基于脉冲中子氧活化测井中水流时间谱的属性分析及研究

黄 佳，姜晓君，焦俊青，杨万涛

(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司增产作业分公司 天津300452)

0 引 言

目前，渤海油田开采已进入中期，由于多油层非均质油田注水开发需要以及考虑海上油田综合治理成本，对注水井管柱结构设计的要求极为复杂。不但在完井过程中需下入防砂管柱，而且注水管柱多采用空心集成等方式对各防砂段进行分层配注，以此解决层间矛盾，提高油层的动用程度。所以通过脉冲中子氧活化水流测井的非接触测量方式来获取注入剖面信息，这在海上油田注水开发中具有明显的适应性[1]。

采用注水管柱结构使井内水流形式多样化，包括不同流量的油管流和环空流，甚至管外窜流，并且方向不一定一致。特别是在氧活化吸水剖面测试过程中，单纯地依靠加权平均法流量计算软件回放数据计算流量，在某些情况下，因为其局限性而很难对流体分配及流量做出正确的判断，给生产测井解释带来了一定困难，所以在掌握井内流体可能存在的分配方式的同时，必须找出氧活化水流测井仪各个伽马探测器所记录的氧活化水流时间谱与管柱内外流体分配及流量的对应关系，并且在由于油套同流这种复杂情况使传统流量计算软件无法正常使用时，必须对脉冲中子氧活化水流时间谱的属性进行正确分析，才能实现对吸水剖面等生产测井的合理判断和解释。这也是开发高斯函数拟合法及双高斯函数等测井解释评价方法的基础[2-4]。

1 脉冲中子氧活化水流时间谱的形成

通过脉冲中子氧活化水流测井仪发生器短节上中子管靶极所释放的 14MeV快中子，使水中的16O活化成14N的同位素16N；16N衰变过程中释放出6.13MeV的高能伽马射线，经过源距随水流动，被水流测井仪采集短节上的若干个伽马探测器探测到，并在单位时间内记录下伽马射线的变化情况，形成时间谱[5]。经过多次累积，在时间谱上形成谱峰，对应着峰位时间(图1)。通过解析随水流动的活化氧伽马时间谱来计算相应的水流速度，进而得到流体流量等相关信息。

图1 氧活化水流时间谱示意图Fig.1 Time spectrum of oxygen activation logging

2 氧活化水流时间谱中单一油管流及环空流的谱峰形态分析及变化规律

在氧活化水流时间谱中，对于油管内和环空内的水流，随着流量的增大，水流时间谱峰将逐渐提前。反之，谱峰越靠前，其所对应的时间越短，流速越快，流量越大，被探到的每个水流时间谱峰应遵循时间随流体速度的推移关系。

采集短节由若干个伽马探测器组成，对于距离中子源较近的近探头，可以接收到中子源打中子时所形成的高计数时间谱峰。其为非弹性散射过程中所释放出的高能伽马射线所形成的时间谱，但其将覆盖近探头所探测到的大流速氧活化水流时间谱，而远探头则不存在以上问题[6]。对于低流速水流，则可以逐渐摆脱打中子区的束缚而被近探头探测到时间谱峰，而到达远探头时又会逐渐被衰减。所以，对于不同流量的水流测量，应合理选择水流仪上对应的伽马探测器，这一点对氧活化水流测井精度的影响尤为重要。

此外，由于油管内下水流流速较快，其活化水段到达和经过伽马探测器的时间都比较短，再加上油管流活化水中放射性元素 N16密度较高，时间谱峰会显得瘦高(图2)。而对于环空水流，速度很慢，活化水段经过探头的时间较长，故其谱峰比较宽。又因为环空流在油管流之外，活化水的密度远不如油管流，所以和油管内的下水流相比，谱峰就没有那样的坚挺，而是趋于矮胖和衰减的趋势(图3)。通过这一点，我们也可以直观地判断出油管流和环空流在时间谱峰上的形态。

图2 油管内水流时间谱图Fig.2 Time spectrum in oil pipe

图3 环空内水流时间谱图Fig.3 Time spectrum inside oil casing

3 氧活化水流时间谱在油套同流时属性分析

3.1 一谱多峰

针对海上油田空心集成、同心分注等注水管柱结构，通过配水器水嘴向环形空间注水实现分层配注。在氧活化吸水剖面测试过程中，由于油套同流的存在，油管水流及环空水流中的活化氧伽马射线往往以先后顺序相继经过测井仪器的同一个探头，导致出现同一个氧活化水流时间谱存在两个或多个谱峰的情况(图4)。

