环保型示踪相关测井技术评价

张先华, 郑华, 张宇, 王丽娟

(大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司, 黑龙江 大庆 163453)

0　引　言

放射性示踪相关测井能有效满足较低注入量分层注聚井的注入剖面测井需要[1],目前大庆油田应用这项技术每年测井3 000多口。示踪相关测井仪一般带2个自然伽马射线探测器和1个电控放射性液体示踪剂喷射器;测井施工工艺分定点测量和连续测量2种;资料解释采用互相关算法确定示踪剂流经2个固定间距伽马射线探测器的时间差,或2次在不同深度位置追踪到示踪剂的时间差,计算井下流体的流速和流量,解释进入射孔层的流量[2-4]。

传统示踪相关测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)的液体示踪剂,每口井使用放射性同位素的活度为(0.7～3.0)×108Bq。较高的辐射剂量率给施工人员带来辐射伤害的风险[5],较长的半衰期对后续洗井、测试等操作造成一定影响,因此,有必要研究与应用较低放射性活度、较短半衰期的液体示踪剂。环保型示踪相关测井仪使用低活度137Cs-137 mBa发生器制备的含短半衰期放射性同位素137 mBa的液体示踪剂,有利于环保;在测井仪中对发生器采取了辐射屏蔽措施,显著降低了施工人员受辐射伤害的风险。本文通过室内实验和现场试验,评价环保型示踪相关测井技术的适用性和实用效果,研究在常见油管与套管条件下其流量测量值的校正方法。

1　137Cs-137 mBa发生器简介

1.1　结构和工作原理

环保型示踪相关测井仪测量磁定位、井温、压力、自然伽马、超声流量或电磁流量等参数[6],示踪剂喷射器安装在测井仪底端。在示踪剂喷射器中有微型137Cs-137 mBa发生器,在发生器外有钨镍铁合金材料的辐射屏蔽壳。由微型137Cs-137 mBa发生器制备液体示踪剂,发生器结构见图1。发生器外壳采用钛合金材料;柱芯采用KCoFC球形材料[7],该材料具有优异的液体通透性,且对Cs+的吸附能力极强,在其上吸附了活度为1.9×106Bq的137Cs核素。

137Cs核素是一种放射性核素(T1/2=30.17 a),其衰变时按94.7%分支比产生137Ba核素的同核异能素137 mBa(T1/2=2.55 min),137 mBa继续衰变时释放出能量为0.662 MeV的自然伽马射线(见图2)。示踪剂喷射器用电机推动淋洗液流过微型137Cs-137 mBa发生器,淋洗液把137 mBa核素从发生器柱芯上洗脱下来(淋洗效率为87.1%),形成放射性液体示踪剂,液体示踪剂从喷射器喷射孔流出。该示踪剂具有短半衰期的放射性,可代替传统放射性131Ba或131I液体示踪剂,进行示踪相关测井。

图1　微型137Cs-137 mBa发生器结构

图2　137Cs衰变纲图

1.2　发生器主要特点

(1) 安全环保。发生器内活度为1.9×106Bq的137Cs放射源属于V类放射源,长期接触不会对人造成临时性或永久性损伤。

(2) 使用寿命长。137Cs核素的半衰期长,T1/2=30.17 a,发生器可长期使用。

(3) 淋洗出的137 mBa液体示踪剂的放射性半衰期较短,T1/2=2.55 min,可在短时间内重复淋洗。

(4) 发生器固定在测井仪内部,测井时在井下释放淋洗出的放射性液体示踪剂,操作人员无需直接接触放射性物质,避免了分装较长半衰期的液体、粉末、微球同位素,缩短了操作时间,降低了照射剂量,在储存、运输、操作方面都更加安全环保。

2　实验评价

2.1　测井仪周围电离辐射强度

不释放液体示踪剂时,环保型示踪相关测井仪周围的电离辐射强度较低。在离示踪剂喷射器0.2、0.5、1 m和2 m处测量辐射剂量当量率(当地本底值为0.12 μSv/h),测量结果分别为6.78、1.77、0.61 μSv/h和0.21 μSv/h,相当于传统示踪相关测井仪131Ba或131I液体示踪剂喷射器周围辐射剂量当量率的2.8%～12.2%。

