油氣儲層裂縫電磁探傷測井技術(shù)優(yōu)化

崔延慶 王倩 李曉衛(wèi)

摘 要：為明確油井內(nèi)套管和油管的損壞情況，提出一種油氣儲層裂縫電磁探傷測井技術(shù)。在對電磁探傷測井儀的物理基礎(chǔ)分析后，得到其結(jié)構(gòu)構(gòu)成和功能特點，對縱向探頭A、橫向探頭B和縱向探頭C的結(jié)構(gòu)設(shè)置方式和特點分析后，得到探頭A應(yīng)用在多層套管、縱向裂縫中最合適、探頭B應(yīng)用在單層套管、橫向裂縫中最合適、探頭C應(yīng)用在單層套管和縱向裂縫中最合適的結(jié)論。將其應(yīng)用在實例分析中，探測不同類型的套管損壞情況，結(jié)果表明：實現(xiàn)了精準(zhǔn)探測，可在人工不下井、不接觸的情況下獲取到套管的各項數(shù)據(jù)信息。

關(guān)鍵詞：油氣儲層裂縫；電磁探傷；測井技術(shù)；磁場強(qiáng)度

中圖分類號：TE927

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-5922（2023）07-0128-04

Optimization of electromagnetic flaw detection logging technology for oil and gas reservoir fractures

CUI Yanqing，WANG Qian，LI Xiaowei

（Changqing Oilfield No.1 Oil Production Plant，Yanan 716000， Shaanxi China

）

Abstract：To clarify the damage situation of casing and tubing in oil wells，an electromagnetic flaw detection logging technology for oil and gas reservoir fractures was proposed.After analyzing the physical basis of the electromagnetic flaw detection logging tool，its structural composition and functional characteristics were obtained.After analyzing the structural settings and characteristics of longitudinal probe A，transverse probe B，and longitudinal probe C，the conclusions were drawn that probe A is the most suitable for multi-layer casing and longitudinal cracks，probe B is the most suitable for single-layer casing and transverse cracks，and probe C is the most suitable for single-layer casing and longitudinal cracks.Applying the proposed technology to case analysis to detect different types of casing damage，the results show that the proposed technology achieves precise detection and can obtain various data information of the casing without workers entering the well or in contact.

Key words：oil and gas reservoir fractures;electromagnetic flaw detection;logging technology;magnetic field intensity

提出了多項測井技術(shù)。如利用雙向門控循環(huán)單元神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對測井曲線進(jìn)行重構(gòu)，在對測井序列當(dāng)前數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析和非線性映射關(guān)系分析后，利用智能補(bǔ)全技術(shù)實現(xiàn)對套管損壞的檢測［1］；利用三維聲波測井技術(shù)中的異性快速反演技術(shù)，從軸向、周向和徑向3個方向獲取油田的并周慢度成像，進(jìn)而完成對套管損壞的檢測［2］。

為此，提出一種電磁探傷測井技術(shù)。實驗驗證3所提技術(shù)能正確檢測出不同類型的故障，提高對井身結(jié)構(gòu)的普查力度。

1 電磁探傷測井技術(shù)

油氣儲層裂縫電磁探傷測井技術(shù)是一種應(yīng)用于油氣勘探和生產(chǎn)中的測井技術(shù)。該技術(shù)主要是利用電磁波的傳播特性，通過探測儀器記錄測量地下儲層中的電磁波響應(yīng)信號，以便了解儲層中存在的裂縫、孔洞等特征。

其可以測量儲層的垂直電導(dǎo)率和垂直磁導(dǎo)率，從而評估儲層中的電磁響應(yīng)特征。該技術(shù)主要適用于水平井、水平分支井進(jìn)行水平裂縫、垂直裂縫檢測，不僅能檢測儲層的裂縫情況，還能定位地下儲層產(chǎn)生的砂包等問題。

1.1 技術(shù)原理

電磁探傷測井儀的物理原理是法拉弟電磁感應(yīng)原理［3］。通過在繞線螺線管中輸入一定量的直流電，線圈附近生成一個恒定的磁場，切斷直流電后，則會產(chǎn)生一種反向磁場，這種磁場在繞線螺線管上呈現(xiàn)出一種隨著時間增加而逐漸減少的感應(yīng)電動勢（ε），表達(dá)式為：

