環(huán)保型示蹤相關(guān)測井技術(shù)評價

張先華, 鄭華, 張宇, 王麗娟

(大慶油田有限責(zé)任公司測試技術(shù)服務(wù)分公司, 黑龍江 大慶 163453)

0　引　言

放射性示蹤相關(guān)測井能有效滿足較低注入量分層注聚井的注入剖面測井需要[1],目前大慶油田應(yīng)用這項技術(shù)每年測井3 000多口。示蹤相關(guān)測井儀一般帶2個自然伽馬射線探測器和1個電控放射性液體示蹤劑噴射器;測井施工工藝分定點測量和連續(xù)測量2種;資料解釋采用互相關(guān)算法確定示蹤劑流經(jīng)2個固定間距伽馬射線探測器的時間差,或2次在不同深度位置追蹤到示蹤劑的時間差,計算井下流體的流速和流量,解釋進入射孔層的流量[2-4]。

傳統(tǒng)示蹤相關(guān)測井使用含放射性同位素131Ba(半衰期T1/2=11.7 d)或131I(T1/2=8.02 d)的液體示蹤劑,每口井使用放射性同位素的活度為(0.7～3.0)×108Bq。較高的輻射劑量率給施工人員帶來輻射傷害的風(fēng)險[5],較長的半衰期對后續(xù)洗井、測試等操作造成一定影響,因此,有必要研究與應(yīng)用較低放射性活度、較短半衰期的液體示蹤劑。環(huán)保型示蹤相關(guān)測井儀使用低活度137Cs-137 mBa發(fā)生器制備的含短半衰期放射性同位素137 mBa的液體示蹤劑,有利于環(huán)保;在測井儀中對發(fā)生器采取了輻射屏蔽措施,顯著降低了施工人員受輻射傷害的風(fēng)險。本文通過室內(nèi)實驗和現(xiàn)場試驗,評價環(huán)保型示蹤相關(guān)測井技術(shù)的適用性和實用效果,研究在常見油管與套管條件下其流量測量值的校正方法。

1　137Cs-137 mBa發(fā)生器簡介

1.1　結(jié)構(gòu)和工作原理

環(huán)保型示蹤相關(guān)測井儀測量磁定位、井溫、壓力、自然伽馬、超聲流量或電磁流量等參數(shù)[6],示蹤劑噴射器安裝在測井儀底端。在示蹤劑噴射器中有微型137Cs-137 mBa發(fā)生器,在發(fā)生器外有鎢鎳鐵合金材料的輻射屏蔽殼。由微型137Cs-137 mBa發(fā)生器制備液體示蹤劑,發(fā)生器結(jié)構(gòu)見圖1。發(fā)生器外殼采用鈦合金材料;柱芯采用KCoFC球形材料[7],該材料具有優(yōu)異的液體通透性,且對Cs+的吸附能力極強,在其上吸附了活度為1.9×106Bq的137Cs核素。

137Cs核素是一種放射性核素(T1/2=30.17 a),其衰變時按94.7%分支比產(chǎn)生137Ba核素的同核異能素137 mBa(T1/2=2.55 min),137 mBa繼續(xù)衰變時釋放出能量為0.662 MeV的自然伽馬射線(見圖2)。示蹤劑噴射器用電機推動淋洗液流過微型137Cs-137 mBa發(fā)生器,淋洗液把137 mBa核素從發(fā)生器柱芯上洗脫下來(淋洗效率為87.1%),形成放射性液體示蹤劑,液體示蹤劑從噴射器噴射孔流出。該示蹤劑具有短半衰期的放射性,可代替?zhèn)鹘y(tǒng)放射性131Ba或131I液體示蹤劑,進行示蹤相關(guān)測井。

圖1　微型137Cs-137 mBa發(fā)生器結(jié)構(gòu)

圖2　137Cs衰變綱圖

1.2　發(fā)生器主要特點

(1) 安全環(huán)保。發(fā)生器內(nèi)活度為1.9×106Bq的137Cs放射源屬于V類放射源,長期接觸不會對人造成臨時性或永久性損傷。

(2) 使用壽命長。137Cs核素的半衰期長,T1/2=30.17 a,發(fā)生器可長期使用。

(3) 淋洗出的137 mBa液體示蹤劑的放射性半衰期較短,T1/2=2.55 min,可在短時間內(nèi)重復(fù)淋洗。

(4) 發(fā)生器固定在測井儀內(nèi)部,測井時在井下釋放淋洗出的放射性液體示蹤劑,操作人員無需直接接觸放射性物質(zhì),避免了分裝較長半衰期的液體、粉末、微球同位素,縮短了操作時間,降低了照射劑量,在儲存、運輸、操作方面都更加安全環(huán)保。

