同位素吸水剖面测井方法在石油地质中的应用

路繁荣，曹 禺，张 超，高 扬

（1.西北大学大陆动力学国家重点实验室/西北大学地质学系，陕西西安 710069；2.延长油田股份有限公司杏子川采油厂，陕西延安 717400；3.中国石化西北油田分公司采油一厂，新疆轮台 841600）

同位素吸水剖面测井方法在石油地质中的应用

路繁荣1，曹 禺2，张 超3，高 扬1

（1.西北大学大陆动力学国家重点实验室/西北大学地质学系，陕西西安 710069；2.延长油田股份有限公司杏子川采油厂，陕西延安 717400；3.中国石化西北油田分公司采油一厂，新疆轮台 841600）

在油田开发过程中，同位素吸水剖面测井在注水油藏动态监测中占主导地位，目的是为了了解地层自然注水状况和分层配注后的注水效果。本文通过对大量前人的研究详细介绍了同位素吸水剖面测井方法、同位素沾污的影响因素以及对吸水剖面测井方法在油气生产与开发中的应用等进行了撰写。

同位素测井；吸水剖面；沾污校正

现今，随着油田开发的不断推进与深入，油层的压力也逐渐下降。我国大多数油田以注水开发为主，因此就需要及时给地层补充油田开发所需要的能量，以实现油田长期稳定的发展。维持油田压力的主要方法是通过注水井向井下油层注水。一般来说，一个油田开发时不仅要打油井还要打一定量的注水井。而注水井的注水情况通过测吸水剖面可以得知，了解各个小层的绝对吸水量。由于井下油层结构复杂，非均质性明显，很难形成统一的油水界面。不同层位以及同一层位的不同位置的吸水能力都存在很大差异。因此想要准确监测吸水剖面动态变化，需要依靠可靠有效的测井资料[1]。

目前吸水剖面主要用同位素吸水剖面测井。该方法在注水油藏动态监测中占主导地位，为了了解地层自然注水状况和分层配注后的注水效果，为下一步制定单井或区块注水调剖方案提供依据。目前油田普遍采用Ba-GTP微球做示踪剂进行注水剖面测量[2]。测井资料核心的处理工作是计算各个小层的注水量，掌握其吸水能力，为单井分析、注采井井组分析、区块分析提供依据[1]。

1 同位素吸水剖面测井简介

1.1 同位素吸水剖面测井原理

向地层注入示踪剂之前需要测地层的自然放射性值作为之后的对比基线，即自然伽马值。自然伽马值是很稳定的，一般来说，自然伽马出现正异常的地方为放射性高的泥岩层，自然伽马出现负异常的地方为放射性低的砂岩层也即是潜在的含油层[1]。当放射性示踪剂随着注入水进入注水层并滤积在注水层的地层表面，导致地层的伽马射线强度大幅度增强。在吸水能力越强的地层，其表面滤积的放射性示踪剂就越多，最终在同位素曲线上表现为异常幅度越大。一般认为，如果注入水中的同位素浓度一致，则地层吸水量与同位素曲线上的异常幅度值成正比（见图1）。最后计算同位素曲线异常幅值与对比基线的包络面面积，各个部分的包络面积与全部包络面积之和的比值与总流量的乘积即为各吸水层的绝对量。

1.2 示踪剂及载体的选择

1.2.1 示踪剂的选择 一般来说，在实际施工过程中要选择半衰期适中、示踪剂射线能量适中以及毒性低的放射性同位素[3]。（1）对于示踪剂毒性来说，因为同位素测井属于开放性操作，因此为了避免地层环境受到污染、工作人员身体受到损伤，因此应选择毒性低的同位素；（2）对于示踪剂放射性能量来说，要选择适中的能量，因为如果能量过低，信号太弱，仪器可能无法捕捉。但从防护角度分析能量也不能过强，通常能量维持在0.5 MeV最好；（3）对于示踪剂的半衰期来说，长半衰期放射性示踪剂所造成的污水难以处理，且在较长时间内都会释放能量，导致下次测井之前所测得的自然伽马曲线幅值过高，可能会影响测量结果。但是若选择过短半衰期放射性示踪剂，只能保存很短的时间就不能再使用，如果继续使用可能会导致注水之前测得的自然伽马基线与注水之后测得的放射性差别很小，不易区分。

