1991年美国Schlumberger公司提出能谱水流测井，目的是为了探测注水井的水流状况，确定水流速度、方向和流量^[1]。一般同位素示踪测井容易受到沾污、沉降以及大孔道、裂缝发育等因素影响，达不到注水动态监测的要求^[2]。但是，能谱水流测井不使用任何放射性示踪剂，不存在污染情况，在注水井吸水剖面测井中能谱水流测井技术得到了规模应用^[3]。其探测范围在固井水泥环辐射20~30 cm，因此，该方法既可在油套管内测注采剖面，又可监测油套环空水流量，还可监测可能存在的管外窜槽情况。能谱水流测井正是拥有以上的众多优点，自其仪器研究生产以来，普遍受到很多油田用户的欢迎和推广^[1-4]。

1 能谱水流测井适应性分析

能谱水流测井是脉冲中子与氧元素相互作用，使活化后的氧原子放出特征伽马射线，通过检测该特征伽马射线来确定仪器周围含氧流体的流动情况^[5]。

氧活化的物理基础：用能量大于10 MeV的快中子照射流体，流体中的活化氧产生氧的放射性同位素¹⁶N，¹⁶N不稳定放射β-射线后衰变，半衰期为7.13 s。衰变过程中放出高能γ 射线，¹⁶N衰变过程放射出γ射线能量为6.13 MeV（图 1）。

其反应式为：

$ _0^1n + _8^{16}{\text{O}} \to _7^{16}{\text{N + }}_1^1p $

(1)

$ _7^{16}{\text{N}}\xrightarrow{{{\beta ^ - }}}_8^{16}{\text{O}} + {e^ - } + \gamma + {{\bar v}_{\text{e}}} $

(2)

写成合并的形式，即为：

$ ^{16}{\text{O}}{\left( {n,p} \right)^{16}}{\text{N}}\xrightarrow{{{\beta ^ - },7.13{\text{s}}}}_8^{16}{\text{O}} + \gamma + {e^ - } + {{\bar v}_{\text{e}}} $

(3)

由于氧原子核活化后放出的伽马射线的能量较高，且能穿透几英寸井筒材料，因此可以通过对伽马射线时间谱的测量来反映油管内、环型空间、套管外含氧物质特别是水的流动状况。

氧活化技术是基于较短的激发期（1~15 s）后较长的采集期（20~60 s）上测量管后水流的技术。由于其激发期较短，所以我们可以探测到当流动的激发水流经过探测器时的信号。流速由源距/探测器间的距离和激发水流穿过探测器的时间决定，计数率在时间轴上形成的谱峰。如果零流量情况存在，那么由激发的氧原子产生的总自然伽马计数率将会呈指数衰减（图 2）。

中子源开启两秒钟后关闭18 s。井眼、水泥环和地层中的恒定氧信号以半衰期7.13 s进行指数衰减。被激发的水流产生的伽马射线会被探头探测到，其所用的时间取决于流速和探测器的距离，在时间上表现为一个计数率峰。因此流速v很容易利用水流经过探测器所用的时间求得v=L/t_m，为了得到t，静态氧激发信号和环境的信号必须被探测到，并且从总的计数率中减掉。剩下的信号来自于被激发的流动的水，从中可以得到t。常常用迭代线性回归的方法在总计数率剖面中探测环境、静态氧和动态氧的信号。脉冲氧活化测井的核心是氧活化后测量活化氧到达探测器的时间t_m（渡越时间）。如果水溶液流动的话，就可以求出水溶液的流动速度。因此在时间谱上准确确定信号峰位（即时间）十分关键，根据v=L/t_m式求出水流速度后，根据下式即可求得流量：

$ Q = v \cdot P{\text{c}} $

(4)

式中： P_c为管子常数，由水流空间内外管柱内径求得。

中子氧活化水流测井仪具有单发多收功能，一次下井可同时测上、下水流量；同时也可以获得井温、压力、自然伽马、中子寿命、 CCL等多种参数；而且能满足中子寿命和中子氧活化两种测井方法结合在水平产出井中找水的需要，便于综合解释。仪器的结构图见图 3。

此次测量仪器采用的是9探头仪器，上水流有4个探头，下水流有5个探头，见表 1。

能谱水流测井接收到的伽马射线会受到以下因素影响：

（1）地层本底伽马射线；

（2）地层其它元素（O，Si，Mg等）；

（3）地层流动水伽马射线；

（4）水泥环；

（5）各种金属管柱；

（6）温度；

（7）管柱结构变形、破裂处、内径变化；

（8）聚合物；

（9）仪器（仪器外径、偏心、长度变化等）。

能谱水流测井仪器测量范围受到仪器源距（L）、中子爆发时间（Tb）等影响。根据下式可以求出最大的流量（Q_max）。

$ {Q_{\max }} = \left( {{L_{\max }}/Tb} \right)Pc $

(5)

