CN100447582C - 对射流技术的改进 - Google Patents

Abstract

一种脉冲中子源辐射地层，该辐射由井孔中的流体中的O¹⁶产生N¹⁶，由其后N¹⁶的衰变所产生的伽马射线被多个空间分开的检测器检测。检测器的计数率在时间采样间隔上累计。使用相关、微分和/或相似性技术处理瞬时信号以确定井孔中一种或多种流体的流动速度。

Description

对射流技术的改进

技术领域

[0001]本发明涉及测井方法和装置，特别涉及核测井技术，以确定在下套管的井中在钢套管背后的水泥空隙或通道中是否存在不希望的水流以及在井和相邻油管中的流动。

背景技术

[0002]长期以来，在石油工业中存在的一个问题是在产油区之间沿井的下套管部分发生的不希望的流体流动。淡水或咸水从附近的含水砂岩层流入产油砂岩层能污染由该井生产的石油，以至该井的石油生产会由于“水切入”的缘故而成为在商业上不可行的。类似地，在为城镇供给饮水等目的的淡水生产中使用的近地表水井中，由于咸水从附近砂岩层中的迁移对淡水饮水供给的污染，也会达到不进行复杂的去污染处理便不适于人类使用的程度。

[0003]在这两种情况下，通过多年的经验已经发现，水从附近的砂岩层向用于支持井壁的钢套管和井壁本身之间的环形空间中的不希望的流动能多次造成对淡水饮水供给或产油砂岩层的污染。通常，用于支持井壁的钢套管是用水泥来固定的。如果在井孔完工时初始水泥作业做得好，则不存在产油区之间的流体流动。然而，在世界上的一些很松散固结的地区，在产油区通常是高渗透性砂岩层，即使初始水泥作业做得好，其后在井孔周围的砂岩层也可能坍塌。这能允许水从附近含水砂岩层沿着水泥护层外侧流入产油区。再有，当初始水泥作业本身由于在其周围的液体流动而质量下降时也会发生不希望的流体流动问题。类似地，好的初始水泥作业也可能含有沿其纵向的通道或空隙空间，这会允许在附近的含水砂岩层与产油区之间发生不希望的流体流动。

[0004]能导致产油区和附近含水砂岩层之间沿井孔不希望的流体流动的另一个问题是所谓套管和水泥之间的“微环形空间”问题。这一现象的发生是因为当水泥被迫从套管柱底部向上进入套管和地层之间的环形空间时(或通过套管射孔)，通常套管受到高流体静力压强差，以迫使水泥进入环形空间。这一高压强差能使套管膨胀。当其后为进行生产而从井中解除这一压强时，先前膨胀的套管可能收缩，从而脱离在套管和地层之间的环形空间中围绕套管形成的水泥护层。这一收缩能在套管和水层护层之间留下空隙，它有时被称作微环形空间。在一些情况下，如果在初始浇灌水泥的过程中发生了足够大的套管膨胀(如在需要高流体静力压强的深井中)，套管在收缩时可能脱离水泥护层而留下足够宽的环形空间，使流体能沿微环形空间从附近的含水层流入生产孔，从而产生不希望的水切入。

[0005]授予Paap等的美国专利4032780号提出一种方法，用于确定在套管后面的不希望水流的体积流量和线性流速。使用一个带有14MeV中子源的测井工具连续辐射井套管背后的地层。连续的中子辐射激活了受检测的不希望水流中的单元素O¹⁶原子核。位于该中子源上方的一对分开放置的伽马射线检测器检测不稳定同位素N¹⁶的衰变，并从这些指示中导出不希望水流的线性流速。然后，通过估计距不希望水流区域的距离R，可导出体积流量V。

[0006]授予Arnold的美国专利5461909号提出对Paap技术的改进，其中直接从所得到的计数率曲线确定线性流速、全宽度半最大值时间周期以及总计数。利用测井工具的预先确定的全宽度半最大值时间周期、径向位置和线性流速之间的关系以及预先确定的线性流速、径向位置和流速与总计数比值之间的关系，可确定径向位置和流速。水流的方向是通过感知在中子源的上方或下方是否存在流动的N¹⁶来确定的。

