磁測應力資料的測井解釋方法研究

王忠義，李自平，楊雪冰，馬文中，周志彬，齊向陽

（1.中國石油大慶鉆探工程公司測井公司，黑龍江大慶163412；2.大慶油田第一采油廠，黑龍江大慶163001）

磁測應力資料的測井解釋方法研究

王忠義1，李自平2，楊雪冰1，馬文中1，周志彬1，齊向陽1

（1.中國石油大慶鉆探工程公司測井公司，黑龍江大慶163412；2.大慶油田第一采油廠，黑龍江大慶163001）

磁測應力方法是一種可以直接測得鋼套管內壁應力分布的新技術。磁測應力信息能夠解釋套損危險程度和水驅力的方向；套損危險程度與應力檢測儀器的信號幅度和發生信號異常的極板數量成正比；應力信號的極性代表套管被擠壓或拉伸方向，應力值與信號幅度成正比；由6個極板測量的數據信息構成的平面矢量圖對解釋分析套管受力方向及其相對大小具有實際意義。根據工程需要提出了視應力值的概念，應當從理論和實驗2個方面探索磁測應力儀器的刻度方法，這對該項技術發展完善很重要。

生產測井；測井解釋；套損；磁測應力；視應力；矢量；應力信息成像

0 引 言

套損的監測方法如多臂井徑、超聲電視和管子分析儀等傳統技術所能檢測到的都是已經發生形變或破損之后的狀況［1］，屬于被動檢查。在采用常規的套損檢測方法的同時已經開始嘗試開展套損預測預報技術的應用。應力應變是油水井發生套管損壞前期主要物理信息的反映。磁測應力技術是近年來開發的一種應力信息測量手段，它可以直接測得鋼套管內壁的應力分布狀況。MST－Ⅱ油井套管應力檢測儀器已經達到了工程應用的水平，目前已經開始應用于油田的套損監測預防，取得了一定的進展。磁測應力技術不論其機理還是應用方面還有許多需要研究探討的內容，但是它反映物理信息的規律性和工程應用的可靠性已經得到多方證實。通過理論方法、室內實驗和實際測井資料的分析已經初步研究總結出一套資料解釋方法，它的應用對油田套損檢測預報具有一定指導意義。

1 磁測應力測井儀器技術原理

油井套管應力測量儀器是利用鐵磁體受外部力（張力、壓力、扭力）作用時（包括溫度變化），內部應力σ能引起導磁系統磁導率μ變化的特性，通過測量導磁系統的磁導率變化量Δμ進而檢測鐵磁體內部應力變化。磁導率的變化量Δμ與內應力σ之間有線性關系［2］

式中，λ0為初始磁致伸縮系數；μσ、μ0分別為材料有應力和無應力時的磁導率；σ為材料具有的內應力；Δμ＝μ0－μσ。

定義式（1）中的Δμ／μσ為磁應變，對于同一種材料，λ0、μ0是常數，則磁應變與應力成正比。

基于上述原理研制的套管應力檢測系統包括井下應力測量儀器、地面采集控制系統、室內刻度校驗系統等幾部分內容。其中井下儀器是系統的核心。它包括控制與通訊短節、方位測量短節、多臂井徑短節和應力測量短節等［3－4］。

在研究磁測應力的基礎實驗過程中標準工字型試件拉伸實驗測量的應力方向是Z方向（平行拉力方向），對于拉伸條件下，內部產生正應力σz，測量系統輸出值為正增長，完全符合材料力學的規定。

2 資料解釋的方法研究

資料解釋的目標是根據已知信息判定套損的危險程度、套管受力的方向，這對于用戶檢測套管受力狀況、了解套損區的穩定性、確定油田合理的注水壓力界限和放溢流等生產管理措施的安全界限等問題是很有意義的。

2.1 常規資料分析方法

依據材料力學的規定、有限元仿真、磁測應力的原理和基礎實驗的驗證得出的規律，應力傳感器輸出的正信號對應著試件被拉伸，也就是材料力學中的正應力，即拉應力；應力傳感器輸出的負信號對應著試件被壓縮，也就是材料力學中的壓應力；在彈性范圍內，應力傳感器的信號輸出與拉力成正比。

