井周聲波掃描儀在測(cè)井過(guò)程中的影響因素分析

李 超 徐永發(fā) 葉高鵬 郭道連 徐加梅 徐 翠

(1.大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司儀修大隊(duì) 黑龍江 大慶 163153;2.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司青海事業(yè)部 青海 格爾木 736202)

0 引 言

隨著油田的開發(fā)，對(duì)裂縫性儲(chǔ)層的勘探和開發(fā)變得越來(lái)越重要。因此，對(duì)裂縫測(cè)井技術(shù)提出了更高的要求，我們公司從美國(guó)哈里伯頓公司引進(jìn)了井周聲波掃描儀(CAST-V)如圖1 所示，并通過(guò)十幾年的實(shí)踐，我們對(duì)這種儀器的性能有了更深刻的了解。目前這種儀器仍然在新疆油田服務(wù)。

1 工作原理

井周聲波掃描儀(CAST -V)是一種只能工作在井眼內(nèi)為液體介質(zhì)的超聲波測(cè)井儀。該儀器不能運(yùn)行在氣井和含游離氣的井中，否則采集的數(shù)據(jù)可靠性大大降低。CAST-V 每掃描一周可以采集100 或200 次發(fā)射的數(shù)據(jù)，能夠在裸眼井和套管井內(nèi)的垂直方向以及環(huán)形空間上獲得較全面的信息［1］。

圖1 井周聲波掃描儀(CAST-V)的整體結(jié)構(gòu)

CAST-V 的測(cè)量換能器既作為發(fā)射器又作為接收器。換能器(作為發(fā)射器)發(fā)射一組超聲波能量脈沖，該脈沖穿越井眼內(nèi)的流體入射在井壁上。在井壁界面上大部分脈沖能量被反射回?fù)Q能器。此時(shí)，換能器(作為接收器)接收到井壁反射的信號(hào)。如圖2 所示詳細(xì)說(shuō)明［2］，該圖說(shuō)明了超聲波在井壁和CAST -V 儀器之間的傳播。

圖2 CAST-V 超聲波的傳播

CAST-V 有兩種測(cè)井模式:套管井模式、成像模式。在成像模式下?lián)Q能器每次點(diǎn)火記錄兩個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)。這兩個(gè)數(shù)據(jù)是:傳播時(shí)間(TT)以及峰值幅度(AMP)。傳播時(shí)間是指換能器點(diǎn)火到峰值信號(hào)返回瞬間的時(shí)間如圖3所示。該測(cè)量的幅度值就是返回信號(hào)的最大值。換能器的每次點(diǎn)火，幅度與傳播時(shí)間都被同時(shí)記錄。這些井眼參數(shù)被繪成彩圖或用不同灰色等級(jí)繪成圖。通常，淺灰色陰影代表的傳播時(shí)間短而深灰色陰影代表傳播時(shí)間長(zhǎng)。幅度圖中淺灰色陰影代表反射回的能量強(qiáng)而深灰色陰影則表示返回能量低。在套管井模式下可以測(cè)量聲阻抗和套管壁厚。

圖3 傳播時(shí)間與信號(hào)幅度

2 信號(hào)幅度衰減因素

在每次的點(diǎn)火發(fā)射后的測(cè)量中都存在許多因素使得反射聲波信號(hào)在幅度上有所衰減。其中一些信號(hào)衰減因素發(fā)生在聲波與井壁的相互作用中，而其他一些因素則與儀器的設(shè)計(jì)以及井眼內(nèi)的流體對(duì)聲波的衰減效應(yīng)有關(guān)。理解這些影響因素和采取適當(dāng)?shù)臏y(cè)前技術(shù)準(zhǔn)備工作可以提升操作員錄取高質(zhì)量資料的能力。盡管一些影響因素在測(cè)井工程師的掌握之外，而其他一些因素卻是可以避免的，諸如:儀器扶正不好，掃描頭尺寸不當(dāng)以及換能器不合適。以下是信號(hào)幅度衰減的六大因素，如圖4 所示。

1)聲波信號(hào)的頻率;

2)井眼內(nèi)流體的衰減率;

3)換能器與靶的距離;

4)靶表面質(zhì)地;

5)靶的角度;

6)靶(地層或套管壁)與井眼內(nèi)流體聲阻抗的差異程度。

聲波信號(hào)的頻率受換能器設(shè)計(jì)的限制。流體的衰減率以及靶與換能器之間距離是分別由井眼內(nèi)流體的類型，掃描頭尺寸和井眼大小決定的。靶的質(zhì)地，靶的角度和聲阻抗的差異在聲波信號(hào)與靶的相互作用中都有影響。

