國外生產(chǎn)測井傳感技術(shù)應用及研究動向

邢建民

(大慶油田有限責任公司測試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江 大慶 163153)

0 引 言

生產(chǎn)測井是監(jiān)測油氣田開發(fā)動態(tài)的主要技術(shù)手段，用于流動剖面監(jiān)測、儲層監(jiān)測以及井身結(jié)構(gòu)監(jiān)測。隨著人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)在測井行業(yè)中的應用，要求測井作業(yè)獲取的數(shù)據(jù)越來越豐富多樣，進而對傳感技術(shù)要求也越來越高。當前，傳感器正處于傳統(tǒng)型向新型轉(zhuǎn)型的發(fā)展階段，新型傳感器的特點是小型化、數(shù)字化、智能化、集成化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化、模塊化、可視化[1]，是助力生產(chǎn)測井技術(shù)向數(shù)字化、集成化轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)與核心，將新型傳感器應用于測井技術(shù)有助于改善儀器性能、提高測試效率，獲得更加全面、精確的測試結(jié)果。國外生產(chǎn)測井中，新型傳感器的研究和應用均走在前列，本文對幾種典型測井傳感技術(shù)進行介紹，為國內(nèi)生產(chǎn)測井用傳感器研究提供借鑒。

1 固井完整性評價新方法

國內(nèi)油田目前采用的固井質(zhì)量評價方法由初級階段的CBL-VDL發(fā)展到中級階段的分扇區(qū)膠結(jié)測井(SBT)、USI和CAST等超聲波測井、聲波伽馬密度測井和套后成像測井(IBC)[2]，但是這些方法都有一定局限性。SBT不能定量評價二界面膠結(jié)質(zhì)量，且儀器要保證緊貼井壁；USI 和CAST等超聲波儀器無法評價二界面，且微間隙對測井響應影響較大[3]；IBC雖能夠分析水泥竄槽或微環(huán)，但測井時需要井筒充液。隨著油田開發(fā)的深入，超輕水泥等固井新材料和新工藝的應用以及井身結(jié)構(gòu)的復雜性給完整性評價帶來了極大挑戰(zhàn)，利用常規(guī)測井技術(shù)無法獲得數(shù)據(jù)，而新型傳感器的應用以及傳感器布設(shè)的創(chuàng)新性改變?yōu)樯鲜鰡栴}的解決提出了新思路。例如貝克休斯公司的Integrity eXplorerTM固井質(zhì)量評價儀能夠評價各種類型水泥以及污染水泥的膠結(jié)質(zhì)量，并且測井時不需加壓也不需井筒充液，極大降低了施工難度。Archer公司的VIVID聲音監(jiān)聽平臺能夠檢測之前不能識別的微小漏失，有助于精確判斷管外竄槽。

1.1 基于EMAT傳感器的水泥膠結(jié)評價儀器

電磁聲換能器(EMAT)是一種新型的利用電動力學法在導電金屬中產(chǎn)生超聲波的裝置，具有非接觸檢測、不需要耦合介質(zhì)的特點。貝克休斯公司的Integrity eXplorerTM(INTeX)固井質(zhì)量評價儀引入了EMAT技術(shù)，原理如圖1所示。當系統(tǒng)處于發(fā)射模式時，向線圈施加電流J，線圈周圍感生對應的交變磁場，根據(jù)電磁感應定律，在被測套管中感生交變電場，進而感生渦流I，在磁場H的作用下，電流直接在套管中產(chǎn)生洛倫茲力。套管表面的帶電粒子受力而產(chǎn)生偏移振動，進而形成超聲波源。

圖1 EMAT的工作原理

EMAT能夠產(chǎn)生兩種基本波模式：水平剪切波(SH波)和彎曲蘭姆波。水平剪切波模式中，質(zhì)點運動方向與波的傳播方向垂直，類似于撓曲波A0，如圖2所示。

