溫度觀察井中空心抽油桿方位測(cè)井技術(shù)研究

馬靜

(中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程有限公司測(cè)井公司, 遼寧 盤錦 124011)

0 引 言

遼河油田主要稠油產(chǎn)出區(qū)塊也是蒸汽輔助重力泄油(SAGD)先導(dǎo)技術(shù)的試驗(yàn)區(qū)。為在該區(qū)域獲得連續(xù)、實(shí)時(shí)的溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),通常會(huì)建立溫度觀察井系統(tǒng),將空心抽油桿捆綁在套管上,完井后在空心抽油桿內(nèi)孔下入測(cè)溫光纖,實(shí)現(xiàn)分布式全井段溫度測(cè)量[1]。所下套管一般長(zhǎng)度為13 m,空心抽油桿長(zhǎng)度為7～8 m[2],套管和空心抽油桿捆綁后采用旋扣方式連接,這就造成空心抽油桿纏繞或者扭曲在套管外,其纏繞或扭曲的程度隨所下套管深度不同而不同。本文研究擬在確定射孔層段所在位置的空心抽油桿方位,避免射孔時(shí)擊穿空心抽油桿,保證稠油區(qū)塊的后期實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)順利進(jìn)行。

1 空心抽油桿方位測(cè)井

空心抽油桿方位測(cè)井是一種確定套管外空心抽油桿方位的技術(shù)。該技術(shù)利用放射源標(biāo)記空心抽油桿位置,水泥密度測(cè)井儀記錄井周不同探頭伽馬計(jì)數(shù)率,陀螺測(cè)斜儀配接在水泥密度儀上測(cè)量組合儀的方位。測(cè)井時(shí),把放射性導(dǎo)引儀下到空心抽油桿內(nèi),陀螺測(cè)斜儀和水泥密度組合儀下入套管內(nèi),控制儀器探頭與放射源在同一深度并記錄伽馬計(jì)數(shù)率和儀器自轉(zhuǎn)角度。通過(guò)對(duì)伽馬計(jì)數(shù)率的優(yōu)選和處理,計(jì)算不同深度空心抽油桿方位角,繪制套管外空心抽油桿方位軌跡圖。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試由2套地面系統(tǒng)配合作業(yè),一套地面系統(tǒng)控制放射性導(dǎo)引儀的上提和下放;另一套地面系統(tǒng)控制組合儀的深度位置和采集數(shù)據(jù)。將導(dǎo)引儀下入空心抽油桿內(nèi)某一深度點(diǎn),再將組合儀下入套管內(nèi),在導(dǎo)引儀所在深度上下移動(dòng)組合儀,尋找水泥密度測(cè)井儀6個(gè)伽馬探頭數(shù)據(jù)達(dá)到最大時(shí)的深度點(diǎn),在該點(diǎn)停住儀器,數(shù)據(jù)穩(wěn)定后采集該點(diǎn)數(shù)據(jù)。全井段采用上提點(diǎn)測(cè)方式,測(cè)點(diǎn)密度可根據(jù)井況設(shè)計(jì),一般隨井深增大而增加并且在油氣層位置適當(dāng)加密。

1.1 測(cè)井儀器的組合和改進(jìn)

空心抽油桿方位測(cè)井組合儀由陀螺測(cè)斜儀和水泥密度測(cè)井儀2種儀器組成(見(jiàn)圖1)。陀螺測(cè)斜儀的原理是應(yīng)用撓性速率陀螺和石英加速度計(jì)構(gòu)成捷聯(lián)式數(shù)學(xué)平臺(tái),通過(guò)測(cè)量被測(cè)點(diǎn)的地球自轉(zhuǎn)角速度并將其通過(guò)單芯電纜傳回到地面,經(jīng)地面儀器處理后得出定向參數(shù),利用陀螺測(cè)斜儀測(cè)量組合儀的自轉(zhuǎn)角度。研究采用MDRO型陀螺測(cè)斜儀,儀器外徑38 mm,長(zhǎng)度2.5 m,方位角測(cè)量范圍0°～360°,誤差≤±2.5°。水泥密度測(cè)井儀有2種源距的探頭組,其中長(zhǎng)源距處有6個(gè)周向排布的探頭,用于測(cè)量井周不同扇區(qū)伽馬計(jì)數(shù)率,研究利用不安裝放射源的水泥密度測(cè)井儀測(cè)量空心抽油桿內(nèi)放射性導(dǎo)引儀所在位置的放射性活度。

