基于中子自屏蔽校正的氯氢比确定含油饱和度的改进方法

张锋 尚伟征 范继林 鲁保平

摘要：提出用鐵的俘获伽马射线标记中子自屏蔽校正因子并组合氯氢比确定含油饱和度的方法。利用蒙特卡罗方法建立井筒-地层模型，模拟不同孔隙度和地层水矿化度条件下的俘获伽马能谱，研究中子自屏蔽因子及含油饱和度测井响应，并通过模拟实例来验证该方法。结果表明：铁标记中子自屏蔽校正后的氯氢比随孔隙度增加而增大，孔隙度相同时与含水饱和度呈线性变化关系，相对灵敏度可提高到1倍以上，能够解决常规氯氢比确定含油饱和度灵敏度下降的问题；计算含油饱和度误差降低，为高矿化度水地层脉冲中子俘获测井定量评价含油饱和度提供一种新方法。

关键词：伽马能谱； 氯氢比； 中子自屏蔽； 含油饱和度； 蒙特卡罗模拟

中图分类号：P 631.817   文献标志码：A

引用格式：张锋，尚伟征，范继林，等.基于中子自屏蔽校正的氯氢比确定含油饱和度的改进方法［J］.中国石油大学学报（自然科学版），2023，47（4）：69-76.

ZHANG Feng， SHANG Weizheng， FAN Jilin， et al. An improved method for determining oil saturation by chlorine hydrogen ratio based on neutron self-shielding correction［J］. Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science）， 2023，47（4）：69-76.

An improved method for determining oil saturation by chlorine

hydrogen ratio based on neutron self-shielding correction

ZHANG Feng1，2，3， SHANG Weizheng3， FAN Jilin3， LU Baoping4

1.National Key Laboratory of Deep Oil and Gas， China Universityof Petroleum （East China）， Qingdao 266580，China;

（2.Laboratory for Marine Mineral Resources， Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology， Qingdao 266071， China;

3.School of Geosciences in China University of Petroleum （East China）， Qingdao 266580， China;

4.China National Logging Corporation， Xian 710000， China）

Abstract：A method is proposed for determining oil saturation by labeling neutron self-shielding correction factors with capture gamma rays of iron and combining chlorine-to-hydrogen ratio.The study focuses on analyzing the oil saturation logging response and neutron self-shielding correction factors by generating capture gamma ray spectrum through numerical simulation models of formations. These models are established using the Monte Carlo method，considering different porosities and water salinity levels. Additionally， a case study is conducted to verify the effectiveness of this method through numerical simulation. The results indicate a positive relationship between porosity and the chlorine-to-hydrogen ratio， obtained after applying the iron-labeled neutron self-shielding correction.Furthermore，a linear relationship is observed between porosity and water saturation. By utilizing this method， the relative sensitivity increases by more than one time，thereby reducing the absolute error in oil saturation determination.This approach addresses the issue of decreased sensitivity encountered in determining oil saturation using conventional  chlorine-to-hydrogen. In summary， this paper presents a novel method for quantitative evaluation of oil saturation in high salinity water formations using pulse neutron capture logging in high salinity water formations.

Keywords： capture gamma spectra; chlorine hydrogen ratio; neutron self-shielding; oil saturation; Monte Carlo  simulation

