孫 亮

（大慶油田測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江 大慶）

0 引言

近年來(lái)，隨著油田開發(fā)的不斷深入，國(guó)內(nèi)各油田對(duì)地層參數(shù)測(cè)井技術(shù)提出了更高的要求。作為目前主流的過(guò)套管剩余油飽和度測(cè)井儀，雙源距碳氧比能譜測(cè)井儀也亟需優(yōu)化設(shè)計(jì)儀器結(jié)構(gòu)，提高儀器整體性能，以滿足油田開發(fā)中后期以及低孔低滲條件下的測(cè)井需求。傳統(tǒng)的雙源距碳氧比測(cè)井儀的設(shè)計(jì)理念是利用遠(yuǎn)探測(cè)器采集來(lái)自地層的伽馬射線，利用近探測(cè)器采集來(lái)自井眼的伽馬射線，通過(guò)數(shù)據(jù)處理對(duì)地層響應(yīng)進(jìn)行井眼補(bǔ)償。一種新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路是，把測(cè)井儀推靠到套管內(nèi)壁上，在探測(cè)器與井內(nèi)介質(zhì)之間設(shè)置伽馬射線屏蔽體，讓近、遠(yuǎn)探測(cè)器都主要記錄來(lái)自地層方向的伽馬射線，利用近探測(cè)器縱向分辨率好、雙探測(cè)器統(tǒng)計(jì)精度優(yōu)于單探測(cè)器的原理，提高儀器的測(cè)量精度和薄層分辨能力。

針對(duì)該設(shè)計(jì)思路開展了前期理論研究，結(jié)果顯示，將測(cè)井儀推靠至套管內(nèi)壁，并在面向井眼一側(cè)設(shè)置屏蔽體，可以降低井內(nèi)介質(zhì)變化對(duì)近、遠(yuǎn)探測(cè)器的影響，提高探測(cè)器區(qū)分地層的能力及薄油層分辨率，探測(cè)器的源距小于42cm時(shí)，可以對(duì)50cm厚的薄油層進(jìn)行有效識(shí)別，相較于儀器居中的情況，儀器推靠至井壁后，地層探測(cè)深度有所增加[1、2]。

基于理論研究結(jié)果制定了儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，制造了推靠式碳氧比測(cè)井儀的試驗(yàn)樣機(jī)并開展了模擬井刻度試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

1 儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

推靠式碳氧比測(cè)井儀試驗(yàn)樣機(jī)繼承雙源距碳氧比測(cè)井儀及脈沖中子全譜測(cè)井儀的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，利用一個(gè)中子發(fā)生器和2個(gè)伽馬探測(cè)器，可以實(shí)現(xiàn)碳氧比測(cè)井、中子壽命測(cè)井和活化水流測(cè)井等三種測(cè)井功能[3、4]。

試驗(yàn)樣機(jī)針對(duì)DDCO-III雙源距碳氧比測(cè)井儀的探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行改造，并設(shè)計(jì)加裝了推靠器以便在測(cè)井過(guò)程中將儀器推靠至套管內(nèi)壁。

1.1 鉛屏蔽體屏蔽效果數(shù)值模擬

研究結(jié)果表明，在探測(cè)晶體與井內(nèi)介質(zhì)之間設(shè)置伽馬射線屏蔽體可以有效降低井眼影響，提高測(cè)井儀器響應(yīng)地層的能力。為了優(yōu)化設(shè)計(jì)探測(cè)器系統(tǒng)中屏蔽體的結(jié)構(gòu)，需要了解屏蔽體對(duì)伽馬射線的屏蔽效果。

伽馬射線穿過(guò)屏蔽體時(shí)，與屏蔽體的原子發(fā)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)，能量降低或消失，并偏離原來(lái)的入射方向，沒(méi)有與屏蔽體發(fā)生相互作用的伽馬射線穿過(guò)吸收層，能量保持不變，可以被探測(cè)晶體探測(cè)到。某一單能伽馬射線束穿過(guò)屏蔽體時(shí)，其強(qiáng)度（探測(cè)晶體計(jì)數(shù)率）的衰減遵循指數(shù)規(guī)律，

