超聲蘭姆波成像測(cè)井在X井套損檢測(cè)中的應(yīng)用

張曉誠(chéng)，李 進(jìn)，韓耀圖，霍宏博，李疾翎，范子濤，郭明龍

(1.海洋石油高效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300459；2.中海石油(中國(guó))有限公司 天津分公司，天津 300459；3.中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300459；4.中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津 300459)

0 引 言

在油氣井開(kāi)采過(guò)程中，受地層蠕變、地應(yīng)力變化、腐蝕流體和固井質(zhì)量等多種因素的影響，在井下服役的套管會(huì)發(fā)生變形、腐蝕穿孔、破裂、脫扣等損壞，嚴(yán)重影響油氣井正常作業(yè)與生產(chǎn)[1-5]。準(zhǔn)確檢測(cè)套管損壞(簡(jiǎn)稱“套損”)位置及損壞方式是油氣井套損原因分析及治理的關(guān)鍵，目前常用的套損檢測(cè)手段主要有機(jī)械式多臂井徑儀檢測(cè)、漏磁檢測(cè)和噪聲檢測(cè)[6-11]。機(jī)械式檢測(cè)方式不受介質(zhì)影響，分辨率及檢測(cè)精度高，但該方式只能檢測(cè)套管內(nèi)壁的損壞，無(wú)法檢測(cè)套管外壁及外層套管的損壞；漏磁檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)小缺陷尺寸敏感，但對(duì)大規(guī)模的腐蝕不敏感，同時(shí)僅可檢測(cè)內(nèi)層套管，不適用于多層套管的套損檢測(cè)；噪聲檢測(cè)主要通過(guò)檢測(cè)管柱總厚度的方式判斷套損，檢測(cè)過(guò)程不受介質(zhì)影響，但該方式在多層管柱檢測(cè)中的應(yīng)用效果欠佳。近年來(lái)，渤海油田部分老油田開(kāi)發(fā)進(jìn)入中后期[12]，油井套損率逐年增加[13-16]，受限于現(xiàn)有套損檢測(cè)技術(shù)手段存在的上述不足，亟需研發(fā)新的套損檢測(cè)裝備和技術(shù)以滿足渤海油田生產(chǎn)過(guò)程中的套損檢測(cè)需求。

1 超聲蘭姆波成像測(cè)井儀

1.1 儀器結(jié)構(gòu)及參數(shù)

超聲蘭姆波成像測(cè)井儀基于脈沖回波和撓曲波成像技術(shù)進(jìn)行測(cè)井，利用垂直入射及共振波進(jìn)行套損檢測(cè)與評(píng)價(jià)，儀器結(jié)構(gòu)如圖1所示。超聲蘭姆波成像測(cè)井儀的核心部件旋轉(zhuǎn)掃描頭由4個(gè)探頭構(gòu)成，分別為遠(yuǎn)接收探頭、近接收探頭、垂直入射探頭和發(fā)射探頭，其中：垂直入射探頭位于旋轉(zhuǎn)掃描頭的一側(cè)，用于超聲脈沖回波的產(chǎn)生與接收檢測(cè)，屬于自發(fā)自收探頭；另外3個(gè)探頭位于旋轉(zhuǎn)掃描頭的另一側(cè)，成一定傾斜角度排列，掃描頭底端的探頭用于撓曲波(即蘭姆波)的發(fā)射，掃描頭上端的2個(gè)探頭為接收探頭，用于接收經(jīng)套管、水泥環(huán)或地層反射回來(lái)的蘭姆波，并檢測(cè)其衰減幅值，以達(dá)到測(cè)井的目的。該超聲蘭姆波測(cè)井儀成像屬于B型顯示，采用零階反對(duì)稱的漏蘭姆波進(jìn)行測(cè)井，采用蘭姆波逆時(shí)偏移成像方法進(jìn)行測(cè)井成像[17-19]。

圖1 超聲蘭姆波成像測(cè)井儀結(jié)構(gòu)圖

超聲蘭姆波成像測(cè)井儀主要技術(shù)指標(biāo)如表1和表2所示。

表1 超聲蘭姆波成像測(cè)井儀環(huán)境及機(jī)械指標(biāo)

表2 超聲蘭姆波成像測(cè)井儀測(cè)量指標(biāo)

