路繁榮，曹 禺，張 超，高 揚(yáng)

（1.西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西西安 710069；2.延長(zhǎng)油田股份有限公司杏子川采油廠，陜西延安 717400；3.中國(guó)石化西北油田分公司采油一廠，新疆輪臺(tái) 841600）

同位素吸水剖面測(cè)井方法在石油地質(zhì)中的應(yīng)用

路繁榮1，曹 禺2，張 超3，高 揚(yáng)1

（1.西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西西安 710069；2.延長(zhǎng)油田股份有限公司杏子川采油廠，陜西延安 717400；3.中國(guó)石化西北油田分公司采油一廠，新疆輪臺(tái) 841600）

在油田開發(fā)過程中，同位素吸水剖面測(cè)井在注水油藏動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中占主導(dǎo)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(duì)大量前人的研究詳細(xì)介紹了同位素吸水剖面測(cè)井方法、同位素沾污的影響因素以及對(duì)吸水剖面測(cè)井方法在油氣生產(chǎn)與開發(fā)中的應(yīng)用等進(jìn)行了撰寫。

同位素測(cè)井；吸水剖面；沾污校正

現(xiàn)今，隨著油田開發(fā)的不斷推進(jìn)與深入，油層的壓力也逐漸下降。我國(guó)大多數(shù)油田以注水開發(fā)為主，因此就需要及時(shí)給地層補(bǔ)充油田開發(fā)所需要的能量，以實(shí)現(xiàn)油田長(zhǎng)期穩(wěn)定的發(fā)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(gè)油田開發(fā)時(shí)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(cè)吸水剖面可以得知，了解各個(gè)小層的絕對(duì)吸水量。由于井下油層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，非均質(zhì)性明顯，很難形成統(tǒng)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(zhǔn)確監(jiān)測(cè)吸水剖面動(dòng)態(tài)變化，需要依靠可靠有效的測(cè)井資料[1]。

目前吸水剖面主要用同位素吸水剖面測(cè)井。該方法在注水油藏動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中占主導(dǎo)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(qū)塊注水調(diào)剖方案提供依據(jù)。目前油田普遍采用Ba-GTP微球做示蹤劑進(jìn)行注水剖面測(cè)量[2]。測(cè)井資料核心的處理工作是計(jì)算各個(gè)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(qū)塊分析提供依據(jù)[1]。

1 同位素吸水剖面測(cè)井簡(jiǎn)介

1.1 同位素吸水剖面測(cè)井原理

向地層注入示蹤劑之前需要測(cè)地層的自然放射性值作為之后的對(duì)比基線，即自然伽馬值。自然伽馬值是很穩(wěn)定的，一般來說，自然伽馬出現(xiàn)正異常的地方為放射性高的泥巖層，自然伽馬出現(xiàn)負(fù)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(dāng)放射性示蹤劑隨著注入水進(jìn)入注水層并濾積在注水層的地層表面，導(dǎo)致地層的伽馬射線強(qiáng)度大幅度增強(qiáng)。在吸水能力越強(qiáng)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(xiàn)為異常幅度越大。一般認(rèn)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(jì)算同位素曲線異常幅值與對(duì)比基線的包絡(luò)面面積，各個(gè)部分的包絡(luò)面積與全部包絡(luò)面積之和的比值與總流量的乘積即為各吸水層的絕對(duì)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(shí)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(duì)于示蹤劑毒性來說，因?yàn)橥凰販y(cè)井屬于開放性操作，因此為了避免地層環(huán)境受到污染、工作人員身體受到損傷，因此應(yīng)選擇毒性低的同位素；（2）對(duì)于示蹤劑放射性能量來說，要選擇適中的能量，因?yàn)槿绻芰窟^低，信號(hào)太弱，儀器可能無(wú)法捕捉。但從防護(hù)角度分析能量也不能過強(qiáng)，通常能量維持在0.5 MeV最好；（3）對(duì)于示蹤劑的半衰期來說，長(zhǎng)半衰期放射性示蹤劑所造成的污水難以處理，且在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都會(huì)釋放能量，導(dǎo)致下次測(cè)井之前所測(cè)得的自然伽馬曲線幅值過高，可能會(huì)影響測(cè)量結(jié)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(shí)間就不能再使用，如果繼續(xù)使用可能會(huì)導(dǎo)致注水之前測(cè)得的自然伽馬基線與注水之后測(cè)得的放射性差別很小，不易區(qū)分。

