新型氧活化水流測井儀設計

張蘭蘭,石耀,王振

(中海油田服務股份有限公司油田技術研究院,河北廊坊065201)

0 引 言

氧活化水流測井儀在油田開發生產中具有重要作用[1],在注水井中可準確測量分層吸水量及總吸水量,在產出井中可用于測定單層出水量和總出水量[2],還可用于封隔器驗封,套管漏失,地層竄槽等情況的監測。因此,在管外找竄、封隔器漏失評價、尋找出水點及注水井注入量測量等方面,氧活化水流測井技術具有廣泛應用,其中針對注水井中注入量測量的使用最為廣泛。然而由于井型、油藏區塊壓力系統不同,造成注水量由每天幾十立方米到上千立方米不等。由于現有氧活化水流測井儀源距固定,不能有效覆蓋不同作業需求,并且目前的氧活化水流測井儀均采用單芯接頭連接方式,儀器供電和信號處理都通過同一總線,造成儀器可靠性差、故障率高等問題,導致作業質量不高。為了解決以上問題設計了新型氧活化水流測井儀(The New Oxygen Flow Inspection Tool,簡稱FIT)。

1 測井原理

1.1 物理基礎

中子與地層的相互作用是核測井的基礎。中子發生器產生能量為14 MeV的快中子射入地層,首先與地層元素發生非彈性散射,這個過程幾乎是立即產生(時間約10-8～10-7s),在受激核躍遷到基態時,發射非彈性散射伽馬射線,稱為非彈性散射階段。接著是彈性散射過程,中子與原子核發生碰撞后,系統的總動能不變,中子所損失的動能全部轉變為反沖核的動能。經過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,同時熱中子不斷地被周圍介質俘獲(靶核俘獲一個熱中子變為激發態的復核,復核退激回到基態)釋放俘獲伽馬射線。最后放出的伽馬射線是由于活化(中子與原子核發生反應,生成原子核的同位素,同位素衰變的過程)衰變而產生的。脈沖中子測井主要利用以上這4種反應。

1.2 氧活化測井原理

氧活化水流測井利用中子與地層相互作用的第4個階段,即活化反應階段。通過測量氧活化后發射的伽馬射線可以探測到水流中的氧元素[3]。能量超過10 MeV的快中子被用來活化氧原子核以產生氮同位素。放射性氮同位素發生β衰變,半衰期是7.13 s。β衰變之后發射高能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,如井內流體、油管、套管、水泥等,能夠滿足油管、環空、地層等不同位置的水流探測。通過計算活化水到達探測器的時間,即中子爆發至探測到伽馬特征峰的平均時間,根據源距大小求出水流速度,再根據水流所在的界面即可算出水流量[4-6]。

2 新型氧活化水流測井儀設計方案

2.1 測量模式

為了解決現有氧活化水流測井儀水流速度測量范圍窄、儀器穩定性差、資料可靠性不強等問題,有必要重新設計氧活化水流測井儀。該儀器測量水流量的方式分為連續測量模式和脈沖測量模式。新型氧活化水流測井儀FIT采用脈沖測量模式,即中子發生器按照一定時序激發中子,伽馬探測器按照響應時序探測伽馬射線。新型氧活化水流測井儀FIT配接中海油田服務股分有限公司單芯電纜套管井高速測井系統,構成完整的氧活化水流測井儀。

2.2 技術指標

根據現場測井指標要求,新型氧活化水流測井儀優化機械設計,采用先進的通訊電路設計和抗干擾技術,使用高標準的電子元器件。儀器支持連續測量,能與常規生產測井儀器組合使用,主要參數指標見表1。

表1 FIT技術指標

2.3 機械設計

(1)新型氧活化水流測井儀材料的選擇。為了達到過油管測量和降低儀器在大斜度井和水平井中遇卡風險,儀器外徑設計為38 mm。為了增加儀器強度,儀器主體采用17-4PH材料,內部電子線路骨架采用304鋼材,在保證儀器強度的情況下,儀器韌性達到較好水平。

(2)新型氧活化水流測井儀短節的劃分。為了解決實際生產中遇到的超高和超低流速監測問題,通過優化機械設計,將整串儀器按照功能細分為6個短節,可根據實際水流情況,靈活改變探測器源距,增大了高速水流速度測量范圍[5]。新型氧活化水流測井儀包含通訊短節1支、上采集短節1支、中子發生器短節1支、加長采集短節多支(通常為3支)、延長短節多支。

通訊短節在最上部,連接中海油田服務股份有限公司單芯電纜套管井高速測井系統傳輸短節WTC,中子發生器短節在中間,上采集短節和加長采集短節分布在中子發生器短節兩側,其中1個或多個加長采集短節在通訊短節和上采集短節之間,其余加長采集短節在中子發生器短節的另外一側。測井時通常使用2支加長采集短節作為下采集短節和加長下采集短節,一支加長采集短節作為加長上采集短節。加長采集短節完全相同,且能夠自動識別自身在儀器串中所在位置,提高測井效率。延長短節可以任意分布在不同短節之間,長度可變,可以根據需要安裝1個到多個的延長短節,在不增加探頭數量的情況下擴大測量范圍,節省成本。

