多功能超聲波成像測井儀評(píng)價(jià)固井質(zhì)量

羅鵬，姚振河，張傳舉，夏竹君，謝瑞永，李世舉

1.中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)深圳分公司（廣東 深圳518064）2.中海油田服務(wù)股份有限公司 油田技術(shù)事業(yè)部（廣東 深圳518000）

關(guān)健詞 超聲波測井；成像測井儀；固井質(zhì)量；測井解釋

0 引言

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，采用不同頻率的超聲換能器，對(duì)不同型號(hào)的套管進(jìn)行套損評(píng)價(jià)。斯倫貝謝公司最新一代的IsolationScanner儀器不但可以進(jìn)行套損檢測，還可以針對(duì)第一界面及第二界面的水泥膠結(jié)質(zhì)量作定量評(píng)價(jià)[1]。國內(nèi)也有不少油田開發(fā)中應(yīng)用超聲波測井技術(shù)[2-5]。

多功能超聲波成像測井儀（Multi-function Ultrasonic Imaging Logging Tool，MUIL）由中海油田服務(wù)股份有限公司自主研發(fā)[6-8]，不但可以對(duì)裸眼井進(jìn)行掃描成像，而且可以進(jìn)行套損檢測及固井質(zhì)量評(píng)價(jià)。該儀器采用中心頻率分別為250 kHz、350 kHz及450 kHz的超聲換能器，可以滿足油氣田中絕大多數(shù)類型套管的損傷檢測及固井質(zhì)量檢測，在南海東部的固井質(zhì)量檢測方面，基本上取代了哈里伯頓公司的CAST-V儀器和斯倫貝謝公司的IBC測井儀。

1 多功能超聲波成像測井儀

1.1 測井原理

MUIL測井儀采用超聲波脈沖反射法測量原理，發(fā)射換能器為自發(fā)自收探頭，首先對(duì)發(fā)射探頭激勵(lì)一個(gè)超聲波脈沖信號(hào)，超聲波脈沖信號(hào)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，剩余的則進(jìn)入套管，聲波信號(hào)在套管與水泥環(huán)和套管與地層表面之間進(jìn)行多次的反射。在每個(gè)表面都會(huì)有一些能量被反射，一些能量透射出去，能量的大小由兩種材料聲阻抗的差異決定。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(hào)以一定的速率衰減，信號(hào)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?。环粗嗳?，利用套管共振波幅度的強(qiáng)弱可以評(píng)價(jià)套管外面材料的聲阻抗大小，進(jìn)而對(duì)套管外固井質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.2 儀器結(jié)構(gòu)

MUIL測井儀的核心組成是電子線路短節(jié)和旋轉(zhuǎn)探頭組合短節(jié)兩部分，扶正器為輔助組成部分，如圖1所示。電子線路短節(jié)主要負(fù)責(zé)超聲換能器的激勵(lì)響應(yīng)及井下數(shù)據(jù)的采集處理。聲系短節(jié)包含兩種超聲波換能器，泥漿波換能器和反射波換能器，每個(gè)換能器既能發(fā)射又能接收。泥漿換能器主要負(fù)責(zé)井眼中泥漿聲速的測量；反射波換能器主要負(fù)責(zé)成像測量，安裝在掃描旋轉(zhuǎn)探頭上，當(dāng)高頻率聚集換能器向井壁發(fā)射超聲波脈沖并接收其反射回波時(shí)，旋轉(zhuǎn)探頭接收換能器繞井軸360°旋轉(zhuǎn)掃描，進(jìn)行高分辨率數(shù)據(jù)采集，利用記錄的回波信息對(duì)套管壁或井壁進(jìn)行成像，從而獲取套管壁或井壁的特征信息。

