同位素吸水剖面測井方法在石油地質中的應用

路繁榮，曹 禺，張 超，高 揚

（1.西北大學大陸動力學國家重點實驗室/西北大學地質學系，陜西西安 710069；2.延長油田股份有限公司杏子川采油廠，陜西延安 717400；3.中國石化西北油田分公司采油一廠，新疆輪臺 841600）

同位素吸水剖面測井方法在石油地質中的應用

路繁榮1，曹 禺2，張 超3，高 揚1

（1.西北大學大陸動力學國家重點實驗室/西北大學地質學系，陜西西安 710069；2.延長油田股份有限公司杏子川采油廠，陜西延安 717400；3.中國石化西北油田分公司采油一廠，新疆輪臺 841600）

在油田開發過程中，同位素吸水剖面測井在注水油藏動態監測中占主導地位，目的是為了了解地層自然注水狀況和分層配注后的注水效果。本文通過對大量前人的研究詳細介紹了同位素吸水剖面測井方法、同位素沾污的影響因素以及對吸水剖面測井方法在油氣生產與開發中的應用等進行了撰寫。

同位素測井；吸水剖面；沾污校正

現今，隨著油田開發的不斷推進與深入，油層的壓力也逐漸下降。我國大多數油田以注水開發為主，因此就需要及時給地層補充油田開發所需要的能量，以實現油田長期穩定的發展。維持油田壓力的主要方法是通過注水井向井下油層注水。一般來說，一個油田開發時不僅要打油井還要打一定量的注水井。而注水井的注水情況通過測吸水剖面可以得知，了解各個小層的絕對吸水量。由于井下油層結構復雜，非均質性明顯，很難形成統一的油水界面。不同層位以及同一層位的不同位置的吸水能力都存在很大差異。因此想要準確監測吸水剖面動態變化，需要依靠可靠有效的測井資料[1]。

目前吸水剖面主要用同位素吸水剖面測井。該方法在注水油藏動態監測中占主導地位，為了了解地層自然注水狀況和分層配注后的注水效果，為下一步制定單井或區塊注水調剖方案提供依據。目前油田普遍采用Ba-GTP微球做示蹤劑進行注水剖面測量[2]。測井資料核心的處理工作是計算各個小層的注水量，掌握其吸水能力，為單井分析、注采井井組分析、區塊分析提供依據[1]。

1 同位素吸水剖面測井簡介

1.1 同位素吸水剖面測井原理

向地層注入示蹤劑之前需要測地層的自然放射性值作為之后的對比基線，即自然伽馬值。自然伽馬值是很穩定的，一般來說，自然伽馬出現正異常的地方為放射性高的泥巖層，自然伽馬出現負異常的地方為放射性低的砂巖層也即是潛在的含油層[1]。當放射性示蹤劑隨著注入水進入注水層并濾積在注水層的地層表面，導致地層的伽馬射線強度大幅度增強。在吸水能力越強的地層，其表面濾積的放射性示蹤劑就越多，最終在同位素曲線上表現為異常幅度越大。一般認為，如果注入水中的同位素濃度一致，則地層吸水量與同位素曲線上的異常幅度值成正比（見圖1）。最后計算同位素曲線異常幅值與對比基線的包絡面面積，各個部分的包絡面積與全部包絡面積之和的比值與總流量的乘積即為各吸水層的絕對量。

1.2 示蹤劑及載體的選擇

1.2.1 示蹤劑的選擇 一般來說，在實際施工過程中要選擇半衰期適中、示蹤劑射線能量適中以及毒性低的放射性同位素[3]。（1）對于示蹤劑毒性來說，因為同位素測井屬于開放性操作，因此為了避免地層環境受到污染、工作人員身體受到損傷，因此應選擇毒性低的同位素；（2）對于示蹤劑放射性能量來說，要選擇適中的能量，因為如果能量過低，信號太弱，儀器可能無法捕捉。但從防護角度分析能量也不能過強，通常能量維持在0.5 MeV最好；（3）對于示蹤劑的半衰期來說，長半衰期放射性示蹤劑所造成的污水難以處理，且在較長時間內都會釋放能量，導致下次測井之前所測得的自然伽馬曲線幅值過高，可能會影響測量結果。但是若選擇過短半衰期放射性示蹤劑，只能保存很短的時間就不能再使用，如果繼續使用可能會導致注水之前測得的自然伽馬基線與注水之后測得的放射性差別很小，不易區分。

