新型氧活化水流测井仪设计

张兰兰,石耀,王振

(中海油田服务股份有限公司油田技术研究院,河北廊坊065201)

0 引 言

氧活化水流测井仪在油田开发生产中具有重要作用[1],在注水井中可准确测量分层吸水量及总吸水量,在产出井中可用于测定单层出水量和总出水量[2],还可用于封隔器验封,套管漏失,地层窜槽等情况的监测。因此,在管外找窜、封隔器漏失评价、寻找出水点及注水井注入量测量等方面,氧活化水流测井技术具有广泛应用,其中针对注水井中注入量测量的使用最为广泛。然而由于井型、油藏区块压力系统不同,造成注水量由每天几十立方米到上千立方米不等。由于现有氧活化水流测井仪源距固定,不能有效覆盖不同作业需求,并且目前的氧活化水流测井仪均采用单芯接头连接方式,仪器供电和信号处理都通过同一总线,造成仪器可靠性差、故障率高等问题,导致作业质量不高。为了解决以上问题设计了新型氧活化水流测井仪(The New Oxygen Flow Inspection Tool,简称FIT)。

1 测井原理

1.1 物理基础

中子与地层的相互作用是核测井的基础。中子发生器产生能量为14 MeV的快中子射入地层,首先与地层元素发生非弹性散射,这个过程几乎是立即产生(时间约10-8～10-7s),在受激核跃迁到基态时,发射非弹性散射伽马射线,称为非弹性散射阶段。接着是弹性散射过程,中子与原子核发生碰撞后,系统的总动能不变,中子所损失的动能全部转变为反冲核的动能。经过10-6～10-3s的弹性散射后,几乎所有的快中子都被慢化成热中子,同时热中子不断地被周围介质俘获(靶核俘获一个热中子变为激发态的复核,复核退激回到基态)释放俘获伽马射线。最后放出的伽马射线是由于活化(中子与原子核发生反应,生成原子核的同位素,同位素衰变的过程)衰变而产生的。脉冲中子测井主要利用以上这4种反应。

1.2 氧活化测井原理

氧活化水流测井利用中子与地层相互作用的第4个阶段,即活化反应阶段。通过测量氧活化后发射的伽马射线可以探测到水流中的氧元素[3]。能量超过10 MeV的快中子被用来活化氧原子核以产生氮同位素。放射性氮同位素发生β衰变,半衰期是7.13 s。β衰变之后发射高能γ射线,主要是能量为6.13 MeV的射线。由于能量高,6.13 MeV的伽马射线能穿透几十厘米厚的井眼物质,如井内流体、油管、套管、水泥等,能够满足油管、环空、地层等不同位置的水流探测。通过计算活化水到达探测器的时间,即中子爆发至探测到伽马特征峰的平均时间,根据源距大小求出水流速度,再根据水流所在的界面即可算出水流量[4-6]。

2 新型氧活化水流测井仪设计方案

2.1 测量模式

为了解决现有氧活化水流测井仪水流速度测量范围窄、仪器稳定性差、资料可靠性不强等问题,有必要重新设计氧活化水流测井仪。该仪器测量水流量的方式分为连续测量模式和脉冲测量模式。新型氧活化水流测井仪FIT采用脉冲测量模式,即中子发生器按照一定时序激发中子,伽马探测器按照响应时序探测伽马射线。新型氧活化水流测井仪FIT配接中海油田服务股分有限公司单芯电缆套管井高速测井系统,构成完整的氧活化水流测井仪。

2.2 技术指标

根据现场测井指标要求,新型氧活化水流测井仪优化机械设计,采用先进的通讯电路设计和抗干扰技术,使用高标准的电子元器件。仪器支持连续测量,能与常规生产测井仪器组合使用,主要参数指标见表1。

表1 FIT技术指标

2.3 机械设计

(1)新型氧活化水流测井仪材料的选择。为了达到过油管测量和降低仪器在大斜度井和水平井中遇卡风险,仪器外径设计为38 mm。为了增加仪器强度,仪器主体采用17-4PH材料,内部电子线路骨架采用304钢材,在保证仪器强度的情况下,仪器韧性达到较好水平。

(2)新型氧活化水流测井仪短节的划分。为了解决实际生产中遇到的超高和超低流速监测问题,通过优化机械设计,将整串仪器按照功能细分为6个短节,可根据实际水流情况,灵活改变探测器源距,增大了高速水流速度测量范围[5]。新型氧活化水流测井仪包含通讯短节1支、上采集短节1支、中子发生器短节1支、加长采集短节多支(通常为3支)、延长短节多支。

