CN1054287A - 放射示踪剂渡越时间测定法 - Google Patents

Abstract

这里公开的是一种确定蒸汽注射井蒸汽注射模 式放射示踪剂渡越时间的方法。放射衰变数据由两 个在不同深度的探测器采集，然后数据被转换成一新 的数据组，它是由相继两个衰变的时间间隔构成，利 用统计方法设定一个排除本底辐射衰变的高概率，这 样便可将示踪剂辐射衰变与本底辐射衰变区分开 来。将全部的时间间隔分成特定样本大小的亚组。 示踪剂的到达时间可以通过相继发生的示踪剂衰变 首次达到一特定最小值的时间加以确定。

Description

本发明一般地来说属于热增强油的开采（thermally  enha-nced  oil  recovery）。具体地讲，本发明提供了一种方法，它能够可靠、准确地确定蒸气喷射井（steam  injection  we-ll）气流喷射模式放射示踪剂的渡越时间。

在原油生产中常常会出现原油十分粘稠，以致需要向含油层（the  petroleum  reservoir）中注入蒸气。理想状态下，含油层应是完全均匀的，蒸气可以均匀地进到储油层的每一个角落。然而，事实却常常不是这样，蒸气往往有选择地仅进入储油层的一小部分，而绕过其他部分。结果，发生“气流穿通”（steam  bre-akthrough）现象，大量的蒸气直接从喷射井流向生产井（pro-duction  well），而绕过了储油层的大部分地方。

解决这一问题可以采取不同的措施，比如，堵住喷射井的特定部分。例如，美国专利No.4，470，462和No.4，501，329，已转让给本发明的受让人。然而，在实行这些补救措施时，有必要确定储油层的哪些部分易于接受注入的蒸气。这通常是一难题。

人们提出了各种确定钻井时射入蒸气分布模式的方法。Book-out的《蒸气流注射中的注射模式》（“Injection  Profiles  During  Steam  Injection”，SPE  paper  No801-43C，May  3，1967）总结了一些已有的决定蒸气注射模式的方法以及所有用的参考资料。

在蒸气注射井中，液相和气相的分布对于蒸气流行为的评价是十分重要的。它能显示储油层中哪些部分存在气体，哪些部分被气流绕过。近来，放射示踪物测量越来越广泛地被应用于确定蒸气注射模式。这种测量技术测量放射示踪剂在两个井下（downhole）伽马探测仪间的渡越时间。最好，射入放射性气体，比如，氩、氪、氙常作为示踪气相。甲基碘化物（methyl  iodide）也可用于示踪蒸气的气相，例如，美国专利No4，793，414，No4，817，713、No4，507，552和由戴活詹尼（Dava-razni）和罗斯那（Rosener）著的、标题为《用生产记录仪器测量蒸气注射井》（“Surveying  Steam  Injection  Wells  Using  Production  Logging  Instruments”）1985年8月发表，描述美国专利No4，223，727的一篇文章。

在专利No4，507，552和No4，223，727中，放射性碘被加入到注射井和蒸气发生器之间的蒸气中，示踪剂随着蒸气向井下运动，直到它遇到岩层，示踪剂将在岩层表面短暂置留几分钟。典型的伽马辐射记录仪随着示踪剂注入立即启动。井中任一点记录下的伽马辐射强度假定与注入这点的蒸气量成正比。

另一种估测注射井注入状况的现有技术方法如美国专利No4，223，727所描述的那样，是用地面的仪表设备测量流体和注入的放射示踪剂的量。

气相示踪剂如下所述可有多种：烷基卤化物（alkyl  hali-des）：〔甲基碘化物（methyl  iodire）、甲基溴化物（methyl  bromide）、乙基溴化物（ethyl  bromide）〕或单质的碘。虽然早先人们都相信烷基卤化物之类的气态示踪剂在较短的时间里是不易分解的，但是人们注意到上述物质在经过化学反应后却会严重影响蒸气注入状态测量结果的精确性，如相关的美国专利No4.793，414和No4，817，713中的描述。

现有技术中一种确定气体注射井中有关液相和气相状况的方法包括下面的步骤，在井中第一位置置入一记录装置，该装置包含两个伽马射线探测器，其中一个探测器位于第二个探测器之上一定距离，然后注入放射性的液相示踪剂，确定液体在第一和第二伽马探测器之间的渡越时间。再将热性能稳定的气相放射示踪剂，比如氪、氙和者氩气，注射进蒸气注射井，测出气体在第一和第二伽马探测器之间的渡越时间。然后再将这对探测器降低到下一个位置，再度注入液相和井相示踪剂。这样，气体和液体在穿通过程中的注入状态就可通过在不同深度的渡越时间确定出来，例如，美国专利No4，793，414和No4，817，713。