[0007]上文讨论的参考文献没有触及在井中有不只一种流体流动的问题。授予Chace等的美国专利5404752号提出一种方法，用于确定诸如在注水或生产井孔中嵌套的单独套管中同向流动的水体速度。该方法允许在油管柱中存在同一方向水流的情况下使用氧激活测量油管套管环形空间中的水流速度。该方法连续记录，或者进行静态测量。基于速度测量方法，该方法使来自环形流的信号隔离出来，并能产生线性和体积环形流速随深度变化的连续记录。

[0008]上文讨论的方法是基于对指定能量窗口内总计数的测量。如上文指出的那样，Paap的方法要求连续辐射。Arnold的方法使用脉冲中子源并要求进行背景信号校正。在Arnold方法中和在Chace方法中，是以较高频率发出脉冲。在Chace的方法中，当应用于双水流时，首先确定内流速率，然后使用所确定的内流速度确定外流速度。希望有一种方法，其中这种背景信号校正和顺序确定流速不是必须的。本发明就是针对这一需要。

发明内容

[0009]本发明是确定地层中的井孔中第一流体流速的方法和装置。地层受脉冲辐射源的辐射。在离开辐射源的位置得到指示辐射源激活状态的第一瞬时信号以及第二瞬时信号。可以从一个中间位置处的氧激活过程(在N¹⁶原子核衰变回到O¹⁶期间)辐射的散射伽马射线中得到第一瞬时信号，或者可以从这同一位置处的刚性伽马射线得到。在第一种情况中，第一和第二瞬时信号之间的距离等同于第一检测器到第二检测器的间距，在第二种情况中，第一和第二瞬时信号之间的距离等同于源到检测器的间距。辐射源可以是脉冲中子源，它把流体中的O¹⁶激活为N¹⁶。其后N¹⁶的衰变产生伽马射线，可由两个检测器检测到。在本发明的一个实施例中，两个检测器都对产生的伽马射线作出响应，在这种情况下，两个检测器之间的距离用于确定速度。

[0010]速度的确定可基于第一和第二瞬时信号的相关。一个地面或井下处理器可用于确定速度。可对瞬时信号进行标度。另一种做法是，速度的确定可基于第一和第二瞬时信号的时间导数的相关。第一和第二瞬时信号包含一个时间采样间隔上检测器测量的累计计数。使用第三个检测器使得有可能确定井孔中两种流体的流速。井孔中的流体可在油管内或在所述井孔内的套管外部环形空间中。可选地，相似性方法可用于分析这些瞬时信号。

[0011]通过适当地校准，可以确定流体的体积流量。一旦体积流量和流速已知，便可确定有效流动区域。在本发明的一个可选实施例中，有效距离可用于替代实际距离来计算瞬时信号前沿和后沿之间的差。需要进行校准以建立有效距离。

[0012]辐射源通常是以规则间隔脉冲辐射。为避免假频问题，可使用随机脉冲。本发明的另一个实施例以预先确定的间隔改变脉冲持续时间以避免假频。

附图说明

[0013]参考附图可最好地理解本发明。在附图中相似数字代表相似元件，其中：

图1(现有技术)是适于本发明方法使用的装置的示例示意图；

图2(现有技术)是图1中涉及记录仪器部分的放大图；

图3是两个空间分开的检测器测量的瞬时信号(在归一化之后)的示意图；

图4显示近检测器立即响应辐射源激发的情况；

图5显示本发明的一个实施例，其中进行信号微分；

图6显示在两个不同方向检测流体流动的配置；

图7a-7c显示本发明的一个实施例，它仿真现有技术的稳态方法；以及

图8显示确定流动体积的方法。

具体实施方式

[0014]图1和图2代表一个注入井一部分的截面，该注入井穿过地下地层10达到与注入区12关联的区域。套管14包括多个射孔16与多孔的注入区12相对。嵌套在套管14内部的注入管18有开口19，从而使注入流体在压力下流入内导管或注入管18与外导管或套管14之间的环形空间20，进而经由射孔16进入地层以向生产井(未画出)驱扫石油。封隔器13和15将套管14中的水限制在所希望的生产区12。在环形空间中和在注入管18中的水流体有共同的流动方向，如分别由箭头V1和V2所示，但这不是对本发明方法的限制。记录仪器22的速度用箭头Vc表示(电缆速度)。

