放射性和磁性方法在工程测井中的应用

陈 辉，林作华，薛素丽，朱爱民，刘博达，徐蜀文，李 剑

(1.中国石油集团测井有限公司华北分公司 河北 任丘 062550；2.中国石油集团测井有限公司物资装备公司 陕西 西安 710201)

0 引 言

油田钻井和修井过程中需要工程测井加以辅助[1-2]，如钻具或油管遇卡后需要了解卡点位置，打捞时需要了解落鱼深度、位置等[3-4]。有时现有仪器和工艺无法满足这些测井需求，这就需要寻找新工艺、研制新仪器来完成这些任务。通过实践，发现放射性和磁性方法是解决工程测井难题的两大利器。下面介绍几个放射性和磁性方法解决工程测井难题的创新应用。

1 环空投入同位素微球测量油管卡点

油管遇卡后需要测量卡点位置以便采取进一步措施。通常可以通过上提油管，观察张力与油管伸长的关系来大致判断卡点位置[5-6]，也可以通过旋转油管，观察扭矩与转动角度的关系粗略判断卡点深度。目前测量卡点位置一般采用卡点指示仪[7]。多年前，在没有卡点指示仪的情况下，我们采用了一种独特的方法成功测得了卡点位置。这种方法就是在油管与套管的环形空间投掷同位素微球并在油管内下入伽马仪器测量伽马曲线。

任××井是一口电潜泵生产井。该井在检泵作业时不慎将电缆滑落，卡住油管，下放和上提油管都不能解卡。采油厂希望能够测出电缆堆积的深度或卡点位置，从而为下一步采取措施提供依据。为了实现这一目的，采用1×107Bq左右的131Ba同位素微球与100 mL左右的沙子搅拌后倒入油管与套管的环空。为了防止同位素在路径上沾污，在环空中灌入了适量水。最后，将伽马磁性定位组合仪从油管中下入测井，测到了电潜泵电缆堆积的深度。图1为任××井示意图，图2为伽马(同位素)、磁性定位测井曲线。图2中伽马(同位素)曲线的峰值所指示的是同位素堆积的位置，也就是油管卡点深度，其深度为167 m。测井中所用的131Ba是吸水剖面测井常用的同位素，其半衰期仅为11.6 d[8]，粒径为400～900 μm，密度为1.03～1.06 g/cm3。1×107Bq左右的131Ba同位素不会产生环境危害。

图1 任××井示意图

图2 任××伽马磁性定位曲线

2 自制偏心磁性定位仪器找钻具落鱼

磁性定位是测量钻具鱼顶深度的有效方法[9]。但其径向探测深度有限，一般不会超过0.4 m。为了增加磁性定位仪器的径向探测深度，并且测量鱼头的相对方位，研制了偏心磁性定位仪器。

文××井是一个多年前发生钻具掉落的事故井，鱼头深度大约为282 m。现在打算利用该区块建立储气库，需要对该井进行封井处理。封井过程中需要测量落鱼深度和相对现井眼的方位。最初采用磁性定位、连斜、阵列感应、电磁探伤等仪器进行测井，效果不理想。于是，研制了偏心磁性定位装置，其结构如图3所示。

图3 偏心磁性定位装置

偏心磁性定位装置由钻杆接头、不锈钢管、导锥、仪器接头、电缆接头和小直径磁性定位仪器等构成。偏心装置的上端为钻杆接头，钻杆接头与导锥之间用4个不锈钢管连接。在导锥上每隔90°焊接了一个仪器接头，接头靠近导锥的边缘。具体在哪一个仪器接头上连接磁性定位仪器需要将偏心装置与弯钻杆连接后再定，弯钻杆所指的方向就是连接仪器的方向,如图4所示。

图4 偏心磁性定位测量管柱

偏心磁性定位装置被安装在弯钻杆的下面，电缆从电缆头一直连接到地面。旋转钻杆可以使磁性定位仪器靠近或远离落鱼。采用钻具传输测井，当磁性定位仪器靠近鱼头上提测井时就有可能测量到鱼头信号。当测量到的磁性信号最大时，在钻具水眼内下入陀螺仪器就可以测量到弯钻杆的指向，从而得知了鱼头相对于现井眼的方位。

在文××井测井前，在钻井平台上将井周等分16等份，把正对北方的位置标为0°或16°，用钻具将磁性仪器下过鱼顶(282 m)深度，在钻具上正对北方的位置做好标记。上提钻具进行磁性定位测井，观察磁性定位曲线有无异常变化。文××井测井过程中，前2个位置磁性定位在鱼头位置均无反应。当旋转到第3个角度时，测量到了明显的磁性定位信号。当时由于没有陀螺仪器，因此采用直接上提钻具观察弯钻杆指向的方法，最终确定落鱼相对新井眼的方位为185°左右，距离不超过0.4 m。钻井队根据我们提供的数据重新钻井，打到了鱼头，出现了跳钻的现象，并且在泥浆中捞到了铁屑。虽然由于地层的特殊性，此井摸鱼没有成功，但是我们收获了一种测量鱼顶的方法。