另一申请提出的方法是，气体和液体的速度以及测定的井底（bottomhole）温度或压力、测定的井口两相流体的物质流速（mass  flow  rate）和两相的蒸气的气体质量比率（vapor  mass  fraction）被用以估测井下（downhole）气体质量比率，例如，美国专利No4，817和4，793，414。然而，井下气体质量比率的估测精度基本上取决于估算相速度的精度。

现场经验，和各种现有的确定气流状态的方法表明，存在着不可忽视的困难，即结果的可重复性和转换较差，蒸气注射井放射示踪测量实际应用的进一步分析表明，现在的数据分析法不适于确定蒸气注射井的短示踪剂渡越时间。因为放射性微粒从本底源以及示踪剂团、（tracer  slug）产生的辐射是随机的。从本底辐射水平中区分的示踪剂衰变（decay  event）是十分重要的。现行的记录的方法并不注意这些。结果本底辐射常常错误地反应在示踪剂来的辐射测量中。另外，避免探测器反应数据的主观整理（subjective  interpretation）也十分重要。这意味着需要有自动的数据处理和评价方法。总之，自动方法优于人工方法，因为它可以节省时间、消除人为的错误和提供一致性好和可靠的结果。

每一探测器传输的信号即是辐射衰变的发生。每一衰变时间被记录和存储下来作为真实时间，然后再进行分析。在现有技术中，从每个探测器中获取的信号可转换成曲线。从中可看出在一固定的时间间隔里记录下来的衰变发生次数。理想状态下，这一曲线应呈高斯分布。计数率取决于在一网定时间间隔里记录下来的辐射衰变发生的次数、示踪剂团到达探测器的时间以记录下的衰变发生数的最大值或峰值的时间为准，也可以首次衰变发生数明显增加的时间为准。这一方法要求一非常短的时间间隔以精确地确定示踪剂的到达时间。例如，1989年8月公布的美国专利No4，861，986中，仍然介绍在穿透套管泄漏中选择峰值来获得流体流动速度的测量值。注入两种从理论上可以相互区分的放射性同位素。

在蒸气注射模式的放射示踪剂的应用中，可测得的是全部示踪剂衰变有限的次数。在蒸气注射中，气体速度太高常导致示踪剂团过长，并且浓度降低，通过探测器速度快，这对现有技术方法就显得难以在本底辐射水平以上探测到示踪剂的衰变量。另外，太高的气体速度还会导致示踪剂在两个探测器间的渡越时间非常短。有时，这种渡越时间可少于0.2秒，以致于用前面所述的现有方法难以评估和分析示踪剂的状态。

对现有方法的改进近来被用于解释记录到的衰变的有限值。原始的探测器输出信号被转换成两个相继的辐射衰变间的时间间隔△t，在给定的经过时间里衰变发生的频率可由一倒数关系获得，即f＝1/△t。用一指数衰减曲线来描述各分离频率值，再用绘图技巧使曲线成为连续曲线。不幸的是，这种最后的光滑曲线显示的是多个变化形状很宽的峰。并不代表实际探测器的反应。结果，使得峰和前沿，即示踪剂的到达时间的确定，不是不可能便是很困难。

每一频率可由1/△t确定，频率的精度估算可从下式中获得：

f的精度＝f+/-U_f

这里U_f是频率的误差值。比如，如果用95%的置信度水平来定义误差，则频率的精度由下式给出：

f的精度＝f+/-2λ

这里λ是频率的标准偏差，因为每一频率都是基于单一的△t值获得，相应地其标准偏差应表示为：

σ＝ (f)/(△t) ＝ 1/(△t) ＝f

因此，从1/△t所获得的衰变的频率值其精度范围在其本身的加/减两倍。衰变频率的真值可能落在-f到3f之间，说明这种方法具有较大误差。

放射示踪剂在蒸气注射井的应用中，测得的只是全部示踪剂衰变的有限的次数。这是由于探测器暴露于示踪剂的时间非常短和使用了低能级的伽马辐射，不论是暴露时间还是辐射水平都不会对可测衰变数的显著增加有足够大的改变，增加衰变发生计数的间隔时间将降低计数率出现的估算时间的精度。

