专利名称：放射性能谱示踪吸水剖面测井法的制作方法
技术领域：
本发明属于石油地球物理勘探测井领域，特别是用于油田注水井吸水剖面的放射性示踪测量方法。
在油田开发时，为提高采收率，大量使用以水驱油的注水开发方法。通过向在采油井附近钻的注水井注水，使水进入与产油层相通的吸水层，驱动原油从产油井产出。以注水井的轴线为轴有一钢质注水管(常被称为油管)，其外套有一钢质套管，此套管和地层之间用水泥固结，形成一水泥环。对吸水层部位的套管及水泥环射孔，使由油管注入的水由此进入吸水层，而未经射孔的地层则不应该进水。为科学合理地开发油田，就是尽可能准确地测量注水井中各吸水层的吸水能力。该作业被称为吸水剖面测井。当前使用的吸水剖面测井法是放射性示踪同位素吸水剖面测井法。该方法简单步骤如下，将制备成微粒状的发射伽马射线的放射性同位素(常用的有131Ba，131I和113mIn)随水一起注入井中，当水进入地层时这些放射性微粒就被滤集在地层表面。地层吸水越多滤集其上的放射性同位素就越多。通过油管放下一支测量伽马射线计数率的仪器(常称为油管放射性测井仪)，用它先后测得各地层固有的自然伽马射线计数率和滤集放射性同位素后的伽马射线计数率，得到该井的伽马射线总计数率测井曲线。认为各地层的伽马射线计数率的净增值与该地层的吸水量成正比，从而由伽马射线总计数率测井曲线推算出地层的相对吸水量。但前述放射性示踪同位素吸水剖面测井法存在着“沾污”和“漏失”等缺点。所谓“沾污”是指在油管或套管接箍，偏心配水器、封隔器以及粘附有原油、结蜡等污垢或有腐蚀的套管内壁和油管内外壁处，因吸附了示踪同位素而导至测得异常高的伽马射线计数率。据统计，出现此类异常现象的井的比率高达92.6％，其中严重沾污而无法计算吸水量的比率为16.4％。对此所实施的一种改进办法是采用表面活性剂和洗井，可以减少沾污，但不能完全解决问题。在1990年出版的《地球物理测井》杂志的Vol14，No.6，P.405-414中刊载了吕志强的题为“同位素吸水剖面测井中沾污的控制与校正方法”的文章。该文中的方法对不同类型的沾污给出了各自的校正系数。在做校正前首先要根据不同的沾污类型和程度选用相应的校正系数，对所得到的地层相对吸水量进行修正。用这种方法，只要沾污类塑判断正确，一般可得出较准确的相对吸水量。但在判断沾污类型及其程度有困难时，此方法的误差就很大。所谓“漏失”是指在某些孔道大于同位素示踪剂粒径的地层，示踪剂可能经由大孔道流入地层深部而不是滤集在表面。虽然该地层吸水量很大，但测得的伽马射线计数率却反常地呈现低值。赵大扶在题为“大粒径同位素吸水剖面测井试验的分析”的文章里提出了一种解决方案，该文刊于1992年《测井技术》Vol.16，No.1，P.66-70里。该方案的主要点是采用大粒径示踪剂，它可以在一定程度上改善对所投入的示踪剂的漏失，而减小所测结果的误差，但仍不能达到令人满意的效果。
本发明的目的在于提供一种放射性示踪吸水剖面测井法。该方法能判断所测得的伽马射线计数率是正常还是异常，如果是异常再判断是沾污还是漏失所致，并识别出沾污类型和漏失程度，给出较准确的校正。以提高放射性示踪吸水剖面测井的精度。
本发明以如下方式实现。
本发明的放射性能谱示踪吸水剖面测井法包括如下几个步骤。第一步向待测注水井投入放射性同位素示踪剂，该示踪剂能发射出至少两个足够远离能量峰值的伽马射线。第二步将过油管放射性测井井下仪置入待测井中，连续测量该井中目的井段上残留的示踪剂所发射的伽马射线总计数率，将计数率信号转化成电信号，然后把测得信号传输至地面仪并记录之，最后形成总计数率曲线。所用的过油管放射性测井井下仪里有至少两道的多道能谱分析器，多道能谱分析器按预定的能谱段分段记录各自能谱段的伽马射线计数率并产生相应的曲线。前述有能谱分析器(10)的测井仪预先要进行标准刻度井中的刻度处理。第三步将所测得的各计数率曲线应用伽马能谱解谱法进行能谱解释处理，然后依据解释结果对总计数率曲线进行修正。第四步依据修正过的总计数率曲线计算出各地层的相对吸水量。