随着中国油田进入高含水期，剩余油饱和度的准确评价对油田开发过程中调整注水/聚合物方案提高采收率具有重要意义［1-2］，同时也对储层的动态监测提出了许多新的要求［3-4］。目前常用剩余油饱和度评价方法有碳氧比能谱测井和中子寿命测井等［5］，其中氯能谱测井利用俘获伽马能谱中提取的高低能窗计数来确定地层含油饱和度［6］，是高矿化度地层评价地层含油饱和度的有效方法［7］。俄罗斯研发的宽能域中子伽马能谱测井仪利用Po-Be中子源和NaI晶体探测器系统，利用氯函数来评价含油饱和度，同时还可以确定地层密度、孔隙度和矿物成分等［8］。由于氯原子核具有较高的微观俘获截面，随着氯原子数目的增加，氯原子间发生辐射俘获作用的竞争也越强，即中子自屏蔽效应也越强。中子自屏蔽效应导致采集得到的氯的俘获伽马计数与氯含量的线性关系变差，利用氯氢比确定含油饱和度的灵敏度下降［9］。针对中子自屏蔽效应的校正，陈前等［10］在热中子探测评价裂缝示踪剂的特性研究中对该作用及自屏蔽校正进行了探究。Zhang等［11］利用钛标记校正的方法定量计算裂缝密度可以提高裂缝密度的计算精度。Jia等［12］在含硼和镉溶液的中子活化分析计算含量时也采用自屏蔽因子进行校正，得到硼和镉含量与特征伽马计数线性相关系数超过0.99。因此笔者在高矿化度地层提出用铁的伽马射线进行中子自屏蔽效应校正并与氯氢比组合进行含油饱和度评价的新方法，以提高氯氢比评价饱和度的灵敏度。

1 中子自屏蔽校正与含油饱和度确定方法

快中子与地层元素原子核经过非弹性散射和弹性散射后，能量降低，直至慢化为热中子。由于热中子通量密度的差异，扩散过程中被原子核俘获的同时放出相应特征伽马射线。不同原子核俘获热中子的能力（即微观俘获截面）和放出的伽马射线能量与强度不同［13］，其特征参数如表1（强度是指每100次核反应发射伽马射线数目）所示。

显然地层常见元素中氯原子核的微观俘获截面远大于其他原子核。地层孔隙中油和水的氯及氢含量不同，与中子作用放出的伽马射线数目也不同，而地层中氯和氢原子密度比与含油饱和度有关。设纯地层孔隙度为φ，含油饱和度为So，氯和氢原子密度分别为nCl和nH，由岩石物理体积模型得到单位体积岩石中氯与氢原子数比为

nClnH=aφ（1-So）+d（1-φ）bφSo+cφ（1-So）+e（1-φ） .（1）

式中，a为每立方厘米水中的氯原子数；b为每立方厘米油中的氢原子数；c为每立方厘米水中的氢原子数；d为每立方厘米岩石骨架中的氯原子数；e为每立方厘米岩石骨架中的氢原子数。

在脉冲中子能谱测井中探测器记录热中子与原子核发生俘获所放出的伽马射线，其能量为Eγ的伽马射线计数表示为

*Nγ=φ（En，r）ε（Eγ）R（Eγ）dEndr.（2）*

式中，Nγ表示探测器的俘获伽马计数；φ（En，r）为物质中子自屏蔽效应与能量和位置相关的热中子通量函数；r为位置矢量；En为中子能量；ε（Eγ）为探测器的探测效率；R（Eγ）为探测器的响应函数。

能谱中氯和氢的伽马计数比与原子数比成正比，则氯和氢的伽马能谱计数比为

R=NγCl/NγH=faφ（1-So）+d（1-φ）bφSo+cφ（1-So）+e（1-φ） .（3）

式中，f为比例系数，与氯与氢的平均俘获截面比相关。

随着地层中子通量发生改变时，由于中子与物质发生不同的作用，中子场分布随之发生改变，将这种效应称之为中子自屏蔽效应［9］。地层中高俘获能力的元素与常量元素受到中子屏蔽的变化是一致的［12］，测井过程中仪器外壳和套管中的铁成分保持恒定，其俘获伽马射线随地层条件的改变能够反映中子场的变化，故采用铁的俘获伽马射线来标记中子自屏蔽现象，进而确定中子自屏蔽校正因子。根据文献［12］中方法，中子自屏蔽校正因子为