图1 同位素示踪吸水剖面示意图（据赵擎华，2014改）

1.2.2 载体的选择 一般来说，油田示踪剂使用131Ba微球，则载体一般选用GTP微球。施工过程中，应对载体的粒径、密度、吸附性和运载同位素的能力等因素进行选择。（1）对于载体的粒径来说，施工时，需要其随着注入水进入吸水层而不是非吸水层，因此要根据不同地层的孔隙度和渗透率来选择合适的载体[4]；（2）对于载体的密度来说，尽量与注入水的密度一致，以此来保证载体可以在注入水中分布均匀而不会下沉聚集，使得结果出现偏差；（3）对于载体运载同位素的能力来说，为了使得测井曲线效果更好以及避免地层的进一步污染，应选择运载尽可能多的同位素的载体；（4）一般油田示踪剂使用131Ba微球，该微球表面被凝胶碳化层包裹起来，最外边是表面活化层。只要微球没有被压碎或者被水溶解均不会发生脱附现象。

2 吸水剖面测井沾污的影响因素

2.1 同位素示踪剂的影响

同位素注水剖面测井指在注水时混入适量放射性同位素示踪剂，示踪剂将会在地层吸水的同时滤积在注水管柱、井下工具和岩层表面。使得地层吸水量与示踪剂滤积量或者放射性强度之间的关系并非呈正比，而是具有一定程度破坏干扰。在测井曲线上则表现为与注水量无关的同位素异常[5，6]。

2.1.1 同位素示踪剂强度的影响 一般来说同位素示踪剂在注水井井口释放，经过较长距离的搬运到达吸水层后同位素强度会有所降低。如果示踪剂强度偏小，则会造成到达注水层的示踪剂无法被检测到。在测井曲线上表现为在某些层段上显示出与注水量不一致的同位素异常幅度变低，甚至有些层段没有异常幅度出现，这样就无法真实的反映地层吸水的情况[6]。因此，在选择示踪剂的时候要尽量选择强度大的，强度大的示踪剂放射性强度衰减慢一些，对结果影响相对小一些。

2.1.2 同位素示踪剂粒径的影响 在选择同位素时应根据研究地区地层的特征来选择粒径大一些的同位素。由于有的油层存在明显的非均质性，在有些层位或因为注水的长期冲刷和由于油气的持续开采造成地层压力的下降，使得周围的冲刷带范围变大，致使吸水层段出现大孔道、出现高渗透层。所以如果同位素粒径太小，则会导致注入的同位素示踪剂随着注入水未滤积在地层表面而是进入地层的深部，致使在地层表面监测到的同位素量大大减少。在测井曲线上则表现为在某些层段上显示出与注水量不一致的同位素异常幅度变低，甚至在主吸层都没有异常幅度。

2.2 注入水压力的影响

同位素示踪剂131Ba-GTP微球颗球在注入水中15 d后会发生溶解。当注入水压力降低后，注入水中的同位素示踪剂很难形成均匀的悬浮液，同时导致同位素示踪剂往往没有到达吸水地层就提前沉淀。当然注入水压力过小也会导致同位素示踪剂提前发生溶解。

3 同位素曲线与流量曲线解释结果差异分析

在实际施工过程中，吸水剖面测井沾污会导致同位素曲线解释与流量曲线解释结果往往是不相同的。因此要进行同位素校正。简单来说，就是校正非地层吸水使得同位素曲线产生假异常，在测得的异常幅度上减去由于沾污导致的影响[4，7]。使同位素曲线与流量曲线尽量一致，保证得到的注水剖面更加能反映地层吸水的真实情况。校正工作很重要的两个步骤是查明沾污类型以及各类型沾污的校正系数。而引起这种差异的原因总结如下：

3.1 油管套管沾污

这种沾污属于吸附型沾污。导致这种类型沾污的原因主要有两种[4，8，9]：一种是由于放射性同位素在油管内或者套管的环形空间内运移时，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；另一种是随着油田开产的长期进行，油管和套管会发生不同程度的腐蚀，影响了油管和套管的表面光洁度，使其产生一些微空隙从而吸附同位素示踪剂。这种沾污在同位素曲线上表现为异常幅度在该段整体抬升。