測井儀器測量值必須經過刻度標定等工程值轉換給出測量結果。但是，由于目前技術條件的限制沒有制作出標準的刻度器，也沒有可用的殘余應力測量和標定的標準儀器，這就給磁測應力方法和儀器的標定造成了困難。目前對MST－Ⅱ油井套管應力檢測儀的刻度標定只能是相對值，其測量結果應當稱作視應力值。盡管如此，這一結果對反映套損的實際狀況非常有用。MST－Ⅱ油井套管應力檢測儀所能提供的是1條方位曲線、1條自然伽馬曲線和6條相隔60°的應力曲線。它們能夠描述出鋼套管的應力分布、受力方向及其彎曲形態，為用戶提供參考。根據實際應用情況總結出應力曲線解釋預測方法與標準如下。

（1）基線的確定。把目的層附近應力起伏小、相對平穩的層段的應力值作為基線。

（2）絕對方位校正。測井曲線的方位值是0號應力極板所對應的參考井位置，需要加上它的參考井方位坐標進行絕對方位校正。

（3）應力滿幅度確定。把已經發生塑性變形部位的應力值做為滿幅度值Sa，它代表最大應力異常。

（4）受力性質判別。外壁受到擠壓（套管內壁軸向拉伸）應力曲線為正異常，反之為負異常；該異常值是指其相對于基值；套管受到剪切作用或剪切變形，應力曲線為對稱分布的正、負異常。

（5）應力幅度判別。應力幅度分為3級，幅度與套管應變程度成正比。變形部位異常出現極大值滿幅度Sa；Sb＝0.6Sa；Sc＝0.3Sa；寬度大于0.3m。套管接頭處應力曲線均為尖脈沖異常。

（6）方位的判別。套管應力測井曲線解釋應以其6個極板的組合特征為主要依據。

式中，θ0是0號極板與參考井的夾角；θc是參考井的坐標；θx是當前位置的坐標。

（7）套損程度判斷。套損分為高度、中度和輕度危險3個級別。高度危險情況下會有5個以上極板出現應力異常，且有2個Sa極大值出現，這種情況基本已經發生套損；把3個以上極板同時有明顯應力異常且幅度較大情況（有2個Sa以上）中度危險時，套管處于彈性與塑性變形的臨界狀態，非常容易發生套損；輕度危險是指有3個極板出現應力異常，但是幅度不大的情況。

由于套管殘余應力、井下工況環境等多因素影響，在判斷套損的問題時還需要考慮多條應力曲線的信息綜合判斷，即曲線組合特征解釋法；同時，依據套損機理研究成果，配合油田井區套損資料、井徑資料和其他地層資料等給予綜合解釋，這對于提高套管應力信息的使用效果和預測套損都十分重要。

根據上述幅度差異法判斷套損的程序流程見圖1。圖2是N－××－221井的測井資料。該井2004年4月14日完井，固井水泥返高763.0m，油頁巖標準層7 4 8.5～7 5 8.5m，磁測應力測量井段為644.0～857.5m。該井750.0～756.0m測量井段磁測應力曲線異常幅度較大，其中2號極板的應力曲線幅度變化最大，4號極板采集的應力曲線幅度變化最異常（見圖2），其中1、2、3號極板應力曲線按測井方向曲線由負異常變為正異常，說明套管內壁受力由壓應力變為拉應力；4、5號極板應力曲線為正異常變化，說明套管內壁受拉應力，根據0號極板方位北東330°計算，該測量井段套管受力為東向擠壓力。從資料上看，已經有5個以上極板有大幅度應力異常，屬于高度危險。結合井徑曲線的變化特征分析，該井段套管可能發生整體微小位移。

圖1 幅值差異法計算流程圖

圖3是N－××－P27井的784～789m井段的測井資料，從左圖的應力曲線中明顯反映出它的優勢，在該段對應的井徑曲線無反映，但是有4個應力臂反映明顯，同時它的鄰層780m附近發生套損，此段應是中度危險段。

圖2 N－××－221井套管應力曲線與井徑曲線對比

2.2 平面矢量分析解釋模式

平面360°的力學測量與分析對解決油井套管受力問題有很好的效果，實踐證明這種方法更具有實際意義。MST－Ⅱ油井套管應力檢測儀提供了平面間隔60°的6個方向（6個極板）的應力數據。按矢量分析的規則，其方向和大小構成了一個標準的矢量圖——力－圓截面圖。通過對重點層位進行“力－圓截面圖”分析，用戶可以看出該層位受力方向和相對大小，其結果對指導注水開發和修改生產方案有一定實際意義。圖4是大慶某采油廠××－143井838m井段的力－圓截面圖。該圖直觀地給出了該井目的層受力方向和相對大小，經核實與該區塊的水驅和套損情況吻合。