圖1 MUIL多功能超聲成像測井儀示意圖

旋轉(zhuǎn)探頭有A、B、C、D 4種型號(hào)：A型探頭直徑92.1 mm（35∕8″），適合177.8 mm（7″）套管；B型探頭直徑111.12 mm（43∕8″），適合177.8 mm（7″）和193.67 mm（75∕8″）套管；C型探頭直徑142.87 mm（55∕8″），適合219.07 mm(85∕8″)和244.47 mm(95∕8″)套管；D型探頭直徑177.8 mm（7″），適合244.47 mm(95∕8″)套管。通過更換不同尺寸的掃描探頭可以適應(yīng)不同尺寸的井眼條件。

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

MUIL測井儀的主要技術(shù)指標(biāo)：工具耐溫350℉（175℃），耐壓137.9 MPa（20 000 psi），工具直徑92 mm，總長3.911 m，質(zhì)量98 kg，可檢測套管厚度范圍為0.5～2 cm；套管壁厚測量精度為±6%；最小可檢測串槽和缺陷尺寸3 cm；聲阻抗分辨率0.2 Mrayl；聲阻抗測量精度±15%；測井速度3.05 m∕min(10 ft∕min)；垂直分辨率6.35 mm(0.25")。

1.4 測量模式

MUIL測井儀有2種工作模式：成像模式和全波模式，測井作業(yè)時(shí)3個(gè)不同的服務(wù)表可供選擇，兩種模式可以同時(shí)進(jìn)行；在測井作業(yè)過程中，安裝在旋轉(zhuǎn)頭上的超聲波探頭沿井壁做360°高速旋轉(zhuǎn)，采集井壁信息。

成像模式可以在裸眼井和套管井中測量，超聲波探頭每隔1.5°進(jìn)行一次超聲波發(fā)射并接收回波信號(hào)，旋轉(zhuǎn)一周共采集240道波形，在井下電路中，將采集的波形進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，生成反射波幅度和反射波的二維圖像，反映裸眼井井壁或套管井內(nèi)壁幅度成像和內(nèi)徑成像。

全波模式適合在套管中測量，超聲波探頭每隔6°進(jìn)行一次超聲波發(fā)射并接收回波信號(hào)，旋轉(zhuǎn)一周共采集60道波形，并實(shí)時(shí)傳送到地面系統(tǒng)，地面系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)時(shí)處理，計(jì)算套管壁厚評(píng)價(jià)套損，計(jì)算套后聲阻抗評(píng)價(jià)固井質(zhì)量。

1.5 偏心校正

MUIL測井儀對(duì)儀器居中要求十分嚴(yán)格，如果儀器偏心過大，聲波傾斜入射，返回波形嚴(yán)重變形，不能反映真實(shí)的井下狀況。為解決此問題，中海油服先后制作了8種規(guī)格12套偏心器具，進(jìn)行了大量的儀器偏心與傾斜入射試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)儀器偏心時(shí)主要特征有：①到達(dá)時(shí)間、波形幅度與偏心角呈規(guī)律變化；②偏心嚴(yán)重位置出現(xiàn)“假阻抗”。

通過研究，總結(jié)了不同偏心情況下波形變化及測量參數(shù)的變化規(guī)律，并進(jìn)行偏心校正研究，圖2為偏心校正原理圖，對(duì)177.8 mm（7″）和244.47 mm(95∕8″)的套管校正方法計(jì)算公式如下。

式中:U1為探頭原始波形的電壓幅度，V；U為校正后探頭接收的電壓幅度，V；L為儀器偏心距離，mm；α為測點(diǎn)A到儀器中心線與正東的夾角，°；θ為測點(diǎn)A到儀器中心線及套管中心線的夾角，°。

通過實(shí)驗(yàn)研究，得出了不同規(guī)格套管不同測量源距時(shí)儀器允許偏心指標(biāo)（表1），對(duì)偏心狀態(tài)控制和資料質(zhì)量進(jìn)行規(guī)范。