*μ=NγFe0NγFe=φ0（En，r）dEndrφ（En，r）dEndr∑mFeMFeNAσFe0∑mFeMFeNAσFe .（4）

式中，μ為中子自屏蔽校正因子；NγFe0为纯骨架地层条件下测量得到的铁俘获伽马计数；NγFe为目的层测量的铁俘获伽马计数；φ0（En，r）dEndr为理论热中子通量；∑mFeMFeNAσFe为测量铁热中子俘获截面；∑mFeMFeNAσFe0为理论铁热中子俘获截面。*

铁标记中子自屏蔽校正后的氯氢比为

Rc=μ（NγCl/NγH）=μfaφ（1-So）+d（1-φ）bφSo+cφ（1-So）+e（1-φ） .（5）

式中，Rc为中子自屏蔽校正后的氯氢比；NγCl为受中子场屏蔽作用影响氯的俘获伽马计数；NγH为中子场屏蔽作用影响氢的俘获伽马计数。

通过测量得到的俘获伽马能谱，可以得到氯、氢和铁能窗内的俘获伽马计数，根据公式（5）建立模型可以计算含油饱和度。

2 蒙特卡罗数值模拟

2.1 模型建立

蒙特卡罗方法是一种以概率统计理论为指导的数值计算方法，在粒子输运、辐射测量、辐射防护与屏蔽优化设计、探测器特性等领域得到广泛应用。利用蒙特卡罗方法建立套管井数值计算模型，如图1所示。井眼直径为20 cm，井眼内充满淡水、矿化水或油；井眼内含有套管，套管外径为139.7 mm、内径为126.9 mm；仪器贴套管测量，外壳采用钢、厚度为5 mm，仪器由D-T中子源、屏蔽体、近和远NaI探测器组成，源距分别为35和50 cm；套管和地层间水泥环厚度为3 cm，成分为CaSiO3；地层最大半径为75 cm。中子源的脉冲宽度为35 μs，模拟记录160～1 000 μs内的俘获能谱［3］，并利用探测器响应函数对能谱进行展宽。选取氯的能窗范围为4.94～7.02 MeV，氢的能窗范围为2.18～2.54 MeV，铁的能窗范围为7.62～7.70 MeV，基于上述能窗的选取开展中子自屏蔽效应校正及Cl/H含油饱和度确定的研究，进而确定中子自屏蔽校正因子和含油饱和度。

2.2 氯氢比与饱和度测井响应模拟

2.2.1 中子自屏蔽校正响应对比

利用建立的计算模型，地层骨架矿物为石英和方解石混合物，孔隙度为30%，NaCl地层水矿化度分别为0、30、60、90、120和150 g/L，模拟相应条件下的俘获伽马探测器响应能谱，如图2所示。

由图2可知，俘获伽马能谱中1H、28Si、40Ca、56Fe和35Cl原子核的光电峰和逃逸峰有明显分布，且随着地层水矿化度升高，35Cl含量增加，能量为6.11 MeV的伽马射线峰变强，且受到40Ca能量为6.42 MeV的伽马射线影响；而受到中子场自屏蔽作用的影响，1H、28Si、40Ca、56Fe的能峰计数相应会降低。

为了研究中子自屏蔽现象与Cl/H的饱和度响应关系，设置纯砂岩地层，孔隙度分别为0、3%、6%、9%、12%、15%、20%、25%和30%，地层水矿化度分别为0、50、100、150和200 g/L，模拟相应俘获伽马能谱，选取孔隙度为0的地层铁俘获伽马作为基准，其他条件测量的铁俘获伽马计数用式（4）表示中子自屏蔽校正，得到中子自屏蔽校正前后不同流体地层的氯氢比与孔隙度关系，如图3所示。

由图3（a）可以看出，饱含油地层的氯氢比随孔隙度增加而下降，饱含矿化水地层的氯氢比随孔隙度变化平缓，说明氯与氢原子核俘获热中子产生的伽马射线保持稳定，而矿化度越高的地层氯氢比会增加，但随着中子自屏蔽影响增加，变化趋于平缓。由图3（b）看出，基于铁俘获伽马射线中子自屏蔽校正后的氯氢比，随着孔隙度呈线性变化，有利于油水识别与评价。

