改善聲成像儀器套管探傷效果的方法探討

劉波 孟堅(jiān)

【摘要】針對井周聲波成像儀器（CBIL）在進(jìn)行套管探傷過程中存在分辨率低、探頭聚焦效果差、影響因素多等問題，從探頭設(shè)計(jì)、參數(shù)選擇、操作方法等方面探討改善聲成像測井效果和成像質(zhì)量的有效方法。通過采用適合的探頭、選擇正確的參數(shù)、提高掃描速率與良好的操作方法，提高聲成像測井儀器的應(yīng)用水平。為以后聲成像儀器在套管探傷中的應(yīng)用提供參考。

【關(guān)鍵詞】聲成像 套管 測井 換能器

井周聲波成像（CBIL）測井是目前最先進(jìn)的測井技術(shù)之一，它是利用超聲波對井壁進(jìn)行掃描并根據(jù)井壁回波幅度和傳播時(shí)間進(jìn)行成像測井。利用聲成像測井進(jìn)行套管探傷的方法可以直接獲得套管圖像，更直觀的確定套管變形位置、射孔孔眼位置；檢查對套管爆炸整形后的套管形狀；確定套管斷裂位置等，但由于其主要是針對裸眼井測井設(shè)計(jì)，價(jià)格昂貴，且存在圖像分辨率低、探頭聚焦效果差、影響因素多等缺點(diǎn)，目前國內(nèi)利用井周聲波成像儀器（CBIL）進(jìn)行套管探傷的應(yīng)用較少。

本文以阿特拉斯公司引進(jìn)的1671EB/MB CBIL井周聲波成像測井系統(tǒng)為代表簡要介紹聲成像系統(tǒng)的組成、原理和應(yīng)用。探討了影響聲成像測井效果的主要因素和改善成像質(zhì)量的有效途徑。

1 聲成像（CBIL）測井原理

井周聲波成像測井是由下井儀器電機(jī)帶動一個(gè)旋轉(zhuǎn)式半球形聚焦換能器繞井軸旋轉(zhuǎn)同時(shí)向井壁發(fā)射較短的超聲波脈沖，脈沖沿井眼鉆井液傳播，被井壁反射，且返回?fù)Q能器，再利用回波的信息進(jìn)行成像從而獲取井壁的有關(guān)信息?；夭ǚ燃盎夭〞r(shí)間是測得的兩個(gè)基本量：回波幅度與巖石聲阻抗成正比，不同聲阻抗的物質(zhì)、表面的粗糙程度不同，對聲波的反射也就能力不同：回波時(shí)間是換能器到井壁距離和鉆井液的縱波速度的嚴(yán)格函數(shù)，其反映井眼形態(tài)。因此根據(jù)超聲圖像就可直觀地判斷井壁情況。

2 影響測井效果主要因素

（1）聲系特性：包括換能器特性、探頭旋轉(zhuǎn)速率、數(shù)據(jù)采樣率、聲系機(jī)電結(jié)構(gòu)等，這些決定了超聲成象的固有分辨率；

（2）井眼特性：包括測量距離變化、井壁表面結(jié)構(gòu)、井眼傾斜等這些會不同程度地影響成象效果；

（3）井液狀態(tài)：包括洗井液性能、套管液固有吸收和固相顆粒（或氣泡）情況、射孔或井漏處的地層性質(zhì)等，這些往往會導(dǎo)致測井資料質(zhì)量不合格；

（4）儀器操作：包括在測井過程中參數(shù)的選擇、測速的控制、通過調(diào)整聲波的門坎、門延和增益來識別首波，這些決定了能否達(dá)到最佳的聚焦效果；

（5）其它因素：包括儀器溫度性能、電路與探頭阻抗匹配性能、信號采集數(shù)字化精度以及圖像處理技術(shù)等。

3 改善成像質(zhì)量的主要途徑

3.1 選擇適合的探頭，提高成像質(zhì)量

任何換能器都有其特點(diǎn)和局限性，應(yīng)根據(jù)測量對象的不同和要求不同，選用合適的換能器或換能器組合，其基本原則是要兼顧空間分辨率、井眼探測距離和泥漿適應(yīng)性。聲成像儀器﹙CBIL﹚通常采用的換能器是兩個(gè)250kHz的球面聚焦換能器，直徑分別是1.5in（38.1mm）和2.0in（50.8mm），這兩種換能器的最佳探測范圍分別是5.5—10﹙in﹚和9.25—12﹙in﹚，由于其主要是針對裸眼測井所設(shè)計(jì)，而在套管井（ 套管外徑通常在4.7in-8.9in范圍）中，如果用1.5in或2.0in的換能器檢測套管變形和射孔效果，噪聲干擾大，很難達(dá)到最佳聚焦效果。套管井由于要求分辨率更高，而且測量環(huán)境較好（ 井徑小且比較規(guī)則），可以選擇頻率較高、尺寸較小的聚焦型探頭。通過與北京杰威斯特石油科技公司合作，更換一個(gè)直徑為1.25in﹙31.8mm）；頻率為250 kHz，其最佳探測范圍為4.75—6﹙in﹚的球面聚焦換能器來解決聚焦效果的問題。

