG Weizheng， FAN Jilin， et al. An improved method for determining oil saturation by chlorine hydrogen ratio based on neutron self-shielding correction［J］. Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science）， 2023，47（4）：69-76.

An improved method for determining oil saturation by chlorine

hydrogen ratio based on neutron self-shielding correction

ZHANG Feng1，2，3， SHANG Weizheng3， FAN Jilin3， LU Baoping4

1.National Key Laboratory of Deep Oil and Gas， China Universityof Petroleum （East China）， Qingdao 266580，China;

（2.Laboratory for Marine Mineral Resources， Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology， Qingdao 266071， China;

3.School of Geosciences in China University of Petroleum （East China）， Qingdao 266580， China;

4.China National Logging Corporation， Xian 710000， China）

Abstract：A method is proposed for determining oil saturation by labeling neutron self-shielding correction factors with capture gamma rays of iron and combining chlorine-to-hydrogen ratio.The study focuses on analyzing the oil saturation logging response and neutron self-shielding correction factors by generating capture gamma ray spectrum through numerical simulation models of formations. These models are established using the Monte Carlo method，considering different porosities and water salinity levels. Additionally， a case study is conducted to verify the effectiveness of this method through numerical simulation. The results indicate a positive relationship between porosity and the chlorine-to-hydrogen ratio， obtained after applying the iron-labeled neutron self-shielding correction.Furthermore，a linear relationship is observed between porosity and water saturation. By utilizing this method， the relative sensitivity increases by more than one time，thereby reducing the absolute error in oil saturation determination.This approach addresses the issue of decreased sensitivity encountered in determining oil saturation using conventional? chlorine-to-hydrogen. In summary， this paper presents a novel method for quantitative evaluation of oil saturation in high salinity water formations using pulse neutron capture logging in high salinity water formations.

Keywords： capture gamma spectra; chlorine hydrogen ratio; neutron self-shielding; oil saturation; Monte Carlo? simulation

隨著中國(guó)油田進(jìn)入高含水期，剩余油飽和度的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)對(duì)油田開發(fā)過程中調(diào)整注水/聚合物方案提高采收率具有重要意義［1-2］，同時(shí)也對(duì)儲(chǔ)層的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提出了許多新的要求［3-4］。目前常用剩余油飽和度評(píng)價(jià)方法有碳氧比能譜測(cè)井和中子壽命測(cè)井等［5］，其中氯能譜測(cè)井利用俘獲伽馬能譜中提取的高低能窗計(jì)數(shù)來確定地層含油飽和度［6］，是高礦化度地層評(píng)價(jià)地層含油飽和度的有效方法［7］。俄羅斯研發(fā)的寬能域中子伽馬能譜測(cè)井儀利用Po-Be中子源和NaI晶體探測(cè)器系統(tǒng)，利用氯函數(shù)來評(píng)價(jià)含油飽和度，同時(shí)還可以確定地層密度、孔隙度和礦物成分等［8］。由于氯原子核具有較高的微觀俘獲截面，隨著氯原子數(shù)目的增加，氯原子間發(fā)生輻射俘獲作用的競(jìng)爭(zhēng)也越強(qiáng)，即中子自屏蔽效應(yīng)也越強(qiáng)。中子自屏蔽效應(yīng)導(dǎo)致采集得到的氯的俘獲伽馬計(jì)數(shù)與氯含量的線性關(guān)系變差，利用氯氫比確定含油飽和度的靈敏度下降［9］。針對(duì)中子自屏蔽效應(yīng)的校正，陳前等［10］在熱中子探測(cè)評(píng)價(jià)裂縫示蹤劑的特性研究中對(duì)該作用及自屏蔽校正進(jìn)行了探究。Zhang等［11］利用鈦標(biāo)記校正的方法定量計(jì)算裂縫密度可以提高裂縫密度的計(jì)算精度。Jia等［12］在含硼和鎘溶液的中子活化分析計(jì)算含量時(shí)也采用自屏蔽因子進(jìn)行校正，得到硼和鎘含量與特征伽馬計(jì)數(shù)線性相關(guān)系數(shù)超過0.99。因此筆者在高礦化度地層提出用鐵的伽馬射線進(jìn)行中子自屏蔽效應(yīng)校正并與氯氫比組合進(jìn)行含油飽和度評(píng)價(jià)的新方法，以提高氯氫比評(píng)價(jià)飽和度的靈敏度。