圖2 水平剪切模式

與A0不同，水平剪切波的質(zhì)點運動方向旋轉(zhuǎn)了90°[4]，與套管表面平行。SH波沒有法向位移，僅對與套管耦合的固體材料以及套管外水泥環(huán)缺失有響應。目前所有常規(guī)儀器都是利用縱波技術(shù)確定套管外的水泥膠結(jié)情況[5]，將水平剪切波與彎曲蘭姆波組合，可用于檢測微環(huán)，并且無需對套管多次加壓。

EMAT同時起到發(fā)射器和接收器的作用，其最大的特點是將套管作為傳感器的一部分，聲波的產(chǎn)生和測量都在套管中進行。與傳統(tǒng)聲波技術(shù)相比，這種方式測井時不需要傳感器與套管進行物理接觸，也無需流體耦合和井筒充液，極大地簡化了施工程序、降低了成本、提高了效率，并且具有更高的分辨率，可用于測量低密度水泥等各種類型水泥，可在深井、嚴重變形井中應用，也可用于儲氣庫井或者CO2封存井。

圖3[6]是一口儲氣庫井中STB與INTeX的測井結(jié)果對比。左側(cè)是在井筒充液情況下SBT的測井結(jié)果，右側(cè)是INTeX在井筒未充液情況下的測井結(jié)果?？梢钥吹剑簝煞N儀器的測井結(jié)果相同，偶有差異是因為出現(xiàn)了水泥脫落。由此可見，利用EMAT的特性能夠在儲氣庫井等特殊環(huán)境條件下進行水泥膠結(jié)評價，且井筒無需充有清澈流體或泥漿[7]。

圖3 EMAT與常規(guī)固井質(zhì)量評價結(jié)果的比較

1.2 VIVID聲音監(jiān)聽平臺(Acoustic Listening Platform)

隨著油田的開發(fā)，管外漏竄現(xiàn)象逐漸增多，精確確定漏竄位置及路徑是一個難題。但研發(fā)的多種評價方法顯示“水泥膠結(jié)良好”的油井仍然會出現(xiàn)持續(xù)環(huán)空壓力現(xiàn)象，說明水泥膠結(jié)存在問題。目前開發(fā)的水泥膠結(jié)評價技術(shù)都只能檢測水泥的物理存在，不能確定是否完全封隔了不必要的流體流動，該方法開拓了水泥膠結(jié)評價的新方向。

如果出現(xiàn)水泥膠結(jié)缺失，則會形成一條曲折的流動路徑，漏竄流體流動產(chǎn)生湍流噪聲。即便流動速度很小，也會有能量釋放，并被靈敏的聲波接收器探測到，從而判斷界面處是否有流體流動。傳統(tǒng)儀器只對有限的頻譜范圍敏感，通常是低頻或高頻，而其余頻譜則會被忽略。為了擴大頻譜范圍，探測到更高頻率(數(shù)百千赫)和更低頻率下的噪聲信號，Archer公司通過對傳感器進行優(yōu)化配置，研發(fā)了VIVID聲音監(jiān)聽平臺(Acoustic Listening Platform)，對配備的雙傳感器，針對較低頻率和較高頻率分別進行了優(yōu)化組合，擴大了測量信號頻率范圍(1～656 kHz)和聲波幅度，可測流量低至0.03 L/min[8]。該儀器靈敏度高，能夠?qū)崟r檢測、識別并定位微小漏失點，且不受背景噪聲的影響。儀器外徑為43 mm，能夠過油管測量。判斷漏失的方法是通過油管注入，然后油套環(huán)空放空，產(chǎn)生足夠大的壓力差激活漏失層。VIVID測井數(shù)據(jù)能夠明確顯示漏失路徑，與其它同類儀器相比，測井時間減少了8 h，可節(jié)省大量時間與成本[9]。

2 多傳感器組合測井技術(shù)

由于多相流的復雜性和井下環(huán)境的限制，油氣井生產(chǎn)測井面臨諸多問題，常規(guī)儀器出現(xiàn)了一定的局限性。通過組合各種類型的新型傳感器，能夠彌補單一傳感器的不足，不但可以同時進行多參數(shù)測量，還可實現(xiàn)綜合處理及評價。