3.2 降低井眼因素的影響

（1）避免儀器在井下發(fā)生旋轉(zhuǎn)，可以選擇在聲成像儀器的上部連接防轉(zhuǎn)儀器。

（2）儀器扶正器的合適與否對聲成像測井效果也有很大影響，應(yīng)根據(jù)不同的套管狀況設(shè)計(jì)安裝合適的上、下扶正器，確保在各種情況下儀器能夠處于比較好的居中狀態(tài)。

（3）聲成像儀器所測量的最大及最小井徑，是依據(jù)流體聲速計(jì)算得出的，由于是聲波井徑，因而會受到很多因素的影響，在井壁干凈的情況下，較可靠，但在井壁不干凈時(shí)則容易出現(xiàn)誤差；同時(shí)井壁不干凈也會對儀器產(chǎn)生拉卡，從而影響資料的質(zhì)量，故測井作業(yè)前最好對井進(jìn)行熱洗或刮井。

3.3 避免井液的影響

超聲波在井液中的衰減是由泥漿的固有吸收和固相顆粒（或氣泡）散射兩部分組成。套管液密度越大，超聲波衰減越大，探測靈敏度則下降。通常井下儀在套管液密度較大或井液中含有氣泡的情況下，超聲波衰減和散射特別明顯。往往不能接收回波或只能接收到非常微弱的回波，而導(dǎo)致測井資料質(zhì)量不合格。因此測井前的洗井和替換泥漿是必要的。

3.4 優(yōu)良的操作方法，獲得最佳探測效果

3.4.1 參數(shù)選擇

參數(shù)是所要處理的信息進(jìn)行量化的變量，測井系統(tǒng)中參數(shù)的量化是將人的判斷轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)可以處理的過程，因此對每一個(gè)參數(shù)精確把握是獲得最佳探測效果的保障。根據(jù)具體的情況來選擇合適的參數(shù)：

在PROCESSING PARAMMETER STAUS處理參數(shù)窗口中根據(jù)儀器性能和套管情況選擇井眼尺寸、自動增益、流體換能器直徑、流體測量方式等參數(shù)，應(yīng)該注意的是FIXED FLUID SLOWNESS流體中超聲波固定速度要盡量精確，我們可以在進(jìn)行測井前做測前刻度時(shí)測得超聲波在井下流體的真實(shí)速度。因?yàn)樵跍y井過程中流體探頭被不明物體堵住或損壞時(shí)，系統(tǒng)將自動將流體速度默認(rèn)為固定值進(jìn)行處理。這樣在特殊情況下能盡量符合井下流體的真實(shí)狀態(tài)。

3.4.2 優(yōu)化采樣參數(shù)，提高分辨率

影響聲成像分辨率的另一重要因素是測井采樣率。聲成像測井采用旋轉(zhuǎn)探頭探測回波信號，其井內(nèi)運(yùn)動軌跡為螺旋狀上升或下降，其縱向采樣間距取決于測井速度和旋轉(zhuǎn)掃描速率，周向采樣間距取決于信號采樣率和井眼大小，因此其縱向和周向的分辨率常常是不一樣的。

井周波聲成像（CBIL）擁有多個(gè)的采樣率參數(shù)選擇盡可能選擇較高的采樣率，同時(shí)保證低測速下的平穩(wěn)提升，能有效加大垂向（ 深度方向）采樣密度，應(yīng)用表明測井圖像分辨率將會大大提高。

3.4.3 首波的識別和調(diào)節(jié)

井周聲波成像測井和數(shù)字聲波測井一樣，都需要通過手動調(diào)節(jié)聲波的門坎、門延和增益來識別首波。不同的是聲成像測井是流體波和反射波兩個(gè)換能器同時(shí)工作，因此要同時(shí)保證兩個(gè)探頭都能正確識別首波才能獲得理想的資料。

4 總結(jié)

由于更換的國產(chǎn)換能器精度和聚焦效果很難達(dá)到要求，以及其主要是針對裸眼井測井所設(shè)計(jì)，因此提高儀器性能是改善聲成像測井資料質(zhì)量的前提。但從應(yīng)用的效果來看，通過分析影響因素、總結(jié)測井經(jīng)驗(yàn)以及優(yōu)良的施工和操作方法，能有效降低干擾、提高分辨率、改善測井效果和成像質(zhì)量。在以后的應(yīng)用中還應(yīng)不斷加強(qiáng)圖像化處理技術(shù)，提供信息量更加豐富的三維立體圖像。為提高聲成像儀器在套管探傷的應(yīng)用水平提供更多有效的方法途徑。