能谱水流测井仪器测量范围也受到半衰期（τ）影响。根据下式可以求出最小的流量（Q_min）。

$ {Q_{\max }} = \left( {{L_{\max }}/2\tau } \right)Pc $

(6)

根据以上两个公式，求出能谱水流测井仪器的测量上限和下限（表 2、 表 3）。

测量范围及精度（仪器厂家提供）：

10~20 m³/d±10%；

20~400 m³/d±5%；

400~600 m³/d±10%。

2 通过能谱水流测井资料识别工程问题

在注入剖面测井中，氧活化水流测井可用于识别油管内、油套环空、油筛环空及其他流体空间中的水流，并定量计算流量，氧活化测井还在封隔器验封、识别套管破损、窜槽等方面具有显著效果。

图 4为A井通过能谱水流测井识别套管破损。能谱水流测井资料反映油套环空中E（1 510 m）到F（1 910 m）监测出存在上水流，并且上水流量基本与井口注入量相等，从F点上返至E处逐渐减小至零，因此断定在E~F之间存在套损，90%以上的注入水上返至该层，本井为无效注水井。

B井进行了五参数吸水剖面测井（图 5）。图 6为B井通过能谱水流测井识别套管破损。根据测井解释资料分析，在泥岩段G（5 012.2 m）到H（5 013.9 m）段同位素以及流量测井都有吸水显示，建议采用能谱水流测井技术验证J点（5 016.9 m）以上是否存在窜槽。此后，油田公司采纳建议，进行能谱水流测井。根据测井解释资料分析，G处套管内监测出存在下水流，下水流量为84.14 m³，基本与井口注入量相等；而I处（5 015.1 m）套管内监测出存在下水流，下水流量为71.86 m³，反映G到I处有12.28 m³水吸入。而该段并没有射孔，因此断定该段存在套损。

图 7、 图 8为C井通过能谱水流测井识别套管破损及监测封隔器失效。C井日配注368.98 m³/ d，在K处（4 515.3 m）有71.6 m³/d的环空上水流，而在L处（4 511.3 m）测得环空上水流为0 m³/d，怀疑L到K井段套管破损，水流流入地层。在M处（4 990.4 m）有61.13 m³/d的环空上水流，由于M到N（5 008.8 m，第一个配水器处）井段缺少测点，怀疑O处（4 997.8 m）的封隔器A失效，建议在此段增加测点。P处测得油套环空上水流约70 m³/d，由于P（5 035 m）到Q（5 049.5 m，第二个配水器处）井段缺少测点，怀疑R处（5 038.4 m）的封隔器B失效，建议在此段增加测点。射孔层段5 016~5 017 m、 5 020.5~5 022 m缺少测点，建议增加测点。对于日配注量大于300 m³以上的配注井，下探测器必须加测4、 5号探测器。总之，建议配注井必须在封隔器上下加测测点，以进一步落实验证封隔器是否失效。

脉冲中子能谱水流测井技术还能准确评价管外窜槽，找准油井出水的原因，为油田采取有效的堵水措施以及对油藏进行优化提供科学依据。

D井为产液剖面井，在改层生产后日出水达到230 m³，怀疑产层下部存在水窜现象。本井通过能谱水流测井寻找井底水窜层。能谱水流测井资料解释见图 9。本次测井资料显示温度在S处（4 875 m）存在明显异常拐点，定性分析为可能管外窜位置，通过能谱水流定量计算发现在T处（4 879 m）未检测到上水流峰，而在U处（4 871 m）仪器记录值存在明显的上水流峰，确定井底S处发了管外水窜。通过追踪上水流大小时发现在V（4 800 m）和W（4 840 m）两测点处的测量值显示水流量相等，说明流体截面积未发生变化，而提供的油管工程深度值在X处（4 819 m），与能谱水流解释结果矛盾。通过本次测量的磁定位与固井时记录的节箍比对和油管下深记录表发现本井实际油管鞋位于Y处（4 846 m），超设计油管下深45 m。

3 结论

（1）能谱水流测井的适应性很好。常规同位素示踪容易受到沾污、沉降以及大孔道、裂缝发育等因素影响，能谱水流测井不使用任何放射性示踪剂，不存在污染情况；不受管柱中油污、井下管柱和地层孔隙的影响，可广泛应用于注水剖面测井及管外窜槽的检测；氧活化测井技术测量油套管或环形空间水流时不受水流矿化度、黏度等的影响，在部分注聚合物井中依然适用。

（2）石油开发工程中，能谱水流测井技术应用很广泛，能够较好地满足目前动态监测需求，在检测套管破损情况、封隔器是否失效和确定水窜位置等问题上具有很强的指导意义，为后续油田注水调控、深部调驱等措施的实施提供了丰富例，为海上类似平台位置的优选，提供了宝贵的经验。