多功能超聲成像測(cè)井儀在工程測(cè)井中的應(yīng)用

許明亮，任大明，黃焌淞，萬(wàn)禧煌，牛 朋

(1. 中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司 天津300459；2. 中海油田服務(wù)股份有限公司天津分公司 天津300459)

0 引 言

油田投產(chǎn)后，任何一口井出現(xiàn)完好性故障都會(huì)帶來(lái)巨大的損失——導(dǎo)致停產(chǎn)、環(huán)境污染、維修成本增加或?qū)е率鹿?。地質(zhì)運(yùn)動(dòng)、腐蝕和侵蝕均可以造成井完好性破壞。定期的井完好性測(cè)量不僅節(jié)約時(shí)間、金錢(qián)和資源，而且通過(guò)快速查明異常并確定采取糾正性的維修措施，就可以減少污染和潛在的嚴(yán)重事故[1]。由于良好的水泥層間封隔可以實(shí)現(xiàn)油氣區(qū)高效率生產(chǎn)并避免滲水，如何準(zhǔn)確經(jīng)濟(jì)地對(duì)生產(chǎn)時(shí)期的水泥膠結(jié)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)對(duì)井完好性評(píng)價(jià)具有重要的意義。目前，常用的完好性檢測(cè)手段多為單功能測(cè)量，如機(jī)械測(cè)量(多臂井徑測(cè)井儀MIT 等)、電磁測(cè)量(電磁探傷儀器MTT、EMDS、MID-K 等)和超聲波壁厚描測(cè)量(UTT 等)[2-5]，僅能提供套管內(nèi)徑或壁厚變化，在組合測(cè)井時(shí)可以對(duì)管子損傷進(jìn)行較全面的評(píng)價(jià)。但這些方法均針對(duì)管子損傷，如果需要了解套后水泥膠結(jié)變化情況還需要另外進(jìn)行CBL、VDL 或SBT/RBT測(cè)井等[6]，作業(yè)時(shí)效差且成本高。

1 測(cè)量原理

MUIL 由光纖方位短節(jié)、發(fā)射與接收電路和聲系短節(jié)(旋轉(zhuǎn)探頭)組成。旋轉(zhuǎn)探頭既是聲源也是接收探頭，采用自發(fā)自收的測(cè)量方式，受聲學(xué)特性影響，對(duì)不同規(guī)格的套管選用不同頻率的探頭[7]。

MUIL 測(cè)量采用居中旋轉(zhuǎn)掃描的方式，記錄從超聲聲源向井壁垂直入射后，在井壁以及井壁外介質(zhì)中各聲學(xué)界面上的反射波和管壁內(nèi)形成的共振波。圖1為MUIL 儀器的測(cè)量原理示意圖，可分別進(jìn)行全波模式和成像模式測(cè)量，全波模式同時(shí)完成套管損傷和水泥膠結(jié)質(zhì)量評(píng)價(jià)，主要用于高精度套管損傷評(píng)價(jià)。

圖1 MUIL測(cè)量示意圖Fig.1 Schematic diagram of MUIL measurement

儀器測(cè)量時(shí)，聲波探頭向套管內(nèi)壁發(fā)射超聲脈沖，每次超聲脈沖發(fā)射都會(huì)在套管內(nèi)壁產(chǎn)生較強(qiáng)的反射，由探頭接收并記錄這些反射波的到達(dá)時(shí)間和幅度信息，通過(guò)對(duì)反射波的到達(dá)時(shí)間和幅度信息的處理，可以獲取套管內(nèi)徑，這是套損評(píng)價(jià)的重要參數(shù)之一。

聲波在經(jīng)過(guò)每種介質(zhì)接觸面時(shí)部分能量發(fā)生反射、部分能量發(fā)生折射進(jìn)入不同介質(zhì)，傳播出去的能量大小取決于兩種材料的聲阻抗差異及耦合程度。因套管和流體的聲阻抗為常數(shù)，所以套管內(nèi)的信號(hào)是以一定的速率衰減，衰減速度依賴(lài)于套管外材料的聲阻抗。套管外材料的聲阻抗越大，套管內(nèi)的共振波幅度越小；反之，套管外材料的聲阻抗越小，套管內(nèi)的共振波幅度越大。利用套管共振波幅度的強(qiáng)弱可以評(píng)價(jià)套管外材料的聲阻抗大小，進(jìn)而對(duì)套管外水泥膠結(jié)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。圖2 為自由套管與水泥膠結(jié)良好的聲波對(duì)比示意。

圖2 自由套管與水泥膠結(jié)良好聲波示意Fig.2 Waveform of good cementation between free casing and cement