为了对比铁标记中子自屏蔽校正前后氯氢比评价地层含油饱和度的效果，定义计算地层含水饱和度的灵敏度为

s=Rw-RoRw .（6）

式中，s为地层含油饱和度计算的灵敏度；Rw为地层纯含水时的氯氢计数比；Ro为地层纯含油时的氯氢计数比。

由图4可知，中子自屏蔽校正前，氯氢比的油水灵敏度随孔隙度的增加而增加，且矿化度高的地层灵敏度越大；经过校正后灵敏度仍随孔隙度增加而增加，且校正后灵敏度得到提高，以孔隙度20%、矿化度为200 g/L的纯砂岩地层为例，校正前后灵敏度由16.55%提高至40.38%，增加了1.44倍，显然用铁俘获伽马计数信息标记中子自屏蔽效应来校正氯氢比，反映油水的灵敏度大幅度提高。

2.2.2 校正后氯氢比测井响应

利用上述蒙特卡罗模型，设置地层水矿化度为200 g/L，地层分别为砂岩或灰岩，含油饱和度分别为0、20%、40%、60%、80%和100%，孔隙度分别为0、3%、6%、9%、12%、15%、20%、25%和30%。模拟相应条件下的俘获伽马能谱，根据前述方法得到铁标记校正因子并对氯氢比进行校正，得到与含油饱和度和孔隙度的关系，如图5所示。

由图5（a）可知，对于孔隙度一定的地层，校正后的氯氢比随含油饱和度的增加而呈线性下降，且砂岩地层的氯氢比要比石灰岩地层变化剧烈，原因在于含油饱和度越高的地层氯原子数越少，而氢原子数近似不变，导致氯氢比下降；而石灰岩地层俘获热中子能力高于砂岩，氯氢比反映流体能力下降。

由图5（b）可知，当含油饱和度一定时，校正后氯氢比随着孔隙度的增加而升高，且两者具有良好的线性关系，因此在实际中已知地层孔隙度资料，能根据校正后的氯氢比来定量确定含油饱和度。

2.3 影响因素

2.3.1 岩 性

利用上述模型，地层分别为饱含油或200 g/L水的砂岩、石灰岩和白云岩，模拟孔隙度分别为0、3%、6%、9%、12%、15%、20%、25%和30%地层的俘获伽马能谱，得到3种岩性地层氯氢比与孔隙度关系，如图6所示。

由图6可知，饱含油和盐水地层的氯氢比都随着孔隙度增加而呈线性增加，岩性不同时校正后的氯氢比略有影响，白云岩地层的氯氢比稍高，石灰岩地层的氯氢比略低，这主要由于随矿化度和孔隙度变化时Ca和Si原子核中子俘獲产生的伽马射线存在差异。3种岩性中砂岩地层油水线动态范围最高，而石灰岩地层油水线动态范围略低。实际资料处理时应根据上述关系进行相应岩性校正。

2.3.2 黏土矿物

利用上述模型，地层由砂岩和黏土矿物构成，黏土矿物由伊利石、蒙脱石、高岭石和绿泥石按照1∶1∶1∶1混合而成，黏土矿物体积分数分别为0、15%和30%，孔隙度依次为3%、6%、9%、12%、15%、20%、25%和30%。模拟该条件下的俘获伽马能谱计数，通过铁标记校正可以得到不同黏土矿物条件下氯氢比与孔隙度的关系，如图7所示。

由图7可知，地层中黏土矿物的存在会使氯氢比略微减小，相比较而言黏土矿物的存在对饱含水地层氯氢比影响稍大，孔隙度25%、黏土矿物体积分数为30%的饱含水地层相对纯砂岩地层氯氢比相对变化量可达到7%，对流体评价会产生偏差，需要相应校正；当地层泥质含量较低时误差可以忽略不计。

