氧活化水流测井技术资料

试论氧活化测井技术在注水井查漏找窜的应用发布时间：2021-04-14T14:03:39.780Z 来源：《中国科技信息》2021年4月作者：马国伦[导读] 回注井将一种将油（气）田开发中产生的污水（地层水或者废液等）回注到地下特定层位所钻的井。

氧活化水流测井是一种测量井下水流速度的测井方法，本文介绍的小外径-单发七收”新型氧活化测井仪在一个测点可同时监测上水流和下水流双向水流，同步测量不同空间的水流流速，并且计算流量，测井时效块，测井成功率高，是快速评价回注井窜漏的主要方法。

中石化胜利油田分公司油藏动态监测中心孤东监测项目部马国伦摘要：回注井将一种将油（气）田开发中产生的污水（地层水或者废液等）回注到地下特定层位所钻的井。

氧活化水流测井是一种测量井下水流速度的测井方法，本文介绍的小外径-单发七收”新型氧活化测井仪在一个测点可同时监测上水流和下水流双向水流，同步测量不同空间的水流流速，并且计算流量，测井时效块，测井成功率高，是快速评价回注井窜漏的主要方法。

测试实例表明：与五参数流量方法相比，该技术具有良好的适用性，应用效果良好。

关键词：氧活化水流测井；回注井；找窜漏0 引言回注井将一种将油（气）田开发中产生的污水（地层水或者废液等）回注到地下特定层位所钻的井。

由于污水水质复杂，长期回注势必对管柱造成腐蚀，严重地引起管柱破损，污水窜流，进而造成严重的环境污染问题。

因此对回注井定期进行管柱技术状况的检测、回注层位的监测尤为重要。

近年来硼中子、氧活化、涡轮流量等测井技术在回注井查漏找窜方面应用较多，相比之下，氧活化测井较为简单、直观、准确、应用效果好。

1氧活化水流测井技术1.1测井原理简介氧活化反应通过活化水中的氧元素，使流动的水具备短时间能被伽马探测器探测到的放射性。

通过解析活化伽马射线时间谱可计算出水流速度，在流动截面已知情况下, 就可准确的计算出水流量大小。

1.2新型氧活化测井仪优势目前采用的新型氧活化测井仪包含一个脉冲中子发射器和七个不同源距的伽马射线探测器，见图1-1。

脉冲中子氧活化测井技术的应用摘要：脉冲中子氧活化测井仪是一种测量水流速度的注入剖面测井技术，主要用于注水和聚合物的注入剖面测量，可测量笼统注水井、配注井、油套合注井的向上或向下水流的速度，在测量范围内能够准确测出注入量。

应用表明，测井过程中通过活化水中氧来直接测得油管和套管中水的流速，需要计算获得相应流量，可克服示踪剂沾污、沉淀、聚堆、地层漏失的影响。

关键词：脉冲中子活化测井应用一、仪器结构和技术指标（1）仪器结构。

包括磁性定位器，遥测电路，远中近探测器，中子发生器和高压驱动电路。

见图1。

磁性定位器：测量井内油管或套管节箍及井下工具深度；遥测电路：对地面仪通过电缆传送的控制命令进行解码，并实现对其他部分的控制；把磁定位数据、近中远探测器测得的伽马数据编码，通过电缆传送给地面仪。

远中近探测器：时时测量井内对应深度处的伽马数据。

中子发生器：发射中子，实现对氧的活化。

高压驱动：在控制命令控制下，向中子发生器提供高压脉冲。

（2）主要技术指标。

耐温：125℃；耐压：60MPa；仪器外经：43mm；仪器长度4.5m；近中远三个探测器的源距分别为0.45m、0.90m、1.80m。

图1 结构示意图二、测量原理氧活化反应使流动的水具备了短时间的能被伽马探测器探测到的放射性。

用能量大于10Mev的快中子轰击氧原子，就会发生活化反应。

氧核被激化后，产生氮的放射性同位素16N处于激发态，经β衰变后还原成氧，其半衰期为7.13s，同时释放出能量为 6.13Mev的特征伽玛射线。

反应表达式：16O+n=16N+P；16N=16O+γ。

其中时间应为水被活化到γ被探测到的时间差的平均值。

三、现场施工中应注意的问题（1）由于该仪器造价比较昂贵，而其中的中子发生器和探测器都有易碎部件，所以在使用过程中一定要做到轻拿轻放，在长途运输过程中一定要注意仪器的保护，尽量减少仪器的颠簸。

