四十臂井徑測井處理方法改進及軟件實現(xiàn)

李恒，郭海敏，石耀，張金海，王明朝，王迪

（1．長江大學油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室，長江大學地球物理與石油資源學院，湖北 武漢430100；2．中國石油集團測井有限公司，陜西 西安710077；3大慶鉆探工程公司測井二公司，吉林 松原138000）

0 引 言

油水井的套損套變給油田開發(fā)造成很大損失，特別是油田長期的注水開發(fā)，使得油田套損問題更加嚴重。為了確定套損發(fā)生機理和程度，需要長期動態(tài)監(jiān)測套管，多臂井徑測井是套管監(jiān)測的重要手段之一［1－3］。

四十臂井徑測井儀擁有40個獨立測量臂，40個臂均勻分布在一個平面上，每2個相鄰臂之間相隔9°。一次下井可以記錄40條獨立的井徑曲線，此外還記錄相對方位等信息。通常根據40條井徑曲線計算一些評價參數，例如最大通徑、有效通徑、折算內徑、橢變率、變徑率等，并通過設置套損門檻值判定套損類型及套損程度。這些評價參數在程序判別套損套變情況時，人工干預較多，解釋效率和解釋精確度較低。本文引入數學量方差和曲線斜率，結合以上評價參數實現(xiàn)了快速準確識別套損。目前一些軟件可以實現(xiàn)井徑成像，但成像效果單一，無法形成對比，且未經過方位校正的數據成像并不真實。通過引入曲線方差，將套損套變的判別分為三級，通過統(tǒng)計分析得到的各評價參數的閾值，在程序自動判別套損套變上提高了效率與解釋精度。對原始測量數據進行了方位校正，將三維管柱圖，三維圖及套管截面序列結合起來，實現(xiàn)了動態(tài)掃描檢測套管狀態(tài)效果。利用顏色刻度，對異常部位套管進行顏色標示，更加直觀真實地展現(xiàn)了套管內壁情況。

1 四十臂井徑測井數據特征

四十臂井徑測井儀一次下井記錄40條套管內徑曲線，套管正常情況下，單臂記錄值應在套管公稱內徑附近波動，如果套管發(fā)生較大形變，或者內壁結垢，甚至斷裂，那么井徑測量值將會偏離套管公稱內徑，套損越嚴重偏移量越大。儀器上部和下部均帶有扶正器，儀器下井時扶正器收攏，當儀器下放到指定深度后，扶正器張開，儀器數據采集模塊通電，此時記錄編號為1的臂所在方位為位置0。儀器在上提過程中每移動0．025m，記錄40個臂的測量內徑值，記為RAD1、RAD2、RAD3、…、RAD40，分別對應40個不同方位，且由于使用了扶正器，儀器測量過程中始終居中測量，這是井徑成像的重要條件。上提過程中儀器會出現(xiàn)旋轉現(xiàn)象，儀器自動記錄編號為1的臂相對位置0旋轉過的角度FW（相對方位），計順時針為正，逆時針為負。測量時也可根據需要加掛其他儀器短節(jié)進行一些其他數據的測量。儀器還會自動判別出每個深度記錄點的最大、最小井徑值，并計算每個深度點的平均井徑值，形成最大井徑曲線、最小井徑曲線以及平均井徑曲線。最終記錄數據塊是一個二維數據塊（見表1）。

2 四十臂井徑測井解釋方法改進

2．1 方位校正

在測井過程中，儀器會跟隨電纜在井筒內旋轉，導致在不同深度每個探測臂所記錄的數據并不是套管同一個方位上的井徑值。井徑儀記錄的是每個探測臂測量到的套管內徑值，并不能區(qū)分每個臂探測的內徑值屬于哪個方位。如圖1（a）所示，在深度點A，臂1、臂2…所在位置如圖1中所標識，當儀器到達深度點B，臂1、臂2…所在位置如圖1（b）所標識。四十臂井徑測井儀配有加速度傳感器，該傳感器能夠記錄其自身相對于原始方位（通電瞬間傳感器所在方位，即位置0）旋轉過的角度。假設深度點A，儀器到達指定深度，扶正器張開，數據采集模塊通電，此時儀器記錄臂1所在方位為位置0，并記錄深度點A處各測量臂記錄的內徑值；當儀器上提到深度點B時，儀器相對位置0順時針旋轉180°，臂1、臂2到達圖1（b）所示位置。通過該相對角度（相對方位），對測量數據進行方位校正，使每個臂記錄的數據固定在同一個方位上，這樣才能使得井徑成像圖更加真實，處理結果更加精準。