2.1 第三代生產(chǎn)測井儀Flow Array Sensing Tool(FAST)

越來越多的低產(chǎn)老油田出現(xiàn)了嚴重的生產(chǎn)問題，惡劣的井下環(huán)境使常規(guī)生產(chǎn)測井儀無法完成測量，尤其是在水平井中。高溫、高壓以及腐蝕性流體也會限制傳感器的應用，降低儀器精度和測量可靠性。為此，需要組合多種儀器模塊，而儀器串長度過長增加了傳感器配置以及儀器維修的難度和成本。此外，水平井生產(chǎn)測井儀器下井時需要借助連續(xù)油管、爬行器等輔助手段，但因腐蝕或巖石應力等產(chǎn)生的井筒損壞會對儀器下井造成阻礙，在此情況下，輕便小巧的儀器則具有優(yōu)勢。

OpenField公司的第三代生產(chǎn)測井儀(FAST)是一款典型的多傳感器組合儀器，使用了多個數(shù)字化智能傳感器以及MEMS微電子機械系統(tǒng)技術(shù)，長度僅為3 ft(1 ft=304.8 mm)，但包含了多達24個傳感器，可獲得多種測量數(shù)據(jù)，包括持油率和泡計數(shù)率、持水率和泡計數(shù)率、流體電導率、持氣率和泡計數(shù)率、相速度、壓力、溫度、傾角和深度對比等。該儀器由于采用了數(shù)字化技術(shù)，能夠直接進行流動狀況檢測并快速獲得解釋結(jié)果，尤其是在多相流和斜井中[10]。

2.1.1 儀器結(jié)構(gòu)

圖4 傳感器配置示意圖

2.1.2 主要傳感器介紹

1)多普勒傳感器

多普勒流量計是一種無需移動部件即可利用多普勒效應進行流速測量的儀器，可替代渦輪或?qū)u輪測量進行補充，特別是在攜帶石蠟、水垢、瀝青、砂子、碎屑或重油的流體中。在扶正臂上有一個或多個管狀微型多普勒傳感器，靠近管壁測量，能夠檢測流體的早期進入。儀器還包含8個小平面組成的中央多普勒陣列，能夠掃描儀器周圍的流體流動[11]。

2)三相單點式傳感器和電阻率傳感器

新型的三相單點式傳感器與電阻率傳感器組合，能夠定量確定三相持率。

傳統(tǒng)的光學傳感器利用光纖尖端的光反射檢測液體中的氣泡，而FAST儀器中的三相單點式傳感器測量的是流體相的折射率，基于藍寶石雙錐設(shè)計，能夠覆蓋1.0到1.6之間的全折射率范圍，克服了油和水折射率接近的限制[12]。

常規(guī)電阻率傳感器的設(shè)計原理是中心電極激勵，側(cè)電極接收，這種設(shè)計的問題是電流會遠離中心電極，并且容易受連續(xù)介質(zhì)的影響，而新型傳感器是基于多電極原理，電流向傳感器尖端聚集，與常規(guī)電阻率傳感器相比，減小了探測流體體積，實現(xiàn)了對液體電導率的可預測測量。

3)MEMS傳感器

壓力測量使用的是MEMS硅壓力傳感器，克服了溫度變化對石英壓力計結(jié)果的影響，能夠提供更穩(wěn)定、更準確的壓力測量值，精度優(yōu)于0.01%。

2.1.3 主要應用與優(yōu)勢

FAST儀器的超緊湊和輕量化設(shè)計簡化了儀器配置程序，提高了配置速度，在垂直井、斜井和水平井中均可完成測量。該儀器能夠在分層流動條件下獲得真實的三相持率，能定量評估混合和分層流型，提高大斜度井和超低產(chǎn)液井中的評估精度，還能夠進行出砂的定性檢測。

