基于電磁探傷技術(shù)的套管變形定量解釋方法

張 立，徐 菲，郭 鑫，羅 慶，王曉敏

(中原油田分公司石油工程技術(shù)研究院 河南 濮陽 457001)

0 引 言

2008年普光主體投產(chǎn)前對(duì)31口開發(fā)井的生產(chǎn)套管進(jìn)行了40臂井徑測(cè)井，測(cè)井結(jié)果表明29口井存在套管變形。隨著氣田開發(fā)深入，鹽膏層持續(xù)蠕變導(dǎo)致套管變形加劇，在近四年的連續(xù)油管作業(yè)過程中，先后發(fā)現(xiàn)6口井油管內(nèi)工具遇阻，其中某井Φ38 mm 的入井工具在4 625.5 m遇阻，說明油管受套管擠壓內(nèi)通徑減小，需要及時(shí)準(zhǔn)確地掌握套管變形程度，評(píng)價(jià)套變速率，指導(dǎo)后續(xù)作業(yè)、修井、封井等措施實(shí)施，保障普光氣田安全高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[1-2]。

國內(nèi)外現(xiàn)有套管變形監(jiān)測(cè)測(cè)井技術(shù)主要包括電磁探傷測(cè)井和多臂井徑測(cè)井，其中多臂井徑測(cè)井為機(jī)械直接接觸式測(cè)井，通過展開的機(jī)械臂測(cè)量套管內(nèi)徑，無法透過油管監(jiān)測(cè)套管情況。常規(guī)電磁探傷技術(shù)適用于管柱壁厚和損傷情況檢測(cè)，尚不能對(duì)管柱的變形進(jìn)行定量解釋評(píng)價(jià)[3-4]。普光氣田采用一體化永久式完井管柱，生產(chǎn)井無法直接采用多臂井徑測(cè)井評(píng)價(jià)套管變形情況，需過油管測(cè)試實(shí)現(xiàn)套變定量計(jì)算。目前僅有電磁探傷技術(shù)能夠透過油管反映套管的技術(shù)狀況。本文通過開展地面套變模擬試驗(yàn)，利用地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，創(chuàng)新地提出了一種用電磁探傷測(cè)井技術(shù)定量評(píng)價(jià)套變的解釋方法，實(shí)現(xiàn)較準(zhǔn)確的套變定量計(jì)算，為普光氣田套變井的解釋評(píng)價(jià)提供技術(shù)支撐。

1 地面套變模擬試驗(yàn)

電磁探傷可用于檢測(cè)套管變形，主要是利用電磁探傷儀檢測(cè)到的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和管柱電磁特性及位置的相關(guān)性。在套變段，管柱和電磁探傷測(cè)試儀器位置發(fā)生改變，儀器接收到的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相應(yīng)發(fā)生變化。多臂井徑儀器通過直接測(cè)量方式測(cè)取管柱內(nèi)徑數(shù)據(jù)。測(cè)井時(shí)，電機(jī)拖動(dòng)井徑儀器的測(cè)臂沿管柱內(nèi)壁運(yùn)動(dòng)，每個(gè)測(cè)臂對(duì)應(yīng)一個(gè)無觸點(diǎn)位移傳感器。測(cè)量時(shí)，油、套管內(nèi)壁徑向變化產(chǎn)生的位移量通過傳感器轉(zhuǎn)換為軸向位移量，井下電路將其編碼并發(fā)送地面，完成井徑測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的錄取。井徑測(cè)量資料可用來檢查油、套管的變形、斷裂、孔眼、內(nèi)壁腐蝕等情況[5-6]。為了研究套管變形大小和電磁探傷數(shù)據(jù)曲線電動(dòng)勢(shì)變化的關(guān)系，在普光現(xiàn)役14根套管上制作了不同套變類型及損傷模型，具體參數(shù)見表1。

表1 損傷套管模型數(shù)據(jù)表

將損傷套管連接成一串，在套管內(nèi)下入多臂井徑測(cè)井儀，錄取不同套管變形及損傷情況下的內(nèi)徑數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析。套管串組合順序與單根套管的具體損傷情況及測(cè)試曲線如圖1所示。不同套管變形在井徑曲線上有明顯響應(yīng)。套管彎曲變形時(shí)，多臂井徑180°對(duì)應(yīng)的2條臂呈明顯的擴(kuò)徑和縮徑特征，擠壓的套管內(nèi)徑越小,多臂井徑曲線響應(yīng)越明顯。

圖1 損傷套管和完好套管組合管串井徑測(cè)試曲線圖

在損傷套管串中居中下入完好的鎳基合金油管組成雙層管柱，在雙層管柱中下入電磁探傷測(cè)井儀錄取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并將電磁探傷數(shù)據(jù)曲線與多臂井徑曲線進(jìn)行對(duì)比分析，電磁探傷曲線電動(dòng)勢(shì)大小和套管內(nèi)徑大小成反比。當(dāng)多臂井徑測(cè)量的內(nèi)徑值變小時(shí)，電磁探傷儀長軸探頭A的測(cè)試曲線(An1，An2，…，An9)，和橫向探頭B的測(cè)試曲線(BBn1,BBn2，…，BBn6)值變大,二者成反比，測(cè)試曲線如圖2所示。

圖2 電磁探傷電動(dòng)勢(shì)與井徑測(cè)量值變化相關(guān)性分析

2 電磁探傷套變定量計(jì)算模型的建立

2.1 等效半徑概念

目前電磁探傷測(cè)井儀器采用基于電磁感應(yīng)原理的渦流檢測(cè)方法，是瞬變電磁方法的一種。在一次場(chǎng)發(fā)射間隙，測(cè)量油、套管所產(chǎn)生的感應(yīng)電磁場(chǎng)(二次場(chǎng))隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，從而計(jì)算出油、套管管壁情況及空間分布，原理示意圖如圖3所示。