圖2 偏心校正原理圖

表1 MUIL測井儀允許偏心距可控范圍

1.6 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

中海油服在室內(nèi)開展了不同密度的固井水泥聲波阻抗測試實(shí)驗(yàn)，不同規(guī)格的套管外采用不同密度的固井水泥石膠結(jié)后，對(duì)不同密度的固井水泥進(jìn)行聲阻抗測量。從圖3可以看出，當(dāng)水泥密度大于1.4 g∕cm3時(shí)，紅色點(diǎn)基本上成一條直線，將其進(jìn)行線性回歸，得出聲阻抗隨水泥密度變化的關(guān)系式。該圖版可作為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)MUIL測井儀進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化刻度，為MUIL測井儀推廣應(yīng)用提供了現(xiàn)場資料質(zhì)控依據(jù)和水泥膠結(jié)評(píng)價(jià)依據(jù)。

圖3 不同固井水泥石密度-聲阻抗關(guān)系

1.7 現(xiàn)場操作要求

1）核實(shí)測量項(xiàng)目，是否需要測量陀螺數(shù)據(jù)及掛接爬行器。

2）核實(shí)測量套管尺寸、測量長度，不同的套管需要準(zhǔn)備不同的旋轉(zhuǎn)頭。

3）收集井溫、泥漿比重、井隊(duì)打撈油管作業(yè)日?qǐng)?bào)、射孔段、封隔器深度、刮管鉆具下入深度、地層伽馬資料、套管磅級(jí)等資料，并重點(diǎn)關(guān)注同一外徑的套管是否有不同的磅級(jí)。

4）MUIL測井儀對(duì)扶正要求嚴(yán)格，根據(jù)套管內(nèi)徑尺寸調(diào)整套管滾輪扶正器的大小，建議斜井段滾輪扶正器內(nèi)徑調(diào)至比套管內(nèi)徑稍大，直井段可以比套管內(nèi)徑稍小，儀器入井之前檢查可調(diào)滾輪扶正器的彈片，螺絲的緊固情況。

5）在測量之前需壓井至安全狀態(tài)，起出生產(chǎn)管柱，并下入合適的刮管器刮管及大排量洗井。

6）MUIL測井儀下放，在接近井底時(shí)，不得高速下放或探底，防止損壞超聲探頭。

7）MUIL測井儀的電機(jī)轉(zhuǎn)速靠直流電的大小來控制。測井過程中，應(yīng)該實(shí)時(shí)觀察電機(jī)的轉(zhuǎn)速并做調(diào)整；工作時(shí)環(huán)境指標(biāo)不能超過儀器的極限壓力、溫度及電氣指標(biāo)范圍。

1.8 現(xiàn)場質(zhì)量控制

1）方位刻度：當(dāng)儀器串中有方位儀器時(shí)，將MUIL儀器方位對(duì)準(zhǔn)方位儀器高邊，進(jìn)行方位校正。

2）井徑刻度：MUIL測量時(shí)，可以得到超聲波到達(dá)井壁的時(shí)間，如果再得到超聲波在井液中速度，便可計(jì)算出井壁的內(nèi)徑。井徑刻度是為了減小此一計(jì)算過程中的誤差。建議在井內(nèi)100 m以下的深度進(jìn)行刻度，停車保持儀器靜止在某深度點(diǎn)，并確定儀器探頭不在套管的節(jié)箍處。

3）重復(fù)測量：在混漿段或自由套管井段或固井質(zhì)量相對(duì)較差的井段測量重復(fù)曲線至少50 m，重復(fù)曲線與主曲線的圖像特征應(yīng)基本一致。

4）套管節(jié)箍信號(hào)明顯無缺失，聲阻抗曲線變化與聲波變密度套管波顯示應(yīng)有相關(guān)性。

5）當(dāng)懷疑套管和水泥之間存在微環(huán)帶時(shí)，應(yīng)加壓再測一次，與未加壓時(shí)作比較。

2 解釋方法

2.1 膠結(jié)指數(shù)法

MUIL多功能超聲波成像測井儀記錄的高分辨率井周回波信息，用多時(shí)域法分析處理能計(jì)算套管外水泥的聲阻抗Z(n,m)，利用公式（4）計(jì)算出水泥膠結(jié)指數(shù)BI(n,m)。