3 外置放射性源和探测器测量套管内状况

1993年华北油田赵××井发生井喷和硫化氢伤人事故。当时，对周围很多井进行了紧急处理。2017年，为了彻底消除隐患，准备对该井进行再次处理。由于缺少记录，不知道套管内情况，油田公司提出在不开井情况下测量管内有无水泥、油管等信息。为此提出了利用伽马源和探测器进行监测的方法[10]。即在套管的一侧放一个伽马源，另一侧放置一个探测器，通过监测伽马射线的衰减情况来分析套管内部情况，如图5所示。

图5 套管监测示意图

具体方案是做几个标准模型，利用伽马源和探测器进行监测，记录其计数率，再去测量赵××井露出地面的套管对伽马射线的衰减，通过对比就可以知道赵××井接近于哪一种模型。于是，分别准备了空套管、浇铸水泥的套管、空套管+油管、套管与油管之间浇铸水泥等4个模型。用伽马源和探测器进行监测的数据见表1。

表1 4种模型的监测计数率

在赵××井上，实际进行测量时得到的计数率为224cps，与空套管+油管的模型接近，由此推断赵××井内为空套管和油管。此结果后来得到了证实。

4 采用管外放射性浮子测量油水界面

盐穴储气库造腔过程中需要在腔体内注入清水溶蚀盐层，形成饱和卤水后再将其排除出。这一过程需要往复进行，进而实现扩大盐腔的目的。盐穴造腔示意图如图6所示。为了使盐腔达到设计的形状，需要在7 in(1 in=25.4 mm)测试管柱外面注入柴油，通过控制油水界面高度来达到腔体形状的目的。油水界面位置是变化的，需要经常监测。国外在盐穴造腔过程中监测管外油水界面的方法有两种，一种是脉冲中子法[11]，另一种是多电极法[12]。脉冲中子法测井费用较高，多电极法测量跨度小(一般为2 m)。作为一种尝试，我们试验了在7 in测试管柱外放置放射性浮子，并且在4in油管下入伽马仪器测量油水界面的方法。

图6 盐穴造腔示意图

利用浮子测量油水界面需要解决以下3个问题：

1)如何制作合适的浮子。柴油的密度为0.84 g/cm3，饱和卤水的密度为1.33 g/cm3，因此把浮子的密度设计为1 g/cm3左右即可。选用了密度为1.4 g/cm3的聚酰亚胺掏空后注入柴油的设计。通过计算，得到了理想的浮子。

2)如何测量到浮子。在浮子中放入了少量放射性物质60Co,在4in油管内使用伽马仪器可以测量到7 in测试管外的浮子。

3)如何使浮子不会远离7 in测试管。把浮子放在不锈钢管内，浮子在不锈钢管内可以自由活动，不锈钢管被固定在7 in测试管外面，如图7所示。

图7 不锈钢管安装照片

在JK××井的施工过程中共放置了6个浮子，它们分别放置在6根7 in测试管上，总监测跨度为60 m。图8为JK××井测井曲线。图中绿线为注柴油前所测伽马曲线，红线为注柴油后的伽马曲线。可以看出，注柴油前井中为盐水，6个浮子都处在7 in测试管的顶端。注柴油后第6根和5根测试管外的浮子移动到了管的下端。第4根测试管外的浮子则从1 043.4 m向下移动到1 051.1 m。而第1、2、3个浮子位置没有变化。由此确定第4个浮子的深度就是油水界面位置，即1 051.1 m。

图8 JK××井测井曲线

5 磁性定位探测钢丝鱼顶

一般情况下，测量油管或套管内落物鱼顶深度采用下放测井记录张力的方法，张力减小的位置就是鱼顶深度。但是如果落鱼是小直径的测试钢丝，当测井仪器和加重到达鱼顶位置时一般不会遇阻，所以无法观察到张力的变化。打捞钢丝一般需要先用造弯工具造弯，然后再下打捞矛打捞。造弯工具下深非常关键。下浅了不能造弯，下深了造弯太多，可能造成打捞遇卡。因此准确测量钢丝鱼顶深度非常重要。通过摸索，我们发现使用磁性定位仪器可以准确测量到钢丝鱼顶位置。

图9 苏××井测井曲线

6 电磁探伤仪器测量套管扶正器

在斜井或水平井中加入套管扶正器有助于改善固井质量，但是使用扶正器可能使管柱下入困难。对于固井质量不好的井，有时会怀疑是否使用了套管扶正器。电磁探伤仪器主要用途是测量套管或油管的腐蚀和变形[13]。通过分析其工作原理，我们认为它有可能测量到套管外的扶正器，于是进行了尝试性应用，取得了非常好的效果。图10是一个用电磁探伤测量套管扶正器的应用实例。在套管内测量电磁探伤，观察套管壁厚曲线就可以得知是否加装了套管扶正器。

图10 电磁探伤测井曲线

7 结 论

以上几个实例是从需求入手，采用放射性和磁性测井方法，改进工艺、拓展仪器用途、研制新仪器的尝试。放射性测井的扩展应用包括环空落物深度位置的确定、套管内结构的判断；磁定位测井可用于鱼顶方位的探测、储气库油水界面的监测；电磁探伤测井可用于管外扶正器位置的探测。几种创新应用均取得了满意的效果。