1 中子自屏蔽校正與含油飽和度確定方法

快中子與地層元素原子核經(jīng)過非彈性散射和彈性散射后，能量降低，直至慢化為熱中子。由于熱中子通量密度的差異，擴(kuò)散過程中被原子核俘獲的同時(shí)放出相應(yīng)特征伽馬射線。不同原子核俘獲熱中子的能力（即微觀俘獲截面）和放出的伽馬射線能量與強(qiáng)度不同［13］，其特征參數(shù)如表1（強(qiáng)度是指每100次核反應(yīng)發(fā)射伽馬射線數(shù)目）所示。

顯然地層常見元素中氯原子核的微觀俘獲截面遠(yuǎn)大于其他原子核。地層孔隙中油和水的氯及氫含量不同，與中子作用放出的伽馬射線數(shù)目也不同，而地層中氯和氫原子密度比與含油飽和度有關(guān)。設(shè)純地層孔隙度為φ，含油飽和度為So，氯和氫原子密度分別為nCl和nH，由巖石物理體積模型得到單位體積巖石中氯與氫原子數(shù)比為

nClnH=aφ（1-So）+d（1-φ）bφSo+cφ（1-So）+e（1-φ） .（1）

式中，a為每立方厘米水中的氯原子數(shù)；b為每立方厘米油中的氫原子數(shù)；c為每立方厘米水中的氫原子數(shù)；d為每立方厘米巖石骨架中的氯原子數(shù)；e為每立方厘米巖石骨架中的氫原子數(shù)。

在脈沖中子能譜測(cè)井中探測(cè)器記錄熱中子與原子核發(fā)生俘獲所放出的伽馬射線，其能量為Eγ的伽馬射線計(jì)數(shù)表示為

*Nγ=φ（En，r）ε（Eγ）R（Eγ）dEndr.（2）*

式中，Nγ表示探測(cè)器的俘獲伽馬計(jì)數(shù)；φ（En，r）為物質(zhì)中子自屏蔽效應(yīng)與能量和位置相關(guān)的熱中子通量函數(shù)；r為位置矢量；En為中子能量；ε（Eγ）為探測(cè)器的探測(cè)效率；R（Eγ）為探測(cè)器的響應(yīng)函數(shù)。

能譜中氯和氫的伽馬計(jì)數(shù)比與原子數(shù)比成正比，則氯和氫的伽馬能譜計(jì)數(shù)比為

R=NγCl/NγH=faφ（1-So）+d（1-φ）bφSo+cφ（1-So）+e（1-φ） .（3）

式中，f為比例系數(shù)，與氯與氫的平均俘獲截面比相關(guān)。

隨著地層中子通量發(fā)生改變時(shí)，由于中子與物質(zhì)發(fā)生不同的作用，中子場(chǎng)分布隨之發(fā)生改變，將這種效應(yīng)稱之為中子自屏蔽效應(yīng)［9］。地層中高俘獲能力的元素與常量元素受到中子屏蔽的變化是一致的［12］，測(cè)井過程中儀器外殼和套管中的鐵成分保持恒定，其俘獲伽馬射線隨地層條件的改變能夠反映中子場(chǎng)的變化，故采用鐵的俘獲伽馬射線來標(biāo)記中子自屏蔽現(xiàn)象，進(jìn)而確定中子自屏蔽校正因子。根據(jù)文獻(xiàn)［12］中方法，中子自屏蔽校正因子為

*μ=NγFe0NγFe=φ0（En，r）dEndrφ（En，r）dEndr∑mFeMFeNAσFe0∑mFeMFeNAσFe .（4）

式中，μ為中子自屏蔽校正因子；NγFe0為純骨架地層條件下測(cè)量得到的鐵俘獲伽馬計(jì)數(shù)；NγFe為目的層測(cè)量的鐵俘獲伽馬計(jì)數(shù)；φ0（En，r）dEndr為理論熱中子通量；∑mFeMFeNAσFe為測(cè)量鐵熱中子俘獲截面；∑mFeMFeNAσFe0為理論鐵熱中子俘獲截面。*

鐵標(biāo)記中子自屏蔽校正后的氯氫比為

Rc=μ（NγCl/NγH）=μfaφ（1-So）+d（1-φ）bφSo+cφ（1-So）+e（1-φ） .（5）

式中，Rc為中子自屏蔽校正后的氯氫比；NγCl為受中子場(chǎng)屏蔽作用影響氯的俘獲伽馬計(jì)數(shù)；NγH為中子場(chǎng)屏蔽作用影響氫的俘獲伽馬計(jì)數(shù)。

通過測(cè)量得到的俘獲伽馬能譜，可以得到氯、氫和鐵能窗內(nèi)的俘獲伽馬計(jì)數(shù)，根據(jù)公式（5）建立模型可以計(jì)算含油飽和度。