1.2 套損評(píng)價(jià)原理

利用圖1中的垂直入射探頭產(chǎn)生的脈沖回波進(jìn)行測(cè)井，通過(guò)垂直入射探頭記錄的套管表面反射波及后續(xù)共振波兩項(xiàng)信息結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)套損評(píng)價(jià)，具體原理為：垂直入射探頭為自發(fā)自收探頭，不斷地向套管、水泥環(huán)和地層發(fā)送脈沖回波，脈沖回波的入射角為0°，中心頻率為420 kHz，脈沖回波在套管表面反射形成反射波，同時(shí)脈沖波進(jìn)入套管后，在套管中激起共振產(chǎn)生共振波。超聲脈沖回波檢測(cè)原理如圖2所示。由于套管自然諧振頻率與套管壁厚成反比，因此在垂直入射探頭接收共振波后，可按式(1)由初始回波厚度諧振響應(yīng)得到套管厚度：

圖2 超聲脈沖回波檢測(cè)原理

(1)

式中：H為套管壁厚；V為聲波在套管中的傳播速率；f為采集到的共振波頻率。

同時(shí)，根據(jù)聲波傳播時(shí)間和套管厚度測(cè)量結(jié)果，計(jì)算出套管的內(nèi)徑和外徑。反射波波形的最大幅度可指示套管的內(nèi)壁粗糙度，從而可評(píng)價(jià)套管腐蝕、變形等套損情況。

1.3 套管居中度計(jì)算模型

基于超聲蘭姆波在水泥環(huán)、套管、泥漿等不同介質(zhì)中傳播速率不同的原理，利用超聲蘭姆波測(cè)井儀接收探頭接收到的直達(dá)蘭姆波與二界面回波的時(shí)間差，可計(jì)算套管與井壁之間的水泥環(huán)厚度，然后由井周360°厚度差異可計(jì)算套管居中度。超聲蘭姆波和二界面回波路徑如圖3所示，其中：αf為蘭姆波入射角度；α為蘭姆波的出射角度；v為蘭姆波在水泥環(huán)內(nèi)的傳播速率；Δd為水泥環(huán)厚度；vs為蘭姆波在套管內(nèi)的傳播速率；vf為蘭姆波在泥漿內(nèi)的傳播速率。超聲蘭姆波的發(fā)射頻率為420 kHz，入射角為33°，采用該入射角主要考慮到入射角度變化對(duì)接收探頭接收到的聲波幅值的影響。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)入射角為33°時(shí)反射波幅度具有高值響應(yīng)，易于測(cè)量，同時(shí)在該角度下蘭姆波對(duì)套管外側(cè)介質(zhì)的響應(yīng)幅值差異最明顯，角度較大會(huì)降低蘭姆波的靈敏度[20]。

圖3 超聲蘭姆波和二界面回波路徑示例

套管居中度分析模型如下：

蘭姆波在水泥環(huán)中的傳播時(shí)間為

(2)

式中：tv為蘭姆波在水泥環(huán)內(nèi)的傳播時(shí)間。

蘭姆波在套管內(nèi)的傳播時(shí)間ts為

(3)

由Snell定律可知：

(4)

將式(2)～式(4)化簡(jiǎn)，可得

(5)

式中：Δt為二界面回波與直達(dá)蘭姆波的傳播時(shí)間差。

因此，水泥環(huán)厚度計(jì)算式為

(6)

在測(cè)井過(guò)程中，超聲蘭姆波旋轉(zhuǎn)掃描頭會(huì)對(duì)井壁進(jìn)行360°掃描，按式(1)～式(6)可得井周任意位置的水泥環(huán)厚度，則套管在井眼中的居中度ε為

(7)

式中：Δdmin為井周最小水泥環(huán)厚度；Δdmax為井周最大水泥環(huán)厚度。

由式(7)可知：當(dāng)套管完全貼壁時(shí)，Δdmin=0 m，此時(shí)套管居中度為0；當(dāng)套管完全居中時(shí)，Δdmin=Δdmax，此時(shí)套管居中度為100%。

2 試驗(yàn)井測(cè)試分析

按照海上油田常用的7英寸套管和9-5/8英寸套管標(biāo)準(zhǔn)制作試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)井測(cè)試套損檢測(cè)結(jié)果。試驗(yàn)套管模型長(zhǎng)12～13 m，如圖4所示。檢驗(yàn)超聲蘭姆波成像測(cè)井儀對(duì)套管縱向刻槽、厚度變化和橫向刻槽的測(cè)井響應(yīng)，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖4 試驗(yàn)套管模型