在测井过程中一定要严格按照规定测速启下仪器。

（2）地面仪中氧活化板卡对测量信号进行处理和解码，地面仪后面板接线方式与其他测井项目不同，在给仪器供电前要把由采集箱引出的信号线和连接到示波器的信号线分别接到氧活化板卡上，在测量其他项目时，必须还原接线方式，否则无法测得正确数据，而且有可能损坏氧活化板卡。

氧活化测井技术在工程井中的应用摘要：在油田开发的中后期，油、套管的技术状况的恶化，窜漏现象也越来越严重，常规的测井技术有很多局限性。

本文介绍了氧活化测井技术的工作原理以及在不同井况条件下的氧活化测井在找漏、窜的施工工艺的研究并取得好良好的应用效果。

关键词：氧活化工程找漏窜注入方式产出方式施工工艺引言随着油田开发的不断深入，油、套管技术状况不断恶化，油水井窜、漏现象越来越严重，已经成为油田开发普遍存在的问题，影响了油田正常地生产开发。

监测油水井的窜、漏情况，判断遇阻层或灰面以下吸水或产出状况，常规的测井技术有：同位素、井温、流量计、中子寿命等，要想准确判断来水方向和水流大小，这些方法存在很多的局限性。

氧活化测井技术能够解决其中的一些难题，可直接判断水流方向及测量水流速度，能在油田动态监测中广泛应用。

1、氧活化测井技术在工程井中的施工工艺1.1、氧活化测井原理氧活化测井技术在测量时，每一次测量都包括一个很短的活化期(2～10s)，以及紧随其后的数据采集周期(典型值为60s)。

当水经过中子发生器周围时，水中的氧原子被快中子活化，被活化的水在流动过程中发生β衰变释放出6.13MeV 的伽马射线，通过对伽马射线时间的测量来反映油管内、环形空间、套管外含氧物质—水的流动状况。

通过测量活化水到达探测器所经历的时间，结合中子源至探测器的距离便可计算出水流速度。

1.2、氧活化测井仪器直径：38mm结构：单发七收特点：同步接收，同步记录。

在一个测量点可同时测量出上、下水流的流量，更加有利于现场操作和解释人员进行流量状态的分析。

内径小，测井成功率更高。

同时双向监测水流，减少测井时间。

1.3、施工工艺的研究常见的油水井窜漏主要分为以下三种：一是注水压力突然下降，一般为套管漏失或管外窜，灰面漏失；二是井口存在溢流，无法判断来水位置，影响注采平衡；三是油井含水急剧上升，或者新投产的井投产后含水极高，但从完井资料显示含水没有那么高，可能是上部或下部水层窜槽所致。

42一、氧活化测井仪测量原理脉冲中子氧活化是一种测量水流速度来测量流量的方法。

主要应用于定量测量注水井的分层吸入量。

适用于笼统正注井、笼统上反井、油套同注及配注井的注入剖面测量。

仪器示意图如图1所示。

仪器利用中子发生器发射14MeV的高能中子，活化井筒中以及其周围的氧原子核以产生氮同位素。

放射性氮同位素以半衰期7.13s发生b-衰变，氮同位素经过 b-衰变之后发射高能g射线，g射线照射到探测器晶体上产生光子，光电倍增管感应到光子后将其转化成电信号被仪器记录下来。

在被活化的水流流往探测器方向的过程中，仪器会记录活化水发出的g射线时间谱，通过计算活化水到达探测器的时间，即中子爆发到特征峰峰值的平均时间，根据求出流动速度，进而根据水流所在处的横截面积得到流量，由两个测点的流量差就可以得到两点间的吸入量。