前述第二步中所述的刻度处理步骤如下。
(a)设置标准刻度井，该井由自里向外同轴顺序套叠安装的油管、套管、水泥环和模拟地层共同组成，里面充满水；(b)在套管的一定部位上自里向外沿径向穿透油管、套管、水泥环和模拟地层制作模拟射孔；(c)将待该度测井井下仪下入油管中，并使井下仪探测头晶体靠近模拟射孔，并设其中的能谱分析器道数为m；(d)在模拟射孔里置入适合的示踪剂或可用的替代放射性源；(e)沿模拟射孔移动示踪剂，使之在依据精度要求而设定的n个位置上停留，并同时在每个停留位置测量m道伽马射线计数率，前述n个位置可以是油管内外壁、套管内外壁、水泥环外壁、地层内等；(f)将所测得伽马射线计数率按井下仪外壁加以归一化，这样就得到了n张m道标准谱。
前述第三步中所述的伽马能谱解谱法可以是最小二乘法，其具体步骤如下。
(a)将第j号刻度位置上测得的标准谱用一个由m行元素构成的列向量Aj表示(j＝1～n)，总共n个刻度位置可得n张标准谱，亦有n个列向量，从而构成m×n矩阵A，称之为谱仪响应矩阵，其矩阵元素记为aij，(i＝1～m，j＝1～n)，i表示谱的道号，j表示标准谱号，即刻度井中的示踪剂刻度位置号；(b)将刻度好的测井仪按前述方法进行实地测井，在每个测井位置上，可得到m道计数率谱(不做归一化处理)，用一个由m行元素bi构成的列向量B表示(i＝1～m)；(c)前述实测计数率谱B是可能存留在井的径向的某一射孔路径上各位置的示踪剂共同贡献的结果，设位置j上的存留示踪剂对B的贡献份额为xj(j＝1～n)，则产生了xj构成的一个有n行元素的列向量X；
(d)前述三个列向量A，X和B满足如下方程AX＝B(1)式(1)是m个线性方程构成的包含几个未知数xj的线性方程组，可用一般的数学方法例如最小二乘法求解其中的未知数xj；(e)依据上步骤(d)求得的各xj，并对照在刻度处理步骤中所赋与各j的空间位置的物理含义，就可以判断沾污状况，例如对套管以内的各j位置上的xj如有显著数值时，则可判定在该测井位置上发生了沾污，同样对于地层上各j位置上的xj如有显著数值时，可判定在该测井位置上有漏失发生了；(f)以于判断有发生漏失和沾污的测井位置，从该位置上的总计数率数值中，按xj的数值减除因沾污所带来的份额，增补因漏失所造成的部分，然后继续前述第四步。
本发明的优点如下。
本发明的放射性能谱示踪吸水剖面测井法中利用了放射性伽马射线在物质中传播时会发生“谱硬化”的原理，即不同能量的伽马射线在物质中穿过时，其相对强度会发生变化，高能量射线的衰减相对比低能量射线慢，利用二者的比值随距离的单值对应关系，在刻度过程中“记住”这个相对强度比值，在实际测井如有相同比值的点即可反推出该点示踪剂的空间留存的相对位置，从而判断出该点的计数率值是沾污，漏失或者正常滤积之中哪一种情况，或者计算它们所作贡献的比例关系。从而为修正总计数率曲线提供更合理更可靠的手段，也就提高了放射性示踪吸水剖面测井的精确度。
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图1是本发明的放射性能谱示踪吸水剖面测井法的实施状态示意图。
图2是本发明的测井法所依据的理论计算模型图。
图3是本发明的测井法中注水井的结构示意图。
