扇區(qū)水泥膠結(jié)測(cè)井儀DTMN、DTMX分開原因分析

孟繁宇，宛文宇，王曉帥，肖雷雷

(中海油服油田技術(shù)事業(yè)部塘沽作業(yè)公司，天津 300459)

0 引言

CBMT(Cement Bond Mapping Tool)扇區(qū)水膠結(jié)成像測(cè)井儀，貝克阿特拉斯公司常稱作1424或者SBT(Segmented Bond Tool)。它的主要功能是檢測(cè)固井作業(yè)中套管與地層之間灌入水泥膠結(jié)質(zhì)量，以及探測(cè)地層中孔道縫隙的聲幅類測(cè)井儀器。每次下井作業(yè)中可測(cè)量固井作業(yè)中的6個(gè)扇區(qū)水泥膠結(jié)質(zhì)量分布圖、聲幅曲線和密度圖。成像級(jí)水泥圖圖示直觀、易于理解和人性化。CBMT扇區(qū)水泥膠結(jié)儀器測(cè)量參數(shù)分為輔助參數(shù)、聲波信號(hào)測(cè)量。輔助參數(shù)有 CHV、GR、FLASKTEMP、CCL、SSN、LSN，這些參數(shù)的測(cè)量采用AD轉(zhuǎn)換或計(jì)數(shù)的方式。聲波信號(hào)分為極板信號(hào)和VDL信號(hào)。極板信號(hào)經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換，并求得首波幅度和到達(dá)時(shí)間或時(shí)差后送到地面。VDL信號(hào)進(jìn)行全波列采集，并把采集的結(jié)果傳送到地面。CBMT61XA儀器在井周上均勻分布6個(gè)支撐臂，通過支撐臂上極板的接收與發(fā)射探頭實(shí)現(xiàn)對(duì)井周水泥的微小裂縫識(shí)別。

但是，據(jù)目前作業(yè)情況看，測(cè)井過程中經(jīng)常會(huì)遇到DTMN和DTMX兩條質(zhì)控曲線分開現(xiàn)象，而導(dǎo)致DTMN和DTMX分開實(shí)質(zhì)上就是極板率衰減曲線ACT值出現(xiàn)偏小或歸零的問題。通過此文分析可以幫助現(xiàn)場(chǎng)人員快速定位問題的原因，便于后續(xù)作業(yè)的完成，也可為儀修工程師故障判斷提供方向性指導(dǎo)。

1 衰減率計(jì)算原理

CBMT儀器打開支撐臂后整體呈燈籠裝，在360°圓周方向每隔60°安裝一個(gè)極板，每個(gè)極板上有2個(gè)規(guī)格型號(hào)相同的壓電陶瓷發(fā)射探頭和1個(gè)同向類型的接收探頭。兩個(gè)發(fā)射探頭由于發(fā)射脈沖上存在一定延時(shí)，起到了能量補(bǔ)償作用。6個(gè)極板的發(fā)射探頭和接收探頭，作業(yè)時(shí)緊貼在井壁上，6個(gè)極板上的總計(jì)12個(gè)壓電陶瓷換能器不停的被激發(fā)使之發(fā)出聲音，該聲音通過套管及水泥環(huán)的傳播及發(fā)散，最后通過接收極板接收到不同幅度的聲波信號(hào)。通過對(duì)6條衰減率曲線的計(jì)算，可得到6個(gè)扇區(qū)內(nèi)的套管水泥膠結(jié)質(zhì)量圖[1-3]。

首先，我們要明確一個(gè)概念，如果從水泥圖上看到某個(gè)扇區(qū)出現(xiàn)衰減率回零的情況，往往我們會(huì)認(rèn)為就是該極板出現(xiàn)了問題，其實(shí)并不是這樣，如圖1所示，為CBMT61XA儀器6個(gè)扇區(qū)極板展開平面圖。

T1號(hào)-T6號(hào)為儀器發(fā)射探頭，R1號(hào)-R6號(hào)為儀器接收探頭。CBMT儀器產(chǎn)生600 V高壓脈沖后，經(jīng)過32芯接頭傳送至每個(gè)極板的發(fā)射探頭上，通過壓電效應(yīng)將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為聲波信號(hào)，激發(fā)后的聲波信號(hào)經(jīng)水泥環(huán)反射至接收探頭處。套管與地層間的水泥固井質(zhì)量越好，激發(fā)的聲波信號(hào)越容易沿地層向深處發(fā)散，R1號(hào)-R6號(hào)探頭收到聲波信號(hào)就越微弱，反之亦然，套管和地層之間水泥膠結(jié)的不好，散射的聲幅信號(hào)就越強(qiáng)烈。通過此原理計(jì)算出聲幅信號(hào)的衰減量，就可以判斷出固井作業(yè)的好壞。