圖5 試驗(yàn)井套損檢測(cè)響應(yīng)結(jié)果

由圖5可知，超聲蘭姆波成像測(cè)井結(jié)果可清晰地顯示縱向刻槽、厚度變化和橫向刻槽，成像測(cè)井響應(yīng)特征明顯。尤其在套管厚度檢測(cè)方面，可通過(guò)壁厚成像和歸一化幅度值精確反應(yīng)出所測(cè)套管的厚度變化。不同套管厚度(8 mm、9 mm、10 mm和11 mm)檢測(cè)響應(yīng)在測(cè)井解釋曲線中成臺(tái)階狀曲線。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果

3.1 X井基本情況

X井為曹妃甸油田館陶組的一口8-1/2英寸裸眼水平生產(chǎn)井，采用三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)：一開(kāi)16英寸井眼鉆進(jìn)至井深400.00 m，下13-3/8英寸套管至398.81 m；二開(kāi)12-1/4英寸井眼設(shè)計(jì)鉆進(jìn)至井深2 771.39 m，下9-5/8英寸套管至2 769.00 m；三開(kāi)8-1/2英寸井眼設(shè)計(jì)鉆進(jìn)至井深3 310.00 m，設(shè)計(jì)裸眼段長(zhǎng)541.00 m。該井完井方式采用8-1/2英寸裸眼+6-5/8英寸優(yōu)質(zhì)篩管簡(jiǎn)易防砂，防砂精度為120 μm，下入普通合采生產(chǎn)管柱。X井館陶組儲(chǔ)層孔隙度分布為18%～30%，平均為26%，滲透率為1～4 000 mD，平均為727 mD，具有中高孔-高滲的特征，屬于帶氣頂和底水的構(gòu)造油藏，地層壓力系數(shù)為1.01，壓力梯度為0.97 MPa/100 m，溫度梯度為3.54 ℃/100 m，屬正常壓力和溫度系統(tǒng)。

3.2 X井作業(yè)復(fù)雜情況描述

X井在下刮管洗井管柱時(shí)，下鉆至52.0 m處，遇阻3 t，左右搖晃管柱，緩慢通過(guò)。隨后，下防砂管柱至同樣深度，篩管引鞋通過(guò)此處，遇阻4 t，上下活動(dòng)通過(guò)。起甩防砂服務(wù)管柱至同樣深度，過(guò)提近20 t，多次上下活動(dòng)，同時(shí)搖晃鉆桿，順利通過(guò)。結(jié)合該深度的遇阻情況，查套管表，發(fā)現(xiàn)在52.2 m處有一個(gè)套管接箍，初步懷疑該套管接箍異常。

防砂管柱下入到位，頂替裸眼段泥漿至頂部封隔器以上300.0 m。然后，坐封頂部封隔器，驗(yàn)卡瓦已張開(kāi)。在下壓5 t位置，固井泵環(huán)空打壓驗(yàn)封，排量為550 L/min，壓力最高上漲至260 psi，持續(xù)打壓10 min壓力不再上漲，觀察井口環(huán)空無(wú)返出，停泵后壓力穩(wěn)定在230 psi。

檢查地面流程，確認(rèn)無(wú)誤。對(duì)相關(guān)地面管匯試壓：500 psi×5 min，1 000 psi×15 min，壓力不降，放壓至零。再次導(dǎo)通驗(yàn)封流程，泥漿泵環(huán)空打壓驗(yàn)封，排量為300 L/min，壓力穩(wěn)定在200 psi。5 min后提排量至600 L/min，壓力穩(wěn)定在260 psi，持續(xù)打壓50 min，累計(jì)泵入完井液30 m3，其間檢查地面流程及井口無(wú)漏點(diǎn)。停泵后，觀察井口有少量液體返出，持續(xù)10 min后停止?，F(xiàn)場(chǎng)判斷頂部封隔器的膠筒動(dòng)作不到位或“O”圈失效，造成液體擠入地層。

