温度观察井中空心抽油杆方位测井技术研究

马静

(中国石油集团长城钻探工程有限公司测井公司, 辽宁 盘锦 124011)

0 引 言

辽河油田主要稠油产出区块也是蒸汽辅助重力泄油(SAGD)先导技术的试验区。为在该区域获得连续、实时的温度监测数据,通常会建立温度观察井系统,将空心抽油杆捆绑在套管上,完井后在空心抽油杆内孔下入测温光纤,实现分布式全井段温度测量[1]。所下套管一般长度为13 m,空心抽油杆长度为7～8 m[2],套管和空心抽油杆捆绑后采用旋扣方式连接,这就造成空心抽油杆缠绕或者扭曲在套管外,其缠绕或扭曲的程度随所下套管深度不同而不同。本文研究拟在确定射孔层段所在位置的空心抽油杆方位,避免射孔时击穿空心抽油杆,保证稠油区块的后期实时温度监测顺利进行。

1 空心抽油杆方位测井

空心抽油杆方位测井是一种确定套管外空心抽油杆方位的技术。该技术利用放射源标记空心抽油杆位置,水泥密度测井仪记录井周不同探头伽马计数率,陀螺测斜仪配接在水泥密度仪上测量组合仪的方位。测井时,把放射性导引仪下到空心抽油杆内,陀螺测斜仪和水泥密度组合仪下入套管内,控制仪器探头与放射源在同一深度并记录伽马计数率和仪器自转角度。通过对伽马计数率的优选和处理,计算不同深度空心抽油杆方位角,绘制套管外空心抽油杆方位轨迹图。

现场测试由2套地面系统配合作业,一套地面系统控制放射性导引仪的上提和下放;另一套地面系统控制组合仪的深度位置和采集数据。将导引仪下入空心抽油杆内某一深度点,再将组合仪下入套管内,在导引仪所在深度上下移动组合仪,寻找水泥密度测井仪6个伽马探头数据达到最大时的深度点,在该点停住仪器,数据稳定后采集该点数据。全井段采用上提点测方式,测点密度可根据井况设计,一般随井深增大而增加并且在油气层位置适当加密。

1.1 测井仪器的组合和改进

空心抽油杆方位测井组合仪由陀螺测斜仪和水泥密度测井仪2种仪器组成(见图1)。陀螺测斜仪的原理是应用挠性速率陀螺和石英加速度计构成捷联式数学平台,通过测量被测点的地球自转角速度并将其通过单芯电缆传回到地面,经地面仪器处理后得出定向参数,利用陀螺测斜仪测量组合仪的自转角度。研究采用MDRO型陀螺测斜仪,仪器外径38 mm,长度2.5 m,方位角测量范围0°～360°,误差≤±2.5°。水泥密度测井仪有2种源距的探头组,其中长源距处有6个周向排布的探头,用于测量井周不同扇区伽马计数率,研究利用不安装放射源的水泥密度测井仪测量空心抽油杆内放射性导引仪所在位置的放射性活度。

图1 空心抽油杆方位测井组合仪

配接仪器需要解决2个问题。

(1) 2种仪器接头不同芯无法直接通信。陀螺测斜仪的接头为单芯,水泥密度测井仪的接头为多芯。为此,设计加工了七转单转接头和固定连接头2个接头。将鱼雷与陀螺仪通过七转单转接头相连,陀螺仪底部连接固定连接头,下部接水泥密度测井仪,缆芯线通过外接的方式由七转单转接头引出,在固定连接接头上引入完成信号传输。仪器采用体外连接,制作了接头保护壳包裹裸露在外的接头部位,在该位置填充与涂抹绝缘硅脂解决仪器下井时的绝缘问题。

(2) 锁定陀螺测斜仪母线与水泥密度测井仪6个伽马探头之间的周向相对位置,以此确定测井时探头所处方位。将水泥密度测井仪的伽马探头按顺时针编号为1～6号,利用卡塞固定水泥密度测井仪的6个伽马探头并使其在周向上均匀分布,然后在仪器外壳上标记出1号探头所在位置。将组合仪上陀螺测斜仪器外壳起始标记点与1号探头的夹角设为M,实测时,在井口找到正北作一个标记,将陀螺测斜仪测管外的起始标记对准井口标记,作为方位角的起始点,测斜仪放入井内后会任意转动,此时经陀螺仪测出其旋转角度,剔除无效转角加上M即1号探头的真实方位。

1.2 放射性导引仪

为实现对空心轴油杆的定位,需要用放射源指示空心抽油杆在套管外的位置。空心抽油杆内径一般为28 mm,缠绕或扭曲在套管上,要求装有放射性物质的导引仪不能过轻,也不能过粗,否则很难下到井底;导引仪长度不能过长,以减少遇卡可能;放射源有效长度在可探测的基础上尽量缩短,保证探测的深度点更准确。经过反复模拟试验确定导引仪采用合金钢棒体,长800 mm,直径18 mm,放射源长度100 mm(见图2)。

