超聲蘭姆波成像測(cè)井儀在海上平臺(tái)棄置的應(yīng)用

張磊，韓耀圖，張羽臣，林家昱，竇蓬

1.中海石油（中國(guó)）有限公司 天津分公司 （天津 300459）2.海洋石油高效開發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （天津 300452）

在油田全壽命周期中，套管磨損、腐蝕、變形、穿孔及固井質(zhì)量不良等井筒完整性問題會(huì)嚴(yán)重影響油氣井完井建設(shè)和后期生產(chǎn)， 嚴(yán)重時(shí)誘發(fā)安全事故和極端環(huán)境問題[1-3]。 固井質(zhì)量評(píng)價(jià)對(duì)于海上平臺(tái)棄置尤為重要。 目前有多種測(cè)井儀器可用于評(píng)價(jià)固井質(zhì)量，如聲幅測(cè)井儀（CBL）、水泥膠結(jié)測(cè)井（SBT）、聲波-伽馬密度測(cè)井儀等[4-6]，但普遍存在識(shí)別方法單一、測(cè)量精度低等缺點(diǎn)，在評(píng)價(jià)低密度水泥固井質(zhì)量時(shí)效果較差[7-10]。 基于此背景，結(jié)合國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用實(shí)例， 對(duì)中海油自主研發(fā)的新一代超聲蘭姆波成像測(cè)井儀在海上平臺(tái)棄置的應(yīng)用情況進(jìn)行了綜合分析，并對(duì)其固井質(zhì)量評(píng)價(jià)精度進(jìn)行了評(píng)價(jià)與驗(yàn)證。

1 超聲蘭姆波成像測(cè)井儀的研制

1.1 工作原理

超聲蘭姆波成像測(cè)井儀（UCCS）采用超聲脈沖回波與撓曲波成像技術(shù)， 通過對(duì)超聲波脈沖回波和撓曲波波場(chǎng)的獨(dú)立測(cè)量， 實(shí)現(xiàn)對(duì)套管環(huán)空環(huán)境的描述以及對(duì)不同類型水泥固井質(zhì)量的評(píng)價(jià)[11-12]。 超聲蘭姆波成像測(cè)井儀的旋轉(zhuǎn)探頭共包括4 個(gè)換能器：1 個(gè)垂直入射的超聲波換能器位于儀器一側(cè)， 用于生產(chǎn)和檢測(cè)脈沖回波，可測(cè)量聲阻抗；另外3 個(gè)換能器位于儀器另一側(cè)并呈一定角度排列，1 個(gè)發(fā)射2個(gè)接收，可測(cè)量蘭姆波在套管中傳播時(shí)的衰減，如圖1 所示。

圖1 超聲蘭姆波成像測(cè)井儀的結(jié)構(gòu)

測(cè)井時(shí)， 旋轉(zhuǎn)探頭以7.5 rad/s 的速度旋轉(zhuǎn)，超聲波換能器向套管發(fā)射一個(gè)稍微發(fā)散的波束， 使套管轉(zhuǎn)入厚度共振模式， 提供1 個(gè)5°或10°的方位分辨率，從而在每個(gè)深度產(chǎn)生36 個(gè)或72 個(gè)獨(dú)立波形。撓曲波發(fā)射器同時(shí)發(fā)射高頻脈沖波束， 在套管內(nèi)激發(fā)撓曲振動(dòng)模式。隨著高頻脈沖波束的傳播，該振動(dòng)模式將聲能傳入環(huán)空； 聲能會(huì)在具有聲阻抗差異的界面（如水泥/地層界面）產(chǎn)生反射，以撓曲波的形式由套管回傳，從而將能量再傳向套管內(nèi)流體。

蘭姆波在不同水泥環(huán)情況下的傳播存在差異，因此結(jié)合蘭姆波衰減測(cè)量值以及聲阻抗， 可判斷套管后面的介質(zhì)狀態(tài)（氣體、液體或固體）。 其中，聲阻抗可通過超聲波換能器直接測(cè)量得到， 蘭姆波衰減值則需根據(jù)2 個(gè)接收器的間距及接收到的波幅度等進(jìn)行計(jì)算，如圖2 所示。

圖2 遠(yuǎn)、近接收器接收到的蘭姆波

根據(jù)超聲蘭姆波成像測(cè)井儀大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可得到測(cè)量點(diǎn)處套管外介質(zhì)形態(tài)， 進(jìn)而確定每種介質(zhì)形態(tài)的覆蓋面積， 最終基于蘭姆波衰減與聲阻抗形成直觀、 易懂的固井質(zhì)量評(píng)價(jià)固-液-氣解釋圖版（圖3）。 從圖3 可看到，隨著聲阻抗及蘭姆波衰竭的逐漸增加，套管外介質(zhì)形態(tài)逐步由氣體轉(zhuǎn)化為液體，最終轉(zhuǎn)化為固體，固井質(zhì)量也隨之變好。