為了抵消掉不同探頭的整體差異性，采用同一極板兩次發(fā)射并接收方式。以T1、R2、R3、T4為例，當(dāng)?shù)谝唤M極板探頭工作時(shí)，第二組和第三組接收探頭測(cè)量其下行聲幅，直達(dá)距離記做A12 和A13，相同的探頭被兩次激發(fā)，通過接收信號(hào)的計(jì)算出的衰減率只與幅度比值存在關(guān)聯(lián)。所以，發(fā)射探頭到接收探頭衰減率計(jì)算不受發(fā)射探頭強(qiáng)度的影響，最后結(jié)論值只取決于壓電陶瓷的靈敏度，具體如圖2所示。

圖2 下行套管波衰減率計(jì)算

套管波的衰減率計(jì)算為公式(1)：

當(dāng)?shù)谒慕M極板發(fā)射探頭工作時(shí)，第二組和第三組探頭作為接探頭時(shí)測(cè)量其聲幅，直達(dá)距離記做A42和A43。同樣，該衰減率計(jì)算不受發(fā)射探頭強(qiáng)度的影響，最后結(jié)論值只取決于壓電陶瓷的靈敏度，具體如圖3所示。

圖3 上行套管波衰減率計(jì)算

套管波的衰減率為公式(2)：

公式(1)中的α1和公式(2)中α2進(jìn)行相加求和，最后得出衰減率計(jì)算公式(3)：

可以看到，一個(gè)扇區(qū)衰減率的計(jì)算牽扯到4個(gè)極板，而且扇區(qū)的編號(hào)與極板編號(hào)沒有對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以出現(xiàn)衰減率偏小或回零的扇區(qū)可能并不是對(duì)應(yīng)極板出了問題。

2 分析手段

如果在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)遇到了DTMN和DTMX分開或ACT值歸零的現(xiàn)象，需要借助兩個(gè)工具，第一個(gè)就是show2D，信息內(nèi)部含有所有subcycle信息，顯示了12個(gè)SUBCYCLE的所有信息，包括T(發(fā)射)、N(近接收)、F(遠(yuǎn) 接收)、N-DELAY(近接收延遲)、N-TH(近接收門檻)、N-GAIN(近接收增益)、N-WIDTH(近接收窗長(zhǎng))、F-DELAY(遠(yuǎn) 接 收 延遲)、F-TH(遠(yuǎn) 接 收 門檻)、F-GAIN(遠(yuǎn)接收增益)、F-WIDTH(遠(yuǎn)接收窗長(zhǎng))，最下面一行是用來修改所有12個(gè)SUBCYCLE的內(nèi)容的，在可編輯的框內(nèi)輸入要修改的值即可完成對(duì)12個(gè)SUBCYCLE的對(duì)應(yīng)內(nèi)容的修改。

第二個(gè)則是通過在軟件控制窗口內(nèi)的數(shù)字波形窗口，該窗口主要用來修改顯示和數(shù)字波形相關(guān)的一些參數(shù)，主要包括 START TIME、SIMPLE PERIOD、SUBCYCLE NO、TRANSMITTER、RECEIVER、GAIN、NO OF SAMPLES的內(nèi)容顯示和修改選擇dual模式，并在SUBCYCLE NO里輸入想觀察的suncycle號(hào)。

接下來觀察waveshow里的波形及其首波提取窗，觀察是否正常，這個(gè)一般在測(cè)井時(shí)也可以用來觀察套管參數(shù)是否輸入正確。

3 分析過程

CBMT儀器作業(yè)過程中，若質(zhì)控曲線出現(xiàn)問題，如DTMN，DTMX質(zhì)控曲線分離，ACT衰減率歸零等問題后，第一時(shí)間要從波形窗口中查看12subcycle中是哪個(gè)子集出現(xiàn)了問題。

下面的例子是在某井進(jìn)行的SBT測(cè)井，為了暴露問題，故意在本該放扶正器的VDL部分不加扶正器，于是在1 200 m處(該處井斜稍大，達(dá)到了20°左右)，遇到了以下情況，如圖4所示。

圖4 某井subcycle信息

從圖4中可以看到所有涉及到5號(hào)極板的信號(hào)幅度都不正常：首先5號(hào)極板作為發(fā)射時(shí)，例如5號(hào)發(fā)射，4,3號(hào)接收、5號(hào)發(fā)射，6,1號(hào)接收時(shí)，這些subcycle的無論近幅度還是遠(yuǎn)幅度都偏低，明顯低于1-2,3、4-3,2等其他subcycle幅值。另外，5號(hào)極板作為接收時(shí)，尤其可以觀察到5號(hào)極板作為近接收時(shí)，例如6號(hào)發(fā)射，5、4接收，4號(hào)發(fā)射，5、6接收時(shí)，其近接收幅度甚至低于遠(yuǎn)接收幅度，正常情況下這種情況是很少出現(xiàn)的。