圖5[13]是一口位于二疊紀盆地的水平井測井結(jié)果，垂直段超過10 000 ft，水平段超過5 000 ft。測井成果圖上的第1道是深度，第2道是井身剖面，第3道是MEMS磁定位(MML)，第4道是持水率圖像，第5～7道分別是與常規(guī)儀器持水率、產(chǎn)油和產(chǎn)水結(jié)果的比較。紫色曲線是FAST儀器的數(shù)據(jù)，綠色曲線是常規(guī)儀器數(shù)據(jù)。由圖5可見，F(xiàn)AST儀器的深度分辨率更高。

圖5 FAST儀器與常規(guī)儀器的測井結(jié)果對比

2.2 DarkVision超高分辨率超聲波成像技術(shù)

在深度幾千米的井中，如何在提高測井速度的同時保證成像分辨率是一個難題[14]。為了獲得高分辨率圖像，傳感器陣列必須每隔幾毫米就要捕獲一幀圖像。然而，在實際內(nèi)存、幀速率和處理速度有限的情況下，測井準確度難以保證[15]。

DarkVision公司的新一代超高分辨率超聲波成像技術(shù)利用一個固態(tài)成像探頭和多達512個傳感器，能夠連續(xù)不間斷地在幾千米深度的垂直井和水平井中進行360°掃描，獲得的三維圖像分辨率可達亞毫米級，且不受井筒流體條件和清晰度的影響，在氣井中也可應用。該儀器能夠檢測套管內(nèi)外腐蝕、射孔孔眼腐蝕、砂垢堆積、裂縫、套管坍塌、落魚和井筒阻塞[16]。

DarkVision儀器主要對傳感器進行了以下幾點優(yōu)化改進：

1)將384～512個獨立傳感器布設(shè)為錐形陣列，如圖6所示[16]。并將傳感器陣列分成若干組(通常16～64個為一組)，以“團隊”方式協(xié)同工作，發(fā)送壓力脈沖，基于相長干涉，實現(xiàn)波束控制和聚焦。

圖6 將傳感器部署成錐形陣列

2)采用傾斜成像探頭[17]，利用漫反射檢測管柱內(nèi)壁。常規(guī)布設(shè)的聲波傳感器陣列是聚焦到某一點，返回信號的強度取決于內(nèi)壁幾何形狀，對套管變形和儀器偏心非常敏感。該成像儀不是聚焦到內(nèi)壁表面，而是將聲波能量分散到一個區(qū)域，目的是在一條掃描線上捕捉多個表面特征，對套管變形、井下裝置、儀器偏心、套管橢圓度、砂粒和支撐劑以及井況的其它各種變化都不敏感。

3)采用銳角成像方式[17]，即成像探頭與套管壁互成銳角，以這樣的角度向套管表面發(fā)射聲波，大部分反射波反映的是表面特征，而不是深度特征。利用銳角成像，能夠在套管壁上形成一個比普通焦斑更大的區(qū)域，聲束在軸向上覆蓋了大片區(qū)域。對套管壁的微小干擾，如表面結(jié)構(gòu)差異、孔洞、腐蝕以及任何輕微的缺陷，都會將信號強烈地反射回成像探頭。

該技術(shù)特別適合精準的射孔孔眼檢測和腐蝕穿孔檢測，能夠“看到”并定量確定每個孔眼的孔內(nèi)和孔外尺寸及形狀，并獲得三維體積剖面。圖7是位于阿納達科盆地的一口井，測量深度約為4 300 m，平均垂直深度約為2 600 m，通過鋼絲繩將儀器下入井中，可以看到趾端射孔簇問題最嚴重的是第8段，存在明顯異常，平均射孔效率只有20%[16]。

圖7 所有射孔簇射孔效率

3 一次性分布式光纖傳感系統(tǒng)