圖1 空心抽油桿方位測(cè)井組合儀

配接儀器需要解決2個(gè)問(wèn)題。

(1) 2種儀器接頭不同芯無(wú)法直接通信。陀螺測(cè)斜儀的接頭為單芯,水泥密度測(cè)井儀的接頭為多芯。為此,設(shè)計(jì)加工了七轉(zhuǎn)單轉(zhuǎn)接頭和固定連接頭2個(gè)接頭。將魚(yú)雷與陀螺儀通過(guò)七轉(zhuǎn)單轉(zhuǎn)接頭相連,陀螺儀底部連接固定連接頭,下部接水泥密度測(cè)井儀,纜芯線通過(guò)外接的方式由七轉(zhuǎn)單轉(zhuǎn)接頭引出,在固定連接接頭上引入完成信號(hào)傳輸。儀器采用體外連接,制作了接頭保護(hù)殼包裹裸露在外的接頭部位,在該位置填充與涂抹絕緣硅脂解決儀器下井時(shí)的絕緣問(wèn)題。

(2) 鎖定陀螺測(cè)斜儀母線與水泥密度測(cè)井儀6個(gè)伽馬探頭之間的周向相對(duì)位置,以此確定測(cè)井時(shí)探頭所處方位。將水泥密度測(cè)井儀的伽馬探頭按順時(shí)針編號(hào)為1～6號(hào),利用卡塞固定水泥密度測(cè)井儀的6個(gè)伽馬探頭并使其在周向上均勻分布,然后在儀器外殼上標(biāo)記出1號(hào)探頭所在位置。將組合儀上陀螺測(cè)斜儀器外殼起始標(biāo)記點(diǎn)與1號(hào)探頭的夾角設(shè)為M,實(shí)測(cè)時(shí),在井口找到正北作一個(gè)標(biāo)記,將陀螺測(cè)斜儀測(cè)管外的起始標(biāo)記對(duì)準(zhǔn)井口標(biāo)記,作為方位角的起始點(diǎn),測(cè)斜儀放入井內(nèi)后會(huì)任意轉(zhuǎn)動(dòng),此時(shí)經(jīng)陀螺儀測(cè)出其旋轉(zhuǎn)角度,剔除無(wú)效轉(zhuǎn)角加上M即1號(hào)探頭的真實(shí)方位。

1.2 放射性導(dǎo)引儀

為實(shí)現(xiàn)對(duì)空心軸油桿的定位,需要用放射源指示空心抽油桿在套管外的位置?？招某橛蜅U內(nèi)徑一般為28 mm,纏繞或扭曲在套管上,要求裝有放射性物質(zhì)的導(dǎo)引儀不能過(guò)輕,也不能過(guò)粗,否則很難下到井底;導(dǎo)引儀長(zhǎng)度不能過(guò)長(zhǎng),以減少遇卡可能;放射源有效長(zhǎng)度在可探測(cè)的基礎(chǔ)上盡量縮短,保證探測(cè)的深度點(diǎn)更準(zhǔn)確。經(jīng)過(guò)反復(fù)模擬試驗(yàn)確定導(dǎo)引儀采用合金鋼棒體,長(zhǎng)800 mm,直徑18 mm,放射源長(zhǎng)度100 mm(見(jiàn)圖2)。

圖2 放射性導(dǎo)引儀

2 解釋方法

2.1 理論分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)施工控制放射源和水泥密度測(cè)井儀的伽馬探頭在同一平面上。根據(jù)所測(cè)伽馬計(jì)數(shù)率可知,放射源位于計(jì)數(shù)率較大的2個(gè)探頭之間。將井下某一深度位置套管和空心抽油桿初始成數(shù)學(xué)模型(見(jiàn)圖3),A、B為水泥密度測(cè)井儀相鄰2個(gè)伽馬探頭所在位置,A、B到O2的距離為源距。改裝后的水泥密度測(cè)井儀器在理論上6個(gè)伽馬探頭均勻分布,即相鄰2個(gè)探頭夾角為60°。若建立源距X和伽馬計(jì)數(shù)率之間的關(guān)系即可求取角α(空心抽油桿相對(duì)某一探頭的夾角),空心抽油桿和1號(hào)探頭順時(shí)針角度為α+i×60(i=0,1,2,3,4,5),1號(hào)探頭所在方位可通過(guò)陀螺測(cè)斜儀所測(cè)數(shù)據(jù)獲得。

圖3 理論模型示意圖

2.2 方法模型

為研究伽馬計(jì)數(shù)率和放射源方位關(guān)系,在模擬井井口正北方向緊貼套管放置一根長(zhǎng)20 cm、直徑40 mm的空心鋼管,放射性導(dǎo)引儀居中放入空心鋼管內(nèi)并在鋼管外標(biāo)出放射源有效長(zhǎng)度中心位置,改裝后的水泥密度測(cè)井儀下放到刻度井中使伽馬探頭與放射源在同一平面上,1號(hào)探頭正對(duì)放射源有效長(zhǎng)度的中心,保持儀器居中并無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量伽馬計(jì)數(shù)率。該點(diǎn)作為方位起始點(diǎn),沿套管外壁移動(dòng)空心鋼管,移動(dòng)間隔15°,共記錄24組數(shù)據(jù)。由表1可見(jiàn)空心鋼管正對(duì)著儀器的某一個(gè)探頭時(shí)有一個(gè)極大的計(jì)數(shù)率值;當(dāng)空心鋼管在某2個(gè)探頭之間時(shí)有一個(gè)最大和次大計(jì)數(shù)率值。