ε=-dφdt（1）

dφ=dS·B（2）

式中：ε，φ表示磁通量；t表示時間；S表示繞線線圈的截面；B表示生成的恒定磁場強(qiáng)度。

當(dāng)油田套管損壞或管壁厚度發(fā)生變化時，ε的值也會隨之發(fā)生變化。根據(jù)以往經(jīng)驗可知，單層管柱和雙層管柱的壁厚不同，針對壁厚進(jìn)行分析可以判斷套管是否發(fā)生損壞。

對單層管柱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析后，得到感應(yīng)電動勢ε1的函數(shù)表達(dá)式：

ε1=f1（h1，μ1，σ1，D1，Tj）（3）

式中：f1表示函數(shù)系數(shù);h1表示管柱壁厚;μ1、σ1分別表示管柱的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率;D1表示管柱最外圈直徑的大小;Tj表示油井內(nèi)溫度。

再對雙層管柱進(jìn)行分析，得到其感應(yīng)電動勢ε2的函數(shù)表達(dá)：

ε2=f2（h1，h2，σ1，σ2）（4）

式中：h1和h2分別表示管柱和套管的管柱壁厚;μ1和μ2分別表示管柱σ1和σ2套管的磁導(dǎo)率;σ1、σ2分別表示油管和套管的電導(dǎo)率。

在式（3）和式（4）中，磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率以及管柱壁厚是對ε1和ε2貢獻(xiàn)最大的3個值，磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率通常情況下是已知的，通過Tj完成校正，進(jìn)而可推導(dǎo)出h1和h2的值。

1.2 結(jié)構(gòu)及特點分析

電磁探傷測井儀由2個扶正器和5個功能不同的探頭組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知，在該儀器中，探頭A探測范圍最大，可分析計算單、雙層管柱的壁厚、探測管柱是否發(fā)生縱向裂縫以及腐蝕等損壞情況。探頭C可用來分析計算單層管柱壁厚、判斷內(nèi)管是否發(fā)生腐蝕［4］以及檢測內(nèi)管是否出現(xiàn)縱向裂縫。探頭B為橫向探頭，與管柱軸線為垂直關(guān)系，可用來分析計算內(nèi)管壁厚、檢測內(nèi)管是否發(fā)生橫向裂縫、變形和錯斷等損壞情況。

1.3 磁探頭設(shè)置方式

由于3種探頭的用途各不相同，所以在設(shè)置方式上也有著一定的差異性，具體如圖2（a）、（b）、（c）所示。

1.3.1 縱向長軸探頭A

對比圖2（a）和圖2（b），可以發(fā)現(xiàn)探頭A與探頭C的結(jié)構(gòu)設(shè)置方式非常接近，但是探頭A的長度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于探頭C的長度。由于探頭A的線圈截面法向方向與管柱軸向方向［5］之間呈垂直關(guān)系，因此探頭A被稱作是縱向長軸探頭。

探頭A的發(fā)射線圈和接收線圈線徑、線圈纏繞匝數(shù)和截面長度，都要比探頭B和探頭C大很多。將能量較低的直流電脈沖接入到發(fā)射線圈中，會迅速在線圈周圍形成一個強(qiáng)勢且穩(wěn)定的磁場。通過電磁滲透原理［6］可知，當(dāng)磁力線經(jīng)由油管進(jìn)入到套管中時，油管和套管上分別會生成一個符合右手安培定則［7］的感生電流I1和I2，作用方向圖2（a）中給出了標(biāo)示。將直流電脈沖與發(fā)射線圈分離開，I1和I2在原磁場強(qiáng)度的影響下，生成一個二次磁場，強(qiáng)度較原磁場［8］小很多，可直接被接收線圈接收。這一過程產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢是I1和I2綜合作用［9-10］的結(jié)果。

在套管或油管電磁特性發(fā)生改變的情況下，I1和I2的值會受到一定的影響，從而發(fā)生改變。在油管或套管出現(xiàn)明顯損壞的情況下，例如腐蝕、孔洞、裂縫等，感生電流I1和I2會立即從管壁電路［11-12］中脫離出來，以此控制感應(yīng)電動勢的變化幅度。

1.3.2 縱向短軸探頭C

探頭C的設(shè)置方式與探頭A完全相同，只是在線圈匝數(shù)、截面直徑長度以及探頭長度等方面要比探頭A小，圖2（b）為探頭C的結(jié)構(gòu)設(shè)置方式［13］。