圖1 同位素示蹤吸水剖面示意圖（據趙擎華，2014改）

1.2.2 載體的選擇 一般來說，油田示蹤劑使用131Ba微球，則載體一般選用GTP微球。施工過程中，應對載體的粒徑、密度、吸附性和運載同位素的能力等因素進行選擇。（1）對于載體的粒徑來說，施工時，需要其隨著注入水進入吸水層而不是非吸水層，因此要根據不同地層的孔隙度和滲透率來選擇合適的載體[4]；（2）對于載體的密度來說，盡量與注入水的密度一致，以此來保證載體可以在注入水中分布均勻而不會下沉聚集，使得結果出現偏差；（3）對于載體運載同位素的能力來說，為了使得測井曲線效果更好以及避免地層的進一步污染，應選擇運載盡可能多的同位素的載體；（4）一般油田示蹤劑使用131Ba微球，該微球表面被凝膠碳化層包裹起來，最外邊是表面活化層。只要微球沒有被壓碎或者被水溶解均不會發生脫附現象。

2 吸水剖面測井沾污的影響因素

2.1 同位素示蹤劑的影響

同位素注水剖面測井指在注水時混入適量放射性同位素示蹤劑，示蹤劑將會在地層吸水的同時濾積在注水管柱、井下工具和巖層表面。使得地層吸水量與示蹤劑濾積量或者放射性強度之間的關系并非呈正比，而是具有一定程度破壞干擾。在測井曲線上則表現為與注水量無關的同位素異常[5，6]。

2.1.1 同位素示蹤劑強度的影響 一般來說同位素示蹤劑在注水井井口釋放，經過較長距離的搬運到達吸水層后同位素強度會有所降低。如果示蹤劑強度偏小，則會造成到達注水層的示蹤劑無法被檢測到。在測井曲線上表現為在某些層段上顯示出與注水量不一致的同位素異常幅度變低，甚至有些層段沒有異常幅度出現，這樣就無法真實的反映地層吸水的情況[6]。因此，在選擇示蹤劑的時候要盡量選擇強度大的，強度大的示蹤劑放射性強度衰減慢一些，對結果影響相對小一些。

2.1.2 同位素示蹤劑粒徑的影響 在選擇同位素時應根據研究地區地層的特征來選擇粒徑大一些的同位素。由于有的油層存在明顯的非均質性，在有些層位或因為注水的長期沖刷和由于油氣的持續開采造成地層壓力的下降，使得周圍的沖刷帶范圍變大，致使吸水層段出現大孔道、出現高滲透層。所以如果同位素粒徑太小，則會導致注入的同位素示蹤劑隨著注入水未濾積在地層表面而是進入地層的深部，致使在地層表面監測到的同位素量大大減少。在測井曲線上則表現為在某些層段上顯示出與注水量不一致的同位素異常幅度變低，甚至在主吸層都沒有異常幅度。

2.2 注入水壓力的影響

同位素示蹤劑131Ba-GTP微球顆球在注入水中15 d后會發生溶解。當注入水壓力降低后，注入水中的同位素示蹤劑很難形成均勻的懸浮液，同時導致同位素示蹤劑往往沒有到達吸水地層就提前沉淀。當然注入水壓力過小也會導致同位素示蹤劑提前發生溶解。

3 同位素曲線與流量曲線解釋結果差異分析

在實際施工過程中，吸水剖面測井沾污會導致同位素曲線解釋與流量曲線解釋結果往往是不相同的。因此要進行同位素校正。簡單來說，就是校正非地層吸水使得同位素曲線產生假異常，在測得的異常幅度上減去由于沾污導致的影響[4，7]。使同位素曲線與流量曲線盡量一致，保證得到的注水剖面更加能反映地層吸水的真實情況。校正工作很重要的兩個步驟是查明沾污類型以及各類型沾污的校正系數。而引起這種差異的原因總結如下：

3.1 油管套管沾污

這種沾污屬于吸附型沾污。導致這種類型沾污的原因主要有兩種[4，8，9]：一種是由于放射性同位素在油管內或者套管的環形空間內運移時，由于流速降低等因素不可避免的在管壁上形成吸附型沾污；另一種是隨著油田開產的長期進行，油管和套管會發生不同程度的腐蝕，影響了油管和套管的表面光潔度，使其產生一些微空隙從而吸附同位素示蹤劑。這種沾污在同位素曲線上表現為異常幅度在該段整體抬升。

3.2 封隔器及井底沾污

這種沾污屬于沉淀型沾污。導致這種類型沾污產生的原因主要是131Ba-GTP微球在此沉淀造成。這種沾污在井底和封隔器上比較普遍，原因是一般施工選用的示蹤劑131Ba-GTP微球的密度略大于注入水的密度，從而造成沉淀沾污[10]。