2.3.3 井眼流体

利用上述模型，井眼内分别充满淡水、50 g/L、100 g/L的矿化水或油，地层流体分别饱含200 g/L矿化水或油，孔隙度分别为0、3%、6%、9%、12%、15%、20%、25%和30%。模拟相应条件下的俘获伽马能谱计数，可以得到不同井眼条件下铁标记中子自屏蔽校正后的氯氢比与孔隙度的关系，如图8所示。

由图8可知，井眼水的矿化度对氯氢比影响较大，随着矿化度的增加饱含水地层的氯氢比明显增加，而饱含油地层的氯氢比略微增加，原因是井眼和地层盐水的双重作用导致自屏蔽后的氯氢比随着井眼水矿化度增加而差异大，而井眼盐水的存在对饱含油地层铁俘获校正后的氯氢比影响相对小一些。当井眼流体分别为淡水和油时，氯氢比曲线近似重合，表明淡水条件下井眼持油率对地层流体评价影响较小。

2.3.4 井 径

其他条件不变，井眼内充满淡水，地层孔隙度分别为0、3%、6%、9%、12%、15%、20%、25%和30%，饱含矿化度为200 g/L的矿化水或油，井径分别为21.59和31.75 cm，模拟相应的俘获伽马能谱，得到中子自屏蔽校正后氯氢比与孔隙度的关系，如图9所示。

由图9可知，井径为31.75 cm时的氯氢比值低于井径为21.59 cm的氯氢比值，且饱含200 g/L矿化水地层降低更加明显，原因是随着井径增大，仪器周围包围更多的流体，探测器记录井眼信息贡献大，导致氯氢比值会降低；同时随着井径的增加，水线与油线的张角减小，含油评价的动态范围下降。因此在小井眼中利用氯氢比评价含油饱和度更有利。

3 模拟实例

设置孔隙度、黏土含量/矿化度和含油饱和度不同的砂岩地层模型，地层参数如表2所示。孔隙度

为6%～ 30%，黏土矿物由伊利石、蒙脱石、高岭石和绿泥石按照1∶1∶1∶1混合而成，体积分数为0～15%，含油饱和度为25%～85%，地层水矿化度为200 g/L。利用数值模拟方法建立计算模型，记录相应的俘获伽马能谱信息，并实时获取中子自屏蔽校正后的Cl/H参数。数据处理结果如图10所示，道1为深度道，道2为岩性剖面，道3为地层模型中设置的孔隙度和含油饱和度，道4为测量的Cl/H和油水线，道5和道6分别为计算的含油饱和度和绝对误差。

由图10可以看出，根据给定的孔隙度条件分别构建中子自屏蔽校正后的Cl/H水线和油线，根据前述计算模型计算含油饱和度，相应误差分别为5.46%、4.67%、1.10%、6.21%、4.51%和2.51%，显然基于Cl/H计算含油饱和度绝对误差都小于7%，计算结果与模型值吻合较好。因此采用铁俘获中子自屏蔽校正后的Cl/H进行含油饱和度评价，在高矿化度水地层条件下应用效果较好。

4 結 论

（1）氯氢比可以来定量评价含油饱和度，但在高孔隙度和地层水矿化度条件下，中子自屏蔽现象导致氯和氢的俘获伽马射线计数降低，流体评价的灵敏度会降低。

（2）铁的俘获伽马射线计数变化可以反映俘获过程的中子场变化，利用纯骨架地层铁的俘获伽马射线计数作标定，可以确定中子自屏蔽校正因子，使校正后氯氢比评价油水的灵敏度提高了1倍以上。

（3）中子自屏蔽校正后氯氢比随孔隙度增加而增加，且呈线性变化关系；地层水矿化度越高，与含油地层的氯氢比差异越大，对流体识别越有利；岩性、井眼含油和黏土含量对氯氢比饱和度响应影响较小；井眼水矿化度和井眼尺寸对氯氢比饱和度响应较大。

（4）模拟验证结果表明饱和度计算误差小于7%，显然在高矿化度地层条件下采用基于中子自屏蔽校正的氯氢比评价含油饱和度是一种有效的方法。

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（编辑 修荣荣）