图1脉冲中子氧活化测井仪结构示意图由于中子发生器发射的中子，可以活化以中子管靶极为原点，半径30cm范围内的氧原子，并且6.13MeV和7.11MeV的g射线可以穿透几十厘米厚的井眼物质，如井内流体、油管、套管、水泥环等，所以可以探测到油套空间乃至水泥环外的流动水流，因此该方法对注入井中发生的分隔器泄露和井外水流窜槽现象能给出定性判断。

二、自相关氧活化解释方法重心法和中心法是氧活化测井解释广泛应用的方法，进行资料解释一般都用重心法，重心法是通过对两个谱峰分别求取重心时刻，两个重心时刻的差值即为渡越时间，通过谱峰求取渡越时间的缺点是受谱峰边界选取影响很大，在聚合物条件下，受粘度影响谱峰产生拖尾，会对谱峰边界选取造成一定误差，这也是聚驱井解释误差较大的原因之一。

无论在清水还是聚合物中，氧活化测井解释在较低流量时（<20m 3/d）测量值普遍偏大，较高流量时（>150m 3/d）测量值偏小。

针对此问题通过实验研究加理论研究，利用自相关氧活化解释方法进行资料解释，有效解决了上述问题，现场应用效果较好。

单芯多功能水流测井仪操作方法及测井工艺一、测量原理氧活化测井的基本原理是依据脉冲中子活化氧原子，使活化的氧原子产生特征伽马射线。

流动的活化水流经四个探测器，各个探测器连续纪录Υ计数率随时间推移变化的时间谱，并根据时间谱计算出谱峰的渡越时间，由各个探测器的源距和计算出的时间谱的渡越时间得到活化水的流速，并根据实际测量的空间截面积和一天24小时的时间长度计算得到该测量点一天的流量。

二、测量要求：1、总注入量稳定：由于采用点测方式，因此要求在水站连续监测被测井的总注水量一段时间，确认注入量稳定（实际测量时，在200米处进行第一点的总流量测量，在喇叭口或分层配注之上测量第二点总流量，两个测量结果进行对比，总流量应基本相同）。

变化的注入量将导致氧活化测量资料产生误差，甚至无法解释。

所以要求测量时段内，注水井的注入量必须稳定。

2、测量过程监控：（1）在实际测量过程中，要对于当前测量的流量进行监控，对时间谱峰，操作员应监控时间谱的测量质量和测量结果，对于每个测量点的时间谱进行现场的初步计算，计算得到的流量结果应符合流量变化的总体趋势。

（2）根据管柱情况判断水流的方向，对下水流，应从上至下顺着水的流动方向进行测量，直到测量到零流量。

对于上水流从下至上顺着水的流动方向进行测量，直到测量到零流量。

（3）如果有明显流量增加，必须重复测量来证实。

源和探头要尽量避开油管节箍。

对于异常的测量结果，如：谱峰质量不好、油管峰与环空峰不易区分、流量计算结果不合理等情况应采取补测、加密测量、追踪谱峰异常的变化点，以及复测正常时间谱测量点的方式，找出异常点的变化原因，为测后处理提供足够的解释信息。

3、校深：仪器断电上提或下放，在目的层上方选择合适深度点开始进行四参数连续测量（下测），测速500米/小时，监视节箍曲线防止遇阻；选择一测量段上提连续测量四参数，测速600米/小时，通过GR、CCL曲线校深；修改深度后，仪器应重新上提测量四参数，确定深度正确。

脉冲中子氧活化测井技术在注水井中的应用注水井在辽河油田逐渐增多，了解注水井的生产动态显得尤为重要。

常规的监测手段主要是电磁流量计或者声波流量计等，受管柱下深的影响，不能满足监测的要求。

脉冲中子氧活化测井技术是一种测量水流的技术，该技术可以准确的测量油管、油套环空、套管中的水流，同時还可以验漏、验封。

具有很好的应用前景。

1 仪器结构及测井原理1.1 仪器结构及原理脉冲中子氧活化测井仪由谣传短节、上采集短节、中子发生器短节、下采集短节及下采集二短节五部分组成，如图1。

脉冲中子氧活化反应的实质是氧原子吸收高能脉冲中子（大于10.2Mev），放出质子，产生放射性同位素N16，并引发一系列原子核反应，最后激发态的氧原子释放出高能伽玛射线，通过对伽玛射线时间谱的测量来反映油管内、环型空间、套管外含氧物质特别是水的流动状况。