图4是本发明的测井法中所使用井下仪的主要构成部分电路方框图。
图5是本发明的测井法在实施测井是所测计数率曲线简化图。
图6是本发明的测井法在刻度时使用的刻度模型井与刻度结果对应图。
下边结合附图及实施例对本发明加以详述。
放射性示踪吸水剖面测井法中所述注水井的结构如图3所示，其中，地层1中有井眼6，井眼6的中心是过油管4，过油管4之外套有套管3，在地层1和套管3之间固化有水泥环2，水从井口注入，经过油管4进入井下，沿箭头所示方向运行进入吸水层，测井中所用的示踪剂随水注入井中一并运行。
本发明的放射性能谱示踪吸水剖面测井法的测井工作状态的示意图如图1所示。由地层1，水泥环2，套管3、过油管4，井眼6组成的井中，在过油管4中有井下仪5，通过电缆7将井下仪5悬吊于井眼6中，信号通电缆7传输至地面仪8。井下仪5的电路方框图如图4，其中有闪烁晶体9，多道能谱分析器10，以及放大器11共同组成。
本发明的测井法所依据的物理原理如下。从放射性同位素发出的伽马射线有种种不同的能量，这些伽马射线穿过物质时，它们的绝对强度都会因物质对它们的吸收而减弱，而同时其相对强度也会发生变化。此时有两种主要变化趋势，其一，在中低能范围内，高级射线的穿透能力比低能射线强，使得穿过同样的物质后，高能射线的相对强度增加而低能部分相对减弱，发生所谓“谱硬化现象”。其二，部分高能射线因康普顿散射作用而变成能量较低射线，会在一定程度上削弱谱硬化现象。一般地说，选择能量合适的伽马射线束，穿过的物质密度越大，Z值越高，物质厚度越厚，其谱硬化现象越明显。而石油矿场的注水井中的钢质套管和过油管的密度和Z值都比较大，由它们引起的谱硬化现象比较明显。通过对谱硬化程度的测量，就可以判断射线是否未穿过油管，或者只穿过了油管，或者同时穿过油管和套管，就可以判断所投入的示踪剂是否是沾污于油管内外壁和套管内壁。若判定射线穿过油管和套管但没有深入地层，则示踪剂是正常滤集。同样对于深入地层一定深度的示踪剂也可以判断出来，也就所谓漏失。
对于本发明的测井法的测量结果，可以用近似的算法来求解。以圆筒面源模型代替实际井中状况，图2是这种模型的简图。其中有一个三维直角座标系，以Z轴代表井轴，在一个半径为R，高为H的园简表面上均匀地分布着放射性源。此面源的单位面积上在单位时间里发射的伽马射线总数为Q，其中能量为E的伽马射线所占的份额记为q(E)。
圆筒面源内为多层同轴圆环介质，各介质的厚为Δri，它对能量为E的伽马射线的线性吸收系数为μi(E)。
圆筒中心点有一探测闪烁晶体，它对能量为E的伽马射线的本征效率为η(E)。
经过微积分运算，最后得到由能量为E的未经散射的直射伽马射线与探测闪烁晶体作用而产生的计数率N(E)，其表达式为N(E)＝Qη(E)q(E)F(R.E)(1)在实际情况中，还有经过散射的伽马射线进入探测晶体，因此对式(1)。应加上散射修正因子B(r，E)的作用，得到下式N(E)＝Qη(E)q(E)B(r，E)F(R，E)(2)在式(2)中F(R,E)=∫oe-b(R,E)seo0do而式(3)中的b(R，E)＝∑Δriμi(E)(4)而式(4)中的∑Δri＝R(5)∑q(Ej)＝1 (6)在前述表达式(2)中，η(E)取决于探测闪烁晶体，q(E)取决于示踪剂，它们与介质无关。测井仪和示踪剂造成之，它们不再改变。F(R，E)是介质厚度Δri和线性吸收系数μi(E)的乘积的非常灵敏的函数。当伽马射线能量在100kev数量级范围时，μi(E)近似与E0.8成反比，因而指数函数的积分F(R，E)值随射线能量减小而急速变小。F(R，E)定量地描述了谱硬化现象，其值可以由理论上相当精确地计算出来。散射修正因子B(r，E)与探测晶体的周围环境及射线能量有关，它们的影响远没有F(R，E)那样显著，B(r，E)定量地描述了对谱硬化现象的削弱作用，一般需要实验中测定。
