碳氧比

碳氧比能譜測井儀簡稱碳氧比，碳氧比是一種脈衝中子測井儀器簡稱。

基本介紹

• 中文名：碳氧比
• 外文名：Carbon/oxygen
• 設備：碳氧比能譜測井儀器
• 屬性：脈衝中子測井方法

定義

碳氧比定義：碳氧比能譜測井儀簡稱碳氧比(脈衝中子源在地層中激發的伽馬射線、伽馬能譜的數據採集和處理、碳氧比的計算、飽和度和孔隙度解釋模型)

碳氧比能譜測井：Carbon/oxygen (C/O) spectral logging

碳氧比能譜測井方法

碳氧比能譜測井是一種脈衝中子測井方法。其探測深度較淺，約30 cm。主要用於套管井測井，克服了目前電測井不能用於評價套管 井中地層含油性的困難，它是套管井評價地層岩性、含油性和孔隙度 的新方法。其理論基礎是快中子的非彈性散射理論。 當高能快中子射入地層之後，與地層中元素的原子核發生非彈性 散射，致使原子核處於激髮狀態。當原子核從激髮狀態恢復到穩定狀 態時，將會放射出具有一定能量的伽馬射線。對於不同元素的原子核 來說，其非彈性散射伽馬射線的能量不一樣。因此可對地層中的非彈 性散射伽馬射線進行能量和強度分析(即能譜分析)，來確定地層中存 在那些元素及含量。

儀器特點

1.石油是碳氫化合物，不含氧元素；而水是氫氧化合物，不含碳 元素。故在含油岩層中碳的含量比含水岩層要多，而含水岩層中氧 的含量比含油岩層多。因此可選取碳元素及氧元素分別作為油和水 的指示元素。

當快中子與碳元素和氧元素原子核發生非彈性散射時，這兩種 元素不但具有較大的巨觀非彈性散射截面，而且放射出非彈性散射 伽馬射線能量較高，差別也較大(碳的散射伽馬射線能量4.43MeV， 氧的散射伽馬射線能量為6.13MeV)，有利於作能譜分析。 基於上述原理，分別對不同地層進行能譜分析，就可以由碳元 素和氧元素的含量及其比值來劃分水淹層、確定油和水的含量。

2.脈衝中子源在地層中激發的伽馬射線 (1)快中子激發的γ射線序列 脈衝中子源以一定脈衝寬度和重複周期向地層發射中子束。能量 為14MeV的中子進入地層，首先與地層中某些核素原子核發生非彈性散 射，並發射非彈性散射γ射線，不同元素原子核的非彈性散射伽馬射 線的能量不一樣。 在中子發射後的10-8～10-6s時間間隔內，非彈性散射是中子能量 損失的主要方式。

