多功能超聲波成像測井儀套損檢測的實驗研究

陳洪海，孫志峰，王文梁，劉西恩

（中海油田服務股份有限公司油田技術事業部，北京101149）

多功能超聲波成像測井儀套損檢測的實驗研究

陳洪海，孫志峰，王文梁，劉西恩

（中海油田服務股份有限公司油田技術事業部，北京101149）

通過實驗模擬的方法對多功能超聲成像測井儀套損檢測的實驗測量效果進行了分析。在實驗室自制了超聲波成像測井儀的套損檢測系統，用于測量套管的裂縫、孔洞及厚度。多功能超聲成像測井儀采用中心頻率為380 kHz的聚焦探頭，可以檢測到寬度為2mm的裂縫；采用250、350、450kHz等3種不同頻率平面探頭組合方式可測量的套管厚度范圍為5～16mm，可檢測到最小直徑為5mm的孔洞。實驗測量結果驗證了儀器套損檢測的功能水平，對該儀器的研制及現場實際應用均具有重要意義。

聲波測井；超聲波反射法；裂縫；孔洞；套厚；套損檢測

0 引 言

在油田生產中井內套管承擔著保護井眼、封固地層的重要任務。但地質因素、油田注水及井下作業等因素對套管造成的機械損傷或井內外流體對套管造成的電化學腐蝕，對井下作業安全性及油氣的正常開采有很大的影響。因此套損檢測為油氣的穩產增產起著重要作用。國外油田服務公司早已推出基于超聲脈沖反射測量技術進行套損檢測的儀器，如Halliburton公司的CAST－V、CAST－F系列的儀器，采用不同頻率的超聲換能器，對不同型號的套管均可進行套損評價［1］。Schlumberger公司最新一代的Isolation Scanner儀器不但可以進行套損檢測，還可以針對第Ⅰ界面及第Ⅱ界面的水泥膠結質量作定量評價［2］。

近幾年，國內的科研單位在超聲波反射測井的測量理論、數值模擬方法、實驗室測量等方面［3－6］展開工作。2004年推出了多參數超聲工程測井儀［7－8］，該儀器可評價套損及水泥膠結質量。2009年推出ECBI井周聲波成像測井儀［9］，該儀器可在裸眼井中旋轉掃描，對井壁表面進行高分辨率成像，但無法實現套損評價及水泥膠結質量評價。2011年成功研制出MUIL（Multi－functional Ultrasonic Imaging Logging Tool）多功能超聲成像測井儀，該儀器不但可以對裸眼井進行掃描成像，而且還可以對套管厚度及水泥膠結情況作定量評價，實驗室測量結果初步證實該儀器的換能器特性、電子線路可靠性、波形處理方法均達到國外同類儀器的水平。

本文首先介紹超聲脈沖反射法測量原理及MUIL儀器組成、測量功能。然后利用實驗室自制的超聲波成像套損檢測系統對MUIL測井儀在具有裂縫、孔洞及不同厚度的套管中進行實驗測量，驗證該儀器的井眼內壁成像功能和套損檢測功能。

1 多功能超聲波成像測井儀（MUIL）

多功能超聲波成像測井儀（MUIL）主要由電子短節及聲系短節2部分組成。其中電子短節主要負責超聲換能器的激勵響應及井下數據的采集處理。聲系短節包含2種超聲換能器，一種為泥漿換能器，主要負責井眼中泥漿聲速的測量；另一種為測量換能器，主要負責成像測量，它被安裝在掃描旋轉頭上。通過更換不同尺寸的掃描頭可以適應不同的尺寸的井眼環境，同樣更換不同頻率的換能器，以滿足不同厚度規格的套管需求。

