四十臂井徑成像與動調式陀螺測斜組合測井

徐建平,尤立忠,屈文杰,張進平,劉立志

(1.西安石油大學石油工程學院,陜西西安710065;2.中國石油大港油田測試公司,天津300280;3.中國石油大港油田第一采油廠,天津300280)

0 引 言

目前油田開發已經進入中后期階段,套損井數量逐年增加,而且套損程度越來越嚴重。受套損井等因素影響,開發井數注采井數比下降,在一定程度上影響了注采井網完善程度。因此,有必要深化研究套損檢測和預防系列技術。目前,中國很多油田擁有的多臂井徑成像測井儀,其測試資料能夠提供套損的形狀與套損深度[1-3]。為了提高多臂井徑成像測井測量準確性,相繼開發研究機械井徑+磁法井徑組合[4]以及機械井徑+伽馬磁定位組合測井技術[5]等。由于多臂井徑成像測井不能給出套損的方位信息,不利于套損確切原因的分析。而陀螺測斜儀器可給出方位數據,許多油田測試單位擁有撓性陀螺測斜儀,應用于老井定向開窗或測斜定位,可在套管內、油管內進行測量,可給出測點井斜及方位角[6]。為能夠提供更準確的套損資料,為套損機理的分析、套損的預測以及注采方案的調整提供更為準確的依據,中國發展了方位井徑成像測井技術[7-8]。但是由于過去多臂井徑成像測井儀和陀螺測斜儀器精度不高,造成組合測井儀器精度較差。考慮目前油田推廣應用的四十臂井徑成像及動調式陀螺儀器的特點[9],為更好地滿足油田套損檢測的需求,開發了四十臂井徑成像測井與動調式陀螺測斜組合測試技術,并且在現場中進行了實際應用,取得很好的工程應用效果。

1 四十臂井徑成像與動調式陀螺測斜組合測井儀器

1.1 組合測井儀器工作原理和結構

(1)四十臂井徑儀器工作原理。儀器測量工作時,40個測量臂張開,通過儀器的40個測量臂與套管內壁接觸,將套管內壁的變化轉為井徑測量臂的徑向位移,通過井徑儀內部的機械設計及傳遞,變為推桿的垂直位移,差動位移傳感器將推桿的垂直位移變化轉換成電信號。電動機拖動測量臂扶正臂的打開與收攏,井徑儀在居中情況下進行測量。儀器的測量臂由彈簧支撐,沿套管內壁運動,測量臂隨套管內壁變化而變化。每支測量臂都對應一支無觸點移位傳感器,每個測臂的位移變化直接反映到相應的傳感器上。將這些位移量處理、編碼、傳送到地面,由地面將其還原成像。

(2)陀螺測斜儀器工作原理。儀器探頭殼體內安裝有轉動機構、電路板、可轉動框架,框架上安裝3只石英撓性加速度表和1只撓性陀螺儀。框架旋轉軸和探頭殼體縱軸對準?？蚣茉谵D動機構驅動下可繞旋轉軸在0°～180°范圍內旋轉。定位裝置保證框架旋轉到0°和180°這2個位置上鎖緊定位。陀螺測斜儀的核心部件就是3只石英撓性加速度表和1只撓性陀螺儀,陀螺和加速度計通過定位面直接安裝在框架上,組成慣性測量組件,該組件通過1對軸承被支撐在外殼上。撓性陀螺和石英加速度計都工作在力反饋狀態,它們的輸出信號通過反饋控制電路同力矩器構成閉路系統。撓性陀螺測量測點地球自轉角速率分量,加速度計測量該點的重力加速度分量。所測信號經采集編碼通過單芯電纜送至地面儀器,經計算機解算可得出井筒的傾斜角、方位角和工具面角等參數。

(3)組合儀器工作原理。在不改變2種儀器通訊傳輸的基礎上,通過四十臂井徑測井儀與陀螺測斜儀的機械結構及電性參數重新設計,將2類儀器連接。在四十臂儀器內部重新構建新的過線,與陀螺測斜儀螺紋連接。通過多芯測井電纜的使用,使其組成儀器串同時下井,可得到獨立的供電和通訊采集。2串儀器硬連接使得四十臂測井儀的測量臂與陀螺測斜儀的高邊位置相對固定。通過地面校對固定測臂與陀螺高邊(小于3°井斜井采用陀螺儀高邊,下井前對北;大于3°采用重力高邊)的關系即可在井下獲得絕對方位和測量臂的對應關系,當井筒變形被測量臂探測到,使陀螺測斜儀工作得到該位置的絕對方位。組合儀器結構見圖1。