3.脈衝中子源在地層中激發的伽馬射線 (1)快中子激發的γ射線序列可以認為：非彈性散射和由此引發的光子發射是在發射中子的持續期內 進行的，並且當中子發射停止時這一過程也立即終止。在隨後的脈衝間隔 里，即在中子發射後的10-6～10-3s的時間內，主要作用過程是彈性散射，中 子熱化並產生俘獲輻射。所以利用時間門可以把非彈性散射γ射線與俘獲輻 射γ射線區別開。 碳氧比γ能譜 測井，就是對地層 中先後產生的這兩 種γ射線做能譜分 析，求出碳氧比 值，進而確定含油 飽和度。 2.脈衝中子源在地層中激發的伽馬射線 (2)快中子非彈性散射γ射線 ① 非彈性散射γ射線 地層中能與 快中子發生非彈 性散射而產生γ 射線的核素主要 是12C、160、28Si 和40Ca。右表給 出這四種核素的 有關數據。 (2)快中子非彈性散射γ射線 ① 非彈性散射γ射線 表中第一列給出的γ射線能量，就是非彈性散射γ初始數據譜。從表中可 以看出，油氣儲層中最顯著的譜線是6.13MeV、4.43MeV、3.73MeV和1.78MeV, 它們分別是16O,12C,40Ca和28Si的特徵譜線。在測井中，選用這四種核素分別作 為碳、氧、鈣和矽元素的指示核素，因而這四條譜線也就是對應的幾種元素的 特徵譜線，見右上圖。 (2)快中子非彈性散射γ射線 ②非彈性散射γ射線儀器譜地層快中子非彈性散射γ射線計數，主要包括碳、氧、矽、鈣的貢獻。 下圖分別給出能量為14 MeV的中子與12C、160、28Si、40Ca發生非彈性散射產 生的γ射線譜，譜圖是用NaI(TI)閃爍計數γ譜儀測定的。 圖中所示 碳和氧的能譜 圖中可明顯地 看到各自的全 能峰、單逃逸 峰和雙逃逸 峰，而矽和鈣 的譜圖特徵峰 不夠顯著。 (2)快中子非彈性散射γ射線 ②非彈性散射γ射線儀器譜 實際測量時候，可選取四個特徵譜段（能 窗），使每個譜 段的計數儘可能 多地反映其中一 種核素的貢獻，以便於處理。2.脈衝中子源在地層中激發的伽馬射線 (3)俘獲γ能譜下圖是用BGO閃爍晶體，測到的俘獲伽馬能譜圖。 圖中縱線可分出H、Si、Ca、CI和 Fe的計數窗。可知：氫特徵峰在2.23 MeV處顯示清楚；矽兩個全能峰位分別 在3.54MeV和4.93MeV；鈣在6.42MeV和 4.42MeV處的兩個峰也較明顯；如地層 水為鹽水，則氯的最明顯的全能蜂在 6.11MeV，強烈影響鈣能窗計數，從而 干擾用矽鈣比區分砂岩和石灰岩。譜分 析將嚴重受地層水礦化度影響。 2.脈衝中子源在地層中激發的伽馬射線 (3)俘獲γ能譜脈衝中子源在地層中激發的各種γ射線的時間分布圖。 從圖中可知，測量時要用時間門控制測量快中子非彈性散射γ射線， 然後再根據能譜分析來確定射線的引起元素種類和元素含量。

4.★當源距小於25cm時，碳氧比 值受井眼內流體性質影響很大； ★當源距增大時井眼影響雖緩 慢減小，但直到超過70cm時還存在。 3.伽馬能譜的數據採集和處理 (1) 源距選擇和譜數據的採集 曲線④因地層和井內流體差別不 大，反映的只是比值的基值，無明顯 變化。單探測器儀器主要考慮減小井 的影響，源距應在統計精度允許的前 提下儘量選大一些，如40～50 cm。 雙探測器儀器：長源距探測器與 單晶儀器相同，主要反映地層的性 質；短源距探測器主要反映井眼內流 體的性質，源距應在儀器結構允許的 條件下儘可能短一些，如20cm。 3.伽馬能譜的數據採集和處理 。脈衝中子源重複周期100微 秒。兩個GSO閃爍探測器，分別偏靠井 壁和井眼，源距和結構都使短源距探 測器對井眼流體敏感而長源距探測器 對地層敏感。

單位體積地層中的碳和氧原子數及其比值

① 純砂岩 碳氧原子數比為 n 3.74 S o COR = c = no 3.35 (1 S o ) + 5.32 (1 ) 從上式和右圖可以看出： A.當孔隙度大時，曲線的斜率大，測定 含油飽和度的靈敏度高； B.對孔隙度相同的地層，含油飽和度高 時靈敏度高； C.孔隙度高和含油飽和度也高的地層對 碳氧比測井有利，可達到較高的精度； D.低孔隙度高含水地層對測井不利，得 不到理想的效果。 (1)單位體積地層中的碳和氧原子數及其比值