2 蒙特卡羅數(shù)值模擬

2.1 模型建立

蒙特卡羅方法是一種以概率統(tǒng)計(jì)理論為指導(dǎo)的數(shù)值計(jì)算方法，在粒子輸運(yùn)、輻射測(cè)量、輻射防護(hù)與屏蔽優(yōu)化設(shè)計(jì)、探測(cè)器特性等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。利用蒙特卡羅方法建立套管井?dāng)?shù)值計(jì)算模型，如圖1所示。井眼直徑為20 cm，井眼內(nèi)充滿淡水、礦化水或油；井眼內(nèi)含有套管，套管外徑為139.7 mm、內(nèi)徑為126.9 mm；儀器貼套管測(cè)量，外殼采用鋼、厚度為5 mm，儀器由D-T中子源、屏蔽體、近和遠(yuǎn)NaI探測(cè)器組成，源距分別為35和50 cm；套管和地層間水泥環(huán)厚度為3 cm，成分為CaSiO3；地層最大半徑為75 cm。中子源的脈沖寬度為35 μs，模擬記錄160～1 000 μs內(nèi)的俘獲能譜［3］，并利用探測(cè)器響應(yīng)函數(shù)對(duì)能譜進(jìn)行展寬。選取氯的能窗范圍為4.94～7.02 MeV，氫的能窗范圍為2.18～2.54 MeV，鐵的能窗范圍為7.62～7.70 MeV，基于上述能窗的選取開展中子自屏蔽效應(yīng)校正及Cl/H含油飽和度確定的研究，進(jìn)而確定中子自屏蔽校正因子和含油飽和度。

2.2 氯氫比與飽和度測(cè)井響應(yīng)模擬

2.2.1 中子自屏蔽校正響應(yīng)對(duì)比

利用建立的計(jì)算模型，地層骨架礦物為石英和方解石混合物，孔隙度為30%，NaCl地層水礦化度分別為0、30、60、90、120和150 g/L，模擬相應(yīng)條件下的俘獲伽馬探測(cè)器響應(yīng)能譜，如圖2所示。

由圖2可知，俘獲伽馬能譜中1H、28Si、40Ca、56Fe和35Cl原子核的光電峰和逃逸峰有明顯分布，且隨著地層水礦化度升高，35Cl含量增加，能量為6.11 MeV的伽馬射線峰變強(qiáng)，且受到40Ca能量為6.42 MeV的伽馬射線影響；而受到中子場(chǎng)自屏蔽作用的影響，1H、28Si、40Ca、56Fe的能峰計(jì)數(shù)相應(yīng)會(huì)降低。

為了研究中子自屏蔽現(xiàn)象與Cl/H的飽和度響應(yīng)關(guān)系，設(shè)置純砂巖地層，孔隙度分別為0、3%、6%、9%、12%、15%、20%、25%和30%，地層水礦化度分別為0、50、100、150和200 g/L，模擬相應(yīng)俘獲伽馬能譜，選取孔隙度為0的地層鐵俘獲伽馬作為基準(zhǔn)，其他條件測(cè)量的鐵俘獲伽馬計(jì)數(shù)用式（4）表示中子自屏蔽校正，得到中子自屏蔽校正前后不同流體地層的氯氫比與孔隙度關(guān)系，如圖3所示。

由圖3（a）可以看出，飽含油地層的氯氫比隨孔隙度增加而下降，飽含礦化水地層的氯氫比隨孔隙度變化平緩，說明氯與氫原子核俘獲熱中子產(chǎn)生的伽馬射線保持穩(wěn)定，而礦化度越高的地層氯氫比會(huì)增加，但隨著中子自屏蔽影響增加，變化趨于平緩。由圖3（b）看出，基于鐵俘獲伽馬射線中子自屏蔽校正后的氯氫比，隨著孔隙度呈線性變化，有利于油水識(shí)別與評(píng)價(jià)。

為了對(duì)比鐵標(biāo)記中子自屏蔽校正前后氯氫比評(píng)價(jià)地層含油飽和度的效果，定義計(jì)算地層含水飽和度的靈敏度為

s=Rw-RoRw .（6）

式中，s為地層含油飽和度計(jì)算的靈敏度；Rw為地層純含水時(shí)的氯氫計(jì)數(shù)比；Ro為地層純含油時(shí)的氯氫計(jì)數(shù)比。