實現四十臂井徑和陀螺測斜儀組合關鍵是要實現測井儀器電性參數匹配和機械連接。由于四十臂井徑儀的供電電壓為90 V,張、收臂電壓±105 V;陀螺測斜儀的電路工作電壓為120 V,慣性體的工作電壓為42 V。四十臂井徑的張、收臂電壓儀與陀螺測斜儀的電路工作電壓接近,工作時容易發生沖突。若采用單芯電纜供電方式,無法避免2支儀器的電壓沖突。因此,采用多芯電纜的供電方式(見圖1),形成過芯供電電路,解決2種儀器工作電壓的沖突。由于四十臂井徑儀外徑較大,上下連接端接頭與陀螺測斜儀無法直接連接并且要形成過芯供電電路,實現多芯電纜的傳輸,儀器需進行機械結構改造。為此,將四十臂井徑儀上接口方式更改為同軸4芯滑環TY43接口方式,伽馬磁定位上接口方式更改為1芯TY501接口方式,下端更改為單芯的接口方式,四十臂井徑儀下接口方式更改為1芯TY501接口方式。通過機械結構和電路的改造,實現四十臂井徑儀與陀螺測斜儀的機械連接和電性參數的匹配。組合儀器技術指標基于3支儀器的指標綜合體現,其技術指標見表1。耐溫175 ℃,耐壓94 MPa,精度和測試范圍即為四十臂井徑儀和陀螺測斜儀各自指標。

表1 四十臂與陀螺組合測試儀器的技術指標

2 組合測井數據處理及解釋

四十臂井徑成像與動調式陀螺測斜組合測井資料處理難點在于資料綜合解釋,使用正確的方位校正方法,將分次測試的井徑曲線及陀螺測試資料歸一到相同的儀器姿態,繪制正確的三維網格圖及成像圖,并指示橫截面變形的方向。通過對DG油田數百口井四十臂井徑成像測井實測資料統計分析,在狗腿度變化不大的井段內,儀器旋轉為勻速狀態,即相同時間內儀器旋轉的角度基本穩定,為組合測井的解釋方法研究和軟件編制提供了前提條件。

2.1 算法研究

2.1.1 測臂歸位

對于測井過程中儀器明顯存在旋轉的井,通過實測資料形態分析,確定儀器旋轉的總角度,進而確定單位長度內儀器旋轉的角度;對于四十臂井徑資料上儀器旋轉顯示不明顯的井,可以不用進行測臂歸位。

(1)

ωi=ω0+ωr×H

(2)

式中,ωr為單位長度內儀器沿軸心旋轉總角度;ωT為選取井段內儀器沿軸心旋轉總角度;HT為用于計算儀器旋轉角度的總段長;ωi為第i點儀器相對初始位置旋轉總角度;ω0為所選取井段位置儀器旋轉角度。

2.1.2 儀器中心點坐標計算

對于點測陀螺數據,由于采樣點之間深度間隔較大,2個測點中間的任意一點對應的井斜角、方位角、東西位移、南北位移等參數需要通過插值處理進行計算,本文涉及的測井數據處理解釋采用空間曲線積分法[10],它將相鄰2井斜測點的連線視為一漸變空間曲線其精度將高于常用的井眼軌跡計算方法。

設井斜測量中2個相鄰測點A、B的井深、井斜角和方位角分別為LA、αA、φA和LB、αB、φB增量為ΔL=LB-LA,Δα=αB-αA,Δφ=φB-φA;井斜角和方位角算術均值為αV=(αB+αA)/2,φv=(φB+φA)/2。井眼軌跡計算的目的就是要計算各測量點相對井口位置的各種位移量。

將過A、B點的實際井眼曲線L=L(s)(以弧長s為自變量的空間曲線)分成n個小弧段,每個小弧段的長度均為ΔL/n。將井斜角和方位角增量亦分成n分,且設第1個小弧段的井斜角和方位角為αA和φA,以后每個小弧段的井斜角和井斜方位角均比前一個小弧段增加Δα/n和Δφ/n。當n相當大時,每個小弧段均可近似的看成長度均為ΔL/n的空間小線段,這樣便將空間曲線L(s)用n個小線段近似。第i個小線段的長度ΔL/n,井斜角αA+iΔα/n,方位角φA+iΔφ/n,i=0,1,2,…,n-1,得到公式

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中,α為井斜角;φ為方位角;ΔL為測井斜深增量;ΔS為水平位移增量;ΔH為垂直深度增量;ΔN為南北位移增量;ΔE為東西位移增量。

Ei+1=Ei+ΔE

(8)

Ni+1=Ni+ΔN

(9)

Hi+1=Hi+ΔH

(10)

式中,Ei、Ei+1分別為第i、i+1深度點儀器中心x坐標;Ni、Ni+1分別為第i、i+1深度點儀器中心y坐標;Hi、Hi+1分別為第i、i+1深度點儀器中心z坐標。

2.1.3 任意測量臂末端對應坐標計算

xj=Ei+rcos(φ+ωi)

(11)

yj=Ni+rsin(φ+ωi)

(12)

zj=Hi+ΔLsinθi

(13)

