多功能超聲波成像測井儀套損檢測的實(shí)驗(yàn)研究

陳洪海，孫志峰，王文梁，劉西恩

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部，北京101149）

多功能超聲波成像測井儀套損檢測的實(shí)驗(yàn)研究

陳洪海，孫志峰，王文梁，劉西恩

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部，北京101149）

通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M的方法對多功能超聲成像測井儀套損檢測的實(shí)驗(yàn)測量效果進(jìn)行了分析。在實(shí)驗(yàn)室自制了超聲波成像測井儀的套損檢測系統(tǒng)，用于測量套管的裂縫、孔洞及厚度。多功能超聲成像測井儀采用中心頻率為380 kHz的聚焦探頭，可以檢測到寬度為2mm的裂縫；采用250、350、450kHz等3種不同頻率平面探頭組合方式可測量的套管厚度范圍為5～16mm，可檢測到最小直徑為5mm的孔洞。實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果驗(yàn)證了儀器套損檢測的功能水平，對該儀器的研制及現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用均具有重要意義。

聲波測井；超聲波反射法；裂縫；孔洞；套厚；套損檢測

0 引 言

在油田生產(chǎn)中井內(nèi)套管承擔(dān)著保護(hù)井眼、封固地層的重要任務(wù)。但地質(zhì)因素、油田注水及井下作業(yè)等因素對套管造成的機(jī)械損傷或井內(nèi)外流體對套管造成的電化學(xué)腐蝕，對井下作業(yè)安全性及油氣的正常開采有很大的影響。因此套損檢測為油氣的穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)起著重要作用。國外油田服務(wù)公司早已推出基于超聲脈沖反射測量技術(shù)進(jìn)行套損檢測的儀器，如Halliburton公司的CAST－V、CAST－F系列的儀器，采用不同頻率的超聲換能器，對不同型號的套管均可進(jìn)行套損評價［1］。Schlumberger公司最新一代的Isolation Scanner儀器不但可以進(jìn)行套損檢測，還可以針對第Ⅰ界面及第Ⅱ界面的水泥膠結(jié)質(zhì)量作定量評價［2］。

近幾年，國內(nèi)的科研單位在超聲波反射測井的測量理論、數(shù)值模擬方法、實(shí)驗(yàn)室測量等方面［3－6］展開工作。2004年推出了多參數(shù)超聲工程測井儀［7－8］，該儀器可評價套損及水泥膠結(jié)質(zhì)量。2009年推出ECBI井周聲波成像測井儀［9］，該儀器可在裸眼井中旋轉(zhuǎn)掃描，對井壁表面進(jìn)行高分辨率成像，但無法實(shí)現(xiàn)套損評價及水泥膠結(jié)質(zhì)量評價。2011年成功研制出MUIL（Multi－functional Ultrasonic Imaging Logging Tool）多功能超聲成像測井儀，該儀器不但可以對裸眼井進(jìn)行掃描成像，而且還可以對套管厚度及水泥膠結(jié)情況作定量評價，實(shí)驗(yàn)室測量結(jié)果初步證實(shí)該儀器的換能器特性、電子線路可靠性、波形處理方法均達(dá)到國外同類儀器的水平。

本文首先介紹超聲脈沖反射法測量原理及MUIL儀器組成、測量功能。然后利用實(shí)驗(yàn)室自制的超聲波成像套損檢測系統(tǒng)對MUIL測井儀在具有裂縫、孔洞及不同厚度的套管中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量，驗(yàn)證該儀器的井眼內(nèi)壁成像功能和套損檢測功能。

1 多功能超聲波成像測井儀（MUIL）

多功能超聲波成像測井儀（MUIL）主要由電子短節(jié)及聲系短節(jié)2部分組成。其中電子短節(jié)主要負(fù)責(zé)超聲換能器的激勵響應(yīng)及井下數(shù)據(jù)的采集處理。聲系短節(jié)包含2種超聲換能器，一種為泥漿換能器，主要負(fù)責(zé)井眼中泥漿聲速的測量；另一種為測量換能器，主要負(fù)責(zé)成像測量，它被安裝在掃描旋轉(zhuǎn)頭上。通過更換不同尺寸的掃描頭可以適應(yīng)不同的尺寸的井眼環(huán)境，同樣更換不同頻率的換能器，以滿足不同厚度規(guī)格的套管需求。