以上兩種沾污解決方法：（1）使用表面活性劑消除沾污，具體（見表1）；（2）通過洗井消除沾污：對于污染特別嚴重的井加表面活性劑的效果不是很理想，因此需要進行反復洗井，洗井排量應達到30 m3/h，洗井一天之后再進行同位素測井。

3.3 同位素及載體的物理化學性質

同位素示蹤劑微球的密度、粒徑、分選性、耐壓耐溫性、表面活性、帶電性等都是導致沾污的因素[8]。其中影響最大的一個因素是同位素微球的密度，當其密度大于注入水的密度時易發生沉淀造成沾污。對于粒徑來說粒徑大的微球相對來說易發生沉淀沾污。同位素微球的分選性主要決定了同位素溶液的均一性，而均一性又影響著測井解釋的結果。一般來說，同位素微球具有一定的耐壓耐溫性，使之在整個過程中得以保持自己的形態和性質。示蹤劑的表面活性能使得示蹤劑表現出親水憎油的特性，從而減少其對油污的沾附。

表1 不同表面活性劑消除沾污

3.4 大孔道的影響

這種沾污屬于沉淀型沾污。一般來說，注入水通過地層孔喉大的地方、具有裂縫、射孔的地方會把同位素微球推入地層深處，儀器無法及時檢測到[5，8]。這樣就導致在一些非注水層出現異常幅度，而在吸水層則降低了異常幅度，從而影響測井解釋結果。

3.5 同位素注入時間影響

施工時，如果在某一射孔段上部同位素示蹤劑的注入量大，而在下部注入量少。就會出現上部同位素曲線各層異常幅度很清晰的時候，下部仍然沒有顯示。而當下部同位素曲線各層異常幅度很清晰的時候，上部的異常幅度已經減小或者沒有。因此，在真正實施的過程中應注意持續跟蹤多條同位素曲線，待所有同位素曲線的異常幅度都比較清晰的時候再對吸水剖面進行綜合解釋[5]。

3.6 地下溫度的影響

油田在注水開發的過程中由于大量水的注入使得地層溫度下降，而自身的開發過程本身就會帶走地層中的大量熱量。溫度的降低或者溫度的不均勻分布都會影響測井曲線出現異常，最終導致不能反映真實的注入水情況。

4 同位素吸水剖面在油田開發中的應用

在油層生產開發的過程中利用吸水剖面資料可以基本了解地層吸水情況、剩余油分布情況，注入水的縱向推進情況（即水淹情況）[11]、儲量動用情況，以及可以針對性的對某些油層制定堵水、壓裂方案等措施以提高采收率、降低采油成本。

4.1 確定油層的吸水部位和吸水情況

注水井吸水剖面反映著地層的吸水能力，通過進行同位素吸水剖面測井可確定地層的吸水狀況，了解吸水量高、低及不吸水的地層，還可以識別吸水層位、吸水部位等[12]。

4.2 確定剩余油的分布情況和儲量動用情況

由于儲層非均質性和重力的影響，造成層內水淹程度的不同，也造成了層內儲量動用和剩余油分布存在差異[13]。通過吸水剖面資料可以定量地解釋測井剖面上各層位吸水能力的強弱，從而便可確定剩余油分布和儲量動用情況。

通過對水淹程度的判斷又可以得到油層含油性的情況，水淹就直接表現為含油飽和度的下降。簡言之水淹程度低代表含油飽和度高，水淹程度高代表含油飽和度低。

4.3 識別高產水層，針對性進行堵水作業

當油層某一部位嚴重水淹時，不僅使得采收率低，產水量高，另外導致與之相鄰的差油層無法有效的吸水，造成不出油或出油少。因此就需要對高產水層進行堵水作業[12]。這樣一來就平衡了油層的平面矛盾，解放了差油層，有效提高采收率，針對性的作業也節約了投入成本。

4.4 對于物性不好產量低的油層，進行壓裂

在開采的過程中，通過吸水剖面資料以及相關地層的基本物性資料來判斷產能低的潛在油層，進行壓裂作業以增加產油量。當然首先得判斷該地層是有效含油層還是干層，如果是干層就不需要進行任何作業了。

5 結論與展望

通過本文的研究得到以下幾點結論：

（1）載體和示蹤劑的選擇對同位素吸水剖面測井尤為關鍵，影響著測井解釋的最后結果。因此一定要依據不同的地層和管柱情況、不同的目的來選擇載體、示蹤劑以及它們之間的搭配使用。

