套管井超聲導(dǎo)波成像系統(tǒng)開發(fā)與工程應(yīng)用研究?

胡文祥 王 浩 馬 琦 陶愛華 劉西恩

(1 同濟(jì)大學(xué)聲學(xué)研究所 上海 200092)

(2 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)

0 引言

油氣井巖壁與井內(nèi)鋼套管之間的環(huán)形空間通常灌注不同類型水泥進(jìn)行井壁保護(hù)和不同深度巖石層之間的封隔。該結(jié)構(gòu)中，套管銹蝕等損傷以及管外水泥膠結(jié)質(zhì)量問題會對油氣井的生產(chǎn)產(chǎn)生明顯影響。比如，環(huán)形空間由于水泥灌注缺陷會導(dǎo)致油氣井不同深度水層與油氣層之間的串漏，產(chǎn)生嚴(yán)重問題。因此，進(jìn)行套管井檢測，以獲取套管損傷及水泥膠結(jié)缺陷信息是十分重要的工作。

聲波測井技術(shù)是目前進(jìn)行套管井檢測的最主要甚至唯一的手段。傳統(tǒng)的檢測方法是所謂水泥膠結(jié)測井(Cement bonding logging,CBL)。通過井軸上液體中20 kHz 左右低頻的對稱單極子聲源激發(fā)和不同深度位置接收獲得的聲信號，來了解和分析鋼套管與井壁巖石之間的水泥膠結(jié)信息。其中主要信息是由鋼套管管壁內(nèi)傳播模式(俗稱套管波)的幅度與衰減。該信息對鋼管外材料的特性阻抗是敏感的。因此，管外為良好的固體水泥粘結(jié)時幅度顯著減小，而水泥缺失為液體時，則有明顯的幅度，這實際上是管外材料的一種阻尼作用。通常認(rèn)為這種管壁內(nèi)的波模式為最低階的蘭姆波對稱模式S0。

傳統(tǒng)的CBL 測井通常用于定性判斷水泥膠結(jié)質(zhì)量。近20年來由于生產(chǎn)需求，進(jìn)行了一些研究來探討定量應(yīng)用的可能[1?2]。但很顯然，CBL 測井技術(shù)的確存在明顯的不足：如無法獲得水泥膠結(jié)缺陷的方位信息，無法有效進(jìn)行輕質(zhì)水泥情形評價，測量結(jié)果明顯受井內(nèi)測量聲探頭的偏心影響，快速地層時無法有效評價等。

超聲脈沖回波測井技術(shù)是20 世紀(jì)90年代后期以來開始應(yīng)用的套管井檢測技術(shù)。該技術(shù)采用沿井周向旋轉(zhuǎn)掃描的寬帶自發(fā)自收超聲探頭垂直于套管壁發(fā)射和接收寬帶超聲脈沖。由于井液-鋼管顯著的阻抗失配，只能通過激發(fā)鋼管的厚度共振模式來實現(xiàn)對鋼管的透射。通過采用約200 kHz～700 kHz 范圍的寬帶超聲脈沖來覆蓋較大的套管厚度范圍。通過該檢測技術(shù)可以獲得管外介質(zhì)的聲阻抗圖像，判斷管外介質(zhì)性質(zhì)。該方法對管外水泥膠結(jié)缺陷有很好的周向分辨率。該檢測技術(shù)還可以較為有效地檢測套管的厚度，對套管壁的腐蝕與銹蝕進(jìn)行成像，是一種有效的套管井超聲成像技術(shù)。近年來的研究顯示，所激發(fā)的套管的這種波模式實際上與所謂S1零群速度蘭姆波模式(S1-ZGV共振)相關(guān)[3?5]。

但上述超聲脈沖回波測井技術(shù)亦有明顯不足，如對與鋼管接觸的管外材料的切向耦合不敏感。因此，對管外膠結(jié)良好的輕質(zhì)水泥與無水泥時的液體二者無法區(qū)分。此外，該技術(shù)亦無法檢測水泥-巖石界面(俗稱二界面)，當(dāng)然也無法判斷環(huán)形空間內(nèi)的材料性質(zhì)，以及井眼結(jié)構(gòu)等幾何信息。

