許佳良，王建夫，喬 寬，周照恒，李自遠(yuǎn)

（華北石油管理局有限公司江蘇儲(chǔ)氣庫(kù)分公司，江蘇鎮(zhèn)江 212031）

目前我國(guó)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)進(jìn)入快速發(fā)展階段[1]，作為保障造腔安全平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一，油水界面監(jiān)測(cè)越來(lái)越受到重視。在鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)造腔過(guò)程中，溶腔作業(yè)利用鹽巖不溶于柴油的特點(diǎn)，使用柴油作為阻溶劑控制水與鹽巖的接觸面，保護(hù)上部鹽巖層，達(dá)到按照設(shè)計(jì)要求造腔的目的。如果界面未得到有效控制，一方面會(huì)損失造腔體積，影響造腔形狀，進(jìn)而影響后期運(yùn)行的穩(wěn)定性[2]；另一方面如果造腔末期，腔頂發(fā)生溶蝕，會(huì)影響整個(gè)腔體的密封性。所以實(shí)現(xiàn)油水界面的精確測(cè)量顯得尤為重要[3，4]（見(jiàn)圖1）。

圖1 鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)造腔過(guò)程油水界面示意圖Fig.1 Schematic diagram of oil-water interface in cavity formation process of salt cavern gas storage

1 中子壽命測(cè)試油水界面原理

1.1 理論分析

中子壽命測(cè)井監(jiān)測(cè)油水界面的基本原理就是利用柴油和鹵水的熱中子宏觀俘獲截面∑的不同，來(lái)確定油水界面的位置。其中宏觀俘獲截面∑指的是1 cm3體積中該物質(zhì)所有原子核的微觀俘獲截面σi之和[5]。通過(guò)查詢(xún)可以得知σH=0.33b；σO=0.002b；可以根據(jù)單一化合物組成的物質(zhì)熱中子宏觀俘獲截面公式，計(jì)算純水（H2O）及其他典型物質(zhì)常溫狀態(tài)下的俘獲截面值（見(jiàn)表1）。

表1 典型物質(zhì)的熱中子宏觀俘獲截面值Tab.1 Thermal neutron macro capture cross-section value of typical materials

在鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)注水排鹵的造腔過(guò)程中，鹵水中含有大量的NaCl，由于每微克的Na、Cl 的熱中子俘獲截面分別為0.128×10-7cm2和5.4×10-7cm2，每微克NaCl中所含Na 和Cl 的質(zhì)量分別為0.393 μg 和0.607 μg，因此1 μgNaCl 的熱中子俘獲截面經(jīng)計(jì)算可得3.328×10-7cm2。而鹵水通過(guò)綜合計(jì)算得出，當(dāng)濃度在200 g/L～310 g/L 時(shí)，其俘獲截面值在100 c.u.～130 c.u.。

造腔過(guò)程中注入井內(nèi)的油為柴油，它是輕質(zhì)石油產(chǎn)品，復(fù)雜烴類(lèi)（碳原子數(shù)10～22）混合物，參考石油的∑近似為18～22，會(huì)在一個(gè)數(shù)量級(jí)，所以柴油和鹵水俘獲截面相差很大，使得中子壽命測(cè)井能夠分辨出這兩種物質(zhì)的界面。此外，由于中子從中心管內(nèi)產(chǎn)生，然后經(jīng)過(guò)鹵水、中心管、外管后被探測(cè)器監(jiān)測(cè)到，而內(nèi)外管主要由鐵組成，其俘獲截面值為220 c.u.，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于井內(nèi)流體的宏觀截面，但是它只影響到地層宏觀俘獲截面的絕對(duì)值大小，對(duì)區(qū)分油水界面不會(huì)產(chǎn)生影響。綜上，可以得出中子壽命測(cè)井用于油水界面監(jiān)測(cè)的可行性。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

測(cè)試過(guò)程中，當(dāng)快中子變成熱中子，熱中子擴(kuò)散過(guò)程中，地層內(nèi)任意一點(diǎn)的熱中子密度N 可表示為：