從上面的情況可以看出來，5號(hào)極板數(shù)據(jù)是不正常的。這時(shí)候，我們需要分析是由于貼靠的原因還是由于5號(hào)極損壞原因?qū)е律鲜銮闆r。

首先，假如是因?yàn)闃O板本身損壞造成的，那么我們可以通過地面控制軟件中的digitiazed wave form參數(shù)來進(jìn)行測(cè)試。在該窗口中選擇single模式依次輸入開始時(shí)間輸入40，SAMPLE PERIOD輸入為1 μs，發(fā)射和接收換能器編號(hào)即輸入有問題的那個(gè)極板上的發(fā)射和接收(比如5號(hào)極板)，增益則從0一直設(shè)置到21，如果波形變化確實(shí)由小到大，幅度正常，則可以說明極板工作是正常的。

如果我們確認(rèn)極板工作正常，那么我們就要懷疑是否由于貼靠原因而引起的工作異常。接下來我們要觀察與5號(hào)極板相關(guān)的極板采集信息，

在圖4中我們發(fā)現(xiàn)與5號(hào)極板相關(guān)的N AMP和F AMP值都偏低，而且N GAIN和F GAIN都偏大，可以說明與5號(hào)極板相關(guān)的信號(hào)較正常值偏低，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在區(qū)間，RB值并無明顯變化，通過上述信息，我們可以判定該次故障是由于極板與井壁之間貼靠不好，極板發(fā)射和接收都偏弱導(dǎo)致的。

最后還可以通過dual模式，進(jìn)一步確認(rèn)是因?yàn)橘N靠不好而導(dǎo)致的問題所在。

在dual模式下，如果套管參數(shù)一定，通過在PIPE模式下輸入套管參數(shù)，即可計(jì)算出遠(yuǎn)近探頭首波到達(dá)時(shí)間。而此次故障中，5號(hào)極板的近探頭和遠(yuǎn)探頭首波位置都比其他正常極板偏遠(yuǎn)，即到時(shí)偏大。該井套管尺寸為0.244 m，故遠(yuǎn)延遲為91.844 μs，而從上面波形中可以看到實(shí)際到達(dá)的遠(yuǎn)到時(shí)為132 μs，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了通過遠(yuǎn)延遲可以搜索到首波的范圍，如圖5所示，遠(yuǎn)到時(shí)肯定搜索不正確，其遠(yuǎn)幅度也就不會(huì)正確了。

圖5 dual模式波形

上述情況就可以說明5號(hào)極板的貼靠有問題，即其與套管內(nèi)壁的貼靠不夠緊密，導(dǎo)致所有與5號(hào)極板相關(guān)的subcycle都會(huì)有問題。正如在本文第二部分衰減率計(jì)算公可以得出，如果其中某一極板出現(xiàn)問題，那么與之相關(guān)的4個(gè)扇區(qū)都可能會(huì)出現(xiàn)問題，而不是我們通常理解的，某一扇區(qū)出了問題是相應(yīng)的極板出了問題。即如果5號(hào)極板損壞或貼靠不好，會(huì)導(dǎo)致6個(gè)與5號(hào)極板相關(guān)的subcycle出現(xiàn)問題，從而導(dǎo)致2、3、4、5衰減率計(jì)算出現(xiàn)錯(cuò)誤，出現(xiàn)偏小或者歸零的現(xiàn)象。如圖6所示，可以看到，ATC2、ATC3、ATC4、ATC5在同樣的深度位置都出現(xiàn)不正常的變小甚至回零，尤以3、4最為明顯，因?yàn)檫@兩個(gè)扇區(qū)的每個(gè)subcycle里都牽涉到5號(hào)極板。

圖6 各扇區(qū)衰減率示意圖

4 結(jié)語

根據(jù)本文的分析可知，如果某一扇區(qū)衰減率出了問題，與之左右相關(guān)聯(lián)的4塊極板均可能存在損壞或貼靠問題，而不是通常理解的扇區(qū)號(hào)對(duì)應(yīng)極板號(hào)問題。通過本文提供的方法可以幫助現(xiàn)場(chǎng)操作人員，迅速判斷出若存在上述問題是由于極板本身損壞還是貼靠原因?qū)е碌墓收希蛘咧苯优袛喑鍪悄骋粔K極板存在問題，可以提高扇區(qū)水泥膠結(jié)測(cè)井儀在固井質(zhì)量作業(yè)中的成功率，改善扇區(qū)水泥膠結(jié)測(cè)井儀資料合格率。