式中：BI(n,m)為測量位置在n深度m角度水泥膠結(jié)指數(shù)；Z(n,m)為測量位置在n深度m度阻抗值，Mrayl；Zwat為水（流體）的阻抗值，取1.5 Mrayl；Zs為固井水泥的阻抗，與水泥漿密度有關(guān)，見圖3。

根據(jù)膠結(jié)指數(shù)確定固井質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：BI＞0.6膠結(jié)好，0.6＞BI＞0.35膠結(jié)中等，BI＜0.35膠結(jié)差。

2.2 聲阻抗法

MUIL測井儀實(shí)測信息分析處理得到的套管外水泥的聲阻抗Z(n,m)，可以計(jì)算出在n深度的最大聲阻抗值Zm、最小聲阻抗值Zn、平均聲阻抗值Zp，中海油服結(jié)合MUIL測井儀的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際測井資料，建立了利用平均聲阻抗值Zp評(píng)價(jià)第一界面固井質(zhì)量的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（表2），根據(jù)表2繪制了聲阻抗Zp與第一界面固井質(zhì)量的關(guān)系圖版（圖4）。圖4紅色區(qū)域?yàn)樗嗄z結(jié)優(yōu)良（膠結(jié)好），橙色區(qū)域?yàn)樗嗄z結(jié)中等，綠色區(qū)域?yàn)樗嗄z結(jié)不合格（膠結(jié)差），黃色區(qū)域?yàn)楫惓^(qū)域。根據(jù)該圖版可以快速評(píng)價(jià)第一界面固井質(zhì)量。

表2聲阻抗值與第一界面固井質(zhì)量的關(guān)系水泥密度∕(g·cm-3)2.2 2.1 2.0 1.9 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2平均聲阻抗值Z p∕Mrayl膠結(jié)好＞5.7＞5.4＞5.0＞4.5＞4.2＞3.9＞3.7＞3.3＞2.9.＞2.6＞2.4膠結(jié)中等4～5.7 3.8～5.4 3.5～5.0 3.25～4.5 3.2～4.2 3.0～3.9 2.7～3.7 2.5～3.3 2.4～2.9 2.2～2.6 2.0～2.4膠結(jié)差＜4＜3.8＜3.5＜3.25＜3.25＜3＜2.7＜2.5＜2.4＜2.2＜2

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 MUIL測井儀單獨(dú)測井，評(píng)價(jià)水泥膠結(jié)情況

在南海東部完井時(shí)，選用MUIL測井儀單獨(dú)測井，評(píng)價(jià)第一界面水泥膠結(jié)情況，既滿足固井質(zhì)量評(píng)價(jià)要求，又降低測試成本。以惠州某區(qū)A井為例，該井測量井段為恩平組和文昌組，鉆頭尺寸為311.15 mm（12?"），套管尺寸為244.47 mm(9?")，固井水泥漿密度為1.39 g∕cm3，在3 402.0～3 448.0 m井段，平均聲阻抗值Zp為3.1 Mrayl，膠結(jié)指數(shù)為0.58，根據(jù)解釋標(biāo)準(zhǔn)綜合評(píng)價(jià)第一界面膠結(jié)好-中等。在3 448.0～3 477.0 m井段，平均聲阻抗值為4.2 Mrayl，膠結(jié)指數(shù)BI為0.78，根據(jù)解釋標(biāo)準(zhǔn)綜合評(píng)價(jià)第一界面膠結(jié)好。在3 477.0～3 495.0 m井段，平均聲阻抗值為3.2 Mrayl，膠結(jié)指數(shù)BI為0.63，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)綜合評(píng)價(jià)第一界面膠結(jié)好-中等。