2.2　示踪剂强度、跟随性和扩散性

理想的示踪剂应该易探测、与被示踪的水流同步且扩散慢。为评价环保型液体示踪剂的强度、跟随性和扩散性是否满足测井工艺的要求,在用于电缆深度校正的标准井内进行了试验。用测井电缆将携带137Cs-137 mBa发生器的环保型示踪相关测井仪下放到标准井的油管中,在充满静水的油管中一次释放约3 mL环保型液体示踪剂。释放示踪剂后,以1 500 m/h的测速多次重复上提、下放示踪相关测井仪。实测伽马曲线见图3。图3中红色数字是各次测量到示踪峰的时间和深度。第1次测到示踪峰时,峰位计数值大于5 000 API,经过778.6 s(约13 min,5个半衰期)后,示踪峰的峰位计数值大于450 API,远高于自然伽马本底计数,说明该示踪剂的强度满足测井工艺对示踪剂的要求。示踪峰的深度位置和峰形显示,在13 min内峰位深度值基本不变,峰形清晰,表明随着时间推移,环保型液体示踪剂基本不上浮或下沉,扩散较慢,示踪剂的跟随性和扩散性满足测井工艺对示踪剂的要求。

图3　在静水中探测环保型液体示踪剂的时间推移伽马曲线

2.3　流量标定

131Ba或131I示踪剂放射性半衰期较长,受环保条件所限,以往只能通过在野外注入井中用示踪相关测井仪与电磁流量计或氧活化测井仪对比测井,验证示踪相关测井值的准确性[2],实验误差较大。137 mBa半衰期较短,不会对实验设备造成长期放射性污染。利用该环保型液体示踪剂,首次在实验室流动回路上对示踪相关测井仪进行了标定实验。

将环保型示踪相关测井仪静置于2.5 in*非法定计量单位,1 in=2.54 cm,下同油管或5.5 in实验套管中,给井筒供以某标准流量的清水,用示踪相关测井仪测量3次,计算出测量流量Qo的平均值和方差(见图4)。实验时,油管流和套管流的流量范围为0.5～70 m3/d和3～200 m3/d。测量流量Qo规律:①无论在何种井况下,Qo都较接近标准流量; ②Qo的方差在低流量段较小,并有随着流量增高而增大的趋势;③Qo的平均值在高流量段更接近标准流量,而在低流量段略高于标准流量。

图4　测量流量与标准流量对比

依据实验数据的规律性,可引入无量纲校正系数k,用式(1)获得校正后的测量流量Qc

Qc=kQo

(1)

在2.5 in油管条件下,当Qo<7 m3/d时k取0.50,当7 m3/d≤Qo<20 m3/d时k取0.50～1.00(平均0.87),当Qo≥20 m3/d时k取1.00;在5.5 in套管条件下,当Qo<40 m3/d时k取0.50,当40 m3/d≤Qo<120 m3/d时k取0.50～1.00(平均0.87),当Qo≥120 m3/d时k取1.00。校正后测量流量Qc见图4。在油管条件下实验数据Qo和Qc的最大误差分别是6.6 m3/d和1.7 m3/d,在套管条件下Qo和Qc的最大误差分别是14.2 m3/d和4.8 m3/d,校正后测量流量的误差明显减小。

3　现场应用评价

3.1　对井况和注入量的适应性

实验表明,用环保型液体示踪剂和定点测量工艺,示踪相关测井在常规2.5 in油管中和5.5 in套管中的流量测量范围分别覆盖0.5～70 m3/d和3～200 m3/d。在油管中或光套管中,可采用连续测量工艺测量更低的流量。在油管中,可使用测井仪上的超声或电磁流量计测量更高的流量。