匯報(bào)基地，重新打壓坐封頂部封隔器，最高打壓至3 000 psi，導(dǎo)通驗(yàn)封流程，環(huán)空打壓，現(xiàn)象不變。重新打壓至3 450 psi，壓力突降，球座剪切。正轉(zhuǎn)管柱，脫手服務(wù)工具。替入完井液，導(dǎo)通試擠流程，泥漿泵環(huán)空反擠工作液：排量為300 L/min，壓力穩(wěn)定在174 psi；排量為600 L/min，壓力穩(wěn)定在204 psi。參數(shù)及停泵后環(huán)空回吐現(xiàn)象與環(huán)空驗(yàn)封時(shí)基本一致，停泵；測(cè)井筒靜態(tài)漏失量為0.5 m3/h，起出防砂服務(wù)工具，發(fā)現(xiàn)頂部封隔器坐封工具最上面1道密封圈磨損嚴(yán)重，另外3道密封圈完好。

基于上述作業(yè)現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)判斷是頂部封隔器膠皮密封不嚴(yán)導(dǎo)致環(huán)空無(wú)法穩(wěn)壓，因此決定再下一個(gè)頂部封隔器，在原頂部封隔器上方坐封。第二個(gè)頂部封隔器下鉆到位后，固井泵打壓至3 000 psi坐封頂部封隔器，驗(yàn)卡瓦已張開(kāi)。

在下壓5 t位置，固井泵環(huán)空打壓驗(yàn)封，排量為600 L/min，壓力最高上漲至450 psi，持續(xù)打壓10 min壓力不再上漲，觀察井口環(huán)空無(wú)返出，停泵后壓力穩(wěn)定在260 psi。在下壓10 t位置，泥漿泵環(huán)空打壓驗(yàn)封，排量為300 L/min，壓力穩(wěn)定在260 psi。5 min后提排量至600 L/min，壓力穩(wěn)定在400 psi，持續(xù)打壓12 min，累計(jì)泵入完井液7.2 m3，其間檢查地面流程及井口無(wú)漏點(diǎn)。停泵后，觀察井口環(huán)空有少量液體返出，持續(xù)10 min后停止。與防砂管柱的頂封驗(yàn)封對(duì)比，排量均為600 L/min，泵壓較之前高1.0 MPa，但現(xiàn)象與之前一樣，驗(yàn)封不成功。

匯報(bào)基地，正轉(zhuǎn)管柱，脫手服務(wù)工具。固井泵打壓剪切球座，測(cè)井筒靜態(tài)漏失量為0.2 m3/h，起鉆。

由上述現(xiàn)象可知，X井環(huán)空試壓無(wú)法穩(wěn)壓的原因不在于封隔器密封問(wèn)題，因?yàn)?個(gè)封隔器坐封后出現(xiàn)完全相同的現(xiàn)場(chǎng)。此時(shí)，懷疑9-5/8英寸套管鞋以上可能存在漏點(diǎn)。隨后，起鉆至井口，采用固井泵往套管頭翼閥試擠，排量為1.3 bbl(1 bbl≈0.159 m3)，泵壓為7～9 psi，井筒液面上漲明顯，停固井泵后，環(huán)空液面轉(zhuǎn)為微降。再次開(kāi)泵，井筒液面再次上漲明顯。

因此，現(xiàn)場(chǎng)確定9-5/8英寸套管存在明顯的漏點(diǎn)，在套管頭翼閥試擠過(guò)程中，能連通井筒。同時(shí)，結(jié)合刮管洗井管柱和防砂管柱下入過(guò)程中的管柱阻卡現(xiàn)象，初步確定套管漏點(diǎn)位置在52.0 m附近。為進(jìn)一步明確9-5/8英寸套損形式和情況，現(xiàn)場(chǎng)決定采用超聲蘭姆波成像測(cè)井儀進(jìn)行套損檢測(cè)。

3.3 超聲蘭姆波測(cè)井結(jié)果分析與驗(yàn)證

采用超聲蘭姆波成像測(cè)井儀對(duì)X井0～85.0 m井段進(jìn)行套算檢測(cè)，從檢測(cè)波形曲線來(lái)看，52.0 m附近波形異于其他，表現(xiàn)為波幅降低、到時(shí)延長(zhǎng)，如圖6所示。35.0 m以上井筒內(nèi)為空氣，采集不到波形，52.0 m附近異常波形反映該處套管狀態(tài)異常，該井套損成像解釋成果如圖7所示。

