碳氧比

碳氧比定义：碳氧比能谱测井仪简称碳氧比(脉冲中子源在地层中激发的伽马射线、伽马能谱的数据采集和处理、碳氧比的计算、饱和度和孔隙度解释模型)

碳氧比能谱测井：Carbon/oxygen (C/O) spectral logging

碳氧比能谱测井方法

碳氧比能谱测井是一种脉冲中子测井方法。其探测深度较浅，约30 cm。主要用于套管井测井，克服了电测井不能用于评价套管 井中地层含油性的困难，它是套管井评价地层岩性、含油性和孔隙度的新方法。其理论基础是快中子的非弹性散射理论。 当高能快中子射入地层之后，与地层中元素的原子核发生非弹性 散射，致使原子核处于激发状态。当原子核从激发状态恢复到稳定状 态时，将会放射出具有一定能量的伽马射线。对于不同元素的原子核 来说，其非弹性散射伽马射线的能量不一样。因此可对地层中的非弹 性散射伽马射线进行能量和强度分析(即能谱分析)，来确定地层中存 在那些元素及含量。

1.石油是碳氢化合物，不含氧元素；而水是氢氧化合物，不含碳元素。故在含油岩层中碳的含量比含水岩层要多，而含水岩层中氧 的含量比含油岩层多。因此可选取碳元素及氧元素分别作为油和水的指示元素。

当快中子与碳元素和氧元素原子核发生非弹性散射时，这两种 元素不但具有较大的宏观非弹性散射截面，而且放射出非弹性散射 伽马射线能量较高，差别也较大(碳的散射伽马射线能量4.43MeV， 氧的散射伽马射线能量为6.13MeV)，有利于作能谱分析。 基于上述原理，分别对不同地层进行能谱分析，就可以由碳元 素和氧元素的含量及其比值来划分水淹层、确定油和水的含量。

2.脉冲中子源在地层中激发的伽马射线 (1)快中子激发的γ射线序列 脉冲中子源以一定脉冲宽度和重复周期向地层发射中子束。能量 为14MeV的中子进入地层，首先与地层中某些核素原子核发生非弹性散 射，并发射非弹性散射γ射线，不同元素原子核的非弹性散射伽马射线的能量不一样。 在中子发射后的10-8～10-6s时间间隔内，非弹性散射是中子能量 损失的主要方式。

3.脉冲中子源在地层中激发的伽马射线 (1)快中子激发的γ射线序列可以认为：非弹性散射和由此引发的光子发射是在发射中子的持续期内 进行的，并且当中子发射停止时这一过程也立即终止。在随后的脉冲间隔 里，即在中子发射后的10-6～10-3s的时间内，主要作用过程是弹性散射，中 子热化并产生俘获辐射。所以利用时间门可以把非弹性散射γ射线与俘获辐 射γ射线区别开。 碳氧比γ能谱 测井，就是对地层 中先后产生的这两 种γ射线做能谱分 析，求出碳氧比 值，进而确定含油 饱和度。 2.脉冲中子源在地层中激发的伽马射线 (2)快中子非弹性散射γ射线 ① 非弹性散射γ射线 地层中能与 快中子发生非弹 性散射而产生γ 射线的核素主要 是12C、160、28Si 和40Ca。右表给 出这四种核素的 有关数据。 (2)快中子非弹性散射γ射线 ① 非弹性散射γ射线 表中第一列给出的γ射线能量，就是非弹性散射γ初始数据谱。从表中可 以看出，油气储层中最显著的谱线是6.13MeV、4.43MeV、3.73MeV和1.78MeV, 它们分别是16O,12C,40Ca和28Si的特征谱线。在测井中，选用这四种核素分别作 为碳、氧、钙和硅元素的指示核素，因而这四条谱线也就是对应的几种元素的 特征谱线，见右上图。 (2)快中子非弹性散射γ射线 ②非弹性散射γ射线仪器谱地层快中子非弹性散射γ射线计数，主要包括碳、氧、硅、钙的贡献。 下图分别给出能量为14 MeV的中子与12C、160、28Si、40Ca发生非弹性散射产 生的γ射线谱，谱图是用NaI(TI)闪烁计数γ谱仪测定的。 图中所示 碳和氧的能谱 图中可明显地 看到各自的全 能峰、单逃逸 峰和双逃逸 峰，而硅和钙 的谱图特征峰 不够显著。 (2)快中子非弹性散射γ射线 ②非弹性散射γ射线仪器谱 实际测量时候，可选取四个特征谱段（能 窗），使每个谱 段的计数尽可能 多地反映其中一 种核素的贡献，以便于处理。2.脉冲中子源在地层中激发的伽马射线 (3)俘获γ能谱下图是用BGO闪烁晶体，测到的俘获伽马能谱图。 图中纵线可分出H、Si、Ca、CI和 Fe的计数窗。可知：氢特征峰在2.23 MeV处显示清楚；硅两个全能峰位分别 在3.54MeV和4.93MeV；钙在6.42MeV和 4.42MeV处的两个峰也较明显；如地层 水为盐水，则氯的最明显的全能蜂在 6.11MeV，强烈影响钙能窗计数，从而 干扰用硅钙比区分砂岩和石灰岩。谱分析将严重受地层水矿化度影响。 2.脉冲中子源在地层中激发的伽马射线 (3)俘获γ能谱脉冲中子源在地层中激发的各种γ射线的时间分布图。从图中可知，测量时要用时间门控制测量快中子非弹性散射γ射线， 然后再根据能谱分析来确定射线的引起元素种类和元素含量。