3.2 封隔器及井底沾污

这种沾污属于沉淀型沾污。导致这种类型沾污产生的原因主要是131Ba-GTP微球在此沉淀造成。这种沾污在井底和封隔器上比较普遍，原因是一般施工选用的示踪剂131Ba-GTP微球的密度略大于注入水的密度，从而造成沉淀沾污[10]。

以上两种沾污解决方法：（1）使用表面活性剂消除沾污，具体（见表1）；（2）通过洗井消除沾污：对于污染特别严重的井加表面活性剂的效果不是很理想，因此需要进行反复洗井，洗井排量应达到30 m3/h，洗井一天之后再进行同位素测井。

3.3 同位素及载体的物理化学性质

同位素示踪剂微球的密度、粒径、分选性、耐压耐温性、表面活性、带电性等都是导致沾污的因素[8]。其中影响最大的一个因素是同位素微球的密度，当其密度大于注入水的密度时易发生沉淀造成沾污。对于粒径来说粒径大的微球相对来说易发生沉淀沾污。同位素微球的分选性主要决定了同位素溶液的均一性，而均一性又影响着测井解释的结果。一般来说，同位素微球具有一定的耐压耐温性，使之在整个过程中得以保持自己的形态和性质。示踪剂的表面活性能使得示踪剂表现出亲水憎油的特性，从而减少其对油污的沾附。

表1 不同表面活性剂消除沾污

3.4 大孔道的影响

这种沾污属于沉淀型沾污。一般来说，注入水通过地层孔喉大的地方、具有裂缝、射孔的地方会把同位素微球推入地层深处，仪器无法及时检测到[5，8]。这样就导致在一些非注水层出现异常幅度，而在吸水层则降低了异常幅度，从而影响测井解释结果。

3.5 同位素注入时间影响

施工时，如果在某一射孔段上部同位素示踪剂的注入量大，而在下部注入量少。就会出现上部同位素曲线各层异常幅度很清晰的时候，下部仍然没有显示。而当下部同位素曲线各层异常幅度很清晰的时候，上部的异常幅度已经减小或者没有。因此，在真正实施的过程中应注意持续跟踪多条同位素曲线，待所有同位素曲线的异常幅度都比较清晰的时候再对吸水剖面进行综合解释[5]。

3.6 地下温度的影响

油田在注水开发的过程中由于大量水的注入使得地层温度下降，而自身的开发过程本身就会带走地层中的大量热量。温度的降低或者温度的不均匀分布都会影响测井曲线出现异常，最终导致不能反映真实的注入水情况。

4 同位素吸水剖面在油田开发中的应用

在油层生产开发的过程中利用吸水剖面资料可以基本了解地层吸水情况、剩余油分布情况，注入水的纵向推进情况（即水淹情况）[11]、储量动用情况，以及可以针对性的对某些油层制定堵水、压裂方案等措施以提高采收率、降低采油成本。

4.1 确定油层的吸水部位和吸水情况

注水井吸水剖面反映着地层的吸水能力，通过进行同位素吸水剖面测井可确定地层的吸水状况，了解吸水量高、低及不吸水的地层，还可以识别吸水层位、吸水部位等[12]。

4.2 确定剩余油的分布情况和储量动用情况

由于储层非均质性和重力的影响，造成层内水淹程度的不同，也造成了层内储量动用和剩余油分布存在差异[13]。通过吸水剖面资料可以定量地解释测井剖面上各层位吸水能力的强弱，从而便可确定剩余油分布和储量动用情况。

通过对水淹程度的判断又可以得到油层含油性的情况，水淹就直接表现为含油饱和度的下降。简言之水淹程度低代表含油饱和度高，水淹程度高代表含油饱和度低。

4.3 识别高产水层，针对性进行堵水作业

当油层某一部位严重水淹时，不仅使得采收率低，产水量高，另外导致与之相邻的差油层无法有效的吸水，造成不出油或出油少。因此就需要对高产水层进行堵水作业[12]。这样一来就平衡了油层的平面矛盾，解放了差油层，有效提高采收率，针对性的作业也节约了投入成本。