儀器在井下的旋轉角度無法控制，如果儀器轉過的角度是9的倍數，這時方位校正比較容易實現(xiàn)。因為儀器本身每2根測量臂的間隔就是9°，所以無論儀器是順時針旋轉，還是逆時針旋轉，只要相對位置0的旋轉角度是9的倍數，那么在數據采集模塊通電瞬間所有測量方位均有測量臂覆蓋，因而只需要將各自數據歸位即可。圖1（a）為在深度點A，臂1、臂2…臂40所在方位；當儀器上提到深度點B，儀器相對位置0旋轉了180°，臂1、臂2…臂40所在方位見圖1（b）。此時只需將臂21的值賦給臂1，臂22賦給臂2，臂23賦給臂3依次類推，這樣臂1的值還是位置0套管的實際內徑，其他各測量臂也獲取到其對應的值。

表1 四十臂井徑測井儀數據特征

圖1 儀器方位校正示意圖

如果儀器旋轉角度不是9的倍數，此時需要通過插值計算各個原始測量點的內徑值。儀器上提到深度C時，旋轉過的方位角為365°，各臂所在位置如圖1（c）所示。此時位置0并沒有測量值，利用與位置0相鄰的測量臂1和測量臂40所測得內徑加權插值，計算出一個位置0的內徑值，并將其值賦給臂1，作為位置0的井徑值。依次類推計算出原臂2處的內徑值，…，這樣就完成了旋轉角度不是9倍數情況下的方位校正。

通過方位校正，井徑測量數據能更真實地反映套管在各個方位的變形情況，用通過方位校正的井徑數據得到的三維圖才能更精確地顯示套損套變存在的具體部位，提高套損套變的解釋精度。

2．2 基于方差的四十臂井徑測井解釋

井徑測井中，任意深度每個方位的井徑都未知，從某種意義上說每個深度每個測量臂測量的數據都是一個隨機變量。一種規(guī)格的套管都有其公稱內外直徑，可以認為套管的公稱內徑是正常情況下套管內徑的均值。這時可以建立起測量值與套管公稱內徑之間的關系，計算一段套管的內徑方差。通過計算套管內徑方差可以判斷套管實測內徑與公稱內徑的偏離程度，方差越大偏離程度越大，套損出現(xiàn)的可能性就越大。方差的計算公式為

式中，σ2為方差；Ri為第i個隨機變量的數值；n為采樣數據個數；ζ為采樣數據的均值。

實際應用時，選取最大測量井徑作為當前深度的測量值參與方差計算。因為由于對套管任何方位的損壞都需要檢測，而測量值最大的臂所在方位出現(xiàn)套損的可能性最大。基于該原則，選取最大測量值參與方差計算，能反映任意深度套管任何可能存在的輕微套損，提高檢測套損的敏感性和分辨率。如果最大井徑方差很小，表明該段套管在井徑變化最大的方位沒有出現(xiàn)套損，可以判斷該段套管在其他方位也不可能出現(xiàn)套損。根據用戶劃分的解釋層段，計算該段套管的最大井徑方差，經過統(tǒng)計分析，劃分方差閾值，并確定與之對應的初步判斷結論。然后根據計算的最大通徑、最小通徑、橢變率、折算內徑、錯斷率［2－4］等參數以及各自標準精細判斷套管是否發(fā)生套損、套損類型、套損程度等。最大井徑方差的大小直接體現(xiàn)了套損套變的發(fā)生程度，方差越大套損套變越嚴重。

2．3 考慮曲線斜率的接箍深度快速判別法

多臂井徑數據很多時候是根據套管接箍深度對測量數據進行校深。在套管接箍處，套管會出現(xiàn)輕微擴徑的現(xiàn)象，因而導致井徑測井曲線在套管接箍處出現(xiàn)輕微擴大，在圖像上顯示為一個尖峰。利用曲線逐點求導獲取曲線斜率，在尖峰處導數不為0，這樣就檢測出了尖峰位置，也就是套管接箍位置。其計算公式為

式中，DEP1、DEP2分別是相鄰采樣深度值；RAD1、RAD2為對應深度點的測量值；K為計算斜率。

在實際應用時為了不漏檢、不誤檢套管接箍深度點，采用同時對最大井徑曲線，最小井徑曲線和平均井徑曲線上分別逐點求導（求曲線斜率）的方式，只有在同時滿足各自統(tǒng)計特征時才判別為接箍點。當解釋人員確定了套管接箍深度后，便可以很快地進行深度校正，提高數據預處理效率。

3 程序實現(xiàn)

根據研究區(qū)塊實測數據統(tǒng)計分析解釋參數，在數據預處理基礎上，通過程序自動邏輯判斷和三維掃描成像相結合，綜合判斷套損套變發(fā)生情況。程序實現(xiàn)邏輯設計流程見圖2。