通讯短节在最上部,连接中海油田服务股份有限公司单芯电缆套管井高速测井系统传输短节WTC,中子发生器短节在中间,上采集短节和加长采集短节分布在中子发生器短节两侧,其中1个或多个加长采集短节在通讯短节和上采集短节之间,其余加长采集短节在中子发生器短节的另外一侧。测井时通常使用2支加长采集短节作为下采集短节和加长下采集短节,一支加长采集短节作为加长上采集短节。加长采集短节完全相同,且能够自动识别自身在仪器串中所在位置,提高测井效率。延长短节可以任意分布在不同短节之间,长度可变,可以根据需要安装1个到多个的延长短节,在不增加探头数量的情况下扩大测量范围,节省成本。

(3)探头排布。通讯短节上装有1个伽马探头,上采集和加长采集短节上各有3个探头。根据大量实践数据确定了每支短节探头分布距离。整串仪器最多可拥有13个伽马探头。同时通过增大近源距探头晶体尺寸,增加了探头灵敏度,增强了仪器对低速水流的响应,扩展了低速水流测量范围。

2.4 电气设计

新型氧活化水流测井仪FIT上采集短节和中子发生器短节之间采用15芯总线协议,其余短节之间采用7芯总线协议。FIT采用7芯及15芯总线协议,将供电和信号隔离,有效提高仪器稳定性、可靠性。其中,通讯短节上接头7芯总线协议与其他短节7芯总线协议不同,采用中海油田服务有限公司单芯电缆套管井高速测井系统标准7芯总线电气定义,通讯使用CAN总线;FIT其他短节7芯总线采用自定义7芯总线,通讯使用485通讯协议。即FIT和传输短节WTC之间采用CAN总线通信协议,FIT各短节之间采用485总线通讯协议。

2.5 组合PLT测井仪的实现

FIT仪器串实现组合生产测井仪器(Production Logging Tool,PLT)测量是通过2个转换短节来实现。在高速传输短节WTC(EWTC38系列)和FIT仪器串之间添加上转换短节Adapter Up,在FIT仪器串下端设计了下转换短节Adapter Down,PLT测井仪通过Adapter Down直接与FIT仪器串连接。Adapter Down短节通过贯通线穿过FIT和Adapter Up连接,该贯通线只传输交替反转码编码信号,该短节负责把氧活化下端的7芯总线转换为单芯总线,给PLT仪器供电(18 V)。Adapter Up短节负责把贯通线上的信号解码,转换成CAN协议包发送给高速传输短节WTC。设计Adapter Up和Adapter Down短节实现了多芯总线到单芯总线的转换,同时实现了两串仪器通讯协议的统一,达到组合测量的目的。

3 应用实例

新型氧活化水流测井仪在南海区域某产出井作业,完成探测井下2 180.842 m处封隔器密封情况,并测量该井产出剖面。在2 180.842 m封隔器上下各设计2～3个测点,观察测点有无环空谱峰来验证封隔器密封性。如图1和图2所示,在2 180.842 m处封隔器插入密封上下的测点均存在稳定的环空上水流谱峰,反映2 180.842 m插入密封失效。

图1 插入密封上部测点

图2 插入密封下部测点

全流量段油套环空和油管内各设计3个测点,取平均值用于全流量计算。图3为2 155 m油套环空测点上水流谱峰,用于计算产出全流量。图4为2 155 m油管内测点下水流谱峰,用于计算油管下水流流量。经计算,油套环空上水流全流量平均值为366.1 m3/d,油管下水流流量平均值为37.6 m3/d。实际产出水流量为油套环空平均量减去油管下水流流量:366.1-37.6=328.5 m3/d,与井口计量值326.4 m3/d基本一致。

由于新型氧活化水流测井仪使用多芯总线,将信号和供电隔离,使得仪器通讯稳定性较高,工作过程中不会因为中子发生器周期性高压变化而造成信号干扰,进而影响测井资料质量。新型氧活化水流测井仪测井时,可根据测量不同水流速度对仪器各短节进行不同组合。由于氧元素活化衰变的时间是固定的,一般流速较大时,为了探测到水流峰,仪器组合短节数较多;流速较小时,仪器组合短节数较少。同时,可根据水流流向,决定仪器组合时是否使用加长上采集短节或加长下采集短节。

另外,在注入或产出井中确定封隔器密封效果、漏失部位、水流进出口等问题时,可以采用FIT仪器组合PLT仪器的测井模式。先进行PLT测井,再进行FIT测井,一方面可以减小杂物影响涡轮转动的风险,另外一方面可以充分发挥各自的优势,弥补不足。如果先进行PLT测井,可以预估漏点或水流进出口,FIT测点数量将会大大减少,节省作业时间,同时也可提前排除不确定因素,降低分析难度。

图3 油套环空上水流

图4 油管下水流

4 结 论

(1)新型氧活化水流测井仪通过短节的合理设计,使探头合理分布,扩展了水流速度测量范围,适用范围更加广泛。

(2)采用多芯总线及隔离技术,增强了稳定性和测量资料可靠性,可应用于各种复杂环境下的验证封隔器密封效果、环空水流测量、地层找窜找漏等问题。

(3)结合先进的地面采集系统,新型氧活化水流测井仪可实时计算流量,降低现场质控难度。