由圖4可知，中子自屏蔽校正前，氯氫比的油水靈敏度隨孔隙度的增加而增加，且礦化度高的地層靈敏度越大；經(jīng)過校正后靈敏度仍隨孔隙度增加而增加，且校正后靈敏度得到提高，以孔隙度20%、礦化度為200 g/L的純砂巖地層為例，校正前后靈敏度由16.55%提高至40.38%，增加了1.44倍，顯然用鐵俘獲伽馬計(jì)數(shù)信息標(biāo)記中子自屏蔽效應(yīng)來校正氯氫比，反映油水的靈敏度大幅度提高。

2.2.2 校正后氯氫比測(cè)井響應(yīng)

利用上述蒙特卡羅模型，設(shè)置地層水礦化度為200 g/L，地層分別為砂巖或灰?guī)r，含油飽和度分別為0、20%、40%、60%、80%和100%，孔隙度分別為0、3%、6%、9%、12%、15%、20%、25%和30%。模擬相應(yīng)條件下的俘獲伽馬能譜，根據(jù)前述方法得到鐵標(biāo)記校正因子并對(duì)氯氫比進(jìn)行校正，得到與含油飽和度和孔隙度的關(guān)系，如圖5所示。

由圖5（a）可知，對(duì)于孔隙度一定的地層，校正后的氯氫比隨含油飽和度的增加而呈線性下降，且砂巖地層的氯氫比要比石灰?guī)r地層變化劇烈，原因在于含油飽和度越高的地層氯原子數(shù)越少，而氫原子數(shù)近似不變，導(dǎo)致氯氫比下降；而石灰?guī)r地層俘獲熱中子能力高于砂巖，氯氫比反映流體能力下降。

由圖5（b）可知，當(dāng)含油飽和度一定時(shí)，校正后氯氫比隨著孔隙度的增加而升高，且兩者具有良好的線性關(guān)系，因此在實(shí)際中已知地層孔隙度資料，能根據(jù)校正后的氯氫比來定量確定含油飽和度。

2.3 影響因素

2.3.1 巖 性

利用上述模型，地層分別為飽含油或200 g/L水的砂巖、石灰?guī)r和白云巖，模擬孔隙度分別為0、3%、6%、9%、12%、15%、20%、25%和30%地層的俘獲伽馬能譜，得到3種巖性地層氯氫比與孔隙度關(guān)系，如圖6所示。

由圖6可知，飽含油和鹽水地層的氯氫比都隨著孔隙度增加而呈線性增加，巖性不同時(shí)校正后的氯氫比略有影響，白云巖地層的氯氫比稍高，石灰?guī)r地層的氯氫比略低，這主要由于隨礦化度和孔隙度變化時(shí)Ca和Si原子核中子俘獲產(chǎn)生的伽馬射線存在差異。3種巖性中砂巖地層油水線動(dòng)態(tài)范圍最高，而石灰?guī)r地層油水線動(dòng)態(tài)范圍略低。實(shí)際資料處理時(shí)應(yīng)根據(jù)上述關(guān)系進(jìn)行相應(yīng)巖性校正。

2.3.2 黏土礦物

利用上述模型，地層由砂巖和黏土礦物構(gòu)成，黏土礦物由伊利石、蒙脫石、高嶺石和綠泥石按照1∶1∶1∶1混合而成，黏土礦物體積分?jǐn)?shù)分別為0、15%和30%，孔隙度依次為3%、6%、9%、12%、15%、20%、25%和30%。模擬該條件下的俘獲伽馬能譜計(jì)數(shù)，通過鐵標(biāo)記校正可以得到不同黏土礦物條件下氯氫比與孔隙度的關(guān)系，如圖7所示。

由圖7可知，地層中黏土礦物的存在會(huì)使氯氫比略微減小，相比較而言黏土礦物的存在對(duì)飽含水地層氯氫比影響稍大，孔隙度25%、黏土礦物體積分?jǐn)?shù)為30%的飽含水地層相對(duì)純砂巖地層氯氫比相對(duì)變化量可達(dá)到7%，對(duì)流體評(píng)價(jià)會(huì)產(chǎn)生偏差，需要相應(yīng)校正；當(dāng)?shù)貙幽噘|(zhì)含量較低時(shí)誤差可以忽略不計(jì)。

2.3.3 井眼流體

利用上述模型，井眼內(nèi)分別充滿淡水、50 g/L、100 g/L的礦化水或油，地層流體分別飽含200 g/L礦化水或油，孔隙度分別為0、3%、6%、9%、12%、15%、20%、25%和30%。模擬相應(yīng)條件下的俘獲伽馬能譜計(jì)數(shù)，可以得到不同井眼條件下鐵標(biāo)記中子自屏蔽校正后的氯氫比與孔隙度的關(guān)系，如圖8所示。

