新型氧活化水流測井儀設(shè)計

張?zhí)m蘭,石耀,王振

(中海油田服務股份有限公司油田技術(shù)研究院,河北廊坊065201)

0 引 言

氧活化水流測井儀在油田開發(fā)生產(chǎn)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(chǎn)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(jiān)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(shù)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(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(yè)質(zhì)量不高。為了解決以上問題設(shè)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(chǔ)

中子與地層的相互作用是核測井的基礎(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,這個過程幾乎是立即產(chǎn)生(時間約10-8～10-7s),在受激核躍遷到基態(tài)時,發(fā)射非彈性散射伽馬射線,稱為非彈性散射階段。接著是彈性散射過程,中子與原子核發(fā)生碰撞后,系統(tǒng)的總動能不變,中子所損失的動能全部轉(zhuǎn)變?yōu)榉礇_核的動能。經(jīng)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(zhì)俘獲(靶核俘獲一個熱中子變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)的復核,復核退激回到基態(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,生成原子核的同位素,同位素衰變的過程)衰變而產(chǎn)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(fā)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(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。通過計算活化水到達探測器的時間,即中子爆發(fā)至探測到伽馬特征峰的平均時間,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 新型氧活化水流測井儀設(shè)計方案

2.1 測量模式

為了解決現(xiàn)有氧活化水流測井儀水流速度測量范圍窄、儀器穩(wěn)定性差、資料可靠性不強等問題,有必要重新設(shè)計氧活化水流測井儀。該儀器測量水流量的方式分為連續(xù)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(fā)生器按照一定時序激發(fā)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(tǒng),構(gòu)成完整的氧活化水流測井儀。

2.2 技術(shù)指標

根據(jù)現(xiàn)場測井指標要求,新型氧活化水流測井儀優(yōu)化機械設(shè)計,采用先進的通訊電路設(shè)計和抗干擾技術(shù),使用高標準的電子元器件。儀器支持連續(xù)測量,能與常規(guī)生產(chǎn)測井儀器組合使用,主要參數(shù)指標見表1。

表1 FIT技術(shù)指標

2.3 機械設(shè)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(shè)計為38 mm。為了增加儀器強度,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(jié)的劃分。為了解決實際生產(chǎn)中遇到的超高和超低流速監(jiān)測問題,通過優(yōu)化機械設(shè)計,將整串儀器按照功能細分為6個短節(jié),可根據(jù)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(jié)1支、上采集短節(jié)1支、中子發(fā)生器短節(jié)1支、加長采集短節(jié)多支(通常為3支)、延長短節(jié)多支。

通訊短節(jié)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(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)和加長采集短節(jié)分布在中子發(fā)生器短節(jié)兩側(cè),其中1個或多個加長采集短節(jié)在通訊短節(jié)和上采集短節(jié)之間,其余加長采集短節(jié)在中子發(fā)生器短節(jié)的另外一側(cè)。測井時通常使用2支加長采集短節(jié)作為下采集短節(jié)和加長下采集短節(jié),一支加長采集短節(jié)作為加長上采集短節(jié)。加長采集短節(jié)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(jié)可以任意分布在不同短節(jié)之間,長度可變,可以根據(jù)需要安裝1個到多個的延長短節(jié),在不增加探頭數(shù)量的情況下擴大測量范圍,節(jié)省成本。

(3)探頭排布。通訊短節(jié)上裝有1個伽馬探頭,上采集和加長采集短節(jié)上各有3個探頭。根據(jù)大量實踐數(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(shè)計

新型氧活化水流測井儀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,采用中海油田服務有限公司單芯電纜套管井高速測井系統(tǒng)標準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測井儀的實現(xiàn)

FIT儀器串實現(xiàn)組合生產(chǎn)測井儀器(Production Logging Tool,PLT)測量是通過2個轉(zhuǎn)換短節(jié)來實現(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)計了下轉(zhuǎn)換短節(jié)Adapter Down,PLT測井儀通過Adapter Down直接與FIT儀器串連接。Adapter Down短節(jié)通過貫通線穿過FIT和Adapter Up連接,該貫通線只傳輸交替反轉(zhuǎn)碼編碼信號,該短節(jié)負責把氧活化下端的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)負責把貫通線上的信號解碼,轉(zhuǎn)換成CAN協(xié)議包發(fā)送給高速傳輸短節(jié)WTC。設(shè)計Adapter Up和Adapter Down短節(jié)實現(xiàn)了多芯總線到單芯總線的轉(zhuǎn)換,同時實現(xiàn)了兩串儀器通訊協(xié)議的統(tǒng)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(qū)域某產(chǎn)出井作業(yè),完成探測井下2 180.842 m處封隔器密封情況,并測量該井產(chǎn)出剖面。在2 180.842 m封隔器上下各設(shè)計2～3個測點,觀察測點有無環(huán)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(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 插入密封上部測點

圖2 插入密封下部測點

全流量段油套環(huán)空和油管內(nèi)各設(shè)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(huán)空測點上水流譜峰,用于計算產(chǎn)出全流量。圖4為2 155 m油管內(nèi)測點下水流譜峰,用于計算油管下水流流量。經(jīng)計算,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(wěn)定性較高,工作過程中不會因為中子發(fā)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(zhì)量。新型氧活化水流測井儀測井時,可根據(jù)測量不同水流速度對儀器各短節(jié)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(jié)數(shù)較多;流速較小時,儀器組合短節(jié)數(shù)較少。同時,可根據(jù)水流流向,決定儀器組合時是否使用加長上采集短節(jié)或加長下采集短節(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(zhuǎn)動的風險,另外一方面可以充分發(fā)揮各自的優(yōu)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(shù)量將會大大減少,節(jié)省作業(yè)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(huán)空上水流

圖4 油管下水流

4 結(jié) 論

(1)新型氧活化水流測井儀通過短節(jié)的合理設(shè)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(shù),增強了穩(wěn)定性和測量資料可靠性,可應用于各種復雜環(huán)境下的驗證封隔器密封效果、環(huán)空水流測量、地層找竄找漏等問題。

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