② 純石灰岩 碳氧原子數比為 n 3.74 S o + 1.61 ) COR = c = no 3.35 (1 S o ) + 4.89 (1 ) 從上式和右圖可以看出： A.當含油飽和度為零時，碳氧原子 數比為O.333，比孔隙度為35%和含油 飽和度高達90%的純砂岩還要高； B.當含油飽和度達到20%時，孔隙 度不同的各條曲線交於一點，將曲線簇 分成兩部分； (1)單位體積地層中的碳和氧原子數及其比值 ②純石灰岩 C.當含油飽和度小於20%時， 對應於同一含油飽和度，孔隙度大 的地層碳氧原子數比值低； D.當含油飽和度大於20%時， 對應於同一含油飽和度，孔隙度大 的地層碳氧原子數比值高。

碳氧比能譜測井資料解釋主要是求含油飽和度S0(亦即剩餘油飽 和度)，其解釋模型是建立在單位體積地層為油和岩石骨架中碳原子 數目與水和岩石骨架中氧原子的數目之比，即碳、氧原子密度之比。 這個比值與含油飽和度、孔隙度有一定的關係。 在實際解釋中是用模型井得出的經驗公式。 SO C / O (C / O )W = (C / O ) O (C / O )W 式中(C/O)W為水層中的碳氧比值； (C/O)O為油層中的碳氧比值； C/O為目的層測得的碳氧比值。 4.碳氧比的計算、飽和度和孔隙度解釋模型 (2)含油飽和度解釋模型 SO = C / O (C / O )W (C / O ) O (C / O )W 上式僅對油水層孔隙度與岩性基本一致時適用。 在儲集層孔隙度與岩性變化時，應考慮測得的Si/Ca，可按下式 求SO S O = C / O K ( Si / Ca ) XIW (C / O ) O (C / O )W 式中K與XIW根據試驗求得，通常取K=O.8，XIW=2.3562。解釋時 要進行孔隙度和泥質含量校正。 各油田根據地質特點，上述公式將各有變化。 4.碳氧比的計算、飽和度和孔隙度解釋模型 (3)儲層總孔隙度解釋模型 碳氧比測井中的C/I曲線記錄的是地層俘獲伽馬總計數率與非彈 性散射伽馬總計數率之比值，它與補償中子測井曲線相似，能較好的 反映地層的總孔隙度。 砂岩 φt = 2.9264 21.775(C / I ) + 58.651(C / I ) 2 56.131(C / I ) 3 石灰岩 φt = 1.5547 7.0128(C / I ) + 8.7240 (C / I ) 2 1.8552 (C / I )

目前國內最新的脈衝中子測井儀器即PNRMS。

測量原理：地層中的岩石是各種元素的混合物，不同的岩石中，各種元素的比例關係是不同的。如砂岩的主要成分是SiO₂，白雲岩的則是MgCO₃和其它元素的混合物等，這些混合物之間有許多微孔隙（岩石孔隙度），砂岩孔隙度比較大，在10%—40%之間。碳酸岩（灰岩和白雲岩）孔隙度較小，在5%以下。這些微孔隙可以儲集石油、天然氣和地下水，形成地下石油礦藏。岩石孔隙度的大小決定了儲藏石油的能力。

地球物理測井就是利用多種測量儀器，探測地層所具有的各種地球物理特性，如地層的自然放射性，核物理特性，電特性，聲學和力學特性等。儘可能多的獲得反映地層特性的測井資料，才能較為詳細分析，解釋出地層的岩性、物理、孔隙特性、油、氣、水的比例等地質儲油能力。

在控制器的驅動下，藉助於He（D, T）反映，通過控制離子源的陽極脈衝頻率和脈衝寬度，可得到所需要的脈衝中子束流。利用產生的14MeV中子與地層空隙岩石基體內和液體內的元素或井內周圍的水流相互作用產生γ射線或熱中子的測量，為核測井提供重要的資料。