现有方法的局限在于不能获得高精度的放射示踪剂到达的准确时间。在蒸气注入时伴之以太高的气速将导致在两个探测器之间的渡越时间非常短。有时候，渡越时间可小于0.2秒，这使得估测和整理示踪剂的测量结果很困难。结果，这一局限使得不能准确得知储油层中哪些部分局部地接受到注入蒸气。因此，这里仍需要一种方法来准确、可靠、宜于实际地测定放射示踪剂到达每个探测器的时间和在两个探测器之间的渡越时间。

这里描述一种可靠和准确测定井中放射示踪剂渡越时间的方法。该方法大体上包括如下步骤，在所述井中一定深度较高处装上第一伽马辐射探测器。较低处装上第二个伽马探测器;所述每个探测器各自采集原始辐射衰变数据，所述衰变数据由本底噪声和示踪剂衰变构成，其中后者可从所述本底噪声中区别开来;将每个所述的探测器采集的所述原始探射衰变数据转化为新的数据组，包括一系列的两个相继衰变的时间间隔，其数目等于采集到的辐射衰变数减一，即N_E-1;利用一定的统计法则。比如离心测试（outlier tests）将每个所述探测器采集的示踪剂辐射衰变从本底辐射衰变中区别开来;对每个探测器，计算通过离心测试分辨出的所述相继两个衰变的时间间隔的平均偏差和标准偏差;在一个规定的置信度水平上给所述的平均时间间隔划定一个可接受的范围或限制。比如95%的置信度水平。它说明真实的示踪剂的平均时间间隔将落在此限制之中的概率为95%;对每个探测器而言将全组N_E-1个时间间隔划定规定样本大小为n的亚组，这样有N_E-n亚组数，其成员为△t_k，△t_k+1，△t_k+2，…△t_k+n，这里k是从1计数到N_E-n;对每个探测器而言确定每个所述亚组的平均时间间隔，并划出第一个满足所述的可接受限制的亚组;在每个所述探测器设定辐射示踪剂到达时间T_到达，它等于在t_k时衰变k的时间;计算所述放射示踪剂在两个所述的伽马辐射探测器之间的渡越时间△T_渡跃，这里：

△T_渡越＝T_到达（底部探测器）-T_到达（顶部探测器）

图1描述的是用氪气作示踪剂的蒸气气体测试中两个伽马辐射探测器的原始信号输出曲线，上半部曲线是顶部探测器的输出信号，下半部给出底部探测器输出信号。一个辐射衰变的发生被描绘为一连续的垂直线。

图2曲线显示了一个理想的探测器反应曲线，通过计算在固定的时间间隔中记录的辐射衰变数获得。这一曲线是在记录到的全部衰变数较大的条件下给出的，如总数大于1000，在这种情况下反应曲线呈高斯分布。

图3的曲线是从实际探测器的数据获得的探测器反应曲线，这是用氪气作为示踪剂的蒸气气体测试。

图4的曲线表示将原始探测数据转换成1/△t，采用现有方法中间分析步骤来确定示踪剂渡越时间。

图5给出的是一探测器反应曲线，这是基于从1/△t数据获得的计数率（count  rates）并将数据点间光滑处理而得到的，图示了确定示踪剂渡越时间的现有方法。

图6是一流程图，概略地图示了确定放射示踪剂渡越时间的新的改进方法。

图7给出一探测器反应曲线图样，它表示新的改进方法确定放射示踪剂渡越时间的方法。

依照本发明，一种分析探测器数据，可靠准确地放射示踪剂的渡越时间的新的改进方法已经开发出来。示踪剂到达探测器的时间依照下列判断标准确定：

1.从本底辐射衰变区分示踪剂辐射衰变。

2.确定一个统计限制，它将设置一较高的概率，使得本底辐射衰变不包括在示踪剂渡越时间的估算中。

3.示踪剂团到达探测器的时间通过相继发生的示踪剂衰变，首次达到一个特定的最小值的时间确定。

这里介绍一属于确定蒸气注射井的蒸气注射状态的具体实施例。由蒸气发生器产生的蒸气通过管道和钻孔注入蒸气注射井内，进入含油层，如同所有注入方法的情况一样，井口蒸气注入的速度（rate）和质量必须保持相对稳定的条件，这是非常重要的。只有这样才能减少在注入状态测试时的差错，地面注入条件大的起伏不是导致真实的状态变化被掩盖，就是给出一错误的状态变化。因此，地面注入条件的起伏应当大大地小于整个钻孔间隔（the  perforated  interval）预期的状态变化。

