張?zhí)m蘭,石耀,王振

(中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)研究院,河北廊坊065201)

0 引 言

氧活化水流測(cè)井儀在油田開(kāi)發(fā)生產(chǎn)中具有重要作用[1],在注水井中可準(zhǔn)確測(cè)量分層吸水量及總吸水量,在產(chǎn)出井中可用于測(cè)定單層出水量和總出水量[2],還可用于封隔器驗(yàn)封,套管漏失,地層竄槽等情況的監(jiān)測(cè)。因此,在管外找竄、封隔器漏失評(píng)價(jià)、尋找出水點(diǎn)及注水井注入量測(cè)量等方面,氧活化水流測(cè)井技術(shù)具有廣泛應(yīng)用,其中針對(duì)注水井中注入量測(cè)量的使用最為廣泛。然而由于井型、油藏區(qū)塊壓力系統(tǒng)不同,造成注水量由每天幾十立方米到上千立方米不等。由于現(xiàn)有氧活化水流測(cè)井儀源距固定,不能有效覆蓋不同作業(yè)需求,并且目前的氧活化水流測(cè)井儀均采用單芯接頭連接方式,儀器供電和信號(hào)處理都通過(guò)同一總線,造成儀器可靠性差、故障率高等問(wèn)題,導(dǎo)致作業(yè)質(zhì)量不高。為了解決以上問(wèn)題設(shè)計(jì)了新型氧活化水流測(cè)井儀(The New Oxygen Flow Inspection Tool,簡(jiǎn)稱FIT)。

1 測(cè)井原理

1.1 物理基礎(chǔ)

中子與地層的相互作用是核測(cè)井的基礎(chǔ)。中子發(fā)生器產(chǎn)生能量為14 MeV的快中子射入地層,首先與地層元素發(fā)生非彈性散射,這個(gè)過(guò)程幾乎是立即產(chǎn)生(時(shí)間約10-8～10-7s),在受激核躍遷到基態(tài)時(shí),發(fā)射非彈性散射伽馬射線,稱為非彈性散射階段。接著是彈性散射過(guò)程,中子與原子核發(fā)生碰撞后,系統(tǒng)的總動(dòng)能不變,中子所損失的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)變?yōu)榉礇_核的動(dòng)能。經(jīng)過(guò)10-6～10-3s的彈性散射后,幾乎所有的快中子都被慢化成熱中子,同時(shí)熱中子不斷地被周圍介質(zhì)俘獲(靶核俘獲一個(gè)熱中子變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)的復(fù)核,復(fù)核退激回到基態(tài))釋放俘獲伽馬射線。最后放出的伽馬射線是由于活化(中子與原子核發(fā)生反應(yīng),生成原子核的同位素,同位素衰變的過(guò)程)衰變而產(chǎn)生的。脈沖中子測(cè)井主要利用以上這4種反應(yīng)。

1.2 氧活化測(cè)井原理

氧活化水流測(cè)井利用中子與地層相互作用的第4個(gè)階段,即活化反應(yīng)階段。通過(guò)測(cè)量氧活化后發(fā)射的伽馬射線可以探測(cè)到水流中的氧元素[3]。能量超過(guò)10 MeV的快中子被用來(lái)活化氧原子核以產(chǎn)生氮同位素。放射性氮同位素發(fā)生β衰變,半衰期是7.13 s。β衰變之后發(fā)射高能γ射線,主要是能量為6.13 MeV的射線。由于能量高,6.13 MeV的伽馬射線能穿透幾十厘米厚的井眼物質(zhì),如井內(nèi)流體、油管、套管、水泥等,能夠滿足油管、環(huán)空、地層等不同位置的水流探測(cè)。通過(guò)計(jì)算活化水到達(dá)探測(cè)器的時(shí)間,即中子爆發(fā)至探測(cè)到伽馬特征峰的平均時(shí)間,根據(jù)源距大小求出水流速度,再根據(jù)水流所在的界面即可算出水流量[4-6]。

2 新型氧活化水流測(cè)井儀設(shè)計(jì)方案

2.1 測(cè)量模式

為了解決現(xiàn)有氧活化水流測(cè)井儀水流速度測(cè)量范圍窄、儀器穩(wěn)定性差、資料可靠性不強(qiáng)等問(wèn)題,有必要重新設(shè)計(jì)氧活化水流測(cè)井儀。該儀器測(cè)量水流量的方式分為連續(xù)測(cè)量模式和脈沖測(cè)量模式。新型氧活化水流測(cè)井儀FIT采用脈沖測(cè)量模式,即中子發(fā)生器按照一定時(shí)序激發(fā)中子,伽馬探測(cè)器按照響應(yīng)時(shí)序探測(cè)伽馬射線。新型氧活化水流測(cè)井儀FIT配接中海油田服務(wù)股分有限公司單芯電纜套管井高速測(cè)井系統(tǒng),構(gòu)成完整的氧活化水流測(cè)井儀。