圖1 同位素示蹤吸水剖面示意圖（據(jù)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(yīng)對(duì)載體的粒徑、密度、吸附性和運(yùn)載同位素的能力等因素進(jìn)行選擇。（1）對(duì)于載體的粒徑來說，施工時(shí)，需要其隨著注入水進(jìn)入吸水層而不是非吸水層，因此要根據(jù)不同地層的孔隙度和滲透率來選擇合適的載體[4]；（2）對(duì)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(huì)下沉聚集，使得結(jié)果出現(xiàn)偏差；（3）對(duì)于載體運(yùn)載同位素的能力來說，為了使得測(cè)井曲線效果更好以及避免地層的進(jìn)一步污染，應(yīng)選擇運(yùn)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(huì)發(fā)生脫附現(xiàn)象。

2 吸水剖面測(cè)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(cè)井指在注水時(shí)混入適量放射性同位素示蹤劑，示蹤劑將會(huì)在地層吸水的同時(shí)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(qiáng)度之間的關(guān)系并非呈正比，而是具有一定程度破壞干擾。在測(cè)井曲線上則表現(xiàn)為與注水量無(wú)關(guān)的同位素異常[5，6]。

2.1.1 同位素示蹤劑強(qiáng)度的影響 一般來說同位素示蹤劑在注水井井口釋放，經(jīng)過較長(zhǎng)距離的搬運(yùn)到達(dá)吸水層后同位素強(qiáng)度會(huì)有所降低。如果示蹤劑強(qiáng)度偏小，則會(huì)造成到達(dá)注水層的示蹤劑無(wú)法被檢測(cè)到。在測(cè)井曲線上表現(xiàn)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(xiàn)，這樣就無(wú)法真實(shí)的反映地層吸水的情況[6]。因此，在選擇示蹤劑的時(shí)候要盡量選擇強(qiáng)度大的，強(qiáng)度大的示蹤劑放射性強(qiáng)度衰減慢一些，對(duì)結(jié)果影響相對(duì)小一些。

2.1.2 同位素示蹤劑粒徑的影響 在選擇同位素時(shí)應(yīng)根據(jù)研究地區(qū)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(zhì)性，在有些層位或因?yàn)樽⑺拈L(zhǎng)期沖刷和由于油氣的持續(xù)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(xiàn)大孔道、出現(xiàn)高滲透層。所以如果同位素粒徑太小，則會(huì)導(dǎo)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(jìn)入地層的深部，致使在地層表面監(jiān)測(cè)到的同位素量大大減少。在測(cè)井曲線上則表現(xiàn)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(huì)發(fā)生溶解。當(dāng)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(shí)導(dǎo)致同位素示蹤劑往往沒有到達(dá)吸水地層就提前沉淀。當(dāng)然注入水壓力過小也會(huì)導(dǎo)致同位素示蹤劑提前發(fā)生溶解。

3 同位素曲線與流量曲線解釋結(jié)果差異分析

在實(shí)際施工過程中，吸水剖面測(cè)井沾污會(huì)導(dǎo)致同位素曲線解釋與流量曲線解釋結(jié)果往往是不相同的。因此要進(jìn)行同位素校正。簡(jiǎn)單來說，就是校正非地層吸水使得同位素曲線產(chǎn)生假異常，在測(cè)得的異常幅度上減去由于沾污導(dǎo)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(shí)情況。校正工作很重要的兩個(gè)步驟是查明沾污類型以及各類型沾污的校正系數(shù)。而引起這種差異的原因總結(jié)如下：

3.1 油管套管沾污

這種沾污屬于吸附型沾污。導(dǎo)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(nèi)或者套管的環(huán)形空間內(nèi)運(yùn)移時(shí)，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(chǎn)的長(zhǎng)期進(jìn)行，油管和套管會(huì)發(fā)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(chǎn)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(xiàn)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(dǎo)致這種類型沾污產(chǎn)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(duì)于污染特別嚴(yán)重的井加表面活性劑的效果不是很理想，因此需要進(jìn)行反復(fù)洗井，洗井排量應(yīng)達(dá)到30 m3/h，洗井一天之后再進(jìn)行同位素測(cè)井。

3.3 同位素及載體的物理化學(xué)性質(zhì)