近年來的研究顯示，針對上述檢測方法的不足，可以進(jìn)一步利用鋼套管蘭姆波的其他模式來實施套管井的超聲檢測。最低階反對稱A0模式是一種很好的可以補(bǔ)償上述不足的檢測手段[6?7]。由于管內(nèi)外介質(zhì)的低聲速，套管A0模傳播時會產(chǎn)生向管內(nèi)外介質(zhì)的聲能泄漏，所謂泄漏A0模式(或泄漏彎曲波模式)。一方面可利用泄漏A0模式對管外介質(zhì)的切向耦合敏感來區(qū)分輕質(zhì)水泥和液體；另一方面通過檢測管外泄漏A0模式的轉(zhuǎn)換波在井壁的反射來檢測和成像井孔幾何形狀以及套管在井中位置圖像。最重要的性質(zhì)是，由于A0模式傳播時的泄漏衰減與管外耦合材料特性緊密相關(guān)，因此通過其衰減的測量，可實現(xiàn)對管外材料性質(zhì)的有效定征。

上述不同檢測方法都利用了鋼套管內(nèi)的導(dǎo)波模式，它們用于鋼套管銹蝕及管外介質(zhì)的檢測與成像各有其優(yōu)缺點。因此，如果組合使用這幾種檢測方式，將可以有效利用它們所有的長處，克服各自的不足。具體的工程實施方式，可以脈沖回波井周掃描系統(tǒng)為基礎(chǔ)，增加一組斜入射的泄漏A0模式收發(fā)探頭實現(xiàn)組合掃描成像；同時可以集成傳統(tǒng)的CBL測試方式，實現(xiàn)綜合檢測分析。本項研究是在多年前本課題組所開發(fā)的套管井多功能超聲成像系統(tǒng)基礎(chǔ)上的一種全新改造與功能升級。

本文將主要闡述A0模式特點，其衰減的測量，結(jié)合脈沖回波測量進(jìn)行導(dǎo)波檢測與成像系統(tǒng)的開發(fā)與綜合應(yīng)用。

1 負(fù)載鋼板A0 模式的基本特性

由于鋼套管內(nèi)徑較大，在較高的超聲頻段(比如大于100 kHz)時，沿管內(nèi)壁縱向斜入射的超聲脈沖，可近似看成與平面鋼板的作用。由此理論計算其相速度與衰減，相關(guān)理論分析與計算方法作者已在其他文章討論[7?9]，不在此一一列出。圖1 分別為板兩側(cè)均為液體時A0與S0模式的相速度與群速度頻散曲線?？梢钥吹剑^低頻厚積時，相對于S0模式，在一定頻厚積范圍，A0模式相速度與群速度的變化較小。對于通常的8～10 mm 厚套管，在100 kHz～400 kHz 頻率范圍，雖然其相速度有一定變化，但群速度較為平直，近似為“常群速度”。因此，對該模式波包可以實現(xiàn)較為精確的聲時與包絡(luò)幅度檢測，適合于實際工程超聲應(yīng)用。

磚子乍進(jìn)門，見纖掌揮來，明知敵不過刀馬旦的拳腳功夫，也要拼力反抗、擊退氣勢洶洶的強(qiáng)敵的，然而氣吐如蘭的動口不動手，將他軟化在石榴裙下了。趙仙童擁著他坐上沙發(fā)，轉(zhuǎn)身沏杯龍井茶，又削了一只大蘋果，剖成片放進(jìn)碟子里，捏出一片撒著嬌要喂他。磚子涌起潮水般的感動，晚上遭受詩友們不知情的污辱，白天挨的莫名其妙耳光，全都在一片蘋果、一杯清茶中和解了。盡管這是他多年夫妻生活中，從未經(jīng)歷過的大起大落。

圖1 雙側(cè)水荷載時鋼板導(dǎo)波模式頻散特性Fig.1 The dispersion curves of guided waves for a steel plate loaded with water on both sides

對A0模式的激勵，按斯奈爾定律，需要考慮泥漿聲速的變化范圍以及A0模式的相速度等因素。對于1300～1700 m/s 的泥漿聲速范圍，可以估算超聲探頭的入射角范圍在約28?～38?。

考慮液體荷載下鋼板及鋼板下部的不同粘結(jié)材料，可進(jìn)一步計算A0模式的相速度頻散及其泄漏衰減。圖2 為板下部粘結(jié)層分別為空氣、水、慢速水泥、快速水泥四種條件下的結(jié)果。