最初，一个油井记录装置被用于记录温度和/或压力状况，由此可从已知的技术中的蒸气表（steam  tables）中确定气体和液体的密度，然后将钻井记录装置放回到钻孔区域（perforated  zone）的底部。气相状况最好首先进行，尽管也可能先进行液相状况。如果液相状况首先进行，井身（wellbroe）可能会残留一些放射性，这可能掩盖气相的结果。然后，一团液相示踪剂注入蒸气管。为使伽马辐射探测器能容易地探测需注入足够量的示踪剂。这个量的变化主要取决于蒸气的流速和蒸气的质量，但一个懂技术的人可以很容易地计算出来。

记录装置是熟知技术中的一种，并且包含有伽马辐射探测器。检测仪器和记录设备被用来收集和存储探测器输出的真实时间的原始信号，然后远距离分析以确定示踪剂渡越时间。

在图1中，给出了一个来自两个伽马探测器的原始信号的例子，这是在一个15秒的收集间隔中用50毫居里的放射性氪气团来示踪蒸气气体的。上半部的曲线给出的是从顶部探测器输出的信号，而下半部的曲线则是从底部探测器输出的信号。辐射衰变的发生由连续的垂直线绘出。在每个探测器记录到的来自本底辐射和示踪剂辐射的衰变大约为40到50次。这些衰变发生的频率对本底辐射而言在每秒0到5次的量级，对示踪剂辐射在每秒50到200次之间。

放射示踪剂到达探测器的到达时间是这样确定的，即最大或峰值计数率发生的时间或者是当第一次计数率显著增加的时间。在理想状态下，每条反应曲线都应有一单一尖锐的峰或者前沿，这样才能可靠地测定到达时间，如图2所示。

图3给出的是用氪气作为示踪剂的气体测量反应曲线，这里记录下的辐射衰变数是按每0.1秒间隔计数的。这一曲线记录下的是衰变频率与时间的曲线，它可用作判断示踪剂团的存在以及它到达探测器的相应时间。由于记录到的衰变数是有限的，因而也就难以准确地确定计数的最大值或峰值的位置。在这种情况下，即使峰清晰可辨，示踪剂到达时间也只能精确到加/减半个时间间隔。在这里，对每个探测器而言。到达时间可精确到加/减0.05秒。结果，一对探测器间示踪剂的渡越时间只能精确到+/-0.1秒

图4表示探测器的数据转换成1/dT的中间分析步骤，这里是用现有技术方法来测定计数率的。图5给出采用数据1/dT的计数率和时间的反应曲线，这里也是用的现有技术方法。注意最后的光滑曲线给出了多个宽扩变化斜率的峰，这不能代表实际探测器的反应。其结果是示踪剂到达时间的峰或前沿用现有技术是十分困难的。

新的改进方法所采用的判断放射示踪剂到达探测器的到达时间标准是以现有的概率和统计理论为基础的，它可提供加可靠和精确的评估来自每个探测器的原始输出信号的方法。例如，统计离心测试（statistical  outlier  tests）诸如汤普森（Thomp-son）的技术和哥鲁巴斯（Grubbs）方法可用于从每组探测器输出数据中区分放射示踪剂的衰变与本底辐射衰变。这些分离方法分别在汤普森（Thompson）的《关于观察结果的舍弃和偏差与样本标准偏差比值分布标准的研究》（“On  a  Critercon  for  the  Rejection  of  Obesrvations  and  the  Distribu-tion  of  Ratio  of  the  Deviations  to  Sample  Standard  Deviation”）和哥鲁巴斯（Grubbs）的《探测样本边缘观测结果的程序》（“Procedures  for  Detecting  Outlying  Observations  in  Samples”）两篇文章中有描述。

在多数统计离心测试中，舍弃一个好的数据点的概率P_R通常设置在5%，（这种情况将真正的示踪剂衰变排除在估测示踪剂到达时间之外）。P_R的值可以设置得较高或较低。这取决于所期待的置信度水平。然而，在设置较低的含弃好数据点的概率的同时，也增加了接受坏数据点的概率，（在这种情况下，在测定示踪剂到达时间时可能包括了本底衰变）。

这里提出的确定示踪剂渡越时间的新的改进方法的分析步骤如图6中所示。每组探测数据处理过程如下

1.将从每台探测器得到的原始输出信号（即记录到的每一个被探测的辐射衰变时间t_i）转换成一组新的数据。这组数据由相继的两个衰变的时间间隔△t_i组成，其数量等于记录到的辐射衰变总数减一，N_E-1。