[0015]记录仪器22是传统的中子记录仪器的修改。它包含一个由电缆26支持的用适当材料制成的长形心轴24，电缆与地面上的绞车27相连，用于通过内导管或注入管18部设仪器。在仪器22通过导管18下降时，由任何已知类型的速度计/测速计29测量仪器22的速度，该速度计/测速计可带有一个导辊，支持电缆26在该导辊上通过。

[0016]一个脉冲中子源28安装在仪器22一端的内部，并由挡板34将它与内部安装的近伽马射线检测器30及远伽马射线检测器32分开。可提供第三伽马射线检测器36。应该理解，检测器可如图1中所示那样装在辐射源的下方，或者在源的上方，或者这两种方式的任意组合，即至少有一个检测器在下方和至少有一个检测器在上方。选择何种配置取决于要测量的水流方向。一个机械式流速计40被固定在仪器22的底部，用于测量在内导管中的流体相对于仪器的速度。信号处理电子电路(未画出)安装在仪器的隔间内，以利于从被激活的氧得到的较高能量而“歧视”低水平的伽马射线活动。检测器计数率在井下被数字化并通过支持电缆26中的适当导体遥测传输到地面上的处理和归档存储单元31。可选地，可提供卫星通信链路(未画出)，使数据传送到远处。在本发明的一个实施例中，可在距离1、2、4和12ft(.3、.61、1.21和3.66m)处提供4个检测器。在本发明的另一实施例中，在井下提供处理器。

[0017]在现有技术的方法中，例如在Chace的方法中，中子源是1kHz的脉冲，每段持续28毫秒(ms)，然后关掉8ms，在关掉期间进行计数率测量。与此相反，在本发明中，中子源可在10秒间隔内跃升到一个最大水平，保持基本不变的水平持续20至40秒左右，然后在10秒间隔内再回落下来。另一种做法是，源的激活和去激活可基本上是瞬间的。每个检测器测量计数率或信号。来自每个检测器的计数率由处理器在适当的时间采样间隔内累积，例如典型的采样频率是0.5秒。这些计数率是在一个适当的能量水平上得到的。在本发明的一个实施例中，所接收的能量高于3.5MeV的伽马射线被计数。能量窗口的上限可以是8MeV左右。累计计数率定义一个瞬时信号。

[0018]现在转到图3，这里将描述本发明方法的基本原理。图中显示曲线101和103，它们描绘了在两个检测器处测量的瞬时信号。横坐标是时间，纵坐标是在时间采样间隔上的累积计数率。如前文所述，采样频率典型值是每0.5秒一次，而总的测量时间可能是变化的，取决于流速和源-检测器或检测器-检测器的间距。对于只有单个流速的情况，信号101所对应的测量是由靠近源的检测器得到的，而较远的检测器测量信号103。由于这些信号是N¹⁶以半衰期约7.13秒进行放射性衰变的结果，由较远处检测器测量得到的信号绝对水平将低于由较近处检测器测量得到的信号绝对水平。在图3所示曲线图中，已对信号进行了适当的归一化，从而使它们看起来幅度相差不大。近处检测器和远处检测器的间距Δd是一个已知量。因此，通过测量信号101和信号103之间的时间延迟Δt，便能由下式确定流速

$V_r=\frac{\mathrm{\Δd}}{\mathrm{\Δt}}---\left(1\right)$

[0019]这样确定的速度V_r是相对于测井工具速度V_t的流体速度测量值。当测井工具保持静止时，速度V_r将与实际流体速度相同。当测井工具运动时，实际流体速度V_f由下式给出：

V_f＝V_r+V_t    (2)