式中,xj為第i深度點第j條測臂末端x坐標;yj為第i深度點第j條測臂末端y坐標;zj為第i深度點第j條測臂末端z坐標;φ為方位角;r為橫截面半徑值;ΔL為測井斜深增量。

2.2 軟件編制

在算法研究基礎上,編制四十臂井徑成像與陀螺測斜組合測井資料解釋軟件,通過該軟件,可綜合利用四十臂井徑曲線、三維網格圖、三維立體圖準確判斷管柱變形位置及形態,還可以指示變形的方位,為后期套損機理、地應力分布等研究提供依據。

3 組合測井儀器室內模擬實驗

3.1 實驗條件和實驗設備

(1)實驗條件。維修檢驗工房,供電有凈化電源,室內空間滿足,技術人員充足。

(2)實驗設備。組合測井儀器1套,陀螺測斜儀地面采集裝置1套,四十臂井徑儀地面采集1臺,模擬電纜盒1個,儀器支撐架2個,陀螺校驗臺1個,四十臂刻度規1個,連接線若干。

3.2 組合測試儀器實驗室模擬實驗

(1)標識高邊對應臂。利用儀器支撐架將組合儀器傾斜放置,與地面夾角大于20°。標識四十臂井徑儀某一測量臂,使其運行面與地面垂直向上,按動該臂,通過曲線變化確定臂號并記錄。使陀螺工作,進行高邊歸零校正。此時,選定測量臂為陀螺高邊位。

(2)四十臂井徑變形位置確認。儀器豎直放置,隨意選擇幾個臂按動,其曲線發生變化,模擬管柱變形位置。從曲線變化辨識所選變形臂的位置臂號并記錄。

(3)陀螺測斜測量高邊及方位。陀螺測斜儀工作,獲取標識臂當前高邊位置及其與真北方位差值,設置為0。

(4)確定變形位置和方位對應關系。利用測出的高邊角所在的方位加上臂與臂之間的固定角差乘以相隔臂的個數可推算變形臂所在的方位(固定角差為9°)。

模擬試驗的測試結果見表2。從曲線變化可看出所選3個臂的位置分別是26、27、28號臂。

表2 模擬實驗結果

由此可以獲得套變部位的地理真方位(測井儀器各傳感器與地理北N的夾角)

α=φ+T+β+σ

(14)

式中,α為套變部位方位角;φ為井眼軌跡方位角;T為工具面角;β為第1個測量臂(傳感器)與工具面的夾角;σ為第n個測量臂(傳感器)與第1個測量臂(傳感器)的角度。

4 四十臂與陀螺組合測井現場應用

運用四十臂井徑與陀螺測斜的組合測試技術對G2井進行了現場試驗,確定了變形的深度、形狀和方位,并分析了地應力方向。G2井井深1 850 m,最大井斜深度在1 650 m,井斜角為1.44°。該井在作業過程中出現工具串起下不暢的情況,懷疑套管存在變形,進行了方位井徑測試,測試井段為1 230～1 350 m,1 580～1 830 m。從測試結果分析,該井套管在1 248～1 251 m、1 639～1 642 m存在2處彎曲變形顯示,其他部位除射孔響應外無明顯變形[(圖2(a)、(b)] 。

圖2 G2井四十臂井徑成像測井曲線

根據圖2(a)四十臂井徑測井資料分析,該井1 248.3 m處存在極小值,從圖3(a)方位井徑圖分析,目前套管橫切面相對于原橫切面(紅色線)并沒出現大的橢變,極大值區域與極小值區域呈對稱分布,表明該段套管由于斷層移動等原因,套管軸心出現一定偏移,呈現較為嚴重的彎曲變形,由于井徑曲線平滑且連續,因此套管并未發生錯斷。從受力方向分析,該段套管受到了西北東南方向力的作用。

圖2(b)顯示該井1 638～1 643 m射孔段也存在輕微的彎曲變形,井徑曲線同時存在極小值與極大值,其中1 640.8 m處彎曲最為嚴重。1 640.8 m處井徑曲線圖分析[見圖3(b)] ,該井橫切面出現了輕微橢變,懷疑是由于射孔破壞造成了該段套管承壓能力下降導致,套管軸心出現東西向輕微偏移,但程度較低,對于修井過程中工具串起下影響不大。

圖3 G2井方位井徑圖

5 結 論

(1)通過四十臂井徑與陀螺測斜組合測試儀器的結構、電性參數匹配,實現電路和機械連接,提高現場采用單項或組合測試的靈活性。

(2)通過室內模擬試驗和現場試驗,顯示2支儀器能夠組合在一起進行供電、互不干擾地工作,并能達到單項的測試精度,錄取到合格的測試資料。

(3)通過對實驗數據以及測試資料的分析和研究,獲得了套損部位的地理真方位(測井儀器各傳感器與地理北N的夾角)。該組合測試技術不僅能夠了解變形井段的深度、變形情況還能夠準確地掌握變形井段的方位,從而為油田套損套變井的修理和預防提供可靠的技術手段。