聲波電磁管外竄槽檢測系統(tǒng)設(shè)計

安百新，楊 玲，石 瓊，蔡增田，王 昕，黨 博

（1.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司 石油工程技術(shù)研究院，山東 東營 257000；2.西安石油大學(xué) 陜西省油氣井測控技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710065）

0 引 言

隨著油氣井勘探開發(fā)的不斷深入，儲層管外竄通或地層竄通的油水井日益增多，容易造成注采失衡，導(dǎo)致油井產(chǎn)量下降，嚴重影響油氣田的開發(fā)和經(jīng)濟效益。因此，對管外竄通情況進行高精度檢測是評價管外竄漏、制定封竄堵漏措施的有效手段。目前，國內(nèi)外找竄找漏方法主要有井溫法、聲波法、電磁法、同位素法、中子壽命法和噪聲法。經(jīng)過多年的研究，上述方法在管外竄槽檢測方面均取得了一定的成果，但通常都是單項測量，工期較長、效率較低。文獻[10]將噪聲-流量測井與堵漏工具組合，在獲取井下各深度處噪聲和流量數(shù)據(jù)的同時，利用堵漏工具坐封在任意深度，可準確定位井筒管漏。文獻[11]提出了多組合找漏找竄測井方法，將井溫、流量、示蹤劑和氧活化水流等多種測井方法進行組合，可獲取較多的地層和井況信息，測量范圍大、精度較高。但以上方法探測深度較淺，且無法判斷竄通具體類型。

針對以上問題，本文提出了一種基于聲波電磁傳感器的管外竄槽測試系統(tǒng)。將超聲波傳感器測取的套外水泥膠結(jié)情況及井筒內(nèi)的流體特性和電磁傳感器測取的套后儲層電阻率相結(jié)合，通過對組合式探測系統(tǒng)的軟硬件進行設(shè)計，可實現(xiàn)儲層串層的綜合解釋和竄槽位置的定性評價，最大程度避免誤判、漏判。

1 基于聲波電磁傳感器的管外竄槽檢測原理

1.1 電磁傳感器套外地層電阻率檢測原理

建立瞬變電磁套外介質(zhì)檢測模型如圖1所示。將發(fā)射線圈和接收線圈均繞制在磁芯上，形成電磁傳感器，通過給發(fā)射線圈施加瞬變激勵，在發(fā)射間隙利用接收線圈接收二次場，通過二次場信息可對包括套管、水泥環(huán)、套后地層在內(nèi)的多層介質(zhì)電阻率信息進行反演。

圖1 瞬變電磁套外介質(zhì)檢測模型

基于法拉第電磁感應(yīng)定律，通過求解亥姆霍茲方程，電磁傳感器接收的感應(yīng)電動勢可寫為：

式中：為采樣時間；為收發(fā)距離；為地層電阻率；D為階G-S逆拉普拉斯變換的積分系數(shù)；為激勵的關(guān)斷時間。可以看出，當(dāng)采樣時間和探頭結(jié)構(gòu)固定時，接收線圈感應(yīng)電動勢只與地層電阻率有關(guān)，因此，可以通過接收響應(yīng)對套外介質(zhì)的電阻率進行判斷。此外，由于二次渦流擴散隨時間變化呈指數(shù)衰減特性，早期主要對應(yīng)淺部地層信息，晚期主要對應(yīng)深部地層信息，將早晚期結(jié)合，全時間域分析可以獲得較為全面的套外地層介質(zhì)信息。

1.2 聲波傳感器套外介質(zhì)徑向分界面檢測原理

聲波測井通過測取油水井第一界面和第二界面的水泥膠結(jié)情況，實現(xiàn)管外竄槽的評價。利用陣列發(fā)射聲系和4個接收聲系組成聲波傳感器，發(fā)射聲系和接收聲系均采用壓電陶瓷換能器。在井下探測過程中，利用接收聲系接收由套管波和水泥環(huán)波以及水泥波和地層波引起的折射波的幅度，通過判斷接收幅度的衰減速率或頻率的變化等聲學(xué)特性，可有效區(qū)分套外介質(zhì)徑向分界面。

通過求解波動函數(shù)，可得井中(,)處產(chǎn)生的聲壓表達式為：

式中：()為聲源頻譜，=2π，為聲源主頻；'(,,)為單極子聲源對應(yīng)的第一類變形貝塞爾函數(shù)的系數(shù)，為波數(shù)。可以看出，接收聲壓與井中測量位置和聲波傳播時間有關(guān)，當(dāng)傳播時間固定時，可根據(jù)接收聲壓對聲波傳播時間對應(yīng)分界面處的膠結(jié)情況進行判斷。聲波幅值越小，套管與水泥環(huán)之間膠結(jié)越好；聲波幅值越大，膠結(jié)越差。

2 聲波電磁套外儲層探測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

聲波電磁套外儲層探測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2a）所示，主要包含聲波測試短節(jié)、電磁測試短節(jié)和遙傳短節(jié)三部分。其中，遙傳短節(jié)主要由電源、時序控制模塊、電纜通信模塊和曼碼總線通信模塊組成，用于儀器供電、控制命令的下發(fā)以及測試信號的采集和存儲。圖2b）和圖2c）分別為電磁測試短節(jié)和聲波測試短節(jié)的結(jié)構(gòu)圖。