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(dǎo)致沾污的因素[8]。其中影響最大的一個(gè)因素是同位素微球的密度，當(dāng)其密度大于注入水的密度時(shí)易發(fā)生沉淀造成沾污。對(duì)于粒徑來說粒徑大的微球相對(duì)來說易發(fā)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(cè)井解釋的結(jié)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(gè)過程中得以保持自己的形態(tài)和性質(zhì)。示蹤劑的表面活性能使得示蹤劑表現(xiàn)出親水憎油的特性，從而減少其對(duì)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(huì)把同位素微球推入地層深處，儀器無(wú)法及時(shí)檢測(cè)到[5，8]。這樣就導(dǎo)致在一些非注水層出現(xiàn)異常幅度，而在吸水層則降低了異常幅度，從而影響測(cè)井解釋結(jié)果。

3.5 同位素注入時(shí)間影響

施工時(shí)，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(huì)出現(xiàn)上部同位素曲線各層異常幅度很清晰的時(shí)候，下部仍然沒有顯示。而當(dāng)下部同位素曲線各層異常幅度很清晰的時(shí)候，上部的異常幅度已經(jīng)減小或者沒有。因此，在真正實(shí)施的過程中應(yīng)注意持續(xù)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(shí)候再對(duì)吸水剖面進(jìn)行綜合解釋[5]。

3.6 地下溫度的影響

油田在注水開發(fā)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(fā)過程本身就會(huì)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(huì)影響測(cè)井曲線出現(xiàn)異常，最終導(dǎo)致不能反映真實(shí)的注入水情況。

4 同位素吸水剖面在油田開發(fā)中的應(yīng)用

在油層生產(chǎn)開發(fā)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(jìn)情況（即水淹情況）[11]、儲(chǔ)量動(dòng)用情況，以及可以針對(duì)性的對(duì)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(jìn)行同位素吸水剖面測(cè)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(shí)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(chǔ)量動(dòng)用情況

由于儲(chǔ)層非均質(zhì)性和重力的影響，造成層內(nèi)水淹程度的不同，也造成了層內(nèi)儲(chǔ)量動(dòng)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(cè)井剖面上各層位吸水能力的強(qiáng)弱，從而便可確定剩余油分布和儲(chǔ)量動(dòng)用情況。

通過對(duì)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(xiàn)為含油飽和度的下降。簡(jiǎn)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(shí)別高產(chǎn)水層，針對(duì)性進(jìn)行堵水作業(yè)

當(dāng)油層某一部位嚴(yán)重水淹時(shí)，不僅使得采收率低，產(chǎn)水量高，另外導(dǎo)致與之相鄰的差油層無(wú)法有效的吸水，造成不出油或出油少。因此就需要對(duì)高產(chǎn)水層進(jìn)行堵水作業(yè)[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(duì)性的作業(yè)也節(jié)約了投入成本。

4.4 對(duì)于物性不好產(chǎn)量低的油層，進(jìn)行壓裂

在開采的過程中，通過吸水剖面資料以及相關(guān)地層的基本物性資料來判斷產(chǎn)能低的潛在油層，進(jìn)行壓裂作業(yè)以增加產(chǎn)油量。當(dāng)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(jìn)行任何作業(yè)了。

5 結(jié)論與展望

通過本文的研究得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）載體和示蹤劑的選擇對(duì)同位素吸水剖面測(cè)井尤為關(guān)鍵，影響著測(cè)井解釋的最后結(jié)果。因此一定要依據(jù)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(yán)重影響著對(duì)吸水層位的判斷和各層位的吸水量的計(jì)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(cè)井解釋的準(zhǔn)確性。

（3）同位素曲線和流量曲線的解釋結(jié)果有差異是在實(shí)際生產(chǎn)工作中經(jīng)常遇到的情況，因此就需要查明引起這種差異的原因來進(jìn)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(shí)情況。

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

當(dāng)然本文研究還存在很多不足，同位素沾污已經(jīng)被研究了很多年，雖然已經(jīng)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(huì)出現(xiàn)與注水量無(wú)關(guān)的異常，導(dǎo)致測(cè)井曲線無(wú)法使用，對(duì)人力物力財(cái)力都是一種巨大的浪費(fèi)。所以未來對(duì)于同位素吸水剖面測(cè)井的沾污影響因素、解決方法、工藝的改進(jìn)都需要進(jìn)行更加深入的研究，以早日解決這一難題。

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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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：41074045，41174055；陜西普通高等學(xué)校重點(diǎn)學(xué)科專項(xiàng)資金，項(xiàng)目編號(hào)：081802。

路繁榮，女（1992-），西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系在讀碩士研究生，地質(zhì)工程專業(yè)，郵箱：13259453@qq.com。