(3)探頭排布。通訊短節上裝有1個伽馬探頭,上采集和加長采集短節上各有3個探頭。根據大量實踐數據確定了每支短節探頭分布距離。整串儀器最多可擁有13個伽馬探頭。同時通過增大近源距探頭晶體尺寸,增加了探頭靈敏度,增強了儀器對低速水流的響應,擴展了低速水流測量范圍。

2.4 電氣設計

新型氧活化水流測井儀FIT上采集短節和中子發生器短節之間采用15芯總線協議,其余短節之間采用7芯總線協議。FIT采用7芯及15芯總線協議,將供電和信號隔離,有效提高儀器穩定性、可靠性。其中,通訊短節上接頭7芯總線協議與其他短節7芯總線協議不同,采用中海油田服務有限公司單芯電纜套管井高速測井系統標準7芯總線電氣定義,通訊使用CAN總線;FIT其他短節7芯總線采用自定義7芯總線,通訊使用485通訊協議。即FIT和傳輸短節WTC之間采用CAN總線通信協議,FIT各短節之間采用485總線通訊協議。

2.5 組合PLT測井儀的實現

FIT儀器串實現組合生產測井儀器(Production Logging Tool,PLT)測量是通過2個轉換短節來實現。在高速傳輸短節WTC(EWTC38系列)和FIT儀器串之間添加上轉換短節Adapter Up,在FIT儀器串下端設計了下轉換短節Adapter Down,PLT測井儀通過Adapter Down直接與FIT儀器串連接。Adapter Down短節通過貫通線穿過FIT和Adapter Up連接,該貫通線只傳輸交替反轉碼編碼信號,該短節負責把氧活化下端的7芯總線轉換為單芯總線,給PLT儀器供電(18 V)。Adapter Up短節負責把貫通線上的信號解碼,轉換成CAN協議包發送給高速傳輸短節WTC。設計Adapter Up和Adapter Down短節實現了多芯總線到單芯總線的轉換,同時實現了兩串儀器通訊協議的統一,達到組合測量的目的。

3 應用實例

新型氧活化水流測井儀在南海區域某產出井作業,完成探測井下2 180.842 m處封隔器密封情況,并測量該井產出剖面。在2 180.842 m封隔器上下各設計2～3個測點,觀察測點有無環空譜峰來驗證封隔器密封性。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點均存在穩定的環空上水流譜峰,反映2 180.842 m插入密封失效。

圖1 插入密封上部測點

圖2 插入密封下部測點

全流量段油套環空和油管內各設計3個測點,取平均值用于全流量計算。圖3為2 155 m油套環空測點上水流譜峰,用于計算產出全流量。圖4為2 155 m油管內測點下水流譜峰,用于計算油管下水流流量。經計算,油套環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。實際產出水流量為油套環空平均量減去油管下水流流量:366.1-37.6=328.5 m3/d,與井口計量值326.4 m3/d基本一致。

由于新型氧活化水流測井儀使用多芯總線,將信號和供電隔離,使得儀器通訊穩定性較高,工作過程中不會因為中子發生器周期性高壓變化而造成信號干擾,進而影響測井資料質量。新型氧活化水流測井儀測井時,可根據測量不同水流速度對儀器各短節進行不同組合。由于氧元素活化衰變的時間是固定的,一般流速較大時,為了探測到水流峰,儀器組合短節數較多;流速較小時,儀器組合短節數較少。同時,可根據水流流向,決定儀器組合時是否使用加長上采集短節或加長下采集短節。

另外,在注入或產出井中確定封隔器密封效果、漏失部位、水流進出口等問題時,可以采用FIT儀器組合PLT儀器的測井模式。先進行PLT測井,再進行FIT測井,一方面可以減小雜物影響渦輪轉動的風險,另外一方面可以充分發揮各自的優勢,彌補不足。如果先進行PLT測井,可以預估漏點或水流進出口,FIT測點數量將會大大減少,節省作業時間,同時也可提前排除不確定因素,降低分析難度。

圖3 油套環空上水流

圖4 油管下水流

4 結 論

(1)新型氧活化水流測井儀通過短節的合理設計,使探頭合理分布,擴展了水流速度測量范圍,適用范圍更加廣泛。

(2)采用多芯總線及隔離技術,增強了穩定性和測量資料可靠性,可應用于各種復雜環境下的驗證封隔器密封效果、環空水流測量、地層找竄找漏等問題。

(3)結合先進的地面采集系統,新型氧活化水流測井儀可實時計算流量,降低現場質控難度。