通过解析时间谱可以计算出水流速度，进而计算水流量。

1.2 仪器指标1、仪器最大耐压：80MPa;2、仪器最高耐温：150℃;3、仪器尺寸：38mm;4、仪器长度：总长5738mm（不含加长采集短节）或7506mm（含加长采集短节）。

2、应用效果2.1笼统注水井的应用本井为笼统注水井，设计该井注水30 m3/d，实际测得注水量为30.5 m3/d，通过对测得的数据分析，得出17层位主吸层，11、12、13、15、16为次吸层，14层不吸。

遇阻位置下还有吸水。

2.2 分层注水井的应用本井为分层配注井，设计注水量为50m3，实测日注水量为45.5m3/d。

P1水嘴进水4.0m3/d，P2水嘴进水15.8m3/d，P3水嘴进水25.7m3/d，根据实测数据分析，47层是主吸层，36、37、38、40、44、45、46层是次吸层，22、23、27、48层是少量吸水层，其余各层不吸水。

仪器在2025.0m处遇阻，但可确定51、52层不吸水。

封隔器F1、F2、F3座封良好。

3、结论（1）可以测出油管内、油管外环套空间及套管内、外的水流，可以取代常规的测试手段，效果好、准确率高。

脉冲中子氧活化上下水流组合测井技术一、脉冲中子氧活化上下水流组合测井原理简述脉冲中子水流测井的物理基础是脉冲中子与氧元素相互作用后能放射出特征伽马射线，通过检测伽马射线来确定仪器周围含氧流体的流动情况。

用能量大于10MeV的快中子轰击氧原子，使流动的水具备了在短时间内能被伽马探测器探测到的放射性；氧核被激化后，产生的氮放射性同位素N16处于激发态，经衰变后还原成氧，其半衰期为7.13s，同时释放出能量为6.13MeV的特征伽马射线，这些高能的伽马射线在井眼中辐射达200-300mm，能够穿透井中流体、油管、套管和水泥环，被伽马探测器探测到并记录其活化的时间谱线。

脉冲中子水流测井仪器由地面数控测井仪和井下仪2个部分组成。

地面数控测井仪负责给井下仪供电、发送控制指令和测试数据采集处理；井下仪依次为磁性定位器、中子发生器和近、中、远3台伽马射线探测器。

采用点测非集流工作方式，井下仪器使用单芯电缆。

井下仪器下井后，用远探测器先测一条自然伽马曲线，该曲线与磁性定位曲线共同完成校深工作，然后将仪器下到指定层位深度，开始流体流速测量。

脉冲中子水流测井时，每次测量都包括一个短的活化期(一般为1,2,10s)和一个相对较长的数据采集期(典型值为60s)；当水流经中子发生器时，被快中子活化，活化后的水在流经3个不同源距的探测器时，测量其时间谱，得到峰位时间，再利用源距和被测点的横截面积等数据计算出各测点的流量。

二、解决的技术关键问题（一）仪器的机械结构设计本仪器采用“双发单收”模式，既采用一组伽马能谱探测器、两个高能脉冲中子发生器的组合结构。

设计上参照了原有脉冲中子氧活化仪器的结构，在保证仪器测量范围不变的情况下，将原有的四只伽马能谱探测器改为三只，从而缩短了仪器的总体长度，保证了仪器成功下井。

（二）中子发生器的分时控制由于仪器包括二节高能脉冲中子发生器，对应不同的水流需要使用特定的高能脉冲中子发生器。

为此我们设计了高能脉冲中子发生器的控制电路，并通过程序设计实现了对其控制，同时对应不同的水流还实现了对三支伽码能谱探测器的正常排序。

氧活化测井氧活化测井（oxygen activation logging）是中子活化测井的一种，主要用来检测油井中水的流动，所利用的核反应式为16 8 O(n,p)46N。