这里应该理解，求和是矢量求和。在讨论本方法的其余部分中，假定测井工具是静止的，并能对工具运动速度进行适当的校正。

[0020]在本发明的一个实施例中，时间延迟Δt是通过信号101与103的交叉相关得到的。当近处检测器与源相距足够远时，信号101对应于O¹⁶到N¹⁶的激活，所造成的伽马射线是由N¹⁶的衰变产生的。然而，如果近处检测器与辐射源足够靠近，它可能立即相应由于刚性和捕获事件造成的源激活。这种情况在图4中描述，其中，如果近处检测器D₁′是在由121表示的刚性或捕获事件区域内，则它立即响应源激活。在与流体从源位置到检测器位置D₂的流动对应的时间延迟之后，远处检测器D₂响应N¹⁶，与此相关的距离是Δd′。

[0021]也可通过识别从信号101和103的上升沿和下降沿的信号转折点来得到时间延迟。这种情况示于图5，其中，与前面相同，101和103是在两个检测器处的信号。曲线151和153是曲线101和103相对于时间的一阶导数。于是可从151和153的峰值之间的时间延迟Δτ₁，或从151和153的两个波谷之间的时间延迟Δτ₂来得到时间延迟。

[0022]在本发明的另一实施例中能测量沿任何方向的流体流动。这需要至少两个伽马射线检测器分放在源的相反两侧，以确定来自N¹⁶的衰变信号。这些检测器由图6a中的D₂和D₃代表。此外，还需要一个响应由源激活造成的刚性信号的单一检测器(图中由D₁′表示)，以提供参考时间，作为单个检测器D₁′的替代物，图6b的安排能在源的每一侧使用两个检测器响应N¹⁶的衰变信号。

[0023]本领域技术人员将会认识到，这里在固定的源-检测器距离上接收的并以传输速度表征的信号在一些方面类似于并中的声信号。有基于相似性分析的开发得很好的方法来分析这种声信号。还有一种开发得很好的方法是所谓τ-p变换，那里在时间-偏移域中的信号被变换到截距时间-慢度域(慢度是速度的倒数)。相似性分析或在τ-p域沿恒定慢度(或速度)线叠加变换后的信号是识别时间-偏移域中线性移动信号的公知方法。这些方法在区分具有不同传播速度的信号时特别有用。这类方法在声信号分析领域是众所周知的，在这里不再讨论。在授予Dubinsky等的美国专利6023443号中给出这种处理的一个实例，该专利与本发明有相同的受让人，其内容在这里被全部引用作为参考。在本发明的范围内，这些技术对于处理来自多个检测器的信号和区分可能有不同方向和/或不同速度的流体流动是有用的。

[0024]可以使用一种混合技术，其中可对来自本方法的数据进行稍有不同的处理并用于现有技术的稳态速度测量方法。如果我们对存在被激活水信号的时间段内来自两个检测器中每一个的计数率进行积分，并对计数进行背景校正，则可把它们应用于下列标准公式：

$V_f{=V}_t\frac{\mathrm{\λ\Δd}}{\ln \left(\frac{A}{B}\right)+\ln \left(\frac{D_1}{D_2}\right)}---\left(3\right)$

其中A和B是由积分得到的来自检测器的计数率，Δd是检测器间距，V_t是测井工具速度，λ是被激活氧的衰变常数。D项是检测器的平衡项。这示意性显示在图7a-7c中。图7a中显示的是在两个不同检测器处的示例信号101和103。图7b显示信号101′，面积A指示近处检测器的总计数率。图7c显示信号103′和远处检测器的计数率。

[0025]产生中子的中子源并不表现为一个点源，即由它激活的水有“长度”。当源被启动时，在源的前面小距离处的水变成被激活状态，并且在源位置的水达到检测器之前稍早的时刻撞击该检测器。反之，当源被关闭时，稍在源后面的水仍被激活并用比预测时间稍长的时间才达到检测器。在本发明的一个实施例中，对于上升沿使用比实际间距短的有效间距。反之，对于下降沿则使用比实际间距长的有效间距。通过在静态充水环境(现场)中当以已知速度移动仪器时记录数据来进行仪器校准。于是仪器速度能作为有效水速，通过处理数据解算出对上升沿和下降沿的源至检测器有效间距。