式中，Ｉ0和Ｉ為分別為穿過(guò)屏蔽體前、后的伽馬射線強(qiáng)度；為屏蔽體的線性吸收系數(shù)，單位為cm[1]；為屏蔽體的厚度[5]。

為了解鉛屏蔽體對(duì)伽馬射線的屏蔽效果，建立了鉛屏蔽體屏蔽效果數(shù)值模擬模型，如圖1所示。圖中灰色部分為圓環(huán)狀屏蔽體（兩次計(jì)算分別設(shè)置屏蔽介質(zhì)為鉛和空氣），“+”位置放置各項(xiàng)同性的伽馬點(diǎn)源，伽馬射線能量分別為4.44 MeV（碳元素特征能量）、6.13 MeV（氧元素特征能量），每次計(jì)算粒子數(shù)為5×109個(gè)，記錄屏蔽體各圓環(huán)屏蔽體外表面的伽馬射線總流量。通過(guò)對(duì)比屏蔽介質(zhì)為鉛和空氣兩種狀態(tài)下的計(jì)數(shù)率即可得到不同厚度情況下的鉛屏蔽效果，如圖2所示。

圖1 屏蔽效果數(shù)值模擬模型剖面圖（長(zhǎng)度單位：mm）

圖2 鉛的屏蔽效果與屏蔽體厚度的關(guān)系

由圖中可以看出，鉛屏蔽體對(duì)伽馬射線的屏蔽效果與屏蔽體厚度之間呈指數(shù)關(guān)系，伽馬射線的計(jì)數(shù)率隨著屏蔽體厚度的增大而逐漸減少，這與式（1）給出的物質(zhì)對(duì)伽馬射線的吸收規(guī)律相符。

1.2 偏心探測(cè)器組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

伽馬射線的有效計(jì)數(shù)率與探測(cè)晶體的體積成正比，即探測(cè)晶體直徑越大，有效計(jì)數(shù)率越高。屏蔽體屏蔽效果研究結(jié)果顯示，屏蔽體厚度越大，對(duì)伽馬射線的屏蔽效果越好。結(jié)合DDCO-III碳氧比測(cè)井儀的尺寸要求，設(shè)計(jì)了如圖3所示的推靠式碳氧比測(cè)井儀的偏心探測(cè)系統(tǒng)。

圖3 偏心探測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖4為偏心探測(cè)系統(tǒng)的剖面示意圖。如圖4所示，BGO近、遠(yuǎn)探測(cè)晶體直徑為40mm，晶體封裝外殼壁厚為5mm，包圍在晶體外側(cè)的半月形鉛屏蔽體使探測(cè)器在保溫瓶?jī)?nèi)偏心放置，屏蔽體最大厚度為12mm，開口角度為110°。偏心探測(cè)器組與半月形鉛屏蔽體組成的系統(tǒng)外徑為62mm，可直接替換DDCO-III碳氧比測(cè)井儀的探測(cè)器組進(jìn)行測(cè)井。

圖4 偏心探測(cè)器系統(tǒng)剖面示意圖

按照式（1）給出的公式對(duì)曲線進(jìn)行擬合，即可得到鉛屏蔽體對(duì)碳、氧的特征能量的伽馬射線的線性吸收系數(shù)C和O，利用積分法估算伽馬射線通過(guò)半月形鉛屏蔽體后的強(qiáng)度衰減，綜合考慮碳氧計(jì)數(shù)窗寬度及儀器其它殼體（外殼、保溫瓶、晶體封裝外殼等）對(duì)伽馬射線的吸收等因素，將有約80%以上的來(lái)自井內(nèi)介質(zhì)的伽馬射線無(wú)法被偏心探測(cè)系統(tǒng)中的BGO晶體記錄，近、遠(yuǎn)都主要記錄來(lái)自地層方向的伽馬射線。

1.3 推靠器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了保證更多來(lái)自地層的伽馬射線進(jìn)入探測(cè)晶體，需要使用推靠器將儀器推靠至套管內(nèi)壁上，從而進(jìn)一步降低井內(nèi)介質(zhì)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

推靠器整體材質(zhì)為鈦鋼（TC11），外徑為89mm，可與DDCO-III雙源距碳氧比測(cè)井儀、PNST脈沖中子全譜測(cè)井儀進(jìn)行無(wú)縫連接。測(cè)井時(shí)，通過(guò)指令控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)推靠臂，最大推出距離約為32mm，推靠臂推出至套管內(nèi)壁，使偏心探測(cè)器盡可能靠近地層，以響應(yīng)來(lái)自地層方向的伽馬射線，降低井眼影響。

為保證儀器在測(cè)井過(guò)程中正常工作，在推靠臂上安裝滾輪，避免推靠臂與井壁的直接摩擦，減少阻力，同時(shí)，在推靠臂驅(qū)動(dòng)桿一端安裝彈簧，保證推靠臂推出后具有一定的伸縮空間，以降低儀器卡井幾率；提高推靠臂收縮倉(cāng)的密封性，以免井液進(jìn)入推靠器內(nèi)部導(dǎo)致推靠器無(wú)法正常工作。