验证本方法的实际测量曲线如图5，其中使用的放射性源为131Ba，为了能表达清楚图中只画出了两条曲线，横轴为伽马射线的能量，纵轴为相对计数率，曲线A是将放射性源置于油管内壁，曲线B是将放射性源置于套管外壁时测得的相对计数率能谱曲线。从曲线的变化可以看出曲线A在100kev附近的计数率峰值和在500kev附近的峰值相差很小，而曲线B中两点的峰值差别很大，明显观察出谱硬化现象。曲线A是在伽马源置于油管内壁时测出的能谱曲线，这时在伽马源和探测晶体之间没有钢管或地层隔开；而曲线B是在伽马源置套管外壁时测出的能谱曲线，这时源与晶体之间隔有两层钢管。
根据本发明的测井法做出如图4的刻度结果，为方便对照将井眼的半边状况经简化与结果相对应地画在下边。图中以j代表示踪剂在模型刻度井的刻度停留位置。这里列举8个位置I 井下仪外壁II油管内壁III 油管外壁IV套管内壁V 套管外壁(已射孔部分)VI套管外壁(未射孔部分)VII 水泥环外壁VIII 进入地层150mm
图6中曲线座标的横座标为井眼半径，纵座标为高低能峰的比。曲线a为计算所得的高低能峰面积比，曲线b为实验所得的高低能蜂面积比，曲线c为实验所得的高低能道计数率比。各刻度结果对仪器外壁归一。
实施例一。
简化式高低能道计数率比法。在本实施例中，以放射性同位素131Ba作为示踪剂里伽马射线发射源材料。放射性能谱示踪测井仪的井下仪中的多道分析器的道数为三道。
第一道的能量宽度为100kev—170kev。
第二道的能量宽度为170kev—430ev。
第三道的能量宽度为430kev以上。
将三道各自测得的计数率逐点相加即得总计数率。
刻度时采前述的方法处理，在刻度过程中测得的计数率按如下公式求比值Pk。 最终得到如图6中的曲线C。实测井时如上边类似的方法求比值Pc，只不过该道的计数率是实测时的数值，然后将PC值大于位置IV的那些点上的总计数率曲线的计数率减去，再继续往下进行。
此实施例的方法简单易行，但误差较大。
实施例二。
高低能峰面积比法。放射性示踪剂如实例一。井下仪中的多道分析器的道数要较多。那么在低能峰段如100kev—150kev，高能峰段如450kev-550kev，每段中都有较多道时，将测量结果画出来如图5所示的一定形状的能峰形曲线，求出各能峰的面积后如实施例一的方法求比值，其余处理方法与上相似。
实施例三。
最小二乘法。此法中所用放射性示踪剂仍如实施例一，而所用的能谱测井仪的道数为m道。这里要求m＞n，n是刻度处理时示踪剂在模拟射孔中停留位置数，其作过程如本发明的前述方法，示得矩阵元素为aij的谱仪响应矩阵A，(其中i＝1－m；j＝1－n)在实测井中得到m行元素bi构成列向量B，再设位置j对B的贡献份额为xj，对于各xj(j＝1－n)构成有n行元素的列向量X，求解方程AX＝B以最小二乘法求解，以解得的各xj来判断如何修正总计数曲线，j≤4是沾污，ji≥7是漏失，二者之间是正常滤集，j≤4的xj份额减去，j≥7的xj份额加上，4＜j＜7的xj份额不变。其余步骤仍继续前述方法。
权利要求