图4 一谱双峰水流谱图Fig.4 Time spectrum of one spectrum double peak

对于一谱多峰这种情况，对每个谱峰的属性做出正确判断，直接关系着油管流量及环空流量计算结果的正确与否，进而影响着吸水剖面及其他生产测井解释结果的准确性。首先对于油管峰，除了在形态上的分析，其位置也定义了其属性，对于完整无漏失的油管内空间，其不同深度点的油管流所对应的峰位时间应保持不变，这是确定油管峰属性的一个重要依据。其次对于环空水流，由于射孔层逐渐吸水，环空流量也随之逐渐变小，环空峰逐渐后移，这是除形态以外判断环空峰属性的另一个重要依据。

3.2 双峰重合

往往在某深度点既存在着环空内的下水流也存在着油管内的下水流，根据流量计算公式 Q＝VS可知 ，如果满足： Q环空/Q管内≈S环空/S管内，可以得到V环空≈V管内，说明环空流与油管流几乎能够同时到达同一探头，而出现双峰重合或叠加的情况(图5)，使隐形峰很难被发现。

一旦产生了这种情况，就会给吸水剖面测试及解释工作带来很大的麻烦，由于加权平均法流量计算软件的局限性，使其无法从叠加的双峰识别出环空流和油管流各自所对应的峰位时间。这时就需要充分利用多点深度的氧活化水流时间谱，综合判断并寻找油套同流时其与流体分配及流量变化的对应关系，结合测井仪器不同位置的多个伽马探测器对水流时间谱的记录，找到双峰各自的峰位时间，正确判断其属性后再通过时间与流量的关系进行流量计算[7-8]。

图5 双峰叠加水流谱图Fig.5 Time spectrum of double peak superposition

4 实例分析

渤海油田A井设计为1口注水井，2个配水器空心集成配注，分 3段防砂，注水层位 Iu+Id油组。在某次的氧活化吸水剖面测试中(表 1)，实测注入量465m3/d，与平台井口电磁流量计计量一致。

表1 氧活化水流测点深度与流量Tab.1 Depth and flow rate at measuring point of oxygen activation logging

在到达吸水层位之前，氧活化测试过程中所记录的水流时间谱应只出现单一的油管峰，但在 634～685m 井段监测到了一谱双峰的出现(图6)，即油套环形空间内也出现了向下的水流。因此可以判断出在顶部封隔器之上的 632～634m 位置油管存在破损，形成55m3/d的漏失量。

对于第二防砂段，通过 1号配水器下水嘴注水，形成油管、油筛环空双水流分配，测试过程中出现一谱双峰为必然现象。因油管内流量不发生改变，所以除了时间谱在形态上的判断，峰位时间不产生移动的应为油管峰。地层吸水前环空流量较大，流速较高，其环空谱峰峰位时间居前(图 7)。但由于环空水流速度降低，并逐渐接近油管内水流速度，进而出现了双峰叠加及重合现象(图8)。最终随着射孔段吸水量对环空水流的不断消耗，使环空峰后移，逐渐摆脱与油管峰的重合，双峰分离(图9)。

图6 油套双峰水流谱图Fig.6 Time spectrum of double peak inside oil casing

图7 环空谱峰居前图Fig.7 Annulus spectrum peak in front

图8 油套双峰重合图Fig.8 Double peak coincidence inside oil casing

图9 环空谱峰居后图Fig.9 Annulus spectrum peak in back

在脉冲中子氧活化水流测试过程中，非环空连通油管内水流速度不变，油管峰位时间固定，是区分油套双峰的重要依据；通过对氧活化水流时间谱上中子爆发时间(活化时间)及峰位时间的记录，以及测井仪器源距及管柱环形空间截面积的选取，则可以综合计算出各深度各空间的流量值。由于管柱各分水点的流量汇总应与总注入量保持一致，遵循流量守恒原则，可以得到该井的吸水剖面解释结论(图10)。

图10 氧活化测井解释成果图Fig.10 Interpretation results of oxygen activation logging

5 结 语

①对脉冲中子氧活化时间谱中各种水流在谱峰形态及变化规律上的认知，是做好吸水剖面及其他生产测井解释工作的基础。

②在复杂的氧活化水流时间谱中，对各谱峰的发现、识别、追踪及对其属性的分析判断，方法是否合理，直接关系着生产测井解释结论的正确与否，是为油藏提供精细准确地质数据的关键。

③通过油田现场长期实践，摸索和归纳了氧活化水流时间谱与海洋注水井流体分配及流量的对应关系，基于现场测试工程师一丝不苟及实事求是的工作态度，不但可满足吸水剖面测试和解释工作需求，而且可为注水、注聚井窜、漏现象提供科学依据，达到优化注水，提高油井开采效果的目的。