探頭C無論是在探測原理上還是設(shè)置方式上都與探頭A最為相似。二者之間不同的是，探頭C的長度要小于探頭A，由此生成的磁場強(qiáng)度也要低于探頭A，無法探測雙層管柱中的第2層管柱，僅針對單層管柱或者縱向裂縫探測比較有效。

1.3.3 橫向探頭B

探頭B的繞線方式與探頭A和探頭C大體上相同，唯一不同的就是線圈軸線方向與管柱軸向方向之間為垂直關(guān)系，因此該探頭也被稱為橫向探頭。圖2（c）展示了探頭B的結(jié)構(gòu)設(shè)置方式。由探頭B發(fā)射線圈生成的磁場強(qiáng)度整體上偏弱，無法對雙層管柱的第二層管柱進(jìn)行探測，只能對單層管柱或者雙層管柱的第一層管柱進(jìn)行渦流感生電流I1的獲取，接收線圈只能對I1生成的感應(yīng)電動勢進(jìn)行探測和接收［14-16］。

當(dāng)探頭B探測到發(fā)生損壞的管柱或油管，尤其是裂縫損壞時，會立即從電流回路中脫離出來，從而在某種程度上影響了渦流感生電流I1值的大小，進(jìn)一步影響了感應(yīng)電動勢的變化幅度。在此要特別指出的是，探頭只能在一個固定的方向上進(jìn)行探測，而橫向裂縫損壞情況被探測到的概率要比縱向裂縫大。因此，探頭B的探測重點是在橫向裂縫上。

將探頭A、探頭C以及探頭B探測到的管柱或

油管感應(yīng)電動勢，以分時記錄的方式繪制成測井曲線，通過對這些曲線進(jìn)行分析，判斷油管和套管是否出現(xiàn)損壞現(xiàn)象。

2 實例應(yīng)用分析

利用上述提到的電磁探傷測井技術(shù)，在某油田內(nèi)展開實例應(yīng)用分析。選取某一套管，利用該技術(shù)探測后繪制出測井曲線，經(jīng)過分析后給出套管的損壞類型和具體位置。

2.1 探測套管是否存在射孔孔眼

當(dāng)套管沒有出現(xiàn)射孔孔眼時，感應(yīng)電動勢會按照指數(shù)形式逐漸衰減；而當(dāng)套管出現(xiàn)射孔孔眼時，感應(yīng)電動勢的衰減曲線會偏離正常指數(shù)衰減曲線。利用該技術(shù)對套管射孔孔眼進(jìn)行探測，繪制了如圖3所示的測井曲線。

從圖3中可以很明顯地看到感應(yīng)電動勢衰減曲線在深度為1 675 m附近發(fā)生突變，證明在此段套管結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了射孔孔眼。

2.2 對油管腐蝕、孔洞的探測

利用該技術(shù)對油管的腐蝕和孔洞等損壞情況進(jìn)行探測，繪制了如圖4所示的測井曲線。

從圖4中的曲線變化情況可以發(fā)現(xiàn)，縱向探頭和橫向探頭的感應(yīng)電動勢都出現(xiàn)了明顯地衰減現(xiàn)象，但是大多數(shù)都保持了有規(guī)律地變化，說明油管不存在孔洞。通過觀察壁厚曲線可以看出，油管深度大于255 m后，套管厚度變小，說明底部明顯出現(xiàn)了變薄的現(xiàn)象，因此懷疑此處油管發(fā)生了腐蝕或穿孔。

2.3 對管柱變形的探測

利用該技術(shù)對管柱變形進(jìn)行探測，繪制的測井曲線如圖5所示。

從圖5中可以看出，描述內(nèi)層管柱的感應(yīng)電動勢曲線出現(xiàn)了明顯的異常情況，而描述外層管柱的感應(yīng)電動勢曲線走勢整體沒有出現(xiàn)較大的偏離。因此可以說明，在1 985.0～1 994.8 m處，油管出現(xiàn)了嚴(yán)重的變形。