超聲脈沖反射法測量時，發射換能器為自發自收探頭。首先對發射探頭激勵一個超聲波脈沖信號，超聲波脈沖信號在流體中傳播然后入射到套管內壁，其中大部分聲波能量反射回來被換能器接收，剩余的聲波能量進入套管，聲波信號在套管／水泥環和套管／地層表面之間進行多次反射。在每個表面都會有一些能量被反射，一些能量透射出去，能量的大小是由2種材料聲阻抗的差異決定的。由于套管的聲阻抗和流體的聲阻抗為常數，所以套管內的信號是以一定的速率衰減，信號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，套管內的共振波幅度越小；反之，套管外面材料的聲阻抗越小，套管內的共振波幅度越大。利用套管共振波幅度的強弱可以評價套管外面材料的聲阻抗大小，進而對套管外水泥膠結質量進行評價。同時，利用套管共振波及聲波在套管中的縱波傳播速度可以評價套管厚度。

MUIL儀器采用了超聲脈沖反射法的測量原理。圖1為MUIL儀器的測井示意圖，測量時儀器位于充滿泥漿液體的套管中，依靠扶正器的作用盡量保證儀器居中，最外層為無限大地層，地層與套管之間為水泥環。通過儀器掃描旋轉上升不斷采集沿井眼縱向和徑向大量井壁介質信息，再經過數據處理，得到套管厚度及水泥膠結狀況等信息。圖2為MUIL儀器采集一次得到的反射波及頻譜圖。由圖2可見，依次到達接收探頭的分別是套管內壁的反射波、套管的共振波及套管內壁的二次反射波。反射波頻譜曲線有明顯的泄漏峰特征，且泄漏峰對應的頻率即為套管的共振頻率。

2 測量結果和分析

2.1 超聲檢測實驗系統

套損檢測實驗測量系統主要由計算機、數據采集系統、儀器定位系統等組成。地面數據采集系統采用中海油服自主研發的ELIS成像測井系統［10］，該系統可滿足常規井下儀器和成像儀器以及地層測試和井壁取心等測井儀器的作業需求。實驗采用ELIS成像測井系統和液壓升降裝置完成對MUIL儀器掃描頭旋轉掃描及上升下降的控制、測量數據采集顯示及處理等操作，完全模擬該儀器在井下作業的實際情況。

套損檢測裝置由儀器定位系統、測井儀、套管及水槽組成。儀器定位系統可固定儀器使之保持豎直狀態，并按地面系統指令自動調節儀器均勻地豎直上升或下降。水槽采用圓柱形鋁管制作而成，水槽容量為1.5×π×0.32m3，可滿足自由套管的測量條件。實驗室測量時把被檢測套管放置在充滿水的水槽中間，把固定在定位系統上的儀器放置在套管中，并保證儀器在套管內居中。該儀器的中控系統根據轉速控制探頭在1周內最多可完成240次超聲波信號的發射和接收，測井儀對聲波信號完成放大等模擬調理后進行數字采集，并根據ELIS地面系統的要求上傳數據，地面系統完成數據處理結果的圖像顯示及波形的記錄。

2.2 裂縫實驗測量分析

圖3 裂縫實驗測量

設計了一種內壁帶有溝槽的套管，采用超聲檢測實驗系統對MUIL儀器在該套管井中進行裂縫測量的物理模擬實驗。圖3（a）所示的套管內徑為305mm，內壁共刻有13條豎直溝槽，每條溝槽的寬度為2mm，且相鄰溝槽的間距依次減小。測量時采用中心頻率為380kHz聚焦換能器，旋轉掃描頭的直徑為178mm，儀器進行每周240次的超聲波數據采集。圖3（b）為測量的反射波幅度成像曲線及反射波旅行時成像曲線成果圖。由幅度成像曲線可見，超聲波入射到帶有裂縫的套管內壁，發生散射，導致反射波幅度減小，在圖像上表現為黃色明亮的豎條，共檢測到13條黃色明亮豎條，豎條之間的間距依次減小，與模型井內壁的溝槽數量、形態、分布均一致。而反射波旅行時成像曲線沒有太大的變化，但由于測量時不能保證儀器絕對居中，所以由于偏心的影響，旅行時圖像有明暗相間的變化。