在脈沖中子發(fā)射后的時(shí)間間歇內(nèi)，選取兩個(gè)適當(dāng)?shù)难舆t時(shí)間T1、T2，并測(cè)量相應(yīng)時(shí)間內(nèi)熱中子被俘獲后釋放出的俘獲伽馬射線(xiàn)，計(jì)數(shù)率[5]可表示為：

兩式相比可得：

根據(jù)中子壽命的公式：

式中：τ-熱中子壽命；v-熱中子速度；∑-宏觀俘獲截面。

即可求得某一物質(zhì)的宏觀俘獲截面，所以中子壽命測(cè)井過(guò)程中測(cè)量得到N1、N2后，由地面儀器可以通過(guò)計(jì)算推導(dǎo)后可得到相應(yīng)位置物質(zhì)的俘獲截面[6]，由于柴油和鹵水俘獲截面相差很大，使得中子壽命測(cè)井能夠分辨出這兩種物質(zhì)的界面。

2 應(yīng)用分析

通過(guò)以某井測(cè)試為例，經(jīng)過(guò)磁定位曲線(xiàn)和自然伽馬曲線(xiàn)測(cè)得的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行校深[5]后，運(yùn)用中子壽命測(cè)試，經(jīng)由地面儀器分析后得到曲線(xiàn)（見(jiàn)圖2）。

圖2 中子壽命測(cè)試油水界面曲線(xiàn)圖Fig.2 Neutron lifetime logging of oil-water interface

從圖2 可以得出油水界面的分界面非常明顯，測(cè)得的柴油和鹵水的俘獲截面值也在理論的計(jì)算范圍內(nèi)。為了驗(yàn)證中子測(cè)試的準(zhǔn)確性，以某一口井為例，根據(jù)其階段調(diào)整時(shí)測(cè)得腔體形狀和數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖3）。

從中可以得出腔頂，即腔體油水界面控制的實(shí)際深度為1 014.2 m，和中子壽命測(cè)井的監(jiān)測(cè)控制深度1 014.3 m 進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，誤差在0.1 m，基本上完全一致。可見(jiàn)中子壽命測(cè)井在油水界面監(jiān)測(cè)過(guò)程中的準(zhǔn)確性。

另外，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)如果油水界面在244.475 mm 套管的環(huán)空內(nèi)時(shí)，油水界面的深度是無(wú)法測(cè)試到的，無(wú)法做到全井段的測(cè)試；例如在條件一樣的情況下，柴油和鹵水的測(cè)井曲線(xiàn)值一般不會(huì)有明顯變化。但在所示測(cè)試圖2 中，999.46 m 以上有兩個(gè)明顯的測(cè)井值拐點(diǎn)，這是因?yàn)樵?99.46 m 下面為裸眼段，上面為完井段，在984.3 m 下面為完井的鹽巖段，上面為完井的泥巖段，測(cè)井曲線(xiàn)值波動(dòng)很大。主要原因是受到244.475 mm 套管膠結(jié)、周?chē)鄮r及夾層和探測(cè)范圍的影響，泥質(zhì)的俘獲截面主要是由硼造成的，由于泥質(zhì)成分復(fù)雜，∑的變化范圍很大，從25.2 c.u.～66.2 c.u.，但常見(jiàn)的典型數(shù)值為35 c.u.～55 c.u.。這也是導(dǎo)致油水界面值難以區(qū)分的重要原因。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)廣泛研究和對(duì)比，完成了中子壽命測(cè)試油水界面的理論分析，為實(shí)現(xiàn)油水界面準(zhǔn)確測(cè)量提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

（2）實(shí)踐證明通過(guò)克服造腔內(nèi)外管、圍巖（主要是鹽巖）等客觀因素的影響，該方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)裸眼段到腔體內(nèi)油水界面的精確測(cè)量，解決了油水界面難以測(cè)量問(wèn)題。

（3）中子壽命測(cè)井雖然作為一種油水界面監(jiān)測(cè)的方法，無(wú)法做到全井段測(cè)量，但它具有其他方法無(wú)法比擬的準(zhǔn)確性，測(cè)量精度高。

（4）中子壽命測(cè)試油水界面技術(shù)的成功運(yùn)用，保障了鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)造腔過(guò)程的安全平穩(wěn)運(yùn)行，對(duì)我國(guó)的儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)具有重要意義。