可以看到，雖然管外不同粘結(jié)材料時A0模式的相速度頻散變化不大，但其衰減對管外材料非常敏感?？諝鈺r，僅單面液體泄漏，衰減最?。宦偎鄷r，A0模式泄漏分別向水泥輻射縱波與橫波，因此，衰減最大；鋼管兩側(cè)均為水時，泄漏衰減介于二者之間。需要注意的是快速水泥情形，由于其縱波聲速大于A0模式相速度，故A0模式的泄漏僅向水泥輻射橫波，因此，其衰減反而小于慢速水泥情形，甚至小于兩側(cè)液體情形。圖3 為頻率200 kHz時，理論計算的A0模式泄漏衰減隨鋼板下側(cè)粘結(jié)材料特性阻抗的變化曲線。計算時考慮到鋼板下側(cè)粘結(jié)材料密度變化范圍相對較小，固定其為1800 kg/m3。在保持其縱橫波速度的比值為1.8708、即泊松比為0.3固定不變時，改變粘結(jié)材料的縱波速度從1000 m/s增加到4500 m/s，步長10 m/s，數(shù)值計算A0模式泄漏衰減隨材料特性阻抗變化的連續(xù)曲線。圖3 中分別標(biāo)識了幾個典型材料的位置，旨在直觀說明氣體、液體(水)及典型的水泥在特性阻抗-A0模衰減坐標(biāo)平面上是明顯分離的。因此通過分別測量套管井管外材料特性阻抗與沿管壁傳播的A0模衰減，可以有效分類管外材料。

圖2 水-10 mm 厚鋼板-粘結(jié)材料變化時A0 模式頻散與衰減Fig.2 Phase velocities of A0 mode and its attenuation for a steel plate loaded with water on one side and different bonded materials on other side

圖3 A0 模式衰減隨鋼板下側(cè)粘結(jié)材料特性阻抗的變化曲線Fig.3 The attenuation of A0 mode versus characteristic impedance of materials bonded on a steel plate

需要說明的是，圖3 中存在一個所謂臨界特性阻抗點。該點前后A0模泄漏衰減隨鋼板粘結(jié)材料特性阻抗變化的轉(zhuǎn)折是容易解釋的，原因上文其實已經(jīng)說明。該點處粘結(jié)材料縱波聲速與A0模相速度相等，為2740 m/s；而該點之前，A0模相速度大于粘結(jié)材料縱波聲速；該點之后，A0模相速度則小于粘結(jié)材料縱波聲速。按斯奈爾定律，則該點之前A0模會同時向粘結(jié)材料一側(cè)輻射縱波與橫波，而該點之后則僅會輻射橫波。因此該點之后，A0模的泄漏衰減明顯減小。

上述A0模式的衰減特性為管外介質(zhì)性質(zhì)的超聲定征提供了十分有用的思路。

2 不同負(fù)載鋼板脈沖回波與泄漏A0 模特性的實驗測試

2.1 脈沖回波與泄漏A0 模信號的基本特征

僅以輕質(zhì)水泥為例說明。用于測試的鋼板厚10 mm，寬200 mm，長1000 mm。在其長度的一半制作黏附厚度為30 mm 的水泥，長度的另一半仍為自由的鋼板。水泥密度為1600 kg/m3，聲速為2100 m/s，為低密度、低聲速水泥。根據(jù)理論計算，此時粘結(jié)水泥段鋼板A0模衰減大于水。將探頭陣沿試樣中心線(紅色虛線)掃描，長度為400 mm，如圖4 所示。其中T2 為脈沖回波探頭，T1 與R1、R2為斜探頭。

圖4 平面測試試樣與探頭陣示意圖Fig.4 Plane testing sample and ultrasonic transducer array

圖5 雙面水負(fù)荷鋼板與雙面分別為水與水泥負(fù)荷鋼板的脈沖回波及其幅度譜Fig.5 Pulse echoes and their amplitude spectrums for a steel plate loaded with water on both sides and water on one side and cement on other side

圖6 分別是鋼板雙面水負(fù)荷，雙面分別為水和水泥時A0模式測量信號。藍(lán)色是近探頭接收信號，紅色是遠(yuǎn)探頭接收信號。當(dāng)衰減大時(如鋼板背后是水泥)，接收幅度較小，而衰減小時(如鋼板背后是水)，接收幅度大。

圖6 雙面水負(fù)荷鋼板與雙面分別為水與水泥負(fù)荷鋼板的A0 模式測量信號Fig.6 Experimental signals of A0 mode for a steel plate loaded with water on both side and water on one side and cement on other side