圖4 平均聲阻抗與第一界面固井質(zhì)量關(guān)系

3.2 組合測井，評(píng)價(jià)水泥膠結(jié)情況

在南海東部重點(diǎn)探井中，選用MUIL測井儀與CBL∕VDL組合測井，評(píng)價(jià)第一、第二界面水泥膠結(jié)情況，代替斯倫貝謝公司的IBC測井儀，可降低測試成本。以恩平某區(qū)B井為例，該井測量井段為韓江組，鉆頭尺寸為311.15 mm（12?"），套管尺寸為244.47 mm（9?"），固井水泥漿密度為1.88 g∕cm3，圖5為MUIL測井儀在B井測量的水泥膠結(jié)固井質(zhì)量評(píng)價(jià)成果圖，圖中第一道為GR-CCL，第二道為深度，第三道為裸眼電阻率，第四道為測井解釋結(jié)論，第五道為聲阻抗曲線（最大、最小、平均聲阻抗曲線），第六道為聲阻抗成像，第七道為套管外氣體、液體、固體含量，第八道為膠結(jié)指數(shù)，第九道為固井質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)論，第十道為CBL聲幅，第十一道為VDL變密度。從圖5可以看出，在1 675.0～1 735.0 m井段，平均聲阻抗值為4.0 Mrayl，膠結(jié)指數(shù)BI為0.61，局部0.56，根據(jù)解釋標(biāo)準(zhǔn)綜合評(píng)價(jià)第一界面膠結(jié)好，局部好-中等。MUIL測井曲線的變化趨勢(shì)與CBL曲線基本一致。VDL顯示該井段套管波缺失，地層波條紋清晰，局部稍弱，綜合評(píng)價(jià)第二界面膠結(jié)好，局部好-中等。整體上MUIL測井曲線與CBL∕VDL曲線相關(guān)性好。

3.3 MUIL測井儀評(píng)價(jià)第一界面固井溝槽

在南海東部開發(fā)井大部分為定向井，井斜角大于45°時(shí)，受重力的影響套管很難居中，導(dǎo)致固井時(shí)易出現(xiàn)水泥膠結(jié)中等或膠結(jié)差，甚至出溝槽，形成竄槽通道，影響后期生產(chǎn)。選用MUIL測井儀能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)第一界面水泥膠結(jié)存在的溝槽分布情況（圖6），指導(dǎo)后期開發(fā)。

圖5 B井MUIL測井成果圖

圖6 C井MUIL測井顯示竄槽實(shí)例

以流花某區(qū)C井為例，該井為定向井，最大井斜54.77°∕3 110.0 m，鉆頭尺寸為311.15 mm（12?"），套管尺寸為244.47 mm（9?"），套管下深為3 097.94 m，固井水泥漿密度為1.9 g∕cm3。圖6中井段井斜51.47°，整體膠結(jié)中等，在2 813.0～2 821.0 m井段，第五道中最小聲阻抗呈低值，最大與最小聲阻抗曲線分離明顯，第六道中出現(xiàn)明顯的藍(lán)色條帶，第七道中套管外液體含量明顯增加，這是典型的溝槽特征，綜合解釋為竄槽井段。

4 結(jié)論

1）MUIL測井儀的超聲成像測井模式能夠得到套管外介質(zhì)聲阻抗的二維、三維圖像，實(shí)現(xiàn)第一界面水泥膠結(jié)評(píng)價(jià)并識(shí)別水泥膠結(jié)形成的溝槽，MUIL測井儀與CBL∕VDL組合測井可以實(shí)現(xiàn)套管井第一、第二界面的固井質(zhì)量評(píng)價(jià)。

2）總結(jié)的現(xiàn)場操作要求和質(zhì)量控制方法，提高了MUIL測井資料質(zhì)量；根據(jù)膠結(jié)指數(shù)法和聲阻抗法建立的固井質(zhì)量解釋標(biāo)準(zhǔn)及圖版，實(shí)現(xiàn)了固井質(zhì)量現(xiàn)場快速評(píng)價(jià)。

3）在南海東部MUIL測井儀，逐步取代了IBC測井儀評(píng)價(jià)固井質(zhì)量，降低了測試成本。