圖3 固-液-氣解釋圖版

1.2 儀器創(chuàng)新點(diǎn)

超聲蘭姆波成像測(cè)井儀主要技術(shù)指標(biāo)如下：

可檢測(cè)套管厚度范圍：5~16 mm；

套管壁厚測(cè)量精度：±6%；

最小可檢測(cè)串槽和缺陷尺寸：30 mm；

聲阻抗分辨率：0.2 MRayl；

聲阻抗測(cè)量精度：±15 %；

徑向分辨率360 °；

最高工作溫度：175 °C；

最高工作壓力：140 MPa；

作業(yè)套管尺寸：139.7~339.725 mm（5.5～13.375 in）。

儀器可檢測(cè)套管厚度范圍為5~16 mm，聲阻抗測(cè)量精度為±15 %，徑向分辨率360°，可測(cè)量139.7~339.725 mm（5.5～13.375 in）套管的固井質(zhì)量。

超聲蘭姆波成像測(cè)井儀一次下井即可完成井壁成像、固井質(zhì)量評(píng)價(jià)等作業(yè)，主要功能有：能夠進(jìn)行套管內(nèi)徑和厚度檢測(cè)；進(jìn)行竄槽、缺陷評(píng)價(jià)；分析管外水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量；識(shí)別套管背后介質(zhì)類型；指示套管在井眼中位置； 有效解決低密度水泥固井質(zhì)量評(píng)價(jià)難題，并能指示套管偏心程度等。

2 應(yīng)用實(shí)例分析

2.1 C 平臺(tái)棄置情況簡(jiǎn)介

海上某油田C 平臺(tái)設(shè)計(jì)壽命為10 年， 于1999年投產(chǎn)，共有4 口生產(chǎn)井。截至2007 年，平臺(tái)4 口生產(chǎn)井產(chǎn)出物全為水，無生產(chǎn)價(jià)值，且平臺(tái)設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間閑置導(dǎo)致設(shè)備及管道腐蝕嚴(yán)重，決定棄井。因此需要檢測(cè)固井質(zhì)量，指導(dǎo)切割作業(yè)。

C3 井為一口水平井，其井身結(jié)構(gòu)為Φ508 mm×224 m+Φ244.5 mm×1 101.15 m+Φ139.7 mm×1 715 m， 其中Φ244.5 mm 的表層套管水泥漿密度為1.6 g/cm3，屬于低密度水泥漿[13]。為選取固井質(zhì)量較好的井段進(jìn)行套管切割， 首先利用水泥膠結(jié)測(cè)井（SBT）評(píng)價(jià)固井質(zhì)量。 結(jié)果顯示，井段固井質(zhì)量較差，響應(yīng)接近自由套管，無可選用切割套管井段，無法指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。 因此，利用超聲蘭姆波成像測(cè)井儀對(duì)C3 井重新進(jìn)行了固井質(zhì)量評(píng)價(jià)。

2.2 超聲蘭姆波成像測(cè)井固井質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果分析

將超聲蘭姆波成像測(cè)井得到的固井質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果與水泥膠結(jié)測(cè)井（SBT）評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，見表1。 從表1 可看到：①C3 井49 m 以上，超聲蘭姆波成像測(cè)井判斷為液體，即為自由套管段，與水泥膠結(jié)測(cè)井（SBT）評(píng)價(jià)一致；②49~57 m，超聲蘭姆波成像測(cè)井判斷為過渡帶，水泥膠結(jié)測(cè)井判斷為自由套管或固井差；③57~160 m，超聲蘭姆波成像測(cè)井為固體響應(yīng)，聲阻抗和衰減值在全井段中最大，水泥膠結(jié)測(cè)井在此段判斷固井質(zhì)量顯示效果不好；④160~300 m，超聲蘭姆波成像測(cè)井仍為固體響應(yīng)，水泥膠結(jié)測(cè)井判斷為固井質(zhì)量差。