與常規的測井資料解釋分析方法相比，目前平面矢量分析解釋模式在力－圓截面圖制作方面麻煩，一旦實現軟件自動圖像生成后就比較簡單，同時該方法形象直觀，用戶易于接受。它將是一種值得探索推廣的解釋模式。

圖3 南××－P27井套管應力曲線與井徑曲線對比

圖4 ××－143井838m井段平面矢量分析圖

2.3 磁測應力方法與資料的特點

對套管損壞的應力特征反映明顯；曲線形態與套管受力趨勢一一對應；通過資料分析可以描述出鋼套管的彎曲形態；對無宏觀形變但是也有套損危險的應力異常部位也有明顯反映，這是其他測井方法無法做到的。

3 應力信息成像技術探討

受力分析成像也是力學分析中常用的輸出顯示方式之一。磁測應力曲線形成方位成像圖的方法是將6條磁測應力曲線數據按照方位布置在一個二維平面上，縱向對應深度，橫向對應角度。橫向布置像素按照6條磁測應力曲線插值得到。像素顏色的選取采用用戶設定相對變動區間的方式進行，以避免磁測視應力值的局部漂移導致方位成像圖的顏色變化不顯著，造成分辨困難；同時，用戶可以在關注區間觀察套管視應力的相對變化。參照應力云圖的顯示方式，正、負異常和色彩的對應關系是紅、黃、綠、天藍、深藍等，正異常越大色彩越亮，越紅；負異常越大色彩越暗。

圖5是程序實現流程圖；圖6是N－××－P33井735m段磁測應力曲線方位成像圖法的處理結果。從處理輸出的結果看，圖像顯示方式形象、直觀。但是在實際的處理過程中需要加入許多人工的輔助調整，自動化程度較低。另外，在成像方式的處理過程中參考信息、可信度和處理標準等還有待統一，目前只能是一種初級模式。

4 結 論

（1）經過20多口井的生產實踐，證明該方法和解釋流程具有較好的可操作性，解釋結果可以滿足工程地質需要。

（2）需要進一步研究認識動態過程和殘余應力對磁測應力測量機理與規律的影響，逐步尋求工程應用的有效刻度方法。

（3）需要深入研究應力成像技術，提高磁測應力技術的應用水平。

磁測應力技術是一門成長中的科學技術，不論理論方法還是測井工程應用的實際經驗都需要不斷探索總結，必須像核磁共振等其他技術在石油行業的應用過程一樣按照“實踐、認識，再實踐、再認識”辯證規律去開發應用這一技術。

［1］ 戴月祥，雪偉，陳風梅，等.套管井測井新技術及其應用［C］∥中國石油天然氣集團公司科技發展部.第三屆測井新技術交流會論文集［M］.北京：石油工業出版社，2007：172－179.

［2］ 王威，王社良.利用逆磁致伸縮效應檢測鋼鐵結構應力狀態［J］.建筑技術開發，2005，32（1）.

［3］ 王忠義，馬文中，周志彬，等.油井套管應力檢測儀器研制與應用［J］.測井技術，2007，31（2）：163－166.

［4］ 王忠義，陳國華，馬文中，等.一種判斷油井鋼套管應力分布狀況的磁敏檢測方法：中國，CN01138879.X［P］.2001－12－18

Study on Interpretation Method of Magnetism－stress Log Data

WANG Zhongyi1，LI Ziping2，YANG Xuebing1，MA Wenzhong1，ZHOU Zhibin1，QI Xiangyang1
（1.Logging Company of Daqing Drilling Engineering Corporation，CNPC，Daqing，Heilongjiang 163412，China；2.No.1Oil Production Plant，Daqing Oilfield，Daqing，Heilonhjiang 163001，China）

Magnetism－stress logging is a new technology which can directly measure stress－distribution of steel casing.The log data can be used to estimate degree of casing damages and direction of waterflood pressure.The degree of casing damage is in direct proportion to the signal amplitude of the MST－Ⅱcasing stress detector and numbers of polar plates with abnormal signals.The polarity of the stress signal indicates the extruded or stretched direction of the casings.The stress value is directy proportional to the signal amplitude.The plane vector chart with 6polar plate measuring data may be used to interprete the degree of the casing damages.Imaging processing of the magnetism－stress logs is a new trend.Calibration methods will be studied in theories and with experiments.A new concept of apparent stress is suggested here.

production logging，log interpretation，casing damage，magnetism－stress，apparent stress，vector，stress data imaging

TE257.1 文獻標識碼：A

2011－06－21 本文編輯 李總南）

張少程，男，1939年生，從事射孔、測井技術研究工作。