超聲脈沖反射法測量時，發(fā)射換能器為自發(fā)自收探頭。首先對發(fā)射探頭激勵一個超聲波脈沖信號，超聲波脈沖信號在流體中傳播然后入射到套管內(nèi)壁，其中大部分聲波能量反射回來被換能器接收，剩余的聲波能量進(jìn)入套管，聲波信號在套管／水泥環(huán)和套管／地層表面之間進(jìn)行多次反射。在每個表面都會有一些能量被反射，一些能量透射出去，能量的大小是由2種材料聲阻抗的差異決定的。由于套管的聲阻抗和流體的聲阻抗為常數(shù)，所以套管內(nèi)的信號是以一定的速率衰減，信號的大小依賴于套管外面材料的聲阻抗。套管外面材料的聲阻抗越大，套管內(nèi)的共振波幅度越小；反之，套管外面材料的聲阻抗越小，套管內(nèi)的共振波幅度越大。利用套管共振波幅度的強(qiáng)弱可以評價套管外面材料的聲阻抗大小，進(jìn)而對套管外水泥膠結(jié)質(zhì)量進(jìn)行評價。同時，利用套管共振波及聲波在套管中的縱波傳播速度可以評價套管厚度。

MUIL儀器采用了超聲脈沖反射法的測量原理。圖1為MUIL儀器的測井示意圖，測量時儀器位于充滿泥漿液體的套管中，依靠扶正器的作用盡量保證儀器居中，最外層為無限大地層，地層與套管之間為水泥環(huán)。通過儀器掃描旋轉(zhuǎn)上升不斷采集沿井眼縱向和徑向大量井壁介質(zhì)信息，再經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，得到套管厚度及水泥膠結(jié)狀況等信息。圖2為MUIL儀器采集一次得到的反射波及頻譜圖。由圖2可見，依次到達(dá)接收探頭的分別是套管內(nèi)壁的反射波、套管的共振波及套管內(nèi)壁的二次反射波。反射波頻譜曲線有明顯的泄漏峰特征，且泄漏峰對應(yīng)的頻率即為套管的共振頻率。

2 測量結(jié)果和分析

2.1 超聲檢測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

套損檢測實(shí)驗(yàn)測量系統(tǒng)主要由計算機(jī)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、儀器定位系統(tǒng)等組成。地面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用中海油服自主研發(fā)的ELIS成像測井系統(tǒng)［10］，該系統(tǒng)可滿足常規(guī)井下儀器和成像儀器以及地層測試和井壁取心等測井儀器的作業(yè)需求。實(shí)驗(yàn)采用ELIS成像測井系統(tǒng)和液壓升降裝置完成對MUIL儀器掃描頭旋轉(zhuǎn)掃描及上升下降的控制、測量數(shù)據(jù)采集顯示及處理等操作，完全模擬該儀器在井下作業(yè)的實(shí)際情況。

套損檢測裝置由儀器定位系統(tǒng)、測井儀、套管及水槽組成。儀器定位系統(tǒng)可固定儀器使之保持豎直狀態(tài)，并按地面系統(tǒng)指令自動調(diào)節(jié)儀器均勻地豎直上升或下降。水槽采用圓柱形鋁管制作而成，水槽容量為1.5×π×0.32m3，可滿足自由套管的測量條件。實(shí)驗(yàn)室測量時把被檢測套管放置在充滿水的水槽中間，把固定在定位系統(tǒng)上的儀器放置在套管中，并保證儀器在套管內(nèi)居中。該儀器的中控系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)速控制探頭在1周內(nèi)最多可完成240次超聲波信號的發(fā)射和接收，測井儀對聲波信號完成放大等模擬調(diào)理后進(jìn)行數(shù)字采集，并根據(jù)ELIS地面系統(tǒng)的要求上傳數(shù)據(jù)，地面系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)處理結(jié)果的圖像顯示及波形的記錄。