2　實驗評價

2.1　測井儀周圍電離輻射強度

不釋放液體示蹤劑時,環(huán)保型示蹤相關(guān)測井儀周圍的電離輻射強度較低。在離示蹤劑噴射器0.2、0.5、1 m和2 m處測量輻射劑量當(dāng)量率(當(dāng)?shù)乇镜字禐?.12 μSv/h),測量結(jié)果分別為6.78、1.77、0.61 μSv/h和0.21 μSv/h,相當(dāng)于傳統(tǒng)示蹤相關(guān)測井儀131Ba或131I液體示蹤劑噴射器周圍輻射劑量當(dāng)量率的2.8%～12.2%。

2.2　示蹤劑強度、跟隨性和擴散性

理想的示蹤劑應(yīng)該易探測、與被示蹤的水流同步且擴散慢。為評價環(huán)保型液體示蹤劑的強度、跟隨性和擴散性是否滿足測井工藝的要求,在用于電纜深度校正的標準井內(nèi)進行了試驗。用測井電纜將攜帶137Cs-137 mBa發(fā)生器的環(huán)保型示蹤相關(guān)測井儀下放到標準井的油管中,在充滿靜水的油管中一次釋放約3 mL環(huán)保型液體示蹤劑。釋放示蹤劑后,以1 500 m/h的測速多次重復(fù)上提、下放示蹤相關(guān)測井儀。實測伽馬曲線見圖3。圖3中紅色數(shù)字是各次測量到示蹤峰的時間和深度。第1次測到示蹤峰時,峰位計數(shù)值大于5 000 API,經(jīng)過778.6 s(約13 min,5個半衰期)后,示蹤峰的峰位計數(shù)值大于450 API,遠高于自然伽馬本底計數(shù),說明該示蹤劑的強度滿足測井工藝對示蹤劑的要求。示蹤峰的深度位置和峰形顯示,在13 min內(nèi)峰位深度值基本不變,峰形清晰,表明隨著時間推移,環(huán)保型液體示蹤劑基本不上浮或下沉,擴散較慢,示蹤劑的跟隨性和擴散性滿足測井工藝對示蹤劑的要求。

圖3　在靜水中探測環(huán)保型液體示蹤劑的時間推移伽馬曲線

2.3　流量標定

131Ba或131I示蹤劑放射性半衰期較長,受環(huán)保條件所限,以往只能通過在野外注入井中用示蹤相關(guān)測井儀與電磁流量計或氧活化測井儀對比測井,驗證示蹤相關(guān)測井值的準確性[2],實驗誤差較大。137 mBa半衰期較短,不會對實驗設(shè)備造成長期放射性污染。利用該環(huán)保型液體示蹤劑,首次在實驗室流動回路上對示蹤相關(guān)測井儀進行了標定實驗。

將環(huán)保型示蹤相關(guān)測井儀靜置于2.5 in*非法定計量單位,1 in=2.54 cm,下同油管或5.5 in實驗套管中,給井筒供以某標準流量的清水,用示蹤相關(guān)測井儀測量3次,計算出測量流量Qo的平均值和方差(見圖4)。實驗時,油管流和套管流的流量范圍為0.5～70 m3/d和3～200 m3/d。測量流量Qo規(guī)律:①無論在何種井況下,Qo都較接近標準流量; ②Qo的方差在低流量段較小,并有隨著流量增高而增大的趨勢;③Qo的平均值在高流量段更接近標準流量,而在低流量段略高于標準流量。

圖4　測量流量與標準流量對比

依據(jù)實驗數(shù)據(jù)的規(guī)律性,可引入無量綱校正系數(shù)k,用式(1)獲得校正后的測量流量Qc

Qc=kQo

(1)

在2.5 in油管條件下,當(dāng)Qo<7 m3/d時k取0.50,當(dāng)7 m3/d≤Qo<20 m3/d時k取0.50～1.00(平均0.87),當(dāng)Qo≥20 m3/d時k取1.00;在5.5 in套管條件下,當(dāng)Qo<40 m3/d時k取0.50,當(dāng)40 m3/d≤Qo<120 m3/d時k取0.50～1.00(平均0.87),當(dāng)Qo≥120 m3/d時k取1.00。校正后測量流量Qc見圖4。在油管條件下實驗數(shù)據(jù)Qo和Qc的最大誤差分別是6.6 m3/d和1.7 m3/d,在套管條件下Qo和Qc的最大誤差分別是14.2 m3/d和4.8 m3/d,校正后測量流量的誤差明顯減小。

3　現(xiàn)場應(yīng)用評價

3.1　對井況和注入量的適應(yīng)性

實驗表明,用環(huán)保型液體示蹤劑和定點測量工藝,示蹤相關(guān)測井在常規(guī)2.5 in油管中和5.5 in套管中的流量測量范圍分別覆蓋0.5～70 m3/d和3～200 m3/d。在油管中或光套管中,可采用連續(xù)測量工藝測量更低的流量。在油管中,可使用測井儀上的超聲或電磁流量計測量更高的流量。

環(huán)保型液體示蹤劑半衰期較短,5個半衰期(約13 min)后,示蹤峰變得不再十分明顯。當(dāng)測量分層注入井油管與套管環(huán)形空間中流體流量時,若射孔層位與配水器的距離Dl,i長、分層配注量Qi低,就不適合應(yīng)用這種示蹤劑[6],在常規(guī)2.5 in油管與5.5 in套管的環(huán)形空間中,二者關(guān)系應(yīng)滿足