2 模擬井刻度試驗(yàn)

為了考察儀器的性能指標(biāo)，針對(duì)改造后的推靠式碳氧比測(cè)井儀開展了模擬井刻度試驗(yàn)。

試驗(yàn)在測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中心地層參數(shù)實(shí)驗(yàn)室的模擬井中進(jìn)行，選取的2口模擬井的地層飽和度分別為100%油砂巖和100%水砂巖，套管外徑139.7mm，井內(nèi)介質(zhì)為水，水泥環(huán)厚度為30mm，每口井有5個(gè)地層，孔隙度分別為16%，20%，25%，30%和35%。

首先利用DDCO-III碳氧比測(cè)井儀進(jìn)行定點(diǎn)測(cè)量，然后將同一支碳氧比測(cè)井儀的探測(cè)器更換為偏心探測(cè)器并加裝推靠器在相同的條件下進(jìn)行測(cè)井，分別得到各層位的碳氧比值，進(jìn)而可以計(jì)算出兩支儀器在不同孔隙度下的靈敏度（（C/O油－C/O水）/C/O水），結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，相比于DDCO-III雙源距碳氧比測(cè)井儀，采用新型結(jié)構(gòu)的推靠式碳氧比測(cè)井儀在不同孔隙度條件下的靈敏度均有明顯提高，說(shuō)明其具有更好的油水分辨能力。相對(duì)于DDCO-III雙源距碳氧比測(cè)井儀，推靠式碳氧比測(cè)井儀兩個(gè)探測(cè)器的靈敏度差異不明顯，說(shuō)明推靠式碳氧比測(cè)井儀兩個(gè)探測(cè)器均反映地層信息，受井眼影響較小。

表1 試驗(yàn)樣機(jī)與DDCO-III碳氧比測(cè)井儀模擬井試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例

為了考察儀器的現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性及測(cè)試效果，在大慶油田采油十廠進(jìn)行了4口井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，使用DDCOIII碳氧比測(cè)井儀和推靠式碳氧比測(cè)井儀分別對(duì)每口井進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)樣機(jī)一次測(cè)井成功率100%，推靠器工作正常。

圖5 朝87-更普XX井碳氧比測(cè)井資料處理結(jié)果

圖5給出了朝87-更普XX井的碳氧比測(cè)井資料預(yù)處理結(jié)果。如圖5所示，相比于DDCO-III碳氧比測(cè)井儀，加裝新型探測(cè)系統(tǒng)并采用推靠式測(cè)井方式測(cè)井的試驗(yàn)樣機(jī)，兩個(gè)探測(cè)器的數(shù)據(jù)一致性更好，受井眼影響更小，對(duì)油層的識(shí)別能力更強(qiáng)。

4 結(jié)論及建議

在前期理論研究的基礎(chǔ)上，開展了鉛屏蔽體屏蔽效果數(shù)值模擬研究，制定了推靠式偏心探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，制造了偏心探測(cè)系統(tǒng)及偏心推靠器，與DDCOIII碳氧比測(cè)井儀進(jìn)行了配接調(diào)試，并開展了模擬井試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，探測(cè)器在儀器內(nèi)部偏心并利用推靠器將測(cè)井儀推靠至套管內(nèi)壁進(jìn)行測(cè)量可有效提高碳氧比測(cè)井靈敏度，降低井眼影響。

由于采用了小尺寸探測(cè)晶體，并加裝了背屏蔽，探測(cè)器有效計(jì)數(shù)率降低，建議在測(cè)井過(guò)程中降低測(cè)速，以保證測(cè)井質(zhì)量。

[1]孫 亮.推靠式碳氧比測(cè)井響應(yīng)隨源距變化的數(shù)值模擬[J].測(cè)井技術(shù)，2011，35（6）

[2]鄭 華，丁有貴.碳氧比測(cè)井地層探測(cè)深度的理論研究[J].測(cè)井技術(shù)，1999，23（1）

[3]鄭 華，劉憲偉，董建華.雙源距碳氧比測(cè)井技術(shù)研究[J].測(cè)井技術(shù)，2005，29（2）

[4]鄭 華，董建華，劉憲偉.PNST脈沖中子全譜測(cè)井儀[J].測(cè)井技術(shù)，2011，35（1）

[5]復(fù)旦大學(xué)，清華大學(xué)，北京大學(xué)合編.原子核物理實(shí)驗(yàn)方法（第三版）[M].北京：原子能出版社，1997