（2）同位素沾污嚴重影響著對吸水層位的判斷和各層位的吸水量的計算，因此需要分析沾污的類型、影響因素以及解決方案，以此來保證最終吸水剖面測井解釋的準確性。

（3）同位素曲線和流量曲線的解釋結果有差異是在實際生產工作中經常遇到的情況，因此就需要查明引起這種差異的原因來進行同位素校正，使同位素曲線與流量曲線盡量一致，保證得到的注水剖面更加能反映地層吸水的真實情況。

（4）吸水剖面資料對于油田生產開發具有重要意義，尤其現在很多油田層系眾多，非均質性明顯。通過吸水剖面資料可以了解油層平面、層內、層間的吸水狀況、水淹程度、剩余油分布情況，以及對某些油層制定堵水、壓裂方案等。

當然本文研究還存在很多不足，同位素沾污已經被研究了很多年，雖然已經找到沾污的原因以及一些解決的方法，但是依然沒有找到從根本上有效解決的方法，同位素曲線總是會出現與注水量無關的異常，導致測井曲線無法使用，對人力物力財力都是一種巨大的浪費。所以未來對于同位素吸水剖面測井的沾污影響因素、解決方法、工藝的改進都需要進行更加深入的研究，以早日解決這一難題。

［1］ 趙擎華.同位素注水剖面測井資料自動處理技術研究［D］.大慶：東北石油大學，2014.

［2］ 金勇，陳福利，柴細元，李冬梅.注入剖面核示蹤同位素測井技術研究［J］.原子能科學技術，2004，（S1）:214-218+ 226.

［3］ 李曙才.吉林油田低注井吸水剖面測井及解釋技術研究［D］.大慶：大慶石油學院，2008.

［4］ 張洪.青海油田低流量產注剖面測井工藝及解釋方法研究［D］.中國石油大學（華東），2013.

［5］ 李曉霞.提高同位素吸水剖面精度研究［J］.石油儀器，2012，（2）：24-27+7.

［6］ 段艷麗，姜萍，蔣全濤，劉傳政.同位素吸水剖面測井影響因素探討［J］.斷塊油氣田，2004，（5）：84-86+94.

［7］ 龐博，王昕.關于提高同位素測井資料解釋精度的探討［J］.中國石油和化工標準與質量，2013，（2）：60.

［8］ 陳福利，柴細元，李冬梅，金勇，馬飛.放射性同位素示蹤注水剖面污染校正研究［J］.測井技術，2003，（6）：528-533+ 543.

［9］ 戴家才，郭海敏.沾污校正系數確定方法研究［J］.石油天然氣學報（江漢石油學院學報），2005，（4）：64-65.

［10］ 宋軍備，等.坪北油田應用吸水剖面測井改善開發效果研究［J］.江漢石油職工大學學報，2014，（4）：27-29+39.

［11］ 陳林媛.確定吸水剖面的一個簡易方法［J］.鉆采工藝，2003，（2）：99-101.

［12］ 于洪文.注采剖面測井資料在油田開發中的應用［J］.測井技術，1994，（4）：265-269.

［13］ 侯連華，王京紅，信荃麟，展端華，孫波.吸水剖面測井資料在油田開發中的應用［J］.石油大學學報（自然科學版），1997，（2）：20-22+26+116.

The method of isotope absorption profile logging and its application in petroleum geology

LU Fanrong1，CAO Yu2，ZHANG Chao3，GAO Yang1
（1.Department of Geology/State Key Laboratory of Continental Dynamics，Northwest University，Xi'an Shanxi 710069，China；2.Xingzichuan Extraction Factory of Yanchang Petroleum Company，Yan'an Shanxi 717400，China；3.Oil Production Plant 1，Northwest Oilfield Company，Sinopec，Luntai Xinjiang 841600，China）

In the process of oilfield development,the isotope water absorption profile logging plays a dominant role in the dynamic monitoring of injecting water reservoir.The purpose is to understand the conditions of natural water injection and the effect of water injection after stratified injection.This paper bases on a large number of previous research results and pays more attention to the method of isotope logging in isotope logging,the influencing factors of isotope contamination,and the application of isotope water absorption profile in oil and gas production and development.

isotopic logging；water absorption profile；contamination correction

TE135.1

A

1673-5285（2017）05-0106-05

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.05.026

2017－04-05

國家自然科學基金項目，項目編號：41074045，41174055；陜西普通高等學校重點學科專項資金，項目編號：081802。

路繁榮，女（1992-），西北大學地質學系在讀碩士研究生，地質工程專業，郵箱：13259453@qq.com。