分布式光纖傳感技術(shù)代表了油井監(jiān)測的未來，其應用不斷增長，但測量成本很高。Well-SENSE公司推出了一次性分布式光纖傳感系統(tǒng)——FiberLine Intervention(FLI)系統(tǒng)，用一根200 μm粗、帶有短期保護涂層的“裸”光纖直接下入井中，構(gòu)成分布式溫度系統(tǒng)(DTS)和分布式聲波測量系統(tǒng)(DAS)，不需要電纜、鋼絲繩、連續(xù)油管等輸送方式，可以節(jié)省50%～90%的成本。作業(yè)結(jié)束后可在井口切割光纖，光纖與保護外殼會在幾天或幾周內(nèi)降解。該系統(tǒng)能夠有效完成分布式測量和單點測量和生產(chǎn)測井、高帶寬數(shù)據(jù)獲取[18]。

FLI采用放纜退繞設(shè)計，光纖損耗顯著降低，從而能夠提高傳感性能。釋放后，光纖垂直落入井中(速度一般為1.5～4.6 m/s)，光纖被拉直，裸光纖幾乎貼在油管或套管壁，因此光纖長度(可達13,716 m)與目標井深非常接近，可直接測量沿光纖長度的溫度和聲波分布數(shù)據(jù)[18]。

圖8[18]是一組溫度分布數(shù)據(jù)。黑色軌跡代表FLI探頭下井后的時間點。由圖8可以看到，光纖釋放后即開始檢測井中的溫度梯度。而在探頭中還沒有被釋放的光纖仍然有損耗，探頭中也可能殘留溫度較低的流體，但最終會被井筒流體替換，或者隨著時間推移慢慢升溫，而釋放的光纖會立即與井筒流體直接接觸，故能夠很直觀地確定任意時間點FLI探頭在井中的位置。

圖8 利用FLI獲得的溫度分布數(shù)據(jù)

圖9[18]是利用DAS獲得的漏失剖面，可以清晰直觀地看到漏失情況(藍色表示低能量或是無流體流動；黃色表示流體流動)。與常規(guī)儀器相比，利用FLI找漏效果好，成本低。此外，常規(guī)儀器現(xiàn)場作業(yè)人員多、占地大、時間長，儀器易發(fā)生故障，只能進行單點測量，而FLI設(shè)備輕巧(<25 kg)，現(xiàn)場只需1～2人，可同時獲得溫度和聲波分布，一次下井即可確定漏失深度和特征，縮短了測井時間[19]。

圖9 利用DAS獲得的漏失剖面

在結(jié)構(gòu)上，F(xiàn)LI儀器借鑒了手機等消費電子的設(shè)計理念，可以使用其它行業(yè)性能可靠但成本較低的傳感器，保證儀器使用的所有元件都可以隨時升級[20]。FLI除了可直接進行分布式溫度、聲波測量外，還可根據(jù)需要任意組合微型工業(yè)壓力計、電阻式溫度檢測器以及其它各種類型傳感器。由于FLI獨特的裸光纖技術(shù)，2021年哈里伯頓與Well-SENSE公司簽訂了五年協(xié)議，獲得北美的獨家使用權(quán)，用于非常規(guī)井下測量。哈里伯頓將其命名為ExpressFiber，直接測量微地震、應變與溫度，提供裂縫擴展和井間干擾的實時作業(yè)信息。

4 結(jié)束語

1)介紹了國外生產(chǎn)測井中固井完整性評價檢測、組合傳感技術(shù)、低成本一次性光纖傳感器等幾種傳感技術(shù)。通過引入各種新型傳感器以及改進傳感器布設(shè)方式，大大優(yōu)化了儀器性能，提高了儀器分辨率，降低了施工成本與難度。

2)建議國內(nèi)相關(guān)機構(gòu)積極跟蹤借鑒國外生產(chǎn)測井傳感技術(shù)的研發(fā)思路，關(guān)注新型傳感器的推出和應用，重視傳感器原理和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、多功能組合傳感器開發(fā)及傳統(tǒng)傳感器布設(shè)方式改進等研究方向，推動國內(nèi)測井儀器創(chuàng)新發(fā)展。