2.2 技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)井指標(biāo)要求,新型氧活化水流測(cè)井儀優(yōu)化機(jī)械設(shè)計(jì),采用先進(jìn)的通訊電路設(shè)計(jì)和抗干擾技術(shù),使用高標(biāo)準(zhǔn)的電子元器件。儀器支持連續(xù)測(cè)量,能與常規(guī)生產(chǎn)測(cè)井儀器組合使用,主要參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 FIT技術(shù)指標(biāo)

2.3 機(jī)械設(shè)計(jì)

(1)新型氧活化水流測(cè)井儀材料的選擇。為了達(dá)到過(guò)油管測(cè)量和降低儀器在大斜度井和水平井中遇卡風(fēng)險(xiǎn),儀器外徑設(shè)計(jì)為38 mm。為了增加儀器強(qiáng)度,儀器主體采用17-4PH材料,內(nèi)部電子線路骨架采用304鋼材,在保證儀器強(qiáng)度的情況下,儀器韌性達(dá)到較好水平。

(2)新型氧活化水流測(cè)井儀短節(jié)的劃分。為了解決實(shí)際生產(chǎn)中遇到的超高和超低流速監(jiān)測(cè)問(wèn)題,通過(guò)優(yōu)化機(jī)械設(shè)計(jì),將整串儀器按照功能細(xì)分為6個(gè)短節(jié),可根據(jù)實(shí)際水流情況,靈活改變探測(cè)器源距,增大了高速水流速度測(cè)量范圍[5]。新型氧活化水流測(cè)井儀包含通訊短節(jié)1支、上采集短節(jié)1支、中子發(fā)生器短節(jié)1支、加長(zhǎng)采集短節(jié)多支(通常為3支)、延長(zhǎng)短節(jié)多支。

通訊短節(jié)在最上部,連接中海油田服務(wù)股份有限公司單芯電纜套管井高速測(cè)井系統(tǒng)傳輸短節(jié)WTC,中子發(fā)生器短節(jié)在中間,上采集短節(jié)和加長(zhǎng)采集短節(jié)分布在中子發(fā)生器短節(jié)兩側(cè),其中1個(gè)或多個(gè)加長(zhǎng)采集短節(jié)在通訊短節(jié)和上采集短節(jié)之間,其余加長(zhǎng)采集短節(jié)在中子發(fā)生器短節(jié)的另外一側(cè)。測(cè)井時(shí)通常使用2支加長(zhǎng)采集短節(jié)作為下采集短節(jié)和加長(zhǎng)下采集短節(jié),一支加長(zhǎng)采集短節(jié)作為加長(zhǎng)上采集短節(jié)。加長(zhǎng)采集短節(jié)完全相同,且能夠自動(dòng)識(shí)別自身在儀器串中所在位置,提高測(cè)井效率。延長(zhǎng)短節(jié)可以任意分布在不同短節(jié)之間,長(zhǎng)度可變,可以根據(jù)需要安裝1個(gè)到多個(gè)的延長(zhǎng)短節(jié),在不增加探頭數(shù)量的情況下擴(kuò)大測(cè)量范圍,節(jié)省成本。

(3)探頭排布。通訊短節(jié)上裝有1個(gè)伽馬探頭,上采集和加長(zhǎng)采集短節(jié)上各有3個(gè)探頭。根據(jù)大量實(shí)踐數(shù)據(jù)確定了每支短節(jié)探頭分布距離。整串儀器最多可擁有13個(gè)伽馬探頭。同時(shí)通過(guò)增大近源距探頭晶體尺寸,增加了探頭靈敏度,增強(qiáng)了儀器對(duì)低速水流的響應(yīng),擴(kuò)展了低速水流測(cè)量范圍。

2.4 電氣設(shè)計(jì)

新型氧活化水流測(cè)井儀FIT上采集短節(jié)和中子發(fā)生器短節(jié)之間采用15芯總線協(xié)議,其余短節(jié)之間采用7芯總線協(xié)議。FIT采用7芯及15芯總線協(xié)議,將供電和信號(hào)隔離,有效提高儀器穩(wěn)定性、可靠性。其中,通訊短節(jié)上接頭7芯總線協(xié)議與其他短節(jié)7芯總線協(xié)議不同,采用中海油田服務(wù)有限公司單芯電纜套管井高速測(cè)井系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)7芯總線電氣定義,通訊使用CAN總線;FIT其他短節(jié)7芯總線采用自定義7芯總線,通訊使用485通訊協(xié)議。即FIT和傳輸短節(jié)WTC之間采用CAN總線通信協(xié)議,FIT各短節(jié)之間采用485總線通訊協(xié)議。

2.5 組合PLT測(cè)井儀的實(shí)現(xiàn)