2.3 孔洞實驗測量分析

MUIL儀器在套管井進行套損評價時采用不同頻率的平面高頻換能器進行測量。利用測量的反射波幅度曲線及到時曲線可以評價套管內壁情況，利用共振波頻率可評價套管厚度。MUIL儀器主要采用了3種不同頻率的換能器，每種頻率的換能器測量一定范圍內的套管厚度，探頭的中心頻率分別為250、350、450kHz，每種頻率的探頭分別對應幾種不同尺寸的掃描頭，用以滿足油田生產中的不同套管內徑尺寸的測量需要。

設計了一種帶有孔洞的套管，采用超聲檢測實驗系統對MUIL儀器在該套管井中進行孔洞測量的物理模擬實驗。圖4（a）所示的套管內徑為245 mm，套管厚度為10mm，內壁共有9個不同直徑的孔洞，直徑依次分別為12、11、10、9、8、7、6、5、4 mm。測量時采用中心頻率為350kHz平面換能器，旋轉掃描頭的直徑為178mm，測量時儀器進行每周60次的超聲波信號采集。圖4（b）為測量的反射波幅度成像及套管厚度曲線成果圖。由幅度成像曲線可見，圖4（b）中大部分區域顏色均勻，說明套管內壁光滑，但某處共有9個亮斑，亮斑的直徑依次減小，最小的亮斑非常微弱，恰好與實際的套管孔洞模型一一對應。厚度成像圖顏色均勻，但與幅度成像圖中亮斑對應的位置有異常變化。由第3道的最大厚度曲線、最小厚度曲線、平均厚度曲線可知，測量的套管厚度大約為10.12mm，與已知套管厚度基本一致，但最大厚度曲線及最小厚度曲線在套管孔洞處顯示有異常值，這是由于在套管孔洞處，MUIL儀器無法測量到套管的共振波，致使套管厚度曲線及厚度成像圖出現異常值。

2.4 套管厚度實驗測量分析

制作了幾種不同厚度的套管，套管的厚度變化范圍為5～17mm，且每隔1mm變化1層，采用超聲檢測實驗系統對不同厚度套管進行套厚測量的物理模擬實驗，測量時儀器在每層厚度的套管掃描1周，記錄60道波形，測量厚度是指60次測量厚度的平均值。表1分別列舉了套管實際厚度、測量厚度及厚度測量誤差值。采用中心頻率為250kHz的探頭，對9～17mm厚度的套管進行測量，實驗結果表明該頻率的探頭可以測量壁厚10～16mm范圍內的套管，測量的最大誤差為2.6%，由于該厚度范圍外的套管的共振頻率超出了250kHz帶寬覆蓋的頻率范圍，因而無法測量。采用中心頻率為350 kHz的探頭，對6～13mm厚度的套管進行測量，實驗結果表明該頻率的探頭可以測量壁厚7～12mm范圍內的套管，測量的最大誤差為3.9%，由于該厚度范圍外的套管的共振頻率超出了350kHz帶寬覆蓋的頻率范圍，因而無法測量。采用中心頻率為450kHz的探頭，對4～8mm厚度的套管進行測量，實驗結果表明該頻率的探頭可以測量壁厚5～7 mm范圍內的套管，測量的最大誤差為4.0%，由于該厚度范圍外的套管的共振頻率超出了450kHz帶寬覆蓋的頻率范圍，因而也無法測量。

圖4 孔洞實驗測量

圖5為表1數據繪制的套管實際厚度與測量厚度對比圖。由5圖可見，不同頻率的探頭對應套管的共振頻率不同，所以測量的套管范圍也不一致；由于換能器頻率帶寬的限制，使用單一頻率的探頭無法測量厚度變化范圍很大的套管。因此MUIL設計3種不同頻率探頭組合的方式進行測量，可以覆蓋的套管厚度范圍為5～16mm，基本覆蓋了油田生產中大多數的套管型號；測量的套管厚度與實際的套管厚度基本一致，厚度的最大誤差不超過4%，可以滿足套管厚度的測量精度要求。