2 應(yīng)用實(shí)例

目前MUIL 主要用于套損和固井質(zhì)量評(píng)價(jià)。除識(shí)別套管內(nèi)外壁常見(jiàn)損傷外，其超高的分辨率可以通過(guò)反射波幅度變化對(duì)射孔等特殊現(xiàn)象進(jìn)行精確描述；此外也對(duì)第一界面特殊的固井細(xì)節(jié)如串珠、溝糟等進(jìn)行清晰描繪。該儀器先后在國(guó)內(nèi)海上油田及阿聯(lián)酋進(jìn)行了多次作業(yè)，應(yīng)用效果良好。

2.1 套損評(píng)價(jià)

油套管損傷評(píng)價(jià)中，管子剩余厚度是一個(gè)十分重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。在管子壁厚達(dá)到一定厚度時(shí)，超聲波在管子中可以順利形成共振波，通過(guò)反射波幅度變化及共振波衰減速度，MUIL 可以對(duì)管子內(nèi)外壁及壁厚變化進(jìn)行準(zhǔn)確描述。但受超聲波特性限制，其在較薄的管子中不能發(fā)生共振現(xiàn)象，此時(shí)就需要結(jié)合機(jī)械式套損檢測(cè)儀器如多臂井徑成像儀(MIT)等對(duì)管子損傷情況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析。

2.1.1 老井套管腐蝕——疑似穿孔位置檢測(cè)

2.1.2 不同材質(zhì)套管的腐蝕檢測(cè)

圖3 A井MUIL與MIT套損評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparison of MUIL and MIT logging for well A

圖4 B井MUIL與MIT套損評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison of MUIL and MIT logging for well B

2.1.3 射孔孔眼識(shí)別MUIL 測(cè)井除了用于常規(guī)套管損傷評(píng)價(jià)外，還用于對(duì)一些特殊損傷形狀的描述。

當(dāng)套管內(nèi)壁光滑、無(wú)損傷時(shí)，回波幅度較大且變化較小，但是套管內(nèi)壁出現(xiàn)損傷時(shí)，回波幅度將相應(yīng)降低，降低程度隨損傷程度增強(qiáng)而增大?；夭ǚ冉档驮诜瘸上裆铣柿辽@示，亮色區(qū)域的形狀及大小可直觀地反映損傷形狀及大小。

圖5 為阿聯(lián)酋C 井7"套管段的MUIL 測(cè)井成果，第4 道回波幅度存在明顯、形狀規(guī)則且規(guī)律出現(xiàn)的單相位亮斑，平均4～5 亮斑/ft(25.4 mm)，這一特征與該井完井時(shí)單相位、5 孔/ft(25.4 mm)的射孔情況完全吻合，測(cè)井結(jié)果得到了用戶(hù)的高度認(rèn)可。

圖5 C井8750-8765ft射孔孔眼識(shí)別Fig.5 Single-phase perforation identification of 8750-8765ft of well C

2.2 固井質(zhì)量評(píng)價(jià)

根據(jù)聲波測(cè)量原理，通過(guò)MUIL 回波波列進(jìn)行處理，可以得到套后介質(zhì)的聲阻抗信息，進(jìn)而可以對(duì)套后物質(zhì)狀態(tài)進(jìn)行判別。此外MUIL 采用360°旋轉(zhuǎn)掃描的方式進(jìn)行測(cè)量，結(jié)合方位信息，可以更加直觀、全面地反映套后水泥膠結(jié)情況。

圖6 D井MUIL測(cè)井固井質(zhì)量評(píng)價(jià)成果圖Fig.6 Cement bond evaluation of well D by MUIL

圖6 為南海油田D 井的MUIL 測(cè)井固井質(zhì)量評(píng)價(jià)成果，方位以井眼高邊為準(zhǔn)，可以清晰看出井眼高邊從“串珠”向“溝槽”的發(fā)展過(guò)程。

3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

①多功能超聲成像測(cè)井儀采用井周旋轉(zhuǎn)掃描對(duì)套管損傷和固井質(zhì)量同時(shí)進(jìn)行高分辨率的測(cè)量，費(fèi)用低，時(shí)效性強(qiáng)。

②受超聲波測(cè)井原理及儀器尺寸所限，多功能超聲成像測(cè)井儀僅能對(duì)部分套管厚度進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定；通過(guò)與多臂井徑成像測(cè)井結(jié)合，套損評(píng)價(jià)更加準(zhǔn)確。

③多功能超聲成像測(cè)井儀較常規(guī)固井質(zhì)量評(píng)價(jià)測(cè)井，覆蓋范圍更密，可以對(duì)第一界面固井細(xì)節(jié)進(jìn)行精細(xì)描述。