盐穴储气库中子寿命测试油水界面技术

2019-11-16许佳良王建夫周照恒李自远

石油化工应用 2019年10期

许佳良，王建夫，乔宽，周照恒，李自远

（华北石油管理局有限公司江苏储气库分公司，江苏镇江 212031）

目前我国盐穴储气库建设进入快速发展阶段[1]，作为保障造腔安全平稳运行的关键因素之一，油水界面监测越来越受到重视。在盐穴储气库造腔过程中，溶腔作业利用盐岩不溶于柴油的特点，使用柴油作为阻溶剂控制水与盐岩的接触面，保护上部盐岩层，达到按照设计要求造腔的目的。如果界面未得到有效控制，一方面会损失造腔体积，影响造腔形状，进而影响后期运行的稳定性[2]；另一方面如果造腔末期，腔顶发生溶蚀，会影响整个腔体的密封性。所以实现油水界面的精确测量显得尤为重要[3，4]（见图1）。

图1 盐穴储气库造腔过程油水界面示意图Fig.1 Schematic diagram of oil-water interface in cavity formation process of salt cavern gas storage

1 中子寿命测试油水界面原理

1.1 理论分析

中子寿命测井监测油水界面的基本原理就是利用柴油和卤水的热中子宏观俘获截面∑的不同，来确定油水界面的位置。其中宏观俘获截面∑指的是1 cm3体积中该物质所有原子核的微观俘获截面σi之和[5]。通过查询可以得知σH=0.33b；σO=0.002b；可以根据单一化合物组成的物质热中子宏观俘获截面公式，计算纯水（H2O）及其他典型物质常温状态下的俘获截面值（见表1）。

表1 典型物质的热中子宏观俘获截面值Tab.1 Thermal neutron macro capture cross-section value of typical materials

在盐穴储气库注水排卤的造腔过程中，卤水中含有大量的NaCl，由于每微克的Na、Cl 的热中子俘获截面分别为0.128×10-7cm2和5.4×10-7cm2，每微克NaCl中所含Na 和Cl 的质量分别为0.393 μg 和0.607 μg，因此1 μgNaCl 的热中子俘获截面经计算可得3.328×10-7cm2。而卤水通过综合计算得出，当浓度在200 g/L～310 g/L 时，其俘获截面值在100 c.u.～130 c.u.。

造腔过程中注入井内的油为柴油，它是轻质石油产品，复杂烃类（碳原子数10～22）混合物，参考石油的∑近似为18～22，会在一个数量级，所以柴油和卤水俘获截面相差很大，使得中子寿命测井能够分辨出这两种物质的界面。此外，由于中子从中心管内产生，然后经过卤水、中心管、外管后被探测器监测到，而内外管主要由铁组成，其俘获截面值为220 c.u.，远远大于井内流体的宏观截面，但是它只影响到地层宏观俘获截面的绝对值大小，对区分油水界面不会产生影响。综上，可以得出中子寿命测井用于油水界面监测的可行性。

1.2 现场测试

测试过程中，当快中子变成热中子，热中子扩散过程中，地层内任意一点的热中子密度N 可表示为：

在脉冲中子发射后的时间间歇内，选取两个适当的延迟时间T1、T2，并测量相应时间内热中子被俘获后释放出的俘获伽马射线，计数率[5]可表示为：

两式相比可得：

根据中子寿命的公式：

式中：τ-热中子寿命；v-热中子速度；∑-宏观俘获截面。

即可求得某一物质的宏观俘获截面，所以中子寿命测井过程中测量得到N1、N2后，由地面仪器可以通过计算推导后可得到相应位置物质的俘获截面[6]，由于柴油和卤水俘获截面相差很大，使得中子寿命测井能够分辨出这两种物质的界面。

2 应用分析

通过以某井测试为例，经过磁定位曲线和自然伽马曲线测得的相关数据进行校深[5]后，运用中子寿命测试，经由地面仪器分析后得到曲线（见图2）。

图2 中子寿命测试油水界面曲线图Fig.2 Neutron lifetime logging of oil-water interface

从图2 可以得出油水界面的分界面非常明显，测得的柴油和卤水的俘获截面值也在理论的计算范围内。为了验证中子测试的准确性，以某一口井为例，根据其阶段调整时测得腔体形状和数据（见图3）。

从中可以得出腔顶，即腔体油水界面控制的实际深度为1 014.2 m，和中子寿命测井的监测控制深度1 014.3 m 进行对比可以发现，误差在0.1 m，基本上完全一致。可见中子寿命测井在油水界面监测过程中的准确性。

另外，在实际应用过程中，发现如果油水界面在244.475 mm 套管的环空内时，油水界面的深度是无法测试到的，无法做到全井段的测试；例如在条件一样的情况下，柴油和卤水的测井曲线值一般不会有明显变化。但在所示测试图2 中，999.46 m 以上有两个明显的测井值拐点，这是因为在999.46 m 下面为裸眼段，上面为完井段，在984.3 m 下面为完井的盐岩段，上面为完井的泥岩段，测井曲线值波动很大。主要原因是受到244.475 mm 套管胶结、周围泥岩及夹层和探测范围的影响，泥质的俘获截面主要是由硼造成的，由于泥质成分复杂，∑的变化范围很大，从25.2 c.u.～66.2 c.u.，但常见的典型数值为35 c.u.～55 c.u.。这也是导致油水界面值难以区分的重要原因。