[0026]在本发明的一个实施例中，校准用于确定运动水的体积。校准可在已知直径的基本充满水的井孔区域中进行：水速是已知的，并能由在那个速度下的数据积分得到计数率。于是可确定一条响应曲线来描述检测器针对水速的计数率响应，它只随另一个未知变量改变，即源输出。由校准操作得到的数据定义了在固定源输出值的情况下在已知水速和体积时的计数率。这使得有可能以理论响应拟合数据，从而对于测井记录操作期间计算出的任何速度，我们能相对于校准期间存在的体积由计数率确定当前的水体积。该体积是已进行速度校正的计数率比值。

[0027]这示意性显示于图8。曲线151是校正曲线，显示计数率作为水流速度的函数(对于100％水)。例如，如果测量出流速为30ft/min(9.14m/min)，那么如果流动的是100％水，则预期的计数率应由N₂给出。如果测量到的实际计数率是N₁，则简单地由N₁/N₂给出水的体积。如果已知水体积和流速，则能确定液流的有效区域。

[0028]当被激活氧达到检测器所用的时间比源“接通”时段之间的时间还长时便能出现潜在误差源。这能导致以错误的源接通时段进行检测器脉冲相关处理，从而得到错误确定的速度。这在信号处理中用术语“假频”来说明。为防止发生这种错误匹配，在本发明的一个实施例中，对于每N个源“接通”周期，以一个唯一同步信号来表征源的激活。例如，数字N可以是大于5的任何整数。这类同步信号的实例包括：(i)以一个预先确定的因子增大源“接通”时间，(ii)以一个预先确定的因子减小源“接通”时间，以及(iii)跳过一个源“接通”。在本发明的另一个实施例中，源激活时间是随机的，而且处理器可得到实际的激活周期。

[0029]在本发明的另一实施例中，可使用与源分开的单一检测器。该检测器对源激活造成的刚性和捕获伽马射线的响应基本上是瞬时的。因此，检测器的响应可用作源激活时间的指示。如在上文描述的实施例中那样，检测器对氧激活过程(在N¹⁶原子核衰变回到O¹⁶期间)所造成的散射伽马射线的响应是对流体流动的响应。用于计算速度的有效间距是源和检测器之间的距离。这种方法是对Simpson等描述的方法的改进，在Simpson等的方法中，起始时间取自用于激活中子源的电子脉冲。这另一个实施例使用的起始时间是基于中子源的输出：这会校正在接通中子源过程中固有的任何时间延迟。

[0030]使用单检测器实施例也能确定两个不同流体流的流速率。例如，考虑两个并发流动，它们沿同一方向，但一个在油管内部，另一个在油管和外套管之间的空间(或称油管-套管环形空间)。例如，伽马射线检测器能检测到有两个不同转折点的信号，这两个转折点是由于管内激活信号和环形空间激活信号有不同的到达时间造成的。上文描述的检测转折点的方法能扩展到确定第二瞬时信号(即伽马射线检测器响应)中的两个转折点，并能与第一瞬时信号进行相关以确定两个速度。

[0031]前文中在[0026]段描述的方法能扩展到确定由[0030]段描述的方法或由上述测量并发水流的任何其他方法检测和测量的两个(或更多个)水流的体积。

[0032]本领域技术人员将会设计出本发明的其他实施例而不脱离这里公开的本发明的范围。因此，本发明只应由所附权利要求限定其范围。

Claims (6)

1、确定在地层中的井孔中第一流体流动速度的方法，该方法包括：

(a)用脉冲辐射源辐射地层，其中所述脉冲辐射源包括脉冲中子源，所述辐射将所述第一流体中的O¹⁶原子核转换成N¹⁶原子核，所述N¹⁶原子核产生伽马射线；

(b)得到由辐射造成的第一瞬时信号，第一瞬时信号指示辐射源的激活时间；

(c)在与辐射源分开的至少一个检测器处得到由辐射造成的至少一个第二瞬时信号，该至少一个第二瞬时信号指示第一流体的流动速度；以及

(d)基于对第一瞬时信号、至少一个第二瞬时信号以及一个距离的分析，确定流动速度，该距离是(A)测量第一瞬时信号的位置与这至少一个检测器之间的距离和(B)辐射源与这至少一个检测器之间的距离二者之一，