表1 超聲蘭姆波成像測(cè)井（UCCS）與水泥膠結(jié)測(cè)井（SBT）結(jié)果對(duì)比

進(jìn)一步選取30~70 m 井段進(jìn)行水泥膠結(jié)測(cè)井與超聲蘭姆波成像測(cè)井固井質(zhì)量解釋成果圖的對(duì)比分析，如圖4 所示。 其中：①左側(cè)為水泥膠結(jié)測(cè)井解釋圖，該圖第1 道信息為深度數(shù)據(jù)；第2 道顯示6 個(gè)極板的聲波幅度衰減； 第3 道為平均聲波幅度衰減曲線、最小及最大聲波幅度衰減曲線、聲波平均幅度曲線；第4 道為水泥膠結(jié)質(zhì)量成像圖；第5 道為聲波變密度圖。 ②右側(cè)為超聲蘭姆波成像測(cè)井解釋成果圖，第1 道信息為蘭姆波衰減值，存在最大值、最小值、平均值3 條曲線，數(shù)值越大表明衰減越大；第2道為衰減成像圖，越接近紅色表明衰減值越大；第3道為聲阻抗曲線，數(shù)值越大表明聲阻抗越大；第4 道為聲阻抗圖，越接近紅色表明值越大；第5 道為平均衰減、聲阻抗曲線；第6 道為氣液固（S-L-G）指示道，紅色代表氣體，藍(lán)色代表液體，綠色代表固體。

圖4 水泥膠結(jié)測(cè)井（SBT）與超聲蘭姆波成像測(cè)井（UCCS）固井質(zhì)量解釋成果對(duì)比圖

從圖4 可以看出： ①30~50 m 井段水泥膠結(jié)測(cè)井顯示套管波強(qiáng)而無地層波的存在， 解釋為無水泥膠結(jié)[14]；而超聲蘭姆波成像測(cè)井蘭姆波衰減值為0.4 dB/cm、聲阻抗值為1.7 MRayl，兩值均較小，表明水泥外介質(zhì)為液體，并未封固水泥。②50~58 m 井段水泥膠結(jié)測(cè)井仍顯示為無水泥膠結(jié)； 而超聲蘭姆波成像測(cè)井蘭姆波衰減值為0.9 dB/cm、 聲阻抗值為2.5 MRayl，表明該井段為固體，但由于此處為混漿過渡段，密度更低，水泥膠結(jié)測(cè)井無法識(shí)別。 ③58~70 m井段水泥膠結(jié)測(cè)井顯示有水泥膠結(jié)，但深色較少，表明固井質(zhì)量中等； 而超聲蘭姆波成像測(cè)井蘭姆波衰減值為1.9 dB/cm、聲阻抗值為3 MRayl，表明套管外為固體，但S-L-G 指示道存在紅色區(qū)域，認(rèn)為該處水泥缺失。 綜合水泥膠結(jié)測(cè)井與超聲蘭姆波成像測(cè)井固井質(zhì)量解釋成果， 推薦套管切割深度為60~70 m。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果驗(yàn)證

C3 井套管實(shí)際切割深度為60~70 m，套管切割后回收斷面如圖5 所示。從切割后回收的實(shí)物看，本段部分一界面固井質(zhì)量良好， 超聲蘭姆波成像測(cè)井測(cè)量顯示大部分為固體（綠色），而少部分為水泥缺失（紅色），與實(shí)物符合度高。而水泥膠結(jié)測(cè)井在此處雖然解釋為中等，但顯示效果不好，原因是水泥膠結(jié)測(cè)井徑向分辨率?。?0°），且采用單一衰減率方法分析判斷精度較低[15]，無法滿足低密度水泥漿的評(píng)價(jià)。綜上認(rèn)為， 超聲蘭姆波成像測(cè)井儀進(jìn)行固井質(zhì)量評(píng)價(jià)時(shí)，與實(shí)際情況符合度較高，評(píng)價(jià)效果較好，尤其適用于低密度水泥漿固井的井。

圖5 套管切割后回收斷面圖

3 結(jié)論

1）超聲蘭姆波成像測(cè)井儀采用超聲脈沖回波與撓曲波成像技術(shù)， 通過對(duì)超聲波脈沖回波和撓曲波波場(chǎng)的獨(dú)立測(cè)量，可對(duì)套管進(jìn)行360°全井眼覆蓋并成像顯示，聲阻抗測(cè)量精度為±15%，徑向分辨率高。

2）基于蘭姆波衰減測(cè)量值及聲阻抗形成的固-液-氣解釋圖版，可以確定套管外介質(zhì)形態(tài)，尤其適用于低密度水泥漿的固井質(zhì)量評(píng)價(jià)。C3 井測(cè)量實(shí)例表明， 評(píng)價(jià)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)套管切割后回收斷面符合度高，驗(yàn)證了其檢測(cè)精度，為后續(xù)套管切割作業(yè)提供了可靠依據(jù)。

3）超聲蘭姆波成像測(cè)井儀是新興的固井測(cè)量?jī)x器，對(duì)低密度水泥漿固井質(zhì)量評(píng)價(jià)效果較好，可進(jìn)一步推廣到其他油田進(jìn)行固井質(zhì)量檢測(cè)與評(píng)價(jià)。