圖6 X井套損檢測(cè)波形圖

由圖7可知，在52.1～53.1 m井段，聲波幅度成像呈現(xiàn)明顯淺色，到時(shí)成像呈現(xiàn)黑色，即該測(cè)量段聲波幅度降低，到達(dá)時(shí)間延長(zhǎng)，從而導(dǎo)致計(jì)算套管內(nèi)徑異常。結(jié)合測(cè)井顯示的52.1～53.1 m上下接箍位置(40.2 m、64.4 m)及套管長(zhǎng)度，判斷52.1～53.1 m測(cè)量段為接箍附近，綜合分析認(rèn)為52.1～53.1 m接箍附近套管異常。該異常的具體工程現(xiàn)象及導(dǎo)致該異常的原因從超聲蘭姆波成像測(cè)井方面難以界定，如套管腐蝕損傷、脫扣、變形等均可導(dǎo)致該現(xiàn)象，但從測(cè)井響應(yīng)來(lái)看52.5 m、53.1 m處與接箍響應(yīng)類似，且52.5～53.1 m信號(hào)異常，回波幅度較低。同時(shí)，由于該井套管下入時(shí)間短，尚未投入生產(chǎn)，因此套管腐蝕的原因完全可以排除。綜合套損檢測(cè)響應(yīng)和分析，認(rèn)為52.1～53.1 m井段發(fā)生套管脫扣的可性能最大。

圖7 X井套損成像解釋成果圖

在得到上述套損檢測(cè)結(jié)論后，現(xiàn)場(chǎng)決定將52.1 m以上套管拔出井筒，然后下入新的套管進(jìn)行對(duì)扣作業(yè)。上提防噴器組，拆、甩油管四通和變徑法蘭。組下9-5/8英寸套管撈矛至36.0 m，上提套管，過(guò)提5 t后套管被提活，充分發(fā)生套管脫扣的情況。起出9-5/8英寸套管，觀察最后一根套管公扣端破損嚴(yán)重：一處破損缺口長(zhǎng)為13 cm、寬為2.5 cm；另一處破損缺口長(zhǎng)為3 cm、寬為1 cm。其他部分絲扣基本完好。具體如圖8所示。上述現(xiàn)象充分證明超聲蘭姆波成像測(cè)井儀在X井套損檢測(cè)和評(píng)價(jià)中的正確性，為該井復(fù)雜情況處理措施提供很好的決策依據(jù)。

圖8 起出后的9-5/8英寸套管照片

起出9-5/8英寸套管后，組下回接套管管柱：5根9-5/8英寸套管(1Cr-L80，47 lb-ft，1 lb-ft≈1.356 3 N·m，偏梯形螺紋接箍)+大小頭+變扣+5-1/2英寸短鉆桿。緩慢下放至53.1 m，遇阻0.5 t，確認(rèn)探到魚(yú)頂，套管鉗反轉(zhuǎn)套管1.5圈，懸重突然恢復(fù)正常且有明顯下行現(xiàn)象，立即緩慢下放套管并正轉(zhuǎn)上扣至9 500 lb-ft，累計(jì)正轉(zhuǎn)9圈，下行0.12 m。過(guò)提15 t，并穩(wěn)定5 min，套管柱無(wú)明顯上移，確認(rèn)對(duì)扣回接成功。

4 結(jié) 論

(1)超聲蘭姆波成像測(cè)井儀主要原理是基于脈沖回波和撓曲波成像技術(shù)進(jìn)行測(cè)井，利用垂直入射探頭記錄的套管表面反射波及后續(xù)共振波進(jìn)行套損檢測(cè)與評(píng)價(jià)，通過(guò)直達(dá)蘭姆波與二界面回波在不同介質(zhì)中的傳播速率差異計(jì)算環(huán)空水泥環(huán)厚度，從而實(shí)現(xiàn)套管居中度的分析。

(2)超聲蘭姆波成像測(cè)井儀成功應(yīng)用于曹妃甸油田X井套損檢測(cè)，為該井的復(fù)雜情況處理措施提供了決策依據(jù)，成功指導(dǎo)了該井的作業(yè)。

(3)應(yīng)用表明，超聲蘭姆波成像測(cè)井儀套損檢測(cè)精度高。同時(shí)，該儀器還可用于套管環(huán)空介質(zhì)檢測(cè)、低密度水泥環(huán)固井質(zhì)量評(píng)價(jià)，可為油田射孔、棄井作業(yè)、套管處理等作業(yè)方案提供決策依據(jù)，推廣應(yīng)用前景廣闊。