由圖8可知，井眼水的礦化度對(duì)氯氫比影響較大，隨著礦化度的增加飽含水地層的氯氫比明顯增加，而飽含油地層的氯氫比略微增加，原因是井眼和地層鹽水的雙重作用導(dǎo)致自屏蔽后的氯氫比隨著井眼水礦化度增加而差異大，而井眼鹽水的存在對(duì)飽含油地層鐵俘獲校正后的氯氫比影響相對(duì)小一些。當(dāng)井眼流體分別為淡水和油時(shí)，氯氫比曲線近似重合，表明淡水條件下井眼持油率對(duì)地層流體評(píng)價(jià)影響較小。

2.3.4 井 徑

其他條件不變，井眼內(nèi)充滿淡水，地層孔隙度分別為0、3%、6%、9%、12%、15%、20%、25%和30%，飽含礦化度為200 g/L的礦化水或油，井徑分別為21.59和31.75 cm，模擬相應(yīng)的俘獲伽馬能譜，得到中子自屏蔽校正后氯氫比與孔隙度的關(guān)系，如圖9所示。

由圖9可知，井徑為31.75 cm時(shí)的氯氫比值低于井徑為21.59 cm的氯氫比值，且飽含200 g/L礦化水地層降低更加明顯，原因是隨著井徑增大，儀器周圍包圍更多的流體，探測(cè)器記錄井眼信息貢獻(xiàn)大，導(dǎo)致氯氫比值會(huì)降低；同時(shí)隨著井徑的增加，水線與油線的張角減小，含油評(píng)價(jià)的動(dòng)態(tài)范圍下降。因此在小井眼中利用氯氫比評(píng)價(jià)含油飽和度更有利。

3 模擬實(shí)例

設(shè)置孔隙度、黏土含量/礦化度和含油飽和度不同的砂巖地層模型，地層參數(shù)如表2所示?？紫抖?/p>

為6%～ 30%，黏土礦物由伊利石、蒙脫石、高嶺石和綠泥石按照1∶1∶1∶1混合而成，體積分?jǐn)?shù)為0～15%，含油飽和度為25%～85%，地層水礦化度為200 g/L。利用數(shù)值模擬方法建立計(jì)算模型，記錄相應(yīng)的俘獲伽馬能譜信息，并實(shí)時(shí)獲取中子自屏蔽校正后的Cl/H參數(shù)。數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖10所示，道1為深度道，道2為巖性剖面，道3為地層模型中設(shè)置的孔隙度和含油飽和度，道4為測(cè)量的Cl/H和油水線，道5和道6分別為計(jì)算的含油飽和度和絕對(duì)誤差。

由圖10可以看出，根據(jù)給定的孔隙度條件分別構(gòu)建中子自屏蔽校正后的Cl/H水線和油線，根據(jù)前述計(jì)算模型計(jì)算含油飽和度，相應(yīng)誤差分別為5.46%、4.67%、1.10%、6.21%、4.51%和2.51%，顯然基于Cl/H計(jì)算含油飽和度絕對(duì)誤差都小于7%，計(jì)算結(jié)果與模型值吻合較好。因此采用鐵俘獲中子自屏蔽校正后的Cl/H進(jìn)行含油飽和度評(píng)價(jià)，在高礦化度水地層條件下應(yīng)用效果較好。

4 結(jié) 論

（1）氯氫比可以來定量評(píng)價(jià)含油飽和度，但在高孔隙度和地層水礦化度條件下，中子自屏蔽現(xiàn)象導(dǎo)致氯和氫的俘獲伽馬射線計(jì)數(shù)降低，流體評(píng)價(jià)的靈敏度會(huì)降低。

（2）鐵的俘獲伽馬射線計(jì)數(shù)變化可以反映俘獲過程的中子場(chǎng)變化，利用純骨架地層鐵的俘獲伽馬射線計(jì)數(shù)作標(biāo)定，可以確定中子自屏蔽校正因子，使校正后氯氫比評(píng)價(jià)油水的靈敏度提高了1倍以上。

（3）中子自屏蔽校正后氯氫比隨孔隙度增加而增加，且呈線性變化關(guān)系；地層水礦化度越高，與含油地層的氯氫比差異越大，對(duì)流體識(shí)別越有利；巖性、井眼含油和黏土含量對(duì)氯氫比飽和度響應(yīng)影響較小；井眼水礦化度和井眼尺寸對(duì)氯氫比飽和度響應(yīng)較大。

（4）模擬驗(yàn)證結(jié)果表明飽和度計(jì)算誤差小于7%，顯然在高礦化度地層條件下采用基于中子自屏蔽校正的氯氫比評(píng)價(jià)含油飽和度是一種有效的方法。

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（編輯 修榮榮）