圖4 六種信號(hào)幅度衰減因素

偶爾，這些衰減因素的綜合影響使得換能器接收不到有效的聲波信號(hào)。在這種情況下，CAST-V 無(wú)法錄取有用的測(cè)量數(shù)據(jù)。這種情況被稱作“零反射”。靶距與靶的角度這兩種因素更容易導(dǎo)致此種情況。然而，使用合適尺寸掃描頭和可靠的扶正器可以使這兩種衰減因素的影響減小到最小。如果這兩種衰減因素的影響被減小到最小的情況下，“零反射”仍然存在，那么探測(cè)到的不是聲波信號(hào)而是儀器和換能器的噪聲。

2.1 頻率

聲波信號(hào)穿越流體時(shí)的衰減與換能器頻率直接成正比。為了能在理想圖像分辨率，電能要求和衰減率之間獲得一個(gè)好的折中點(diǎn)，CAST-V 的換能器在直徑和頻率上的選擇上都是最優(yōu)的。

2.2 井眼內(nèi)的流體

井眼內(nèi)不同類型的流體有不同的衰減率。對(duì)于某一特定泥漿和恒定的換能器頻率來(lái)說(shuō)，衰減率在某種程度上與泥漿比重成正比。氣體的衰減率可以使得超聲波信號(hào)無(wú)法有效的傳播。這就意味著CAST -V 儀器無(wú)法工作在空氣中或井內(nèi)為氣體介質(zhì)的井中，除非該井隨后被注入液體。

2.3 靶距

超聲波脈沖從換能器到井壁和返回?fù)Q能器這一去一回必須經(jīng)歷的距離是信號(hào)衰減的一個(gè)主要因素。距離越大信號(hào)被流體衰減的就越嚴(yán)重。這種關(guān)系是非線性的，在距離上的一個(gè)微小增量可能使得信號(hào)幅度產(chǎn)生顯著的衰減。

2.4 靶的質(zhì)地

如果其他所有的衰減因素保持恒定，那么質(zhì)地光滑的靶面反射聲波的能力通常要比靶面粗糙的好。粗糙的靶面可以看成有許多朝向不同的小靶面組成。從這方面說(shuō)，靶的質(zhì)地與靶的角度相關(guān)。這兩者之間的差異在于表面粗糙對(duì)聲波的影響局限于聲波入射的部分［3］。靶的角度影響更大的面積，它的最小范圍也是聲波入射的部分。當(dāng)聲波入射到足夠粗糙的靶表面時(shí)被微靶反射到不同的方向去。這樣，反射回的能量就失去其一致性導(dǎo)致很大程度上的擴(kuò)散。由于反射的能量分散在很大的區(qū)域，換能器能接受到的能量大大減少。

巖石的機(jī)械特性和鉆井過(guò)程共同決定了靶的質(zhì)地。相應(yīng)的，解釋人員可以根據(jù)不同類型的巖石的表面質(zhì)地差異來(lái)區(qū)分不同巖石類型。有時(shí)，鉆井導(dǎo)致的非自然的巖石表面決定了成像圖，如圖5 所示。在這種情況下，存在明顯的斜斑。通常，斑點(diǎn)是個(gè)解釋難點(diǎn)，然而在給定的區(qū)域內(nèi)斑點(diǎn)常與特定類型巖石相伴出現(xiàn)，是個(gè)有用的特征。另外一種井眼變形可能是測(cè)井過(guò)程造成的。在松軟和機(jī)械特性軟的巖層中，CASRT -V 的扶正器會(huì)在地層縱向上刮出溝道，并且顯示在成像圖上。如圖6 所示。這種情況下，溝道就是必須扶正的一個(gè)負(fù)效應(yīng)。

圖5 CAST-V

圖6 扶正器留下的溝道在CAST-V 圖上的顯示

2.5 靶的角度

靶(或者是井壁)相對(duì)于入射聲波的角度很大程度上決定了換能器接收能量的多少。如果靶面與聲波路徑成足夠大的角度，反射回來(lái)的聲波將偏離換能器。靶的角度合適時(shí)，聲波的入射角和反射角相等。靶的角度偏差極大時(shí)常導(dǎo)致無(wú)返回聲波。在每一次反射后，聲波散射，換能器尺寸和靶距在決定換能器接收聲波能量多少上是必須考慮的因素。井眼成橢圓形和掃描頭不居中是入射聲波與靶和井壁角度不當(dāng)?shù)膬煞N常見情況。如圖7 所示，超聲波在入射到長(zhǎng)軸和短軸附近時(shí)被直接反射回?fù)Q能器。在橢圓井眼長(zhǎng)短軸之間的部分產(chǎn)生的角度使得反射聲波偏離換能器。這樣，成像圖上就呈現(xiàn)帶狀。淺灰色的帶狀表示從軸附近接收到的相對(duì)的高能量。圖7 說(shuō)明這種現(xiàn)象。橢圓度小的井眼呈模糊帶狀，而橢圓度大的呈明顯帶狀。非規(guī)則形狀和傾斜的井眼會(huì)使儀器不居中。圖8 中儀器在井眼中不居中。靶與入射超聲波的角度只有在儀器與井壁最遠(yuǎn)和最近的部分是正常的。其他距離上靶的角度都是不合適的。成像圖上靶距最近的方向上就會(huì)產(chǎn)生一條最淺灰色的帶。在最大靶距的方向上產(chǎn)生一條較淺色的帶。黑色帶狀是由不恰當(dāng)?shù)陌薪嵌犬a(chǎn)生的，如圖8 所示。因?yàn)閮x器在井內(nèi)旋轉(zhuǎn)使得帶狀并不成直線［4］。在極度不居中的情況下，靶距最小的方向上也可能呈黑色帶狀，因?yàn)榉瓷湫盘?hào)在儀器測(cè)量允許之前到達(dá)換能器而產(chǎn)生“死區(qū)”效應(yīng)。