4.★当源距小于25cm时，碳氧比 值受井眼内流体性质影响很大； ★当源距增大时井眼影响虽缓 慢减小，但直到超过70cm时还存在。 3.伽马能谱的数据采集和处理 (1) 源距选择和谱数据的采集 曲线④因地层和井内流体差别不 大，反映的只是比值的基值，无明显 变化。单探测器仪器主要考虑减小井 的影响，源距应在统计精度允许的前 提下尽量选大一些，如40～50 cm。 双探测器仪器：长源距探测器与单晶仪器相同，主要反映地层的性 质；短源距探测器主要反映井眼内流 体的性质，源距应在仪器结构允许的 条件下尽可能短一些，如20cm。 3.伽马能谱的数据采集和处理 。脉冲中子源重复周期100微 秒。两个GSO闪烁探测器，分别偏靠井 壁和井眼，源距和结构都使短源距探 测器对井眼流体敏感而长源距探测器 对地层敏感。

单位体积地层中的碳和氧原子数及其比值

① 纯砂岩 碳氧原子数比为 n 3.74 S o COR = c = no 3.35 (1 S o ) + 5.32 (1 ) 从上式和右图可以看出： A.当孔隙度大时，曲线的斜率大，测定含油饱和度的灵敏度高； B.对孔隙度相同的地层，含油饱和度高 时灵敏度高； C.孔隙度高和含油饱和度也高的地层对碳氧比测井有利，可达到较高的精度； D.低孔隙度高含水地层对测井不利，得 不到理想的效果。 (1)单位体积地层中的碳和氧原子数及其比值

② 纯石灰岩 碳氧原子数比为 n 3.74 S o + 1.61 ) COR = c = no 3.35 (1 S o ) + 4.89 (1 ) 从上式和右图可以看出： A.当含油饱和度为零时，碳氧原子 数比为O.333，比孔隙度为35%和含油 饱和度高达90%的纯砂岩还要高； B.当含油饱和度达到20%时，孔隙 度不同的各条曲线交于一点，将曲线簇 分成两部分； (1)单位体积地层中的碳和氧原子数及其比值 ②纯石灰岩 C.当含油饱和度小于20%时， 对应于同一含油饱和度，孔隙度大 的地层碳氧原子数比值低； D.当含油饱和度大于20%时， 对应于同一含油饱和度，孔隙度大 的地层碳氧原子数比值高。

碳氧比能谱测井资料解释主要是求含油饱和度S0(亦即剩余油饱 和度)，其解释模型是建立在单位体积地层为油和岩石骨架中碳原子 数目与水和岩石骨架中氧原子的数目之比，即碳、氧原子密度之比。 这个比值与含油饱和度、孔隙度有一定的关系。 在实际解释中是用模型井得出的经验公式。 SO C / O (C / O )W = (C / O ) O (C / O )W 式中(C/O)W为水层中的碳氧比值； (C/O)O为油层中的碳氧比值； C/O为目的层测得的碳氧比值。 4.碳氧比的计算、饱和度和孔隙度解释模型 (2)含油饱和度解释模型 SO = C / O (C / O )W (C / O ) O (C / O )W 上式仅对油水层孔隙度与岩性基本一致时适用。 在储集层孔隙度与岩性变化时，应考虑测得的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与XIW根据试验求得，通常取K=O.8，XIW=2.3562。解释时要进行孔隙度和泥质含量校正。 各油田根据地质特点，上述公式将各有变化。 4.碳氧比的计算、饱和度和孔隙度解释模型 (3)储层总孔隙度解释模型碳氧比测井中的C/I曲线记录的是地层俘获伽马总计数率与非弹 性散射伽马总计数率之比值，它与补偿中子测井曲线相似，能较好的 反映地层的总孔隙度。 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 )

国内最新的脉冲中子测井仪器即PNRMS。

测量原理：地层中的岩石是各种元素的混合物，不同的岩石中，各种元素的比例关系是不同的。如砂岩的主要成分是SiO2，白云岩的则是MgCO3和其它元素的混合物等，这些混合物之间有许多微孔隙（岩石孔隙度），砂岩孔隙度比较大，在10%—40%之间。碳酸岩（灰岩和白云岩）孔隙度较小，在5%以下。这些微孔隙可以储集石油、天然气和地下水，形成地下石油矿藏。岩石孔隙度的大小决定了储藏石油的能力。

地球物理测井就是利用多种测量仪器，探测地层所具有的各种地球物理特性，如地层的自然放射性，核物理特性，电特性，声学和力学特性等。尽可能多的获得反映地层特性的测井资料，才能较为详细分析，解释出地层的岩性、物理、孔隙特性、油、气、水的比例等地质储油能力。

在控制器的驱动下，借助于He（D, T）反映，通过控制离子源的阳极脉冲频率和脉冲宽度，可得到所需要的脉冲中子束流。利用产生的14MeV中子与地层空隙岩石基体内和液体内的元素或井内周围的水流相互作用产生γ射线或热中子的测量，为核测井提供重要的资料。