圖3 電磁場(chǎng)感應(yīng)原理示意圖

假設(shè)將油、套管感應(yīng)區(qū)間分割為多個(gè)無限小的單元，感應(yīng)的電磁總響應(yīng)為這些單元所激發(fā)的電磁響應(yīng)的積分。根據(jù)電磁場(chǎng)理論，每個(gè)單元所激發(fā)的電磁響應(yīng)的幅值與距離的平方成反比。

基于電磁探傷感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)測(cè)試原理，引入等效半徑的概念便于對(duì)套變進(jìn)行定量計(jì)算。假設(shè)將套管橫截面S按照多臂儀器的測(cè)量臂數(shù)m，均分成m塊扇形區(qū)域，則：

(1)

式中：R1、R2…Rm為每塊扇形的半徑，mm。

由于儀器感應(yīng)到的電動(dòng)勢(shì)是整個(gè)套管橫截面S的各個(gè)微單元電磁響應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的總和，其相當(dāng)于以儀器軸心為圓心，半徑為R(h)的標(biāo)準(zhǔn)圓形套管截面所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，將R(h)設(shè)定為等效半徑[7-8]。而實(shí)際能準(zhǔn)確知道井下套管內(nèi)徑的方法只有多臂井徑測(cè)井。為了將電磁探傷電動(dòng)勢(shì)值與多臂測(cè)量值進(jìn)行關(guān)聯(lián)計(jì)算，首先將多臂井徑的測(cè)量值轉(zhuǎn)換成等效半徑值，其理論計(jì)算公式為：

(2)

式中：Ri為當(dāng)前深度多臂井徑測(cè)井儀單臂測(cè)量值， mm；m為儀器總臂數(shù)。

2.1 等效半徑計(jì)算模型

將地面套變模擬試驗(yàn)中測(cè)得的電磁探傷感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行歸一化處理：

(3)

式中：mean(U)為全段試驗(yàn)套管測(cè)得的電動(dòng)勢(shì)中值，mV;max(U(h))為當(dāng)前深度最大電動(dòng)勢(shì)值， mV。

分別將試驗(yàn)套管多臂井徑數(shù)據(jù)進(jìn)行等效半徑處理、電磁探傷的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行二維數(shù)據(jù)圖形處理，發(fā)現(xiàn)V(h)和R(h)二者近似線性關(guān)系，對(duì)二者進(jìn)行線性擬合計(jì)算，如圖4所示，得到計(jì)算公式：

y=-37.092x+ 116.64

R2=0.915 9

(4)

式中：x為歸一后的電動(dòng)勢(shì)比值V(h)；y為多臂值計(jì)算出的等效半徑R(h)， mm。

然后采用線性擬合公式對(duì)歸一化處理后的某一段試驗(yàn)套管電磁探傷數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算后的數(shù)值曲線與該段試驗(yàn)套管的多臂等效半徑曲線進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證符合情況。經(jīng)驗(yàn)證比較，試驗(yàn)套管電磁探傷計(jì)算曲線與多臂等效半徑曲線最大絕對(duì)誤差為5.34 mm，最大相對(duì)誤差7.6%,二者具有較高的一致性，如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)套管電磁探傷計(jì)算值曲線與多臂等效半徑曲線對(duì)比圖

為減少人工計(jì)算量，提高解釋效率，在套變定量解釋模型的基礎(chǔ)上開發(fā)了解釋程序，直接加載LAS格式的測(cè)試數(shù)據(jù)，解釋程序?qū)?shù)據(jù)處理后可以成像顯示，如圖6所示，解釋結(jié)果可用EXCEL表格輸出。

圖6 解釋程序顯示界面圖

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析

A井是普光氣田的一口開發(fā)井，該井套管外徑為177.8 mm，壁厚為11.51 mm。2011年投產(chǎn)作業(yè)過程中發(fā)現(xiàn)套管變形，隨后對(duì)該井套變段進(jìn)行了40臂井徑測(cè)試，發(fā)現(xiàn)套變段最小井徑為138.25 mm。該井完井管柱為“永久封+遇油膨脹封”的雙封完井管柱，油管為G3-125合金油管，外徑73 mm，壁厚5.51 mm 。2016年出于安全需要對(duì)該井實(shí)施封井。封井時(shí)，為了解該井的當(dāng)前套變情況，在該井打撈前后分別采用24臂井徑、電磁探傷儀開展了井況檢測(cè)。利用套變定量計(jì)算程序?qū)υ摼驌魄半p層管柱條件下的電磁探傷數(shù)據(jù)進(jìn)行了計(jì)算，得到了套管的等效內(nèi)徑值(等效半徑×2)，并與打撈管柱后的套管多臂井徑測(cè)量值進(jìn)行了對(duì)比分析。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，電磁探傷套變定量計(jì)算的內(nèi)徑偏大，絕對(duì)誤差范圍為-1.59～8.89 mm 、相對(duì)誤差范圍-1.15%～6.34%，數(shù)據(jù)見表2。

表2 套變定量解釋結(jié)果與井徑測(cè)試結(jié)果對(duì)比表

4 結(jié)論與建議

1)基于地面套變模擬試驗(yàn)建立的電磁探傷套變定量計(jì)算模型，能夠較準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)井下套變程度，模型相對(duì)誤差小于10%，實(shí)現(xiàn)了在不動(dòng)管柱條件下過油管套變定量評(píng)價(jià)。

2)在多層套管的測(cè)試條件下，對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)作歸一化處理時(shí)，應(yīng)使用套變段附近盡可能長的未變形套管段的電動(dòng)勢(shì)參數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)值。