2.2 鋼板兩側(cè)分別為水與空氣時的測試結(jié)果

測試水槽中，在鋼板背后的一段放置氣球(夾持使其貼合鋼板)，隔離水，模擬空氣情況。需要指出，該模擬條件可能導(dǎo)致所測量的空氣段衰減比實際偏大。圖7(a)為脈沖回波測試結(jié)果。圖7(a)中比值為共振波與表面反射波之比，厚度基于共振頻率計算。鋼板一側(cè)為空氣時，共振波幅度明顯增大，但厚度測量結(jié)果不受鋼板負(fù)荷變化影響。圖7(b)為A0模式泄漏衰減測量結(jié)果。鋼板雙面為水時，衰減1.16 dB/cm，背后空氣時衰減0.67 dB/cm。據(jù)此計算單面水引起的衰減約為0.49 dB/cm。雙面水引起的衰減為0.98 dB/cm，但實際上雙面水時衰減為1.16 dB/cm。其差別0.18 dB/cm 的原因，一方面如上所述，模擬方式導(dǎo)致單面空氣時的衰減測量偏大，另一方面與換能器靈敏度差異、幾何擴(kuò)散衰減、測量誤差等因素有關(guān)。

圖7 鋼板雙面分別為水和空氣時兩種導(dǎo)波方式測量結(jié)果Fig.7 Experimental measuring results of two kinds of guided wave for a steel plate loaded with water on both side and water on one side and air on other side

2.3 兩側(cè)分別為水負(fù)荷與輕質(zhì)水泥時的測試結(jié)果

圖4 的試樣，1 m 長鋼板僅一半長度覆蓋輕質(zhì)水泥。圖8為該試樣水中脈沖回波測試結(jié)果，同前述方法，計算歸一化共振波幅度及鋼板厚度。圖8(a)中雙側(cè)水負(fù)荷端(自由)歸一化共振波幅度為0.19，水泥部分歸一化幅度0.11，二者區(qū)分明顯，界面處為明顯的臺階；而所計算鋼板厚度曲線基本為10 mm的直線，不受鋼板負(fù)荷變化的影響。圖8(b)中將上述共振波幅度轉(zhuǎn)化為特性阻抗，水泥特性阻抗約3.5 MRayls，接近于上述實驗測量的3.3 MRayls。

圖9 為兩個接收探頭的A0模式信號及包絡(luò)B掃描圖。由于水泥導(dǎo)致的衰減比水大，所以靠近水端的幅度較大，靠近水泥端幅度較小。

圖8 由圖4 試樣脈沖回波測試結(jié)果計算的鋼板厚度與負(fù)荷材料特性阻抗Fig.8 Thickness of steel plate and characteristic impedance of material bonded on steel plate calculating by using pulse echo measurement signals for sample in Fig.4

圖9 圖4 試樣A0 泄漏模式信號測試結(jié)果Fig.9 The experimental signals of leaky A0 mode for the sample in Fig.4

圖10 為上述測量方式對試樣掃描測量得到的衰減。很明顯，水泥段衰減大，而雙側(cè)水時衰減小。所得到的結(jié)果在水和水泥部分衰減曲線都相對平直，在分界面附近衰減呈線性變化，呈現(xiàn)斜的臺階，其值取決于兩個接收器所覆蓋的范圍內(nèi)水泥和水所占的比例。與前述的自發(fā)自收回波測量方式相似，該測量結(jié)果同樣很好反映了鋼板背面介質(zhì)的性質(zhì)。

顯然，上述脈沖回波測量方式在掃描方向上有更理想的分辨率，而A0測量方式則由于衰減計算涉及兩接收探頭之間的間距，測量分辨率降低。

在不考慮測量導(dǎo)致的因素前提下，兩側(cè)均為水造成的A0模衰減約為1.16 dB/cm，所以單側(cè)水的衰減約為0.58 dB/cm，由此可估算單側(cè)水泥衰減約為1.6?0.58=1.02 dB。

圖10 由圖9 信號計算的泄漏A0 模式的衰減Fig.10 The calculating result of attenuation for leaky A0 mode signals in Fig.9

組合兩種導(dǎo)波測試結(jié)果，進(jìn)行鋼板背面材料分類是可能的?？紤]套管外環(huán)形空間環(huán)境條件下氣-液-固介質(zhì)特性阻抗-A0模衰減兩個參數(shù)可能的變化范圍，測量可能導(dǎo)致的離正確值的偏差，可在該兩項參數(shù)變化構(gòu)成的坐標(biāo)內(nèi)，給出氣-液-固每種狀態(tài)發(fā)生的可能分布范圍。將上述圖7、圖8與圖10的結(jié)果在該二維坐標(biāo)中標(biāo)識出，可以看到鋼板背面材料氣、液、固的區(qū)分是清楚的，見圖11。

圖11 鋼板背面氣-液-固粘結(jié)材料的區(qū)分Fig.11 The zoning map of gas-liquid-solid materials bonded on back surface of a steel plate