2.2 裂縫實(shí)驗(yàn)測量分析

圖3 裂縫實(shí)驗(yàn)測量

設(shè)計了一種內(nèi)壁帶有溝槽的套管，采用超聲檢測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對MUIL儀器在該套管井中進(jìn)行裂縫測量的物理模擬實(shí)驗(yàn)。圖3（a）所示的套管內(nèi)徑為305mm，內(nèi)壁共刻有13條豎直溝槽，每條溝槽的寬度為2mm，且相鄰溝槽的間距依次減小。測量時采用中心頻率為380kHz聚焦換能器，旋轉(zhuǎn)掃描頭的直徑為178mm，儀器進(jìn)行每周240次的超聲波數(shù)據(jù)采集。圖3（b）為測量的反射波幅度成像曲線及反射波旅行時成像曲線成果圖。由幅度成像曲線可見，超聲波入射到帶有裂縫的套管內(nèi)壁，發(fā)生散射，導(dǎo)致反射波幅度減小，在圖像上表現(xiàn)為黃色明亮的豎條，共檢測到13條黃色明亮豎條，豎條之間的間距依次減小，與模型井內(nèi)壁的溝槽數(shù)量、形態(tài)、分布均一致。而反射波旅行時成像曲線沒有太大的變化，但由于測量時不能保證儀器絕對居中，所以由于偏心的影響，旅行時圖像有明暗相間的變化。

2.3 孔洞實(shí)驗(yàn)測量分析

MUIL儀器在套管井進(jìn)行套損評價時采用不同頻率的平面高頻換能器進(jìn)行測量。利用測量的反射波幅度曲線及到時曲線可以評價套管內(nèi)壁情況，利用共振波頻率可評價套管厚度。MUIL儀器主要采用了3種不同頻率的換能器，每種頻率的換能器測量一定范圍內(nèi)的套管厚度，探頭的中心頻率分別為250、350、450kHz，每種頻率的探頭分別對應(yīng)幾種不同尺寸的掃描頭，用以滿足油田生產(chǎn)中的不同套管內(nèi)徑尺寸的測量需要。

設(shè)計了一種帶有孔洞的套管，采用超聲檢測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對MUIL儀器在該套管井中進(jìn)行孔洞測量的物理模擬實(shí)驗(yàn)。圖4（a）所示的套管內(nèi)徑為245 mm，套管厚度為10mm，內(nèi)壁共有9個不同直徑的孔洞，直徑依次分別為12、11、10、9、8、7、6、5、4 mm。測量時采用中心頻率為350kHz平面換能器，旋轉(zhuǎn)掃描頭的直徑為178mm，測量時儀器進(jìn)行每周60次的超聲波信號采集。圖4（b）為測量的反射波幅度成像及套管厚度曲線成果圖。由幅度成像曲線可見，圖4（b）中大部分區(qū)域顏色均勻，說明套管內(nèi)壁光滑，但某處共有9個亮斑，亮斑的直徑依次減小，最小的亮斑非常微弱，恰好與實(shí)際的套管孔洞模型一一對應(yīng)。厚度成像圖顏色均勻，但與幅度成像圖中亮斑對應(yīng)的位置有異常變化。由第3道的最大厚度曲線、最小厚度曲線、平均厚度曲線可知，測量的套管厚度大約為10.12mm，與已知套管厚度基本一致，但最大厚度曲線及最小厚度曲線在套管孔洞處顯示有異常值，這是由于在套管孔洞處，MUIL儀器無法測量到套管的共振波，致使套管厚度曲線及厚度成像圖出現(xiàn)異常值。

2.4 套管厚度實(shí)驗(yàn)測量分析

制作了幾種不同厚度的套管，套管的厚度變化范圍為5～17mm，且每隔1mm變化1層，采用超聲檢測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對不同厚度套管進(jìn)行套厚測量的物理模擬實(shí)驗(yàn)，測量時儀器在每層厚度的套管掃描1周，記錄60道波形，測量厚度是指60次測量厚度的平均值。表1分別列舉了套管實(shí)際厚度、測量厚度及厚度測量誤差值。采用中心頻率為250kHz的探頭，對9～17mm厚度的套管進(jìn)行測量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該頻率的探頭可以測量壁厚10～16mm范圍內(nèi)的套管，測量的最大誤差為2.6%，由于該厚度范圍外的套管的共振頻率超出了250kHz帶寬覆蓋的頻率范圍，因而無法測量。采用中心頻率為350 kHz的探頭，對6～13mm厚度的套管進(jìn)行測量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該頻率的探頭可以測量壁厚7～12mm范圍內(nèi)的套管，測量的最大誤差為3.9%，由于該厚度范圍外的套管的共振頻率超出了350kHz帶寬覆蓋的頻率范圍，因而無法測量。采用中心頻率為450kHz的探頭，對4～8mm厚度的套管進(jìn)行測量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該頻率的探頭可以測量壁厚5～7 mm范圍內(nèi)的套管，測量的最大誤差為4.0%，由于該厚度范圍外的套管的共振頻率超出了450kHz帶寬覆蓋的頻率范圍，因而也無法測量。