圖7 超聲波在橢圓井眼中的反射

圖8 超聲波在不規(guī)則井眼和斜井中的反射

2.6 聲阻抗的差異

假定井壁是光滑的，聲波由聲阻抗為Z1的介質(zhì)M1入射到聲阻抗為Z2的介質(zhì)M2 上。一部分聲波能量進(jìn)入介質(zhì)M2，另一部分被反射回M1。圖9 說(shuō)明了這種情況。

圖9 聲波在邊界的相互作用

在常規(guī)入射的條件下，如果用Ai，Ar和At分別表示入射波，反射波和透射波的幅度，那么透射系數(shù)和發(fā)射系數(shù)可以表示為:

物質(zhì)反射或透射聲波的能力是他們聲阻抗的方程。聲阻抗可以定義為介質(zhì)的密度與壓縮波速度的乘積。

下標(biāo)x 表示相應(yīng)的介質(zhì)。這樣反射系數(shù)和折射系數(shù)可以用以下公式表示。

反射系數(shù)對(duì)于CAST -V 的測(cè)量來(lái)說(shuō)是個(gè)十分重要的參數(shù)，因?yàn)樗鼪Q定了反射信號(hào)的壓縮波幅度。如果兩種介質(zhì)的聲阻抗相近(Z1≌Z(yǔ)2)反射幾乎為零，那就意味著反射信號(hào)幅度很低。這種情況(Z1≌Z(yǔ)2)說(shuō)明聲波在邊界上耦合的非常好。泥漿與松軟的地層之間的交界面就是這種情況。如果Z2?Z1，反射聲波在幅度上衰減量微小并且不存在反相。這種情況說(shuō)明聲波耦合很差，可以用泥漿與硬質(zhì)巖層之間的交界面來(lái)類比。井眼流體與地層(或套管)之間的聲阻抗的差異對(duì)于CAST -V的測(cè)量是十分重要的［5］。聲阻抗差異越大，反射信號(hào)幅度值越大。由于不同的巖層有不同的聲阻抗，解釋人員可以根據(jù)成像圖把它們區(qū)分開來(lái)。從解釋的觀點(diǎn)上需要注意的是，諸如靶距和靶面粗糙度等方面的衰減因素要比聲阻抗差異起更大的作用。由于泥漿塊的聲阻抗較地層低，CAST-V 測(cè)量的信號(hào)主要來(lái)自井壁的反射。

3 結(jié) 論

通過(guò)以上這些方法，掌握和了解這些影響因素對(duì)錄取和解釋出優(yōu)質(zhì)的測(cè)井資料有一定幫助。盡管受各種影響因素的限制，CAST - V 仍然是測(cè)井精度較高的儀器。目前國(guó)內(nèi)外許多油田經(jīng)過(guò)多年的開發(fā)，已經(jīng)進(jìn)入套損高發(fā)期，套管腐蝕、破裂、變形、錯(cuò)斷、張斷以至于成片套損等多次出現(xiàn)。在特殊情況下，遇到復(fù)雜井況時(shí)，還可以結(jié)合可見光電視、MIT、聲波變密度等儀器的測(cè)井資料，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，綜合分析得出更加準(zhǔn)確的解釋結(jié)果。

［1］CIRCUMFERENTIAL ACROUSTIC SCANNING TOOL -VISUALIZATION SERVICE MANNUAL. July 1997 Revision NW Manual No.770.00696

［2］CIRCUMFERENTIAL ACROUSTIC SCANNING TOOL -VISUALIZAIION FIELD OPERATIONS MANNUAL. Revision NW April 1996 Manual No.770.00709

［3］張建軍，潘恒超.超聲成像測(cè)井工作原理與影響因素［J］.聲學(xué)與電子工程，2001，16(3):56 -57.

［4］秦建國(guó)，曾朝安.快速井周聲波掃描儀在套管井中的應(yīng)用［J］.長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，19(7):29 -30.

［5］卞立安.環(huán)周聲波掃描測(cè)井儀(CAST)原理及應(yīng)用［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2009，25(7):63 -65.