2.4 對管柱下深的探測

利用該技術(shù)對管柱下深現(xiàn)象進(jìn)行探測，繪制的測井曲線如圖6所示。

從圖6中的感應(yīng)電動勢曲線變化情況可以得出結(jié)論，管柱下深的高度為102 m，表層套管下入的深度為115.4 m。

3 結(jié)語

針對多層管柱和單層管柱，選取電磁探傷測井儀中的不同探頭對其進(jìn)行有針對性的損壞部位探測。探頭A和探頭C屬于縱向探頭，探頭A主要作用于多層管柱，探頭C則主要傾向于單層管柱，二者探測的都是縱向裂縫。探頭B屬于橫向探頭，探測的區(qū)域面積要比探頭A和探頭C大一些，對于橫向裂縫探測效果更佳，但是磁場強(qiáng)度較小，僅能探測單層管柱或者雙層管柱中的第一層管柱。利用分時記錄的方式將上述3個探頭探測到的信息繪制成測井曲線，通過對測井曲線的分析判斷套管和油管是否出現(xiàn)損壞現(xiàn)象。通過在某油田展開實例分析，結(jié)果表明，所提技術(shù)可探測到不同類型的損壞情況。同時，也可探測到多層管柱中每一層管柱的壁厚，進(jìn)而確定管柱是否出現(xiàn)腐蝕或穿孔等損壞，節(jié)省了工人下入井內(nèi)檢查的時間和費用，在一定程度上提高了油田的生產(chǎn)效率。

【參考文獻(xiàn)】

［1］ 曹俊興，王興建，廖萬平，等.基于雙向門控循環(huán)單元神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的聲波測井曲線重構(gòu)技術(shù)［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2022，37（1）：357-366.

［2］ 張晉言，晁永勝，許孝凱，等.三維聲波測井探測特性分析與處理技術(shù)應(yīng)用［J］.應(yīng)用聲學(xué)，2021，40（5）：774-784.

［3］ 王成榮，劉春輝，彭麗莎，等.MAPS陣列成像水平井產(chǎn)氣剖面測井技術(shù)及其應(yīng)用——以昭通國家級頁巖氣示范區(qū)為例［J］.天然氣工業(yè)，2021，41（S1）：94-99.

［4］ 張意，馮宏，蔣必辭，等.石油電磁測井技術(shù)發(fā)展中的一些關(guān)鍵問題［J］.石油地球物理勘探，2021，56（6）：1430-1447.

［5］ 羅方偉，孫秉才，謝俊峰，等.深層油氣井井筒完整性檢測方法［J］.石油鉆探技術(shù)，2021，49（5）：114-120.

［6］ 李家金，王毛毛，唐湘飛，等.基于改進(jìn)主成分分析法的測井曲線巖性分層技術(shù)［J］.吉林大學(xué)學(xué)報（地球科學(xué)版），2022，52（4）：1369-1376.

［7］ 王延斌，國建英，韓文龍，等.吐哈盆地中二疊統(tǒng)桃東溝群烴源巖測井評價［J］.石油物探，2022，61（4）：733-742.

［8］ 黨瑞榮，楊月月，王炳友，等.井下存儲式電磁探傷儀電源模塊設(shè)計［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2021（9）：33-37.

［9］ 蔣廷學(xué)，卞曉冰，孫川翔，等.深層頁巖氣地質(zhì)工程一體化體積壓裂關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用［J］.地球科學(xué)，2023，48（1）：1-13.

［10］ 付蒙，李江紅，王墨泉，等.油氣井鉆進(jìn)鉆鋌進(jìn)動特性仿真研究［J］.計算機(jī)仿真，2021，38（8）：253-257.

［11］ 牛衛(wèi)濤，朱斗星，蔣立偉，等.復(fù)雜山地頁巖氣藏“甜點”綜合評價技術(shù)——以昭通國家級頁巖氣示范區(qū)為例［J］.天然氣地球科學(xué)，2021，32（10）：1546-1558.

［12］ 于華偉，王文定，肖紅兵，等.隨鉆方位伽馬測井方位靈敏特性研究［J］.核技術(shù)，2021，44（1）：45-50.

［13］ 賈明，王東華，吳艷綢，等.探究計算機(jī)控制技術(shù)在油氣管道運輸中的應(yīng)用［J］.粘接，2021，46（5）：115-118.

［14］ 劉曉艷，楊波，賀聯(lián)合，等.油氣儲運設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計［J］.粘接，2022，49（4）：193-196.

［15］ 楊增權(quán)，熊勁松，陳川.基于非接觸磁感應(yīng)檢測的磁場大小和線圈參數(shù)研究［J］.公路，2022，67（2）：255-259.

［16］ 張濤，國偉，蘇子舟，等.基于磁場方向變化的同步感應(yīng)線圈發(fā)射器效率提升分析［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2021，36（3）：517-524.