Dl,i<1.1Qi

(2)

為了客觀評價環(huán)保型液體示蹤劑實際應(yīng)用效果,按照該示蹤劑結(jié)合雙示蹤注入剖面組合測井工藝[8]的流量和層段適應(yīng)范圍,在大慶油田選取了51口不同注入介質(zhì)與注入量的籠統(tǒng)注入井和分層配注井(分類井?dāng)?shù)見表1),進行了現(xiàn)場試驗。對每口井均取得了合格測井資料,綜合測井成功率100%?，F(xiàn)場試驗中,在油管內(nèi)、套管內(nèi)和對油套環(huán)形空間測得的最低流量分別為1.4、4.1 m3/d和3.9 m3/d,解釋進入配注段(配水器)流量的最小值為3.7 m3/d,解釋小層注入量的最小值為2.5 m3/d。

表1　按井型、注入介質(zhì)、注入量統(tǒng)計現(xiàn)場試驗測井?dāng)?shù)

3.2　示蹤峰形態(tài)

在油管內(nèi)進行連續(xù)測量工藝示蹤相關(guān)測井,示蹤峰清晰,第1次測到示蹤峰時,峰位計數(shù)值均大于5 000 API,時間推移的示蹤峰能夠明確指示流體的流向與流速[見圖5(a)]。隨著時間推移,除峰值略有降低外,曲線形狀基本不變,均呈對稱尖峰狀,峰位明顯,示蹤劑基本不擴散。

在油管內(nèi)進行定點測量工藝示蹤相關(guān)測井,當(dāng)流量適合時,管內(nèi)流量示蹤峰也清晰[見圖5(b)]。

3.3　測井時效

對12口井進行了環(huán)保型示蹤相關(guān)測井與同位素微球載體測井的時效對比,環(huán)保型示蹤相關(guān)測井時間明顯短于同位素微球載體測井時間(見表2)。

表2　2種測井的時效對比

圖5　油管內(nèi)示蹤相關(guān)測井曲線

與同位素微球載體測井相比,環(huán)保型示蹤相關(guān)測井無需等待替注[10],可直接進行連續(xù)測量和定點測量,從而提高了測井時效。此外,示蹤相關(guān)測井克服了同位素載體顆粒測井受沾污與大孔道等影響的缺陷。由于其半衰期較短,環(huán)保型液體示蹤劑更適合于在流量較高、地層存在大孔道的井中測井。

3.4　測井實例

在射孔層縱向密集、層間距小的分層注入井中,應(yīng)用環(huán)保型液體示蹤劑進行示蹤相關(guān)測井,能夠獲得準確的測試結(jié)果(見圖6)。圖6中第7軌顯示的連續(xù)示蹤曲線與第8軌顯示的點測示蹤曲線的示蹤峰形態(tài)良好、峰位清晰;點測示蹤曲線顯示出油管峰與環(huán)套峰,并且,經(jīng)過射孔層以后,環(huán)套峰的峰位時間逐漸后移,直至環(huán)套峰消失,說明相應(yīng)射孔層位吸水。在該井第1級配水器之上和之下,根據(jù)第7軌連續(xù)示蹤曲線,解釋油管流量分別為60 m3/d和20 m3/d,第1級配水器吸水40 m3/d,與示蹤相關(guān)測井儀帶有的超聲流量計測量結(jié)果一致。在第1級配水器對應(yīng)的各射孔層之間,利用點測示蹤曲線解釋環(huán)套流量,再用遞減法解釋各小層注入量,其中S12層注水6.6 m3/d,S1*2層注水9.6 m3/d,S14+5層注水23.8 m3/d。

圖6　分層注入井測井實例

4　結(jié)　論

(1) 環(huán)保型示蹤相關(guān)測井儀采用1.9×106Bq活度的微型137Cs-137 mBa發(fā)生器產(chǎn)生液體示蹤劑。輻射低,離測井儀2 m處輻射劑量當(dāng)量率0.21 μSv/h,比較安全;示蹤劑半衰期為2.55 min,有利于環(huán)保。

(2) 環(huán)保型液體示蹤劑的強度、跟隨性和擴散性滿足測井工藝的要求。流動回路實驗表明,環(huán)保型示蹤相關(guān)測井儀在常規(guī)2.5 in油管和5.5 in套管中測量流量范圍分別覆蓋0.5～70 m3/d和3～200 m3/d,利用實驗數(shù)據(jù),總結(jié)了流量測量值的校正方法,校正后油管流量和套管流量的精度達到1.7%和4.8%。

(3) 現(xiàn)場應(yīng)用取得了較好的測井效果:環(huán)保型示蹤相關(guān)測井儀適用于注水井和注聚合物井;與同位素微球載體測井相比,提高了測井時效;在射孔層縱向密集、層間距小的井中,測井資料能準確反映各小層吸水狀況。