其中确定流动速度是基于该第一瞬时信号和该至少一个第二瞬时信号之间的相关，

所述方法进一步包括对该第一瞬时信号和所述至少一个第二瞬时信号的标度，

其中确定流动速度是基于对该第一瞬时信号和该至少一个第二瞬时信号进行时间微分，以提供第一时间微分信号和至少一个第二时间微分信号，所述方法进一步包含对该第一时间微分信号和该至少一个第二时间微分信号进行相关，以及在进行所述时间微分之前对该第一瞬时信号和该至少一个第二瞬时信号进行标度，

所述方法进一步包括确定井孔中第二流体的流动速度，

其中确定流动速度是基于该第一瞬时信号和至少一个第二瞬时信号的相似性，

所述方法进一步包含使用校准测量以确定第一流体的体积流量，以及由流动速度和体积流量确定第一流体流动的有效区域，

其中，在(c)中的所述距离是通过校准由实际距离确定的有效距离，

其中的辐射源是以(i)规则间隔或(ii)随机间隔断续接通，并且所述方法进一步包括以预先确定的间隔改变源脉冲的持续时间，

其中第一瞬时信号包括一个第一检测器在一个时间采样间隔上的累计数。

2、权利要求1的方法，其中第一瞬时信号包括由这至少一个检测器测量的刚性伽马射线，而第二瞬时信号包括由这至少一个检测器测量的散射伽马射线。

3、权利要求1的方法，其中第一瞬时信号包括由位于辐射源和这至少一个检测器之间的一个附加检测器测量的散射伽马射线，第二瞬时信号包括这至少一个检测器测量的散射伽马射线。

4、权利要求1的方法，其中第一流体和第二流体处于下列两种情况之一：(i)在井孔内的一个或多个管道中；(ii)在所述井孔内的套管外部环形空间中。

5、确定在地层中的井孔中第一流体流动速度的装置，该装置包括：

(a)辐射地层的脉冲辐射源，其中所述脉冲辐射源包括脉冲中子源，所述辐射将所述第一流体中的O¹⁶原子核转换成N¹⁶原子核，所述N¹⁶原子核产生伽马射线；

(b)与辐射源分开的至少一个检测器，它产生响应所述辐射的一个瞬时信号，该瞬时信号指示第一流体的流动速度；以及

(c)能使用下述(A)和(B)确定第一流体流动速度的处理器：

(A)该瞬时信号和指示辐射源激活状况的附加瞬时信号；以及

(B)下述两个距离之一：(I)产生该附加瞬时信号的检测器与所述至少一个检测器之间的距离，(II)辐射源与所述至少一个检测器之间的距离，

其中一个单个检测器产生该瞬时信号以及附加的瞬时信号，而且该瞬时信号包括刚性伽马射线，而附加瞬时信号包括散射伽马射线，

其中该附加瞬时信号来自由位于辐射源和至少一个检测器之间的检测器所测量的散射伽马射线，而该瞬时信号包括这至少一个检测器测量的散射伽马射线，

其中所述处理器是基于所述瞬时信号和附加瞬时信号之间的相关来确定流动速度，

其中该处理器基于对该瞬时信号和该附加瞬时信号进行时间微分以提供第一时间微分信号和至少一个第二时间微分信号，来确定流动速度，

其中与辐射源分开的至少一个检测器包括至少两个检测器，

其中该处理器进一步确定所述井孔中第二流体的流动速度，

其中所述处理器进一步使用校准测量以确定第一流体的体积流量，并且该处理器进一步由流动速度和体积流量确定第一流体流动的有效区域，

其中的至少一个距离包括通过校准由实际距离确定的有效距离，

其中的辐射源是以(i)规则间隔或(ii)随机间隔断续接通，

其中的处理器以预先确定的间隔改变源脉冲的持续时间，

其中的处理器是在(i)地面位置或(ii)井下位置，

其中所述处理器进行所述第一瞬时信号和所述至少一个第二瞬时信号的积分。

6、权利要求5的装置，其中第一流体和第二流体处于下列两种情况之一：(i)在井孔内的一个或多个管道中；(ii)在井孔内的套管外部环形空间中。

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