表1 套管實際厚度與測量厚度對比表

圖5 套管實際厚度與測量厚度對比圖

3 結 論

（1）在實驗室自制了超聲波成像檢測系統，采用MUIL多功能超聲成像測井儀在該系統下對不同套損狀況的套管進行檢測，實驗表明該儀器在實驗室可完成套管內壁成像及套管厚度測量，儀器的換能器響應、電子線路及地面數據采集系統均穩定可靠，為儀器功能驗證及井下實際作業打下良好的基礎。

（2）該測井儀采用中心頻率為380kHz的聚焦換能器在成像測量模式下可實現井內壁高分辨率掃描成像，通過幅度及旅行時成像曲線，可以評價井眼內壁腐蝕狀況。

（3）該測井儀采用中心頻率分別為250、350、450kHz的平面換能器在全波測量模式下可實現套管厚度評價，同時也可完成套管內壁的反射波成像，但由于平面換能器的聲斑大于聚焦換能器的聲斑，所以該測量模式的井壁成像分辨率低于成像測量模式的井壁成像分辨率。

［1］ Batakrishna Mandal，Alberto Quintero.A New Monocable Circumferential Acoustic Scanner Tool（CASTM）for Cased－hole and Openhole Applications［C］∥SPWLA 51st Annual Logging Simposium，2010.

［2］ Charles Morris，Lou Sabbagh，Ray Wydrinski，et al.Application of Enhanced Ultrasonic Measurements for Cement and Casing Evaluation［C］∥2007，SPE 105648.

［3］ 姚桂錦.套管井超聲反射法水泥波阻抗反演與應用和柱面Love波分析與SH波場激發的理論研究［D］.長春：吉林大學，2000.

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［5］ 丁燕，喬文孝，車小花.固井水泥聲阻抗對垂直入射超聲脈沖反射波的影響［J］.測井技術，2011，35（1）：55－57.

［6］ 車小花，喬文孝.用超聲脈沖反射譜評價圓管厚度的實驗研究［J］.聲學技術，2003，22（1）：14－29.

［7］ 強毓明，李長文，宋永華，等.多參數超聲工程測井儀原理與應用［J］.測井技術，2004，28（2）：27－30.

［8］ 強毓明，余春昊.多參數超聲工程測井儀原理與實現［J］.石油天然氣學報，2003，25（z1）：26－27.

［9］ 陶愛華，羅瑜林，仇傲，等.變磁阻傳感器在井壁超聲成像測井儀中的應用［J］.石油機械，2009，37（5）：65－67.

［10］李敏，歐莽平，梁國武，等.ELIS成像測井地面系統硬件的設計與實現［J］.石油儀器，2010，24（6）：12－13.

Model Experiments on Casing Inspection with the Multi－functional Ultrasonic Imaging Logging Tool

CHEN Honghai，SUN Zhifeng，WANG Wenliang，LIU Xien
（Well Tech－China Oilfield Services Limited，Beijing 101149，China）

Analyzed are the measurement results on casing damage detection by experimental modeling method.The detection system of multi－functional ultrasonic imaging logging tool is self－made in laboratory.Fractures，perforations and thick of casing are measured by this system.The experimental results show that the tool can detect fractures about 2mm width with focus transducer with 380kHz center frequency.Three different frequency plane transducers with center frequencies being 250kHz，350kHz and 450kHz are used together to detect the casing thickness from 5mm to 16mm.The transducer can inspect the minimum diameter perforations of 5mm.The above results verified the function of casing inspection which is important to development and field applications of the tool.

acoustic logging，ultrasonic pulse echo technique，fracture，perforation，casing thickness，casing inspection

P631.54；TB551

A

2012－01－11 本文編輯 余迎）

1004－1338（2012）04－0340－05

國家科技重大專項（項目編號：2011ZX05020－005）；國家863計劃（批準號：SQ2010AA0920229001）

陳洪海，男，1963年生，高級工程師，從事聲波測井儀器研發。