圖4 孔洞實(shí)驗(yàn)測量

圖5為表1數(shù)據(jù)繪制的套管實(shí)際厚度與測量厚度對比圖。由5圖可見，不同頻率的探頭對應(yīng)套管的共振頻率不同，所以測量的套管范圍也不一致；由于換能器頻率帶寬的限制，使用單一頻率的探頭無法測量厚度變化范圍很大的套管。因此MUIL設(shè)計3種不同頻率探頭組合的方式進(jìn)行測量，可以覆蓋的套管厚度范圍為5～16mm，基本覆蓋了油田生產(chǎn)中大多數(shù)的套管型號；測量的套管厚度與實(shí)際的套管厚度基本一致，厚度的最大誤差不超過4%，可以滿足套管厚度的測量精度要求。

表1 套管實(shí)際厚度與測量厚度對比表

圖5 套管實(shí)際厚度與測量厚度對比圖

3 結(jié) 論

（1）在實(shí)驗(yàn)室自制了超聲波成像檢測系統(tǒng)，采用MUIL多功能超聲成像測井儀在該系統(tǒng)下對不同套損狀況的套管進(jìn)行檢測，實(shí)驗(yàn)表明該儀器在實(shí)驗(yàn)室可完成套管內(nèi)壁成像及套管厚度測量，儀器的換能器響應(yīng)、電子線路及地面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)均穩(wěn)定可靠，為儀器功能驗(yàn)證及井下實(shí)際作業(yè)打下良好的基礎(chǔ)。

（2）該測井儀采用中心頻率為380kHz的聚焦換能器在成像測量模式下可實(shí)現(xiàn)井內(nèi)壁高分辨率掃描成像，通過幅度及旅行時成像曲線，可以評價井眼內(nèi)壁腐蝕狀況。

（3）該測井儀采用中心頻率分別為250、350、450kHz的平面換能器在全波測量模式下可實(shí)現(xiàn)套管厚度評價，同時也可完成套管內(nèi)壁的反射波成像，但由于平面換能器的聲斑大于聚焦換能器的聲斑，所以該測量模式的井壁成像分辨率低于成像測量模式的井壁成像分辨率。

［1］ Batakrishna Mandal，Alberto Quintero.A New Monocable Circumferential Acoustic Scanner Tool（CASTM）for Cased－h(huán)ole and Openhole Applications［C］∥SPWLA 51st Annual Logging Simposium，2010.

［2］ Charles Morris，Lou Sabbagh，Ray Wydrinski，et al.Application of Enhanced Ultrasonic Measurements for Cement and Casing Evaluation［C］∥2007，SPE 105648.

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Model Experiments on Casing Inspection with the Multi－functional Ultrasonic Imaging Logging Tool

CHEN Honghai，SUN Zhifeng，WANG Wenliang，LIU Xien
（Well Tech－China Oilfield Services Limited，Beijing 101149，China）

Analyzed are the measurement results on casing damage detection by experimental modeling method.The detection system of multi－functional ultrasonic imaging logging tool is self－made in laboratory.Fractures，perforations and thick of casing are measured by this system.The experimental results show that the tool can detect fractures about 2mm width with focus transducer with 380kHz center frequency.Three different frequency plane transducers with center frequencies being 250kHz，350kHz and 450kHz are used together to detect the casing thickness from 5mm to 16mm.The transducer can inspect the minimum diameter perforations of 5mm.The above results verified the function of casing inspection which is important to development and field applications of the tool.

acoustic logging，ultrasonic pulse echo technique，fracture，perforation，casing thickness，casing inspection

P631.54；TB551

A

2012－01－11 本文編輯 余迎）

1004－1338（2012）04－0340－05

國家科技重大專項（項目編號：2011ZX05020－005）；國家863計劃（批準(zhǔn)號：SQ2010AA0920229001）

陳洪海，男，1963年生，高級工程師，從事聲波測井儀器研發(fā)。