表1 空心鋼管方位角和伽馬計(jì)數(shù)率數(shù)據(jù)表

在已知夾角α和模擬井井身數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,利用式(1)求出每個(gè)固定角度對(duì)邊邊長(zhǎng)(源距)

Xi=R2+r2-2Rrcosαi

(i=1,2,…,N)

(1)

式中,X為源距,mm;R為空心鋼管與套管中心距離,mm;r為模擬井套管的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)徑,mm。

將刻度數(shù)據(jù)做歸一化處理,每個(gè)探頭測(cè)量的伽馬計(jì)數(shù)率與該組計(jì)數(shù)率總和作比值,建立不同探頭計(jì)數(shù)率比與源距關(guān)系圖版(見(jiàn)圖4)。在關(guān)系圖版中,源距和伽馬計(jì)數(shù)率之間存在著很好的對(duì)數(shù)關(guān)系,擬合公式為

Yi=alnSi+b

R2=0.979 (2)

式中,a、b為擬合系數(shù);Si為i探頭所測(cè)伽馬計(jì)數(shù)率。

由三角形的余弦定理和式(2)可得

圖4 S1～S6探頭伽馬計(jì)數(shù)率與源距關(guān)系圖版

式中,YM為計(jì)數(shù)率最大值對(duì)應(yīng)探頭的源距,mm;

YL為計(jì)數(shù)率次大值對(duì)應(yīng)探頭的源距,mm。

式(3)所求α為放射源與最大伽馬計(jì)數(shù)率所在探頭位置的夾角。已知探頭標(biāo)號(hào),便得出放射源相對(duì)1號(hào)探頭的角度,進(jìn)而獲得空心抽油桿方位。

2.3 誤差分析

利用式(3)對(duì)模擬井進(jìn)行驗(yàn)算。表2中計(jì)算值與實(shí)際角度之間的誤差小于4°,解釋模型具有較好的準(zhǔn)確性。本文研究建立的解釋圖版為空氣中刻度獲得,實(shí)際測(cè)井時(shí),井內(nèi)充滿不同介質(zhì),應(yīng)建立不同介質(zhì)的解釋圖版,增加計(jì)算的準(zhǔn)確性。

表2 誤差分析表

模擬井測(cè)試中還發(fā)現(xiàn),伽馬探頭處于放射源有效長(zhǎng)度范圍內(nèi)時(shí),計(jì)數(shù)率明顯大于其他位置數(shù)值,理論上通過(guò)上下移動(dòng)儀器能夠找到放射源有效長(zhǎng)度的中心,使伽馬探頭與放射源處于同一平面減小深度誤差。研究使用導(dǎo)引儀放射源有效長(zhǎng)度為10 cm,深度誤差小于10 cm,空心抽油桿為硬質(zhì)鋼管在較短距離上角度偏差很小,可忽略不計(jì)。

3 解釋方法的應(yīng)用

應(yīng)用改裝后的方位測(cè)井組合儀在研究區(qū)已經(jīng)完成多口井的測(cè)試,針對(duì)杜84-觀×井的部分測(cè)試數(shù)據(jù),在所列深度點(diǎn)數(shù)據(jù)中可以找到計(jì)數(shù)率的2個(gè)大值,利用解釋模型進(jìn)行計(jì)算并剔除組合儀自轉(zhuǎn)角度影響繪制了該井的空心抽油桿方位軌跡散點(diǎn)圖(見(jiàn)圖5)。

圖5 杜84-觀×井空心抽油桿方位軌跡散點(diǎn)圖

現(xiàn)場(chǎng)可直接觀測(cè)井口位置的空心抽油桿方位,使用羅盤測(cè)得杜84-觀×井的井口位置空心抽油桿與正北夾角為88°,圖4中可知距離井口4.8 m處的空心抽油桿方位角為93°,2個(gè)數(shù)據(jù)誤差很小,證明了解釋結(jié)果的可靠性。

4 結(jié)束語(yǔ)

(1) 確定溫度觀察井中空心抽油桿方位是一項(xiàng)較新的測(cè)井技術(shù),該技術(shù)可以有效應(yīng)用于溫度觀察井中,指導(dǎo)定方位射孔。

(2) 通過(guò)理論分析和數(shù)學(xué)建模,給出了空心抽油桿井下方位特定地解釋模型,實(shí)現(xiàn)了不同深度空心抽油桿方位角的計(jì)算。

參考文獻(xiàn):

[1] 尤洪軍, 王宏遠(yuǎn), 劉洪濤, 等. 溫度觀察井系統(tǒng)在超稠油SAGD開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用 [J]. 油氣地質(zhì)與采收率, 2008, 15(3): 99-101.

[2] 扈道明, 趙順強(qiáng), 王同斌. 空心抽油桿的參數(shù)及其應(yīng)用特點(diǎn) [J]. 石油機(jī)械, 1994, 22(5): 56-59.