1.一种放射性能谱示踪吸水剖面测井法，由如下各步骤组成第一步向待测注水井(6)投入放射性同位素示踪剂；第二步将过油管放射性测井井下仪(5)置入待测井中，连续测量该井中目的井段上残留的示踪剂所发射的伽马射线总计数率，将计数率信号转化成电信号，然后把测得信号传输至地面仪(8)并记录之，最后形成总计数率曲线；第三步对总计数率曲线进行修正；第四步依据修正过的总计数率曲线计算出各地层的相对吸水量；其特征在于，前述第一步中所述的示踪剂能发射出至少两个足够远离能量峰值的伽马射线；前述第二步中所述的过油管放射性测井井下仪(5)里有至少两道的多道能谱分析器(10)，多道能谱分析器(10)按预定的能谱段分段记录各自能谱段的伽马射线计数并产生相应的曲线，前述有能谱分析器(10)的测井仪预行要进行标准刻度井中的刻度处理；前述第三步的修正应是将所测得的各计数率曲线应用伽马能谱解谱法进行能谱解释处理，然后依据解释结果对总计数率曲线进行修正；前述第二步中所述的刻度处理步骤如下(a)设置标准刻度井，该井由自里向外同轴顺序套叠安装的油管、套管、水泥环和模拟地层共同组成，里面充满水；(b)在套管的一定部位上自里向外沿径向穿透油管、套管、水泥环和模拟地层制作模拟射孔；(c)将待刻度测井井下仪(5)下入油管中，并使井下仪(5)的探测头晶体(9)靠近模拟射孔，并设其中的能谱分析器(10)的道数为m；(d)在模拟射孔里置入适合的示踪剂或可用的替代放射性源；(e)沿模拟射孔移动示踪剂，使之在依据精度要求而设定的几个位置上停留，并同时在每个停留位置测量m道伽马射线计数率，前述几个位置可以是油管内外壁、套管内外壁、水泥环外壁、地层内等；(f)将所测得伽马射线计数率按井下仪外壁加以归一化。这就得到几张m道标准谱，至此刻度处理完成；前述第三步中所述的伽马能谱解谱法的具体步骤如下(a)将第j号刻度位置上测得的标准谱用一个由m行元素构成的列向量Aj表示(j＝1～n)，总共n个刻度位置可得n张标准谱，亦有n个列向量，它们构成m×n矩阵A，称之为谱仪响应矩阵，其矩阵元素记为aij(i＝1～m，j＝1～n)，i表示谱的道号，j表示标准谱号，即刻度井中的示踪剂刻度位置号；(b)将刻度好的测井仪按前述方法进行实地测井，在每个测井位置上，可得到m道计数率谱(不做归一化处理)，用一个由m行元素bi构成的列向量B表示(i＝1～m)；(c)前述实测计数率谱B是可能存留在井的径向的某一射孔路径上各位置的示踪剂共同贡献的结果。设位置j上的存留示踪剂对B的贡献份额为xj(j＝1～n)，则产生了xj构成的一个有n行元素的列向量X；(d)前述三个列向量A，X和B满足下列方程AX＝B (1)式(1)是m个线性方程构成的包含n个未知数xj的线性方程组，可用一般的数学方法求解；(e)依据上步骤(d)求得和各xj，对照在刻度处理步骤中所赋与各j的空间位置的物理含义，就可以判断沾污和漏失的情况，例如对套管以内的各j位置上xj如有显著数值时，则可以判定在该测井位置上发生了沾污，同样对于地层中各j位置上的有显著数值的xj，可判定在该测井位置上有漏失发生了；(f)对于判断有发生沾污和漏失的测井位置，从该位置上的总计数率数值中，按xj的数值减除因沾污所带来的份额，增补因漏失所造成的份额。
全文摘要
本发明提供一种放射性能谱示踪吸水剖面测井法。属于石油地球物理勘探放射性测井领域。往注水井内投入足够宽能量谱的放射性伽马射线示踪剂，以经过刻度处理的内装有多道能谱分析器的过油管放射性能谱测井井下仪置入井中，测量示踪剂发射的计数率能谱，将所测能谱与标准刻度能谱加以比较，依据谱硬化原理，可以分辨出示踪剂在射孔道内的存留位置，也亦识别出示踪是否处于沾污和漏失状态，从而为吸水剖面曲线提供了合理而可靠的修正，较大幅度提高了示踪吸水剖面测井法的精确度。
文档编号G01V5/04GK1115001SQ94108459
公开日1996年1月17日 申请日期1994年7月15日 优先权日1994年7月15日
发明者彭琥, 鲁保平 申请人:西安石油勘探仪器总厂