产生的16N为半衰期7 35秒的放射性核素。

当油井内存在水流动时，通过对水中氧活化不仅可以发现水流的存在，而且用长短两种源距观测还可以求得水流的速度。

[1]氧活化仪器测井原理：如果能量大于10Mev的快中子轰击氧原子，就会发生下列反应：16O + n = 16N + P 16N = 16O + r + 6.13Mev水中的氧原子核能被活化成放射性氮同位素16N，后者半衰期为7.13s，氮处于激发态，通过β-衰变退激，并放射出具有6.13MeV和7.12MeV能量的伽马射线，高能中子与高能伽玛射线能够穿透井内流体、油管、套管和水泥环，属于非接触式流量测量方法。

测井时，测井仪器内的中子发生器先发射一段时间中子，把仪器周围的水活化，然后停止发射中子；在水流动方向上设置五个伽玛射线探测器，活化水流经过探测器时，探测器计数率会增加；在探测器计数率随时间变化的伽玛射线时间谱中，能够确定出活化水从中子源流到探测器的时间；由于中子发生器与探测器之间的距离已知，可以计算出水流速度。

Q = V*S其中Q - 流量,m3/d;V - 流速, m/s;S -管道截面积, s2。

中子氧活化流量测井原理用脉冲中子活化中子活化氧原子，使活化的氧原子产生特征伽马射线。

流动的活化水流经四个探测器，保个探测器是连续记录，计数率随时间变化的时间谱，并根据时间谱计算出谱峰的渡过时间，由各个探测器的源距和计算出的时间谱的渡越时间得到活化水的流速，并根据实际测量的空间截面积和一天24小时的时间长度计算得到该测量点的一天流量。

氧活化测井的用途：1)在笼统正注井、笼统反注井、油套合注井、分层配注井中测量注入剖面。

2)寻找套管外窜流。

3)检查封隔器漏失及套管漏失。

4)可过油管测环套流量。

第一节历史回顾用中子活化井眼周围原子核并测量衰变伽马射线的测井思想最早在1939年提出,60-70年代，研究中子活化测井的目的是测量地层中氧、硅、铝等元素的相对含量，想解决岩性、泥质含量和含水饱和度等问题。

这期间许多作者提出了各种地层元素的活化测井方法，也开发出了使用脉冲中子源进行连续定量测量的仪器，但是由于各种原因，没有获得广泛认同。

1979年，在SPE期刊JPT上发表了一篇文章，详细叙述了中子氧活化测量水流方法的理论推导过程和实验样机试验结果[4]。

这项研究成果得出了两个重要结论，即水流与测量仪器的相对速度可以通过不同源距探测器计数率的比值来确定；水流与测量仪器的距离可以通过能谱中不同能窗计数率比值确定。

这就为中子氧活化水流测井奠定了基础，目前Atlas使用的两种水流测井方案[5]和Halliburton使用的一种水流测井方案就源自这项研究结果，Schlumberger公司也曾使用过这种测量方案。

我公司引进俄罗斯布谷利马的仪器也使用该方案。

1991年，Schlumberger公司的研究人员发明了另一种测量方案—脉冲测量方案WFL。

脉冲活化是一种新型氧活化技术，是示踪技术和中子活化技术的结合。

脉冲中子氧活化不是测量多个探测器计数率的比值，而是通过测量时间谱，计算被活化的水流从中子源流到探测器的时间。

后来，为了在多相流中应用这项技术，该公司的研究人员又开发了FVL，分别用可被活化的水溶和油溶标记物来测量水流和油流速度。

第二节物理基础一、中子的一般概念中子是组成原子核的基本粒子之一。

它的静止质量是1.00866原子质量单位(一个原子质量单位等于C12原子质量的1/12，即等于1.66053×10-27千克)。

中子所带的电荷量小于电子电荷的10-18。

因此，可以说，中子是不带电的中性粒子。

因为中子不带电，所以当它射入物质时，它和原子核外的电子几乎不发生作用，故中子不需要克服库仑力的障碍，能量很低的中子也能很容易地进入原子核内部，引起各种核反应。