△t₁＝t₂-t₁

△t₂＝t₃-t₂

△t_i＝t_i+1-ti

┇

△tN_E-1＝tN_E-tN_E-1

2.进行离心测试。比如汤普森（Thompson）的τ测试，将时间间隔数据加以鉴别，将那些与示踪剂衰变相关的时间间隔与那些与本底辐射衰变相关时间间隔分开来。

3.计算经过鉴别与示踪剂衰变相关时间间隔的平均偏差和标准偏差， △T和δ。

4.用特定的样本规格n和特定的置信度水平p（通常等于95%到99%）设定一与示踪剂衰变相关的平均时间间隔的范围和限制。这一限制可确保本底辐射衰变不包括在示踪剂到达每一探测器时间的确定中有较高的概率。

5.将整个时间间隔数据组（由N_E-1个成员组成）分成有特定样本大小n的亚组。每一亚组有n个成员，以成员k开始，以成员k+n结束。例如，第一亚组的成员为△t₁、△t₂…△t_1+n;第二亚组由成员△t₂、△t₃…△t_2+n组成;第k亚组由成员△t_k、△t_k+1…△t_k+n构成。

6.确定每一时间间隔的平均时间间隔 △t_k找出第一个亚组k。使 △t_k,k+n在下面的可接受限制之内，

7.设定示踪剂到达探测器的时间，T_到达等于衰变k的相应时间t_k。

图7给出的是采用本发明方法的一样本反应曲线，这是 △T_k，k+n与辐射衰变记录时间t_k的曲线。示踪剂到达探测器的时间可以通过第一个 △T_k，k+n数值满足限制

的时间来加以确定，即T_到达＝t_k。一旦示踪剂到达每个探测器的时间确定下来，两探测器间渡越时间即可由下式计算：

△T_渡越＝T_{到达（底探测器）}-T_{到达（顶探测器）}

这一过程可对位于不同位置的一对探测器所收集的数据重复操作，注射模式也就可由整个射井不同点的渡越时间的变化加以确定。

这里所描述的本发明其用途并不限于上面所述。例如，本发明可用于井对井（well  to  well）示踪剂测试。这需用到其它下套管井的记录，诸如：温度、补偿中子和结构层密度，以确定区域分布、超前率（rate  of  advance）以及蒸气进入储油层后的垂直覆盖。示踪剂也可用广泛地用于其它相关领域，比如地热能量、水文学和地下贮藏的处理（underground  storage  dispo-sal）。

Claims (1)

1、一种包含有下面步骤的、确定在蒸气注射井中放射性示踪剂在两个伽马辐射探测器之间渡越时间的方法：

a.在所述井中一定深度分别安装上下两个伽马辐射探测器，高处为第一，低处为第二；

b.所述的每个探测器采集原始放射衰变数据，所述的衰变数据包含本底噪声和示踪剂辐射衰变，其中后者需与本底噪声区分开来；

c.将每个所述探测器所采集的原始辐射衰变数据转换为新的数据组，即由相继发生衰变的时间间隔构成，其成员数等于收集到的辐射衰变总数减一，N_E-1；

d.利用一定的统计规则，比如离心测试，将每个所述探测器的数据区分为示踪剂辐射衰变和本底辐射衰变；

e.对每一所述探测器计算所述示踪剂辐射衰变的所述时间间隔的平均偏差和标准偏差；

f.在特定置信度水平的基础上设定所述平均时间间隔的可接受的范围和限制，比如95%的置信度水平说明对真实示踪剂团所述平均时间间隔数据有95%的概率落在这一限制之中；

g.对每个所述探测器将所述整个N_E-1时间间隔数据组划分成亚组，亚组的样本大小为n，这样就有N_E-n个亚组，其成员为△t△t_K+1、△t_K+2…△t_K+n，这里k从1计数到N_E-n；

h.对每个所述亚组的所述时间间隔取平均。找出第一个亚组k，其所述平均值 △tk，k+n位于所述可接受限制之内， △t对每一所述探测器；

i.对每个所述探测器而言。设放射示踪剂的到达时间T_到达等于记录下的衰变k的时间。即T_到达=t_k；

j.计算前述放射示踪剂在前述两个探测器之间的渡越时间△T渡越，

△T_渡越=T_{到达(底探测器)}-T_{到达(顶探测器)}

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