圖2 程序實現(xiàn)邏輯設計流程圖

3．1 自動套損檢測

將套損、套變的檢測分為3級。方差作為第1級檢測標準。通過對最大井徑方差設置下限門檻和上限門檻，計算機將用戶指定層段套管分成3大類：正常套管、腐蝕套管、變形套管。最大井徑方差小于下限門檻則判斷套管正常，最大井徑方差處于下限門檻和上限門檻之間則判斷為腐蝕套管，最大井徑方差大于上限門檻則判斷為變形套管。對于腐蝕套管進一步通過最大井徑、最小井徑特征［4－5］判別是整圓腐蝕還是部分腐蝕。套管變形包含的套損類型較為復雜。根據二級判斷，最大井徑是否超出射孔門檻（射孔門檻指的是井徑儀在射孔效果較好處的井徑響應值，超過該值表明套管已經出現(xiàn)洞口、裂縫等），可以將變形套管分成兩大類，一類是套管出現(xiàn)破損；另一類套管發(fā)生形變，這種形變一般是橢變或擴縮徑。如果在解釋層段，最大井徑出現(xiàn)大于射孔門檻的現(xiàn)象，為了不漏檢任何一個出現(xiàn)的孔洞或是裂縫，程序都將其優(yōu)先檢測出來。然后根據錯斷參數［2－4］進一步判斷是套管錯斷還是出現(xiàn)裂縫或是孔洞等。如果最大井徑小于射孔門檻，表明套管沒有出現(xiàn)孔洞或是裂縫，這時最大井徑方差可能就預示著套管發(fā)生是擴縮徑，根據折算內徑、變徑率［2－7］等可進一步判別是擴徑還是縮徑。

3．2 掃描成像

程序通過三維坐標轉換、顏色刻度、線性插值等方法，實現(xiàn)了管柱包絡圖、三維圖、截面序列圖及截面序列與三維管柱圖、三維圖的聯(lián)動繪制，達到了掃描監(jiān)測套管狀態(tài)的效果。由于數據已經過方位校正，所以無論是三維管柱圖、三維圖還是截面圖都能真實地反映套管狀態(tài)。

4 應用效果分析

4．1 方位校正應用

某井已投產53年，其四十臂測井數據三維管柱圖見圖3。圖3（a）是數據未經過校正所成的三維管柱圖，圖3（b）是同一口井數據經過方位校正后所成的三維管柱圖，從2圖的對比分析發(fā)現(xiàn)經過方位校正的三維管柱圖逆時針旋轉了約50°。

圖3 某井方位校正后三維管柱圖與截面圖

通過井下儀器陀螺儀記錄了臂1通電瞬間的絕對方位，為西偏南55°方向。如果不經過方位校正，將判定套管約在東偏北72°方向出現(xiàn)最大破口，而經過方位校正則判定最大破口出現(xiàn)方位約在西偏北58°方向。由于套管受損嚴重，圖3中可見左側套管收到擠壓向右側運動，導致套管超出其彈性范圍而破裂，屬于剪切性形變。經證實，該區(qū)塊確實存在地層剪切性應力，方向與套管受壓方向一致。

4．2 曲線方差應用

在吉林油田經過50井次實測數據的驗證統(tǒng)計，最大井徑方差小于等于0．03時套管幾乎沒有任何損壞，內壁腐蝕幾乎不存在，40條井徑曲線平直光滑，幾乎無抖動。三維管柱圖曲線光滑，并無顏色顯示。三維圖則顏色細膩，無明顯色差顯示。

在套管發(fā)生輕微變形或腐蝕段，套管最大井徑方差一般分布在0．03～1之間。40條井徑曲線輕微抖動，出現(xiàn)較多毛刺，管柱三維圖上出現(xiàn)部分不連續(xù)顏色標示。在三維圖上出現(xiàn)顏色輕微變化，表示輕微變形或腐蝕部位（見圖4）。經過計算該段最大井徑方差為0．15。

圖4 腐蝕套管原始曲線及成像圖

套管發(fā)生嚴重變形時，最大井徑方差大于1。套管破裂甚至是錯斷時，40條曲線波動較大，三維管柱圖上明顯看出套管有嚴重形變，三維圖上出現(xiàn)紅色表示（見圖5）。經過計算該段最大井徑方位為3．2。將最大井徑方差作為判定套管狀態(tài)的第1重標準，簡化了判別過程，提高了解釋效率。同時通過最大井徑方差大小評價套損嚴重程度，量化了套損程度。

圖5 嚴重變形套管原始曲線及成像圖

5 結 論

（1）通過插值對測量數據經行方位校正，使得解釋結果更加精確，成像圖更真實。

（2）利用線性插值、顏色刻度、三維坐標轉化等手段實現(xiàn)了截面圖與三維管柱圖、三維圖的聯(lián)動控制，實現(xiàn)了掃描檢測套損套變，使得任何細小的套管內壁變化都能一目了然。

（3）曲線斜率的引入使得套管接箍識別更加方便快捷，提高了解釋效率。

（4）引入方差不僅在使得程序能夠快速準確定性分析套損套變，還對套損套變程度進行了簡單直觀的量化。

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