中子伽马曲线受到自然伽马污染影响分析及消除原理

梁 坤，陈 鑫，赵 莉

(中石化中原石油工程有限公司地球物理测井公司 河南 濮阳 457001)

0 引 言

随着油田开发进入中后期,由于天然能量不足,必须进行人工补充能量开发。由于长期注水冲刷、污水回注、工程施工、套管腐蚀破损等原因,使得部分开采区块地层自然伽马污染日趋严重，并呈现逐年增加的趋势。自然伽马本底高,其强度高于原始地层几倍以至几十倍的情况屡见不鲜,据统计油井的20%～30%目的层自然伽马强度超过600 API,个别井甚至超过6 000 API。受污染井使用常规自然伽马测井所测的自磁曲线严重失真，已与原始地层无明显对应规律关系。为了克服这一问题，往往会采用测量中子伽马曲线进行校深，但当井内自然伽马污染强度较大时(一般是自然伽马强度超过600 API)，中子伽马测井曲线也会受到严重干忧，使所测出的资料同样严重失真，亦与地层无对应关系，影响油层动态描述以及射孔深度定位，这也是目前国内各大油田进入中后期开发后生产上所面临的技术难题。

1 中子伽马曲线受到自然伽马污染影响分析

在无污染井段可利用中子伽马测井曲线与自然伽马测井曲线进行地层岩性对比，确定目的层。但在油井开发后期，由于长期注水冲刷、污水回注、工程施工、套管腐蚀破损等原因使井内放射性污染残留增加，中子伽马测井曲线不能真实地反映地层次生伽马强度，导致中子伽马测井曲线受到自然伽马污染而失真，中子伽马测井曲线无法用于校深。

1.1 自然伽马测井仪器探测的计数与地层放射性强度的关系

依据地层放射性元素释放出伽马源伽马射线，经测量通道到达自然伽马仪器探测器的射线强度为[1-5]：

I=I0e-μρL

(1)

式中，I0为伽马源处的伽马射线强度；I为探测器处的伽马射线强度；μ为康普顿吸收系数，cm2/g；ρ为介质密度，g/cm3；L为源距长度，10～40 cm。

公式(1)中，康普顿吸收系数μ主要与元素的荷质比有关，对于低原子序数元素，即氢、氧、碳、钠等元素的康普顿吸收系数相差较小，即油、气、水和盐水的康普顿吸收系数基本相等；井眼介质密度ρ对于油水井为0.9～1.1之间，大致是一个稳定的常数；采样通道长度L是对于某探测器来说也是一个常数，因此e-μρl可用一个常数K来表示，K称为仪器测量系数，公式(1)可以用公式(2)来表示[2-9]：

I=K×I0

(2)

即伽马探测的计数与环境中的伽马强度I0成正比关系。

自然伽马仪器在测井过程中，测量曲线反应的是井眼里的伽马强度。伽马测量计数与井眼中的自然伽马强度Q自成正比关系，见公式(3)

I自=K自×Q自

(3)

式中，I自为伽马仪器测量计数；K自为伽马仪器的测量系数；Q自为井眼里的自然伽马强度。

1.2 中子伽马测井仪器探测的计数与地层放射性强度的关系

中子伽马仪器在测井过程中，测量曲线反映的应该是地层自然伽马强度Q自和由于快中子与井眼地层元素的散射和俘获作用而产生的次生伽马强度Q次。见公式(4)[3-6]：

IN=KN×(Q次+Q自)=KN×Q次+KN×Q自=IN次+IN自

(4)

式中，IN为中子伽马仪器测量计数；KN为中子伽马仪器测量系数；Q次为井眼里的次生伽马强度；Q自为井眼里的伽马强度；IN次为次生伽马强度导致的中子伽马仪器测量计数；IN自为自然伽马强度导致的中子伽马仪器测量计数。

1.3 中子伽马曲线受到自然伽马污染影响原理

理想情况下，中子伽马测量的仅仅是次生伽马射线。但实际测井中，中子伽马测井也同时测量到地层的自然伽马射线。中子伽马仪器的测量的不仅包括次生伽马射线，也包括自然伽马射线。在实际测井中，大多数井眼中Q自≈1/15×Q次,因此Q自对IN的影响可以忽略，即IN=KN×(Q次+Q自)≈KN×Q次=IN次。此时自然伽马强度对中子伽马测井曲线几乎没有干扰，对资料解释不会有影响[4]。

由于主要采取水驱油方式进行开采,加之长期注水冲刷、污水回注、工程施工、套管腐蚀破损等原因,使得中原油田部分开采区块地层自然伽马污染。放射性污染物附着在井壁上，产生伽马射线。此时中子伽马仪器测量的伽马射线除了次生伽马射线，还有地层自然伽马射线和井眼放射性污染物伽马射线。此时自然伽马射线强度与井眼放射性污染物伽马射线强度相当，自然伽马测井曲线受到影响，不能用于测井解释，只能用中子伽马测井资料。此时自然伽马射线强度相比较次生伽马强度仍然可以忽略。

