碳氧比
碳氧比
碳氧比能譜測井儀簡稱碳氧比，碳氧比是一種脈衝中子測井儀器簡稱。
碳氧比能譜測井：Carbon/oxygen (C/O) spectral logging
碳氧比能譜測井方法
碳氧比能譜測井是一種脈衝中子測井方法。其探測深度較淺，約30 cm。主要用於套管井測井，克服了目前電測井不能用於評價套管 井中地層含油性的困難，它是套管井評價地層岩性、含油性和孔隙度 的新方法。其理論基礎是快中子的非彈性散射理論。當高能快中子射入地層之後，與地層中元素的原子核發生非彈性 散射，致使原子核處於激髮狀態。當原子核從激髮狀態恢復到穩定狀 態時，將會放射出具有一定能量的伽馬射線。對於不同元素的原子核 來說，其非彈性散射伽馬射線的能量不一樣。因此可對地層中的非彈 性散射伽馬射線進行能量和強度分析(即能譜分析)，來確定地層中存 在那些元素及含量。
當快中子與碳元素和氧元素原子核發生非彈性散射時，這兩種 元素不但具有較大的宏觀非彈性散射截面，而且放射出非彈性散射 伽馬射線能量較高，差別也較大(碳的散射伽馬射線能量4.43MeV，氧的散射伽馬射線能量為6.13MeV)，有利於作能譜分析。基於上述原理，分別對不同地層進行能譜分析，就可以由碳元 素和氧元素的含量及其比值來劃分水淹層、確定油和水的含量。
2.脈衝中子源在地層中激發的伽馬射線 (1)快中子激發的γ射線序列 脈衝中子源以一定脈衝寬度和重複周期向地層發射中子束。能量 為14MeV的中子進入地層，首先與地層中某些核素原子核發生非彈性散 射，併發射非彈性散射γ射線，不同元素原子核的非彈性散射伽馬射 線的能量不一樣。在中子發射后的10-8～10-6s時間間隔內，非彈性散射是中子能量 損失的主要方式。
3.脈衝中子源在地層中激發的伽馬射線 (1)快中子激發的γ射線序列可以認為：非彈性散射和由此引發的光子發射是在發射中子的持續期內 進行的，並且當中子發射停止時這一過程也立即終止。在隨後的脈衝間隔 里，即在中子發射后的10-6～10-3s的時間內，主要作用過程是彈性散射，中 子熱化併產生俘獲輻射。所以利用時間門可以把非彈性散射γ射線與俘獲輻 射γ射線區別開。碳氧比γ能譜 測井，就是對地層 中先後產生的這兩 種γ射線做能譜分 析，求出碳氧比 值，進而確定含油 飽和度。 2.脈衝中子源在地層中激發的伽馬射線 (2)快中子非彈性散射γ射線 ① 非彈性散射γ射線 地層中能與 快中子發生非彈 性散射而產生γ 射線的核素主要 是12C、160、28Si 和40Ca。右表給 出這四種核素的 有關數據。 (2)快中子非彈性散射γ射線 ① 非彈性散射γ射線 表中第一列給出的γ射線能量，就是非彈性散射γ初始數據譜。從表中可 以看出，油氣儲層中最顯著的譜線是6.13MeV、4.43MeV、3.73MeV和1.78MeV, 它們分別是16O,12C,40Ca和28Si的特徵譜線。在測井中，選用這四種核素分別作 為碳、氧、鈣和硅元素的指示核素，因而這四條譜線也就是對應的幾種元素的 特徵譜線，見右上圖。 (2)快中子非彈性散射γ射線 ②非彈性散射γ射線儀器譜地層快中子非彈性散射γ射線計數，主要包括碳、氧、硅、鈣的貢獻。下圖分別給出能量為14 MeV的中子與12C、160、28Si、40Ca發生非彈性散射產 生的γ射線譜，譜圖是用NaI(TI)閃爍計數γ譜儀測定的。圖中所示 碳和氧的能譜 圖中可明顯地 看到各自的全 能峰、單逃逸 峰和雙逃逸 峰，而硅和鈣 的譜圖特徵峰 不夠顯著。 (2)快中子非彈性散射γ射線 ②非彈性散射γ射線儀器譜 實際測量時候，可選取四個特徵譜段（能 窗），使每個譜 段的計數儘可能 多地反映其中一 種核素的貢獻，以便於處理。2.脈衝中子源在地層中激發的伽馬射線 (3)俘獲γ能譜下圖是用BGO閃爍晶體，測到的俘獲伽馬能譜圖。圖中縱線可分出H、Si、Ca、CI和 Fe的計數窗。可知：氫特徵峰在2.23 MeV處顯示清楚；硅兩個全能峰位分別 在3.54MeV和4.93MeV；鈣在6.42MeV和 4.42MeV處的兩個峰也較明顯；如地層 水為鹽水，則氯的最明顯的全能蜂在 6.11MeV，強烈影響鈣能窗計數，從而 干擾用硅鈣比區分砂岩和石灰岩。譜分 析將嚴重受地層水礦化度影響。 2.脈衝中子源在地層中激發的伽馬射線 (3)俘獲γ能譜脈衝中子源在地層中激發的各種γ射線的時間分布圖。從圖中可知，測量時要用時間門控制測量快中子非彈性散射γ射線，然後再根據能譜分析來確定射線的引起元素種類和元素含量。