圖2 基于聲波電磁傳感器的管外竄槽檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

電磁傳感器部分采用2個縱向主探頭+4個橫向輔探頭+套管磁化裝置的多分量探測模式，溫度探頭可對井下溫度進行實時監(jiān)測。聲波測試短節(jié)采用3個縱向發(fā)射聲系和4個接收聲系進行探測，其中，發(fā)射和接收聲系分別采用YTG-4N型和YTG-5N型壓電陶瓷換能器，諧振頻率為18～20 kHz，靜電容為26 000（1±20%）pF，極化方向為銀或鎳電極徑向極化。隔聲體短節(jié)可有效衰減發(fā)射直達波的干擾，以便接收聲系準確測取套管、水泥環(huán)和地層波信號。電磁測試短節(jié)和聲波測試短節(jié)之間通過螺紋連接。

2.2 硬件電路設(shè)計

基于聲波電磁傳感器的管外竄槽檢測系統(tǒng)電路部分主要包括發(fā)射驅(qū)動電路、分段衰減積分放大電路、井下耦合電路、前置放大電路、DC-DC輸出級濾波電路、有源低通濾波器、伽馬測量電路、溫度測量電路、電源電路、信號放大電路等，其電路系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 硬件電路系統(tǒng)框圖

利用電磁測試短節(jié)和聲波測試短節(jié)的發(fā)射驅(qū)動電路分別給電磁發(fā)射探頭和聲波發(fā)射聲系發(fā)射信號，利用AD7656采集電磁接收探頭和聲波接收聲系接收到的井下電阻率信息和聲幅信息。首先對采集到的數(shù)據(jù)進行編碼，然后通過耦合變壓器將其耦合至單芯電纜上，并傳至地面處理模塊，地面處理模塊通過耦合變壓器提取耦合在單芯電纜中的測試信號，并實現(xiàn)信號的處理。

2.3 地面軟件設(shè)計

地面控制系統(tǒng)通過單芯電纜為井下探測系統(tǒng)供電，井下探測系統(tǒng)將測取的電阻率、聲幅、溫度、伽馬等信息傳至地面控制系統(tǒng)進行預(yù)處理，再通過USB線連接至上位機軟件實現(xiàn)誤差校正、結(jié)果解釋、曲線繪制、圖形編輯等精細化處理。其中，地面控制軟件采用LabVIEW編程，其上位機顯示界面如圖4所示。

圖4 上位機軟件界面

如圖4所示，設(shè)計的基于聲波電磁傳感器的管外竄槽檢測系統(tǒng)可實時顯示電磁傳感器測取的電阻率信息和聲波傳感器測取的聲幅等信息，通過對電阻率信息和聲波傳感器測試信息聯(lián)合處理，可獲取管外竄槽位置和竄槽類型。軟件可實現(xiàn)感應(yīng)電動勢和聲幅曲線的實時在線顯示以及數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)回放等功能。

3 基于聲波電磁傳感器的多參數(shù)聯(lián)合解釋方法

電磁法可根據(jù)渦流擴散時間將包括套管、水泥環(huán)和地層在內(nèi)的多層介質(zhì)逐層分離解釋。但由于探測范圍為2～3 m空間內(nèi)，地層介質(zhì)的體積占絕大多數(shù)，地層響應(yīng)信號的強度要強于水泥環(huán)響應(yīng)信號。但是，從探測距離來看，水泥環(huán)在地層之前，這種情況下，瞬變電磁法在逐層分離時無法有效剝離水泥環(huán)。

然而，利用聲波過套管探測的聲幅信息可清晰區(qū)分水泥第一界面和第二界面的特性。因此，只有將兩種傳感器測取的井下多參數(shù)聯(lián)合解釋，才可獲取較為全面的井下竄通信息。井下多參數(shù)聯(lián)合解釋方法流程如圖5所示。

圖5 井下多參數(shù)聯(lián)合解釋方法流程

4 實驗與分析

為了驗證所提出的基于聲波電磁傳感器的管外竄槽檢測系統(tǒng)的性能，在現(xiàn)河采油廠通61-202井和通61-斜205井分別開展現(xiàn)場測試。其中，通61-斜205井射開層上部（1 489.5～1 492 m）無水泥環(huán)。測試過程中，電磁和聲波測試短節(jié)均可正常工作，且數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定。

分別對通61-202井無竄槽井段（62～106 m）和通61-斜205井竄槽井段（1 480～1 524 m）進行處理分析，得到的解釋結(jié)果分別如圖6a）和圖6b）所示。

分析圖6a）可以看出，該井在62～106 m井段套管質(zhì)量良好，第一界面良好，第二界面較差。但需要說明的是，由于該井段不存在竄層現(xiàn)象，因此僅能證明聲波電磁復(fù)合式探測系統(tǒng)具備驗證套管、水泥環(huán)、套外地層等多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)的能力。圖6b）中，1 489.5～1 503 m第一界面膠結(jié)質(zhì)量較差，其中，電磁探測電阻率顯示該井在射開層（1 489.5～1 492 m）存在高阻油層，且1 489.5～1 503 m聲幅和聲波變密度曲線明顯降低，有水淹特征，綜上所述，該井在1 489.5～1 503 m存在竄層。

圖6 聲波電磁管外竄檢測結(jié)果

5 結(jié) 語

針對開發(fā)后期的油水井竄通問題，本文提出了一種基于聲波電磁傳感器的管外竄槽檢測系統(tǒng)?；陔姶欧ê吐暡ǚň绿綔y模型，采用聲波電磁傳感器，通過設(shè)計復(fù)合式檢測系統(tǒng)的硬件、軟件以及地面處理模塊，結(jié)合聲波電磁一體化解釋算法，可對油水井管外竄槽情況進行高精度檢測和評價?，F(xiàn)場實驗結(jié)果表明，本文提出的方法可準確評價油水井竄通情況，對油田精細開發(fā)、套損防控具有重要意義。