3 套管井導(dǎo)波成像系統(tǒng)開發(fā)及模型井與實際井檢測與成像結(jié)果

在上述原理研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了套管井導(dǎo)波成像系統(tǒng)研制開發(fā)。整個系統(tǒng)由超聲發(fā)射、接收及信號采集、處理等電路裝置，檢測與成像軟件，垂直收發(fā)脈沖回波測量探頭，A0模激發(fā)與接收探頭(一發(fā)二收)，以及上位計算機(jī)組成。同時基于工程化考慮，超聲探頭均滿足耐溫耐壓和寬帶收發(fā)等特性，電路系統(tǒng)亦滿足耐溫耐壓要求。

圖12 模型井測量與成像結(jié)果Fig.12 The testing and imaging results in model testing well

圖13 實際井測量與成像結(jié)果Fig.13 The measuring and imaging results in a cased borehole in an oilfield

所研制的基于導(dǎo)波方式的套管井超聲檢測與成像儀器系統(tǒng)在中海油田服務(wù)股份有限公司多個模型井以及陸上與海上實際井進(jìn)行了測試，獲得良好效果。圖12 所給出的是其中一個典型模型井的成像結(jié)果。其套管外環(huán)形空間材料沿深度方向設(shè)置不同周向角度范圍缺失(填充近于液體的低特性阻抗仿體材料)通過聲阻抗率成像結(jié)果，A0模泄漏衰減結(jié)果圖像獲得很好體現(xiàn)。其中所得到的水泥聲阻抗約4 MRayls，泄漏A0模平均衰減約0.77 dB/cm，符合輕質(zhì)水泥較大衰減的特征。由二者綜合給出的管外介質(zhì)材料分類也得到了較為滿意的結(jié)果，表明了方法的有效性與系統(tǒng)開發(fā)與工程應(yīng)用的實用性。

圖13 給出了實際井測量和成像結(jié)果。除了給出聲阻抗率圖像、彎曲波A0模衰減成像、環(huán)形空間介質(zhì)固-液-氣分類結(jié)果外，進(jìn)一步給出了據(jù)此得到的環(huán)形空間水力聯(lián)通圖像。該結(jié)果可以提供給工程人員形象的“竄槽”指示，有非常實際的工程價值。圖13 同時給出了傳統(tǒng)的CBL-VDL 與扇區(qū)水泥檢測儀器SBT結(jié)果，以作為對照。顯然，所開發(fā)的導(dǎo)波成像結(jié)果是定量、直觀的，且有明確的周向位置，比傳統(tǒng)的CBL-VDL以及SBT結(jié)果明顯優(yōu)越。實際工程應(yīng)用時，可以綜合集成脈沖回波、A0彎曲波與傳統(tǒng)的CBL測量方式，進(jìn)行綜合成像分析。

利用上述的泄漏導(dǎo)波模式在環(huán)形空間巖石壁(二界面)的反射，通過周向掃描方式，還可進(jìn)一步進(jìn)行井眼形狀的成像、鋼套管在井內(nèi)相對位置的成像等，該結(jié)果不在此一一給出。

4 結(jié)論

研究表明，傳統(tǒng)CBL與超聲脈沖回波測井技術(shù)都可歸于鋼套管壁內(nèi)導(dǎo)波模式的利用。為了解決現(xiàn)有技術(shù)無法有效檢測輕質(zhì)水泥條件下的套管井水泥膠結(jié)質(zhì)量問題，同時進(jìn)一步對管外環(huán)形空間內(nèi)的材料性質(zhì)進(jìn)行定征，成像井眼形狀及其中套管的相對位置，可基于已有的多功能超聲成像掃描成像測井儀，進(jìn)一步增加A0彎曲波模式的激勵和檢測方式。綜合的多模式導(dǎo)波檢測與成像方法，可以較為全面解決目前套管井檢測與評價所遇到的問題。在泄漏A0模式性質(zhì)分析和實驗?zāi)Ｐ蜏y試研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)相應(yīng)的超聲檢測換能器、電路與軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)了套管井綜合的多模式超聲導(dǎo)波成像系統(tǒng)。通過中海油田服務(wù)股份有限公司在其模型井與陸地和海上油氣井的實際測試使用，均獲得良好效果，說明研發(fā)工作是成功的。

致謝參加本項研發(fā)工作的還有同濟(jì)大學(xué)梁軍汀、盧杰、周八妹和中海油服王文梁等同仁，在此表示感謝。