环保型液体示踪剂半衰期较短,5个半衰期(约13 min)后,示踪峰变得不再十分明显。当测量分层注入井油管与套管环形空间中流体流量时,若射孔层位与配水器的距离Dl,i长、分层配注量Qi低,就不适合应用这种示踪剂[6],在常规2.5 in油管与5.5 in套管的环形空间中,二者关系应满足

Dl,i<1.1Qi

(2)

为了客观评价环保型液体示踪剂实际应用效果,按照该示踪剂结合双示踪注入剖面组合测井工艺[8]的流量和层段适应范围,在大庆油田选取了51口不同注入介质与注入量的笼统注入井和分层配注井(分类井数见表1),进行了现场试验。对每口井均取得了合格测井资料,综合测井成功率100%。现场试验中,在油管内、套管内和对油套环形空间测得的最低流量分别为1.4、4.1 m3/d和3.9 m3/d,解释进入配注段(配水器)流量的最小值为3.7 m3/d,解释小层注入量的最小值为2.5 m3/d。

表1　按井型、注入介质、注入量统计现场试验测井数

3.2　示踪峰形态

在油管内进行连续测量工艺示踪相关测井,示踪峰清晰,第1次测到示踪峰时,峰位计数值均大于5 000 API,时间推移的示踪峰能够明确指示流体的流向与流速[见图5(a)]。随着时间推移,除峰值略有降低外,曲线形状基本不变,均呈对称尖峰状,峰位明显,示踪剂基本不扩散。

在油管内进行定点测量工艺示踪相关测井,当流量适合时,管内流量示踪峰也清晰[见图5(b)]。

3.3　测井时效

对12口井进行了环保型示踪相关测井与同位素微球载体测井的时效对比,环保型示踪相关测井时间明显短于同位素微球载体测井时间(见表2)。

表2　2种测井的时效对比

图5　油管内示踪相关测井曲线

与同位素微球载体测井相比,环保型示踪相关测井无需等待替注[10],可直接进行连续测量和定点测量,从而提高了测井时效。此外,示踪相关测井克服了同位素载体颗粒测井受沾污与大孔道等影响的缺陷。由于其半衰期较短,环保型液体示踪剂更适合于在流量较高、地层存在大孔道的井中测井。

3.4　测井实例

在射孔层纵向密集、层间距小的分层注入井中,应用环保型液体示踪剂进行示踪相关测井,能够获得准确的测试结果(见图6)。图6中第7轨显示的连续示踪曲线与第8轨显示的点测示踪曲线的示踪峰形态良好、峰位清晰;点测示踪曲线显示出油管峰与环套峰,并且,经过射孔层以后,环套峰的峰位时间逐渐后移,直至环套峰消失,说明相应射孔层位吸水。在该井第1级配水器之上和之下,根据第7轨连续示踪曲线,解释油管流量分别为60 m3/d和20 m3/d,第1级配水器吸水40 m3/d,与示踪相关测井仪带有的超声流量计测量结果一致。在第1级配水器对应的各射孔层之间,利用点测示踪曲线解释环套流量,再用递减法解释各小层注入量,其中S12层注水6.6 m3/d,S1*2层注水9.6 m3/d,S14+5层注水23.8 m3/d。

图6　分层注入井测井实例

4　结　论

(1) 环保型示踪相关测井仪采用1.9×106Bq活度的微型137Cs-137 mBa发生器产生液体示踪剂。辐射低,离测井仪2 m处辐射剂量当量率0.21 μSv/h,比较安全;示踪剂半衰期为2.55 min,有利于环保。

(2) 环保型液体示踪剂的强度、跟随性和扩散性满足测井工艺的要求。流动回路实验表明,环保型示踪相关测井仪在常规2.5 in油管和5.5 in套管中测量流量范围分别覆盖0.5～70 m3/d和3～200 m3/d,利用实验数据,总结了流量测量值的校正方法,校正后油管流量和套管流量的精度达到1.7%和4.8%。

(3) 现场应用取得了较好的测井效果:环保型示踪相关测井仪适用于注水井和注聚合物井;与同位素微球载体测井相比,提高了测井时效;在射孔层纵向密集、层间距小的井中,测井资料能准确反映各小层吸水状况。