FIT儀器串實(shí)現(xiàn)組合生產(chǎn)測(cè)井儀器(Production Logging Tool,PLT)測(cè)量是通過(guò)2個(gè)轉(zhuǎn)換短節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在高速傳輸短節(jié)WTC(EWTC38系列)和FIT儀器串之間添加上轉(zhuǎn)換短節(jié)Adapter Up,在FIT儀器串下端設(shè)計(jì)了下轉(zhuǎn)換短節(jié)Adapter Down,PLT測(cè)井儀通過(guò)Adapter Down直接與FIT儀器串連接。Adapter Down短節(jié)通過(guò)貫通線穿過(guò)FIT和Adapter Up連接,該貫通線只傳輸交替反轉(zhuǎn)碼編碼信號(hào),該短節(jié)負(fù)責(zé)把氧活化下端的7芯總線轉(zhuǎn)換為單芯總線,給PLT儀器供電(18 V)。Adapter Up短節(jié)負(fù)責(zé)把貫通線上的信號(hào)解碼,轉(zhuǎn)換成CAN協(xié)議包發(fā)送給高速傳輸短節(jié)WTC。設(shè)計(jì)Adapter Up和Adapter Down短節(jié)實(shí)現(xiàn)了多芯總線到單芯總線的轉(zhuǎn)換,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了兩串儀器通訊協(xié)議的統(tǒng)一,達(dá)到組合測(cè)量的目的。

3 應(yīng)用實(shí)例

新型氧活化水流測(cè)井儀在南海區(qū)域某產(chǎn)出井作業(yè),完成探測(cè)井下2 180.842 m處封隔器密封情況,并測(cè)量該井產(chǎn)出剖面。在2 180.842 m封隔器上下各設(shè)計(jì)2～3個(gè)測(cè)點(diǎn),觀察測(cè)點(diǎn)有無(wú)環(huán)空譜峰來(lái)驗(yàn)證封隔器密封性。如圖1和圖2所示,在2 180.842 m處封隔器插入密封上下的測(cè)點(diǎn)均存在穩(wěn)定的環(huán)空上水流譜峰,反映2 180.842 m插入密封失效。

圖1 插入密封上部測(cè)點(diǎn)

圖2 插入密封下部測(cè)點(diǎn)

全流量段油套環(huán)空和油管內(nèi)各設(shè)計(jì)3個(gè)測(cè)點(diǎn),取平均值用于全流量計(jì)算。圖3為2 155 m油套環(huán)空測(cè)點(diǎn)上水流譜峰,用于計(jì)算產(chǎn)出全流量。圖4為2 155 m油管內(nèi)測(cè)點(diǎn)下水流譜峰,用于計(jì)算油管下水流流量。經(jīng)計(jì)算,油套環(huán)空上水流全流量平均值為366.1 m3/d,油管下水流流量平均值為37.6 m3/d。實(shí)際產(chǎn)出水流量為油套環(huán)空平均量減去油管下水流流量:366.1-37.6=328.5 m3/d,與井口計(jì)量值326.4 m3/d基本一致。

由于新型氧活化水流測(cè)井儀使用多芯總線,將信號(hào)和供電隔離,使得儀器通訊穩(wěn)定性較高,工作過(guò)程中不會(huì)因?yàn)橹凶影l(fā)生器周期性高壓變化而造成信號(hào)干擾,進(jìn)而影響測(cè)井資料質(zhì)量。新型氧活化水流測(cè)井儀測(cè)井時(shí),可根據(jù)測(cè)量不同水流速度對(duì)儀器各短節(jié)進(jìn)行不同組合。由于氧元素活化衰變的時(shí)間是固定的,一般流速較大時(shí),為了探測(cè)到水流峰,儀器組合短節(jié)數(shù)較多;流速較小時(shí),儀器組合短節(jié)數(shù)較少。同時(shí),可根據(jù)水流流向,決定儀器組合時(shí)是否使用加長(zhǎng)上采集短節(jié)或加長(zhǎng)下采集短節(jié)。

另外,在注入或產(chǎn)出井中確定封隔器密封效果、漏失部位、水流進(jìn)出口等問(wèn)題時(shí),可以采用FIT儀器組合PLT儀器的測(cè)井模式。先進(jìn)行PLT測(cè)井,再進(jìn)行FIT測(cè)井,一方面可以減小雜物影響渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn),另外一方面可以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì),彌補(bǔ)不足。如果先進(jìn)行PLT測(cè)井,可以預(yù)估漏點(diǎn)或水流進(jìn)出口,FIT測(cè)點(diǎn)數(shù)量將會(huì)大大減少,節(jié)省作業(yè)時(shí)間,同時(shí)也可提前排除不確定因素,降低分析難度。

圖3 油套環(huán)空上水流

圖4 油管下水流

4 結(jié) 論

(1)新型氧活化水流測(cè)井儀通過(guò)短節(jié)的合理設(shè)計(jì),使探頭合理分布,擴(kuò)展了水流速度測(cè)量范圍,適用范圍更加廣泛。

(2)采用多芯總線及隔離技術(shù),增強(qiáng)了穩(wěn)定性和測(cè)量資料可靠性,可應(yīng)用于各種復(fù)雜環(huán)境下的驗(yàn)證封隔器密封效果、環(huán)空水流測(cè)量、地層找竄找漏等問(wèn)題。

(3)結(jié)合先進(jìn)的地面采集系統(tǒng),新型氧活化水流測(cè)井儀可實(shí)時(shí)計(jì)算流量,降低現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)控難度。