由于地层放射性盐类随着温度、压力、流速及地球化学条件的变化，放射性盐以不可逆的方式沉淀在水泥环和套管上，不溶于水的放射性重晶石(Ba(Ra)SO4)微晶以悬浮物的形式，在动力流动的条件下，被胶体溶液带走，在采油或注水的过程中，通过渗透性储集层，最后沉淀在射孔井段的套管上，或者沉积在邻井采油而本井尚未射开的同一层位的套管上，这就形成了放射性元素聚集，导致井内放射性污染严重。放射性污染产生的伽马射线强度达到300 API时，Q自增大。当Q自超过300 API的时候，Q自≈1/3×Q次，也就是说中子伽马测井曲线测量值有三分之一来自于自然伽马，对中子伽马测井数据产生较大影响。 当放射性污染严重时，Q自能达到几千API，Q自大于Q次，自然伽马强度对中子伽马测井曲线影响严重，中子伽马测井曲线严重失真，不能反映地层元素产生的次生伽马强度规律，导致测井失败。

2 中子伽马曲线受到自然伽马污染影响消除原理

为了消除伽马污染对中子伽马测井的影响，需要将Q自去除，中子伽马测井曲线包含的自然伽马强度响应部分进行消除，得到真实的次生伽马强度Q次响应曲线[7]。

2.1 一次测井消除自然伽马污染影响

由公式(4)可推出：

IN= KN×Q次+ KN×Q自=IN次+IN自，

则IN次=IN-IN自=IN-KN×Q自

(5)

对于自然伽马仪器：

I自=K自×Q自，则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分别是自然伽马和中子伽马仪器的仪器系数，对于某支仪器来讲，K自和KN均为常数，令K自/KN=A，代入公式(6)得：

IN次=IN-I自/A

(7)

式中:IN次为次生伽马强度导致的中子伽马仪器测量计数；IN为中子伽马仪器测量计数；I自为自然伽马仪器测量计数；A为自然伽马污染影响消除校正系数。

在中子伽马测井中，可以分别测得IN和I自，只要得到系数A，代入公式(7)， 即可实现对自然伽马污染影响的消除，得到完全由地层元素产生的次生伽马强度、反应真实地层特性的中子伽马响应曲线。这里将系数A称为自然伽马污染影响消除校正系数[3]。

这样，在一次下井取得IN和I自后，通过公式(7)，便可得到消除伽马污染的中子伽马测量曲线IN次。公式(7)即为消除中子伽马测井曲线中伽马污染的计算公式。

2.2 二次下井消除自然伽马污染影响

利用中子伽马仪器二次下井消除中子伽马测井曲线中伽马污染影响,从公式(2-5) ：IN次=IN-IN自可以看出，我们可以分两次下井，第一次下井，中子伽马仪器不安装中子源，测得IN自这条曲线；第二次下井，中子伽马仪器安装中子源，测得IN这条曲线，将IN和IN自这两条曲线进行相减，便可得到消除伽马污染的中子伽马测量曲线IN次[8]。

3 实 例

濮8-4井是2002年部署在濮城构造濮67断块的一口定向开发井，自生产以来一直采用注水开发的方式进行开采。进行TCP―油管输送射孔时，实测自然伽马曲线显示射孔层段严重污染，自然伽马曲线数值在61～2 640 cps之间，在2 820 m附近最大值达到2 640 cps，丧失了与组合自然伽马的对应性，导致射孔时无法校深及跟踪定位。测量中子伽马以便校深射孔，中子伽马曲线数值在297～999.7 cps之间，同自然伽马一致在2 820 m附近数值达到最大。实测测井曲线与组合常规测井曲线对应性较差，如图1所示。

图1 濮8-4井实测测井曲线与组合常规测井曲线对比图

鉴于射孔和实验要求，我们对实测曲线进行了消除污染校正。校正结果显示，采用一次测井污染消除方法(IN次=IN-IG/A)得到校正曲线数值在68.9～410 cps之间,对应实测中子伽马最大值处，数值明显降低，为372.3 cps左右，相对降幅达62.7%，且与组合常规曲线有了较好的对应性。采用二次测井污染消除方法(IN次=IN-IN自)得到校正曲线数值在220.6～486.7 cps之间,对应实测中子伽马最大值处，数值亦明显降低，为361 cps左右，相对降幅达63.8%，同样与组合常规曲线有了较好的对应性,如图2所示。

图2 濮8-4井校正曲线与组合常规测井曲线对比图

4 结 论

通过分析中子伽马受到自然伽马的污染原因，中子伽马测井曲线不能真实的地反映地层次生伽马强度，提出了消除自然伽马污染对中子伽马测井的影响的原理，从而在理论上为高伽马污染中子伽马测井资料校正提供了依据。在研究过程中，得到以下几点结论：

1) 在油井开发后期，由于长期注水冲刷、污水回注、工程施工、套管腐蚀破损等原因，井内放射性污染残留增加，中子伽马测井曲线不能真实地反映地层次生伽马强度，无法用于校深。

2) 当放射性污染严重时，自然伽马强度对中子伽马测井曲线影响严重，中子伽马测井曲线严重失真，不能反映地层元素产生的次生伽马强度规律，导致测井失败。

3) 为了消除伽马污染对中子伽马测井的影响，需要将自然伽马射线强度去除，将中子伽马测井曲线包含的自然伽马强度响应部分进行消除，得到真实的次生伽马强度响应曲线。

4) 分别提出了利用一次测井和二次测井消除自然伽马污染影响的方法。对濮8-4井测得的中子伽马进行消除污染校正，校正结果与常规测井结果比对具有较好的对应性。