图2 放射性导引仪

2 解释方法

2.1 理论分析

通过现场施工控制放射源和水泥密度测井仪的伽马探头在同一平面上。根据所测伽马计数率可知,放射源位于计数率较大的2个探头之间。将井下某一深度位置套管和空心抽油杆初始成数学模型(见图3),A、B为水泥密度测井仪相邻2个伽马探头所在位置,A、B到O2的距离为源距。改装后的水泥密度测井仪器在理论上6个伽马探头均匀分布,即相邻2个探头夹角为60°。若建立源距X和伽马计数率之间的关系即可求取角α(空心抽油杆相对某一探头的夹角),空心抽油杆和1号探头顺时针角度为α+i×60(i=0,1,2,3,4,5),1号探头所在方位可通过陀螺测斜仪所测数据获得。

图3 理论模型示意图

2.2 方法模型

为研究伽马计数率和放射源方位关系,在模拟井井口正北方向紧贴套管放置一根长20 cm、直径40 mm的空心钢管,放射性导引仪居中放入空心钢管内并在钢管外标出放射源有效长度中心位置,改装后的水泥密度测井仪下放到刻度井中使伽马探头与放射源在同一平面上,1号探头正对放射源有效长度的中心,保持仪器居中并无转动测量伽马计数率。该点作为方位起始点,沿套管外壁移动空心钢管,移动间隔15°,共记录24组数据。由表1可见空心钢管正对着仪器的某一个探头时有一个极大的计数率值;当空心钢管在某2个探头之间时有一个最大和次大计数率值。

表1 空心钢管方位角和伽马计数率数据表

在已知夹角α和模拟井井身数据的基础上,利用式(1)求出每个固定角度对边边长(源距)

Xi=R2+r2-2Rrcosαi

(i=1,2,…,N)

(1)

式中,X为源距,mm;R为空心钢管与套管中心距离,mm;r为模拟井套管的标准内径,mm。

将刻度数据做归一化处理,每个探头测量的伽马计数率与该组计数率总和作比值,建立不同探头计数率比与源距关系图版(见图4)。在关系图版中,源距和伽马计数率之间存在着很好的对数关系,拟合公式为

Yi=alnSi+b

R2=0.979 (2)

式中,a、b为拟合系数;Si为i探头所测伽马计数率。

由三角形的余弦定理和式(2)可得

图4 S1～S6探头伽马计数率与源距关系图版

式中,YM为计数率最大值对应探头的源距,mm;

YL为计数率次大值对应探头的源距,mm。

式(3)所求α为放射源与最大伽马计数率所在探头位置的夹角。已知探头标号,便得出放射源相对1号探头的角度,进而获得空心抽油杆方位。

2.3 误差分析

利用式(3)对模拟井进行验算。表2中计算值与实际角度之间的误差小于4°,解释模型具有较好的准确性。本文研究建立的解释图版为空气中刻度获得,实际测井时,井内充满不同介质,应建立不同介质的解释图版,增加计算的准确性。

表2 误差分析表

模拟井测试中还发现,伽马探头处于放射源有效长度范围内时,计数率明显大于其他位置数值,理论上通过上下移动仪器能够找到放射源有效长度的中心,使伽马探头与放射源处于同一平面减小深度误差。研究使用导引仪放射源有效长度为10 cm,深度误差小于10 cm,空心抽油杆为硬质钢管在较短距离上角度偏差很小,可忽略不计。

3 解释方法的应用

应用改装后的方位测井组合仪在研究区已经完成多口井的测试,针对杜84-观×井的部分测试数据,在所列深度点数据中可以找到计数率的2个大值,利用解释模型进行计算并剔除组合仪自转角度影响绘制了该井的空心抽油杆方位轨迹散点图(见图5)。

图5 杜84-观×井空心抽油杆方位轨迹散点图

现场可直接观测井口位置的空心抽油杆方位,使用罗盘测得杜84-观×井的井口位置空心抽油杆与正北夹角为88°,图4中可知距离井口4.8 m处的空心抽油杆方位角为93°,2个数据误差很小,证明了解释结果的可靠性。

4 结束语

(1) 确定温度观察井中空心抽油杆方位是一项较新的测井技术,该技术可以有效应用于温度观察井中,指导定方位射孔。

(2) 通过理论分析和数学建模,给出了空心抽油杆井下方位特定地解释模型,实现了不同深度空心抽油杆方位角的计算。

参考文献:

[1] 尤洪军, 王宏远, 刘洪涛, 等. 温度观察井系统在超稠油SAGD开发中的应用 [J]. 油气地质与采收率, 2008, 15(3): 99-101.

[2] 扈道明, 赵顺强, 王同斌. 空心抽油杆的参数及其应用特点 [J]. 石油机械, 1994, 22(5): 56-59.