4.★當源距小於25cm時，碳氧比 值受井眼內流體性質影響很大； ★當源距增大時井眼影響雖緩 慢減小，但直到超過70cm時還存在。 3.伽馬能譜的數據採集和處理 (1) 源距選擇和譜數據的採集 曲線④因地層和井內流體差別不 大，反映的只是比值的基值，無明顯 變化。單探測器儀器主要考慮減小井 的影響，源距應在統計精度允許的前 提下盡量選大一些，如40～50 cm。雙探測器儀器：長源距探測器與 單晶儀器相同，主要反映地層的性 質；短源距探測器主要反映井眼內流 體的性質，源距應在儀器結構允許的 條件下儘可能短一些，如20cm。 3.伽馬能譜的數據採集和處理。脈衝中子源重複周期100微 秒。兩個GSO閃爍探測器，分別偏靠井 壁和井眼，源距和結構都使短源距探 測器對井眼流體敏感而長源距探測器 對地層敏感。
單位體積地層中的碳和氧原子數及其比值
① 純砂岩 碳氧原子數比為 n 3.74 S o COR = c = no 3.35 (1 S o ) + 5.32 (1 ) 從上式和右圖可以看出： A.當孔隙度大時，曲線的斜率大，測定 含油飽和度的靈敏度高； B.對孔隙度相同的地層，含油飽和度高 時靈敏度高； C.孔隙度高和含油飽和度也高的地層對 碳氧比測井有利，可達到較高的精度； D.低孔隙度高含水地層對測井不利，得 不到理想的效果。 (1)單位體積地層中的碳和氧原子數及其比值
② 純石灰岩 碳氧原子數比為 n 3.74 S o + 1.61 ) COR = c = no 3.35 (1 S o ) + 4.89 (1 ) 從上式和右圖可以看出： A.當含油飽和度為零時，碳氧原子 數比為O.333，比孔隙度為35%和含油 飽和度高達90%的純砂岩還要高； B.當含油飽和度達到20%時，孔隙 度不同的各條曲線交於一點，將曲線簇 分成兩部分； (1)單位體積地層中的碳和氧原子數及其比值 ②純石灰岩 C.當含油飽和度小於20%時，對應於同一含油飽和度，孔隙度大 的地層碳氧原子數比值低； D.當含油飽和度大於20%時，對應於同一含油飽和度，孔隙度大 的地層碳氧原子數比值高。
碳氧比能譜測井資料解釋主要是求含油飽和度S0(亦即剩餘油飽 和度)，其解釋模型是建立在單位體積地層為油和岩石骨架中碳原子 數目與水和岩石骨架中氧原子的數目之比，即碳、氧原子密度之比。這個比值與含油飽和度、孔隙度有一定的關係。在實際解釋中是用模型井得出的經驗公式。 SO C / O (C / O )W = (C / O ) O (C / O )W 式中(C/O)W為水層中的碳氧比值； (C/O)O為油層中的碳氧比值； C/O為目的層測得的碳氧比值。 4.碳氧比的計算、飽和度和孔隙度解釋模型 (2)含油飽和度解釋模型 SO = C / O (C / O )W (C / O ) O (C / O )W 上式僅對油水層孔隙度與岩性基本一致時適用。在儲集層孔隙度與岩性變化時，應考慮測得的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與XIW根據試驗求得，通常取K=O.8，XIW=2.3562。解釋時 要進行孔隙度和泥質含量校正。各油田根據地質特點，上述公式將各有變化。 4.碳氧比的計算、飽和度和孔隙度解釋模型 (3)儲層總孔隙度解釋模型 碳氧比測井中的C/I曲線記錄的是地層俘獲伽馬總計數率與非彈 性散射伽馬總計數率之比值，它與補償中子測井曲線相似，能較好的 反映地層的總孔隙度。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 )
目前國內最新的脈衝中子測井儀器即PNRMS。
測量原理：地層中的岩石是各種元素的混合物，不同的岩石中，各種元素的比例關係是不同的。如砂岩的主要成分是SiO，白雲岩的則是MgCO和其它元素的混合物等，這些混合物之間有許多微孔隙（岩石孔隙度），砂岩孔隙度比較大，在10%—40%之間。碳酸岩（灰岩和白雲岩）孔隙度較小，在5%以下。這些微孔隙可以儲集石油、天然氣和地下水，形成地下石油礦藏。岩石孔隙度的大小決定了儲藏石油的能力。