4.4 对于物性不好产量低的油层，进行压裂

在开采的过程中，通过吸水剖面资料以及相关地层的基本物性资料来判断产能低的潜在油层，进行压裂作业以增加产油量。当然首先得判断该地层是有效含油层还是干层，如果是干层就不需要进行任何作业了。

5 结论与展望

通过本文的研究得到以下几点结论：

（1）载体和示踪剂的选择对同位素吸水剖面测井尤为关键，影响着测井解释的最后结果。因此一定要依据不同的地层和管柱情况、不同的目的来选择载体、示踪剂以及它们之间的搭配使用。

（2）同位素沾污严重影响着对吸水层位的判断和各层位的吸水量的计算，因此需要分析沾污的类型、影响因素以及解决方案，以此来保证最终吸水剖面测井解释的准确性。

（3）同位素曲线和流量曲线的解释结果有差异是在实际生产工作中经常遇到的情况，因此就需要查明引起这种差异的原因来进行同位素校正，使同位素曲线与流量曲线尽量一致，保证得到的注水剖面更加能反映地层吸水的真实情况。

（4）吸水剖面资料对于油田生产开发具有重要意义，尤其现在很多油田层系众多，非均质性明显。通过吸水剖面资料可以了解油层平面、层内、层间的吸水状况、水淹程度、剩余油分布情况，以及对某些油层制定堵水、压裂方案等。

当然本文研究还存在很多不足，同位素沾污已经被研究了很多年，虽然已经找到沾污的原因以及一些解决的方法，但是依然没有找到从根本上有效解决的方法，同位素曲线总是会出现与注水量无关的异常，导致测井曲线无法使用，对人力物力财力都是一种巨大的浪费。所以未来对于同位素吸水剖面测井的沾污影响因素、解决方法、工艺的改进都需要进行更加深入的研究，以早日解决这一难题。

［1］ 赵擎华.同位素注水剖面测井资料自动处理技术研究［D］.大庆：东北石油大学，2014.

［2］ 金勇，陈福利，柴细元，李冬梅.注入剖面核示踪同位素测井技术研究［J］.原子能科学技术，2004，（S1）:214-218+ 226.

［3］ 李曙才.吉林油田低注井吸水剖面测井及解释技术研究［D］.大庆：大庆石油学院，2008.

［4］ 张洪.青海油田低流量产注剖面测井工艺及解释方法研究［D］.中国石油大学（华东），2013.

［5］ 李晓霞.提高同位素吸水剖面精度研究［J］.石油仪器，2012，（2）：24-27+7.

［6］ 段艳丽，姜萍，蒋全涛，刘传政.同位素吸水剖面测井影响因素探讨［J］.断块油气田，2004，（5）：84-86+94.

［7］ 庞博，王昕.关于提高同位素测井资料解释精度的探讨［J］.中国石油和化工标准与质量，2013，（2）：60.

［8］ 陈福利，柴细元，李冬梅，金勇，马飞.放射性同位素示踪注水剖面污染校正研究［J］.测井技术，2003，（6）：528-533+ 543.

［9］ 戴家才，郭海敏.沾污校正系数确定方法研究［J］.石油天然气学报（江汉石油学院学报），2005，（4）：64-65.

［10］ 宋军备，等.坪北油田应用吸水剖面测井改善开发效果研究［J］.江汉石油职工大学学报，2014，（4）：27-29+39.

［11］ 陈林媛.确定吸水剖面的一个简易方法［J］.钻采工艺，2003，（2）：99-101.

［12］ 于洪文.注采剖面测井资料在油田开发中的应用［J］.测井技术，1994，（4）：265-269.

［13］ 侯连华，王京红，信荃麟，展端华，孙波.吸水剖面测井资料在油田开发中的应用［J］.石油大学学报（自然科学版），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

国家自然科学基金项目，项目编号：41074045，41174055；陕西普通高等学校重点学科专项资金，项目编号：081802。

路繁荣，女（1992-），